电子测量技术基础第四章.

电子测量技术基础第1页4.1概述示波器：是一种用荧光屏显示电量随时间变化过程的电子测量仪器。电子测量技术基础第2页4.1概述电子示波器的基本特点：①能显示信号波形，可测量瞬时值，具有直观性。②输入阻抗高，对被测信号影响小。测量灵敏度高，并有较强的过载能力。目前示波器的最高灵敏度可达到10µv/div.③工作频带宽，速度快，便于观察高速变化的波形的细节。目前示波器的工作频带最宽可达1000MHz，预计不久将研制出带宽2GHz以上的示波器。④在示波器的荧光屏上可描绘出任意两个电压或电流量的函数关系，故可作为比较信号用的高速X—Y记录仪。电子测量技术基础第3页4.1概述电子示波器的主要用途：①观测电信号波形。②测量电压电流的幅度、频率、时间、相位等电量参数。③显示电子网络的频率特性。④显示电子器件的伏安特性。电子测量技术基础第4页示波器发展历程二十世纪四十年代，泰克成功开发带宽10MHz的同步示波器五十年代，电子示波器的带宽达到100MHz六十年代，出现带宽6GHz的取样示波器、带宽4GHz的行波示波管、1GHz的存储示波管；便携式、插件式示波器成为系列产品。七十年代，模拟式电子示波器达到高峰，出现带宽1GHz的多功能插件，模拟示波器从此没有更大的进展，开始让位于数字示波器八十年代，数字示波器异军突起，成果累累，大有全面取代模拟示波器之势，模拟示波器逐渐从前台退到后台。九十年代，数字示波器除了提高带宽到1GHz以上，更重要的是它的全面性能超越模拟示波器电子测量技术基础第5页4.1概述模拟示波器（CRT）模拟示波器，采用的是模拟电路（示波管，其基础是电子枪）电子枪向屏幕发射电子，发射的电子经聚焦形成电子束，并打到屏幕上，屏幕的内表面涂有荧光物质，这样电子束打中的点就会发出光来。电子测量技术基础第6页4.1概述数字示波器（DSO）数字示波器是数据采集，A/D转换，软件编程等一系列的技术制造出来的高性能示波器。数字示波器一般支持多级菜单，能提供给用户多种选择，多种分析功能。还有一些示波器可以提供存储，实现对波形的保存和处理。电子测量技术基础第7页4.1概述数字荧光示波器实时显示、存贮和分析复杂信号的三维信号信息：幅度、时间和整个时间的幅度分布。电子测量技术基础第8页4.1概述高灵敏度示波器带宽很低，1MHz左右灵敏度很高，可到几十微伏每格用以测量和显示一般示波器不能观察到的各种微弱的电信号电子测量技术基础第9页4.1概述虚拟示波器利用计算机资源做数据处理和显示体积小巧可通过互联网进行远程控制电子测量技术基础第10页模拟和数字示波器的比较波形显示示波器类别简单重复信号复杂动态重复信号定时测量非重复单次信号触发功能预触发示波器带宽数据处理稳定信号变化信号异常信息缓变信号随机毛刺快沿信号模拟示波器CRT显示技术好好差差差差好差不能边沿不能低不能DSO示波器等效采样技术好差差好差好差好差多种能高能DSO示波器实时采样技术好好好好好好差好好多种能高能电子测量技术基础第11页模拟示波器的某些特点，却是数字示波器所不具备的：1.操作简单全部操作都在面板上可以找到，波形反应时，数字示波器往往要较长处理时间。2.垂直分辨率高连续而且无限级，数字示波器分辨率一般只有8位至10位。3.数据更新快每秒捕捉几十万个波形，数字示波器每秒捕捉几十个波形。4.实时带宽和实时显示连续波形与单次波形的带宽相同，数字示波器的带宽与取样率密切相关，取样率不高时需借助内插计算，容易出现混淆波形混合示波器。