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1、第六章 时域测量本章要点： 示波器的功用、分类、组成和波形显示原理 通用示波器的组成原理、特性与应用 取样技术在示波器中的应用 数字示波器的组成原理、信号采集处理技术、特性与功能本章开始将介绍几种图示式仪器，从三个方面去进行研究，即时域(Time Domain)反映的幅度U与时间T的关系(如示波器)、频域(Frequency Domain)反映的幅度U与频率F的关系(如频谱仪)及调制域(Modulation Domain)。下面将分三章介绍三种图示式仪器：时域示波器、频域频谱仪和数据域逻辑分析仪。 T图6.1 调频波频谱图FU调制域频域时域6.1.1 示波器的功用1. 示波器是一种基本的、应用
2、最广泛的时域测量仪器。2. 是一种全息仪器。示波器能让人们观察到信号波形的全貌，能测量信号的幅度、频率、周期等基本参量，能测量脉冲信号的脉宽、占空比、上升（下降）时间、上冲、振铃等参数，还能测量两个信号的时间和相位关系。这些功能是其它电子仪器难以胜任的。 3. 示波器从早期的定性观测，已发展到可以进行精确测量。4. 示波器是其它图式仪器的基础。对扫频仪、频谱仪、逻辑分析仪以及医用B超等各种图示仪器就容易理解了。6.1.3 示波器的组成 Y（垂直）通道：由探头、衰减器、前置放大器、延迟线和输出放大器组成，实质上是个多级宽频带、高增益放大器，主要对被测信号进行不失真的线性放大，以保证示波器的测量灵
3、敏度。X（水平）通道：由触发电路、时基发生器和水平输出放大器组成，主要产生与被测信号相适应的扫描锯齿波。显示屏：主要由阴极射线管组成，常以CRT (Cathode Ray Tube)表示，通常称为示波管。当前以光点和光栅方式作显示屏的主要采用示波管。另外，平板显示屏是后起之秀，发展很快，尤其是液晶显示屏（LCD）已经应用于示波器了。 Y (垂直)通 道X (水平)通 道电源图6.2 示波器的基本组成显示屏6.2 示波管（CRT） 示波管属于电真空器件，又称为阴极射线管（CRT）。KG1G2A1A2Y2X2F6.3V-1KV0VX1亮度Ug1聚焦UA1辅助聚焦后加速极A315KV电子枪偏转系统荧
4、光屏Y1真空玻璃管图6.3 阴极射线示波管Z轴6.2.1 电子枪电子枪的作用是发射电子并形成强度可控制的很细的电子束。它由以下几部分组成： 1.灯丝F在交流低压(如6.3V)下使钨丝烧热,用于加热阴极。2.阴极K是一个表面涂有氧化钡（其逸出功小，内部自由电子容易逸出）的金属 3.第一栅极G1调节G1的电位可以调节示波器的亮度，常置于示波器面板上供使用。 当控制信号加于G1，其亮度可随之改变，则可以传递信息，称为示波器的Z轴电路。4.第二栅极G2隔离开G1和A1，以减小亮度调节与聚焦调节的相互影响。5.第一阳极A1与第二阳极A2构成一个电子透镜，对电子束起聚焦作用。 6.第二阳极A2是个更大的同
5、轴圆筒，其上电压较高，它主要与A1构成电子透镜。 7.第三阳极A3具有上万伏的高压，用于对电子束加速，故也称后加速阳极。 6.2.2 偏转系统1静电偏转-光点法-用干示波器2.磁偏转-光栅法-用于电视机、计算机显示器及示波器。图6.4 电子束的偏转LSYUyUa屏幕电子束A2比例系数称为示波管的偏转因数，单位为cm/V，它的倒数Dy1hy称为示波管的偏转灵敏度，单位为V/cm。偏转灵敏度是示波管的重要参数。6.2.3 荧光屏在示波管正面内壁涂上一层荧光物质，荧光物质将高速电子的轰击动能转变为光能，产生亮点。 余辉时间：当电子束从荧光屏上移去后，光点仍能在屏上保持一定的时间才消失。从电子束移去到
6、光点：亮度下降为原始值的10，所延续的时间称为余辉时间 小于10s的为极短余辉； 不同荧光材料余辉时间不一样：10s1ms为短余辉（通常是蓝色，便于摄影感光）；1ms0.1s为中余辉（通常为绿色，眼睛不易疲劳）； 0.1s1s为长余辉（通常是黄色）；大于1s为极长余辉（通常是黄色）。6.3波形显示原理6.3.1 显示随时间变化的图形 1.光点扫描显示原理 光点位置控制： uyY1Y212340t1302 4(a)(b)tX2X100uxTsTn+ + + +- - - - - - -+ + +光点在合力作用下移动.2.信号与扫描电压的同步uy12340tTsuxuyuxX1X2Y1Y21234