模拟和数字示波器的比较电子测量技术基础第12页4.2示波管示波管：是一种整个被封闭在玻璃壳内的大型真空电子器件，也叫阴极射线管。用途是将电信号转变成光信号并在荧光屏上显示。电子测量技术基础第13页4.2示波管电子枪:电子枪的作用是发射电子并形成很细的高速电子束。它由灯丝h、阴极K、栅极G1和前加速极G2和第一阳极A1、第二阳极A2组成。当电流流过灯丝后对阴极加热，阴极产生大量电子，并在后续电场作用下轰击荧光屏发光。电子测量技术基础第14页4.2示波管偏转系统：偏转系统由水平偏转板X1、X2和垂直偏转板Y1、Y2这两对相互垂直的偏转板组成。如果仅在Y1Y2偏转板间加电压，则电子束将根据所形成的电场的强弱与极性在垂直方向上运动。同理，在X1、X2间加电压，电子束将根据电场的强弱与极性在水平方向上运动，电子束最终的运动情况取决于水平方向和垂直方向电压的合成作用，当X、Y偏转板加不同电压时，荧光屏上亮点可以移动到屏面上的任一位置。电子测量技术基础第15页4.2示波管电子测量技术基础第16页4.2示波管为了显示电信号的波形，通常在水平偏转板上加一线性锯齿波扫描电压ux，该扫描电压将Y方向所加信号电压uy作用的电子束在屏幕上按时间沿水平方向展开，形成一条“信号电压—时间”曲线，即信号波形电子测量技术基础第17页4.2示波管电子测量技术基础第18页4.2示波管荧光屏：在荧光屏的玻壳内侧涂上荧光粉，就形成了荧光屏，它不是导电体。当电子束轰击荧光粉时，激发产生荧光形成亮点。余辉时间：光电子停止轰击后，亮点不能立刻消失而要保留一段时间，亮点辉度下降到原始值的10%所经过的时间叫余辉时间。电子测量技术基础第19页4.2示波管示波管的电源：为使示波管正常工作，对电源供给有一定的要求。规定第二阳极与偏转极之间电位接近，偏转板的平均电位为零或接近为零。阴极必须工作在负电位上，栅极G1相对阴极为负电位（-30v~100v）第一阳极为正电位（+100v~+600v）,用作聚焦调节。第二阳极与前加速极相连，对阴极为正电压（约+1000v）,相对于地电位的可调节范围为±50v.电子测量技术基础第20页示波管结构图电子测量技术基础第21页4.3电子示波器的结构与性能示波器主要由示波管、Y垂直通道和X水平通道三部分组成。此外，还包括电源电路及扫描信号发生器。电子测量技术基础第22页4.3电子示波器的结构与性能4.3.2示波器的主要性能指标1.频率响应示波器最重要的工作特性就是频率响应fh，也叫带宽。这是指垂直偏转通道(Y方向放大器)对正弦波的幅频响应下降到中心频率的0.707(-3dB)的频率范围电子测量技术基础第23页2.偏转灵敏度（S）单位输入信号电压uy引起光点在荧光屏上偏转的距离H称为偏转灵敏度S：4.3电子示波器的结构与性能dHSHuuHSyyd为灵敏度的倒数1/S,称为偏转因数。S的单位为cm/V、cm／mV或diV／V(格／伏)，d的单位为V／cm。电子测量技术基础第24页4.3电子示波器的结构与性能在测量时，可从示波器垂直通道衰减器刻度可读得它的偏转因数d，根据显示的波形高度H,可求得显示波形的电压幅度。例如：d＝2V／cm，荧光屏上uy波形高度H＝2．6cm，则所观察波形幅度uy＝2V／cm×2.6cm＝5.2V。电子测量技术基础第25页4.3电子示波器的结构与性能3．