7、0t0Tn12340图6.6 扫描过程uyTsTnt0135791086420,81,9537210 412681tux25791233445667108图6.7 扫描电压与被测信号同步同步：Tn/TS=nN=1，2，波形稳定若显示两个正弦波怎么办？3.连续扫描和触发扫描连续扫描：一开机就有扫描线，来信号同步后波形才稳定。触发扫描：一开机没有扫描线，来信号触发后波形才稳定。TsttttuyuxuxuxTnTn图6.9 连续扫描和触发扫描的比较1mS1S9996.3.2 显示两个变量之间的关系EUEV长度：饱和度角度：色调Ux和Uy配合起来，即能够画出任意的波形。利用这种特点就可以把示波器变为一
8、个XY图示仪。1.李萨如图形：校准频率指示2.逻辑分析仪：0、1显示3.矢量示波器：色坐标6.3.3 光栅显示原理光栅显示主要用于电视机和计算机的显示器，通常都是采用磁偏转方式的显像管。 1.光栅显示的原理与实现 电子束先要在行、场（即X、Y）扫描的配合下，从左到右、从上到下扫出略有倾斜的水平亮线，这些亮线合成为光栅，如图6.12所示（示意图）。图6.12 光栅显示的扫描过程光栅显示是三维（X、Y、Z）坐标显示。X、Y偏转只用于决定光点在屏幕上的位置，而Z轴电路（见示波管第一栅极）则用于控制光点显示的强弱亮暗，这是由被测信号控制的。 6.3.4 平板显示原理 上述显示是基于电真空器件CRT内进
9、行的，这种方式优点多多缺点不少，引发世人发明多种方案欲取而代入。 显示器总汇与发展历程简介：被动发光平板显示器 （FPD）等离子PDP（紫外线+荧光粉）背光源+液晶板阴极射线管 （CRT）主动发光电致发光EL板荧光VFD显示屏发光二极管LED显示屏场致发射FED表面传导电子（像素点电子源+荧光粉）显 示 器作业：6.56.4 通用示波器6.4.1 通用示波器的组成通用示波器是指示波器中应用最广泛的一种，它通常泛指采用单束示波管、除取样示波器及专用或特殊示波器以外的各种示波器。 图6.19 通用示波器的主要组成框图6.4.2 示波器的Y(垂直)通道示波器的Y通道的任务是将被观测的信号尽量不失真地
10、加到示波管Y偏转板上。 1.探头（探极）与耦合作用提高输入阻抗作用减小外界干扰提高可测测电压幅度分类无源电压探头有源电压探头有源电流探头注意：探头不能张冠李戴，必须配对使用。否则300MHz带宽的示波器可能不到50MHz的效果。 1)无源电压探头20pF示波器180pF探头图6.20 通用示波器探极原理图输入电阻：1M10M输入电容：180pF18pF展宽了频带分压比：101扩展示波器的量程上限附加一个RLC阻抗匹配网络，把工作频率上限提高到了300MHz以上。 图6.22 带有阻抗匹配时的无源探头图6.23 源极跟随器式探头的基本电路2)耦合cACDC50 1M1M地20p730pf.100
11、1k10k100k1Mf1KHz 10K 100K 1M 10M 100M 10M 50 2.输入衰减器 图6.24 输入衰减器原理示意图uiuoC1C2R1R2对于直流或低频情况： 对于高频情况 当满足 R1C1=R2C2 能在很宽频率范围得到最佳补偿，使信号不失真。 R1C1=R2C2R1C1R2C2R1C1tb（释抑放电时间大于回扫时间）图6.32 比较和释抑电路的工作UPuouitptw图6.33 在连续扫描情况下，比较和释抑电路的工作t1t2t4t5t1t3Ch充Ur5)连续扫描状态予置：E0E1环路自激Ch放电至E1打开闸门，扫描开始，到Up ，Ch充电，到E2扫描结束，Ch又放电
12、。当有信号（2号触发脉冲）则环路被信号所同步。6)结论： E0调节触发扫描：E1E0E2-常态连续扫描：E0E1E2-自动、高频外触发扫描： E0E2扫描环的巧妙加入，通过调节E0（RW稳定度）可使电路处于： “常态” 触发扫描状态；“自动” 低频连续扫描状态；“高频” 高频连续扫描状态且不管哪种扫描都能自动与被测信号同步。 说明：上面是以最简单的电路来讲述环路工作原理的，实际 电路更完善更先进。3.X放大器（见前p17框图） 1)作用：放大扫描锯齿电压并对称地加至水平偏转板2)特点：带宽比Y通道窄5-10倍 3)按钮：水平（X）位移- XY工作模式- X扩展-X放大器增益：5；10 6.4.
13、4 示波器的多波形显示1.多线显示和多踪显示1)多线显示两个电子束，两个Y通道相互独立，可以实时看到两个瞬变信号。这种能产生多个电子束的示波管工艺要求较高、价格较贵。 2)多踪显示uAuB图6.34 双踪示波器Y通道方框图工作方式：ABA+BA-B交替断续注意：由谁触发？A 、 B各自触发，则不便比较时间关系。A、B共一触发，便于比较时间关系。(a) “交替”方式 适合观测高频信号 交替描绘A、B两路 非实时（隔周）比较 (b) “断续”方式 适合观测低频信号 多次取样，准实时 波形非连续，可能uAuAuBuB漏掉信息 2.双时基扫描 既可看全景，又可看局部（雷达、特写镜头） 图6.36 双扫
14、描示波器的组成工作方式：A工作模式；B加亮A；A延迟B工作 6.4.5 通用示波器的应用 1.通用示波器的主要技术指标 1)带宽、上升时间Y通道的频带宽度(Bw)， 2)扫描速度 扫描速度反映示波器在水平方向展开信号的能力。扫描速度是光点的水平移动速度，单位是s/cm，或s/div。div(格)一般为1cm。 3)偏转灵敏度 偏转灵敏度Dy反映示波器观察微弱信号的能力。单位为mV/cm或V/div。4)输入阻抗示波器输入阻抗一般可等效为电阻和电容并联。5)扫描方式 示波器扫描方式可分为连续和触发扫描两种，随示波器功能的 扩展，还出现了多种的双时基扫描。主要有延迟扫描、组合扫 描、交替扫描等，但
15、此时示波器中要有两套扫描系统。 6)触发特性 为了将被测信号稳定地显示在屏幕上，扫描电压必须在一定的触发脉冲作用下产生。 2.通用示波器的选用原则选用示波器的主要依据是上述各项技术性能指标，但最主要的是带宽。 示波器Y通道BW=100MHztr=0.35/BW =3.5nStx=0tx=10nStrx=3.5nStrx=？trx=10+3.5 ？因两独立变量应均方相加则 但这样测读太麻烦，最好 这要满足什么条件呢？经误差分析， trx/trx%图6.38 示波器带宽对读出误差的影响可得右图关系：tx/tr=1时，屏幕读数相对误差 通常要求选用的示波器上升时间要 tx/tr=35 对于一般连续信
16、号 BW/fh=35 这里fh是被测信号中的最高频率分量。3.通用示波器的基本测量方法利用示波器可以进行电压、频率、相位差以及其它物理量的测量。在实验中进行。 提问： 1 观测一个10MHz正弦波，为使失真小应选什么示波器？2 测量电视机的视频信号要选什么示波器？ 3 测量电视机的中频信号要选什么示波器？ 4 测量电视机的高频信号要选什么示波器？习题：6.10 30MHz120MHz20MHz 3000MHz6.5 取样技术在示波器中的应用 以上介绍的通用示波器是“实时示波器”，测量时间(一个扫描正程)=被测信号的实际持续时间，看到的就是正发生的。 但有两点不足:1. BW 1500MHz周期重复信号难以实现取样 2. 单次、非周期信号难以观测（拍照）存储 BW再提高受到下列因素的限制：（1）受到示波管的上限工作频率的限制。（2）受Y通道放大器带宽的限制；(3) 受时基电路扫描速度的限制。 6.5.1 取样示波器的基本原理 1.实时取样和非实时取样 取样的概念是以少量间断的样品表征一个连续的完整过程。例如，电影、数字音视频技术都是建立在取样技术的基础上的。 同理，欲观察一个波形，可以把