扫描频率示波器屏幕上光点水平扫描速度的高低可用扫描速度、时基因数、扫描频率等指标来描述。扫描速度就是光点水平移动的速度，其单位是cm／s或div／s(格／秒)。扫描速度的倒数称为时基因数，它表示光点水平移动单位长度(cm或div)所需的时间。扫描频率表示水平扫描的锯齿波的频率。电子测量技术基础第26页4.3电子示波器的结构与性能4．输入阻抗输入阻抗是指示波器输入端对地的电阻Ri和分布电容Ci的并联阻抗。在观测信号波形时，把示波器输入探头接到被测电路的观察点，输入阻抗越大，示波器对被测电路的影响就越小，所以要求输入电阻大而输入电容小。输入电容在频率越高时，对被测电路的影响越大。电子测量技术基础第27页4.3电子示波器的结构与性能5．示波器的瞬态响应示波器的瞬态响应就是示波器的垂直系统电路在方波脉冲输入信号作用下的过渡特性。6．扫描方式示波器中的扫描电压锯齿波是一种线性时间基线。线性时基扫描可分成连续扫描和触发扫描两种方式。电子测量技术基础第28页4.4电子示波器的Y、X通道及校正器4.4.1垂直偏转通道（Y通道）垂直通道的作用——将输入的被测信号进行衰减或线性放大后，输出符合示波器偏转要求的信号，以推动垂直偏转板，使被测信号在屏幕上显示出来。垂直通道的构成——输入电路、阻抗变换器、延迟线和放大器等。1．输入电路输入电路主要是由探头、衰减器构成。整个输入电路可以看成是一个二端网络（交直流耦合电路）1）输入耦合方式输入耦合方式设有AC、GND、DC三档选择开关。置“AC”档时，适于观察交流信号；置“GND”档时，用于确定零电压；置“DC”档时，用于观测频率很低的信号或带有直流分量的交流信号。电子测量技术基础第29页4.4电子示波器的Y、X通道及校正器4.4.1垂直偏转通道（Y通道）2）衰减器（阻容补偿分压器）衰减器作用——衰减输入信号，进行频率补偿。衰减器的衰减量为调节C1使得满足Z1、Z2表达式中分母相同，衰减器的分压比电子测量技术基础第30页4.4电子示波器的Y、X通道及校正器4.4.1垂直偏转通道（Y通道）3）探头用示波器观察信号波形时，长长的引线往往会引进各种杂散干扰，所以通常使用同轴电缆作为输入引线。2.阻抗变换器阻抗变换器一般可由射极跟随器构成。电子测量技术基础第31页4.4电子示波器的Y、X通道及校正器4.4.1垂直偏转通道（Y通道）3.延迟线延迟线的作用是把加到垂直偏转板上的脉冲信号延迟一段时间，使信号出现的时间滞后于扫描开始时间，保证在屏幕上扫描出包括上升时间在内的脉冲全过程。迟线的输入级需采用低输出阻抗电路驱动，而输出级则采用低输入阻抗的缓冲器。电子测量技术基础第32页4.4电子示波器的Y、X通道及校正器4.4.1垂直偏转通道（Y通道）4.垂直偏转放大器垂直偏转放大器功能是将延迟线传来的被测信号放大到足够的幅度，用以驱动示波管的垂直偏转系统，使电子束获得Y方向的满偏转。Y输出放大器应具有稳定的增益、较高的输入阻抗、足够宽的频带、较小的谐波失真。垂直偏转放大器大都采用推挽式放大器，以使加在偏转板上的电压能够对称，有利于提高共模抑制比。电路中采用一定的频率补偿电路和较强的负反馈，以使得在较宽的频率范围内增益稳定。还可采用改变负反馈的方法变换放大器的增益。电子测量技术基础第33页4.4电子示波器的Y、X通道及校正器4.4.2水平偏转通道（X通道）作用：水平通道的主要任务是产生随时间线形变化的扫描电压，再放大到足够的幅度，然后输出到水平偏转板，使光点在荧光屏的水平方向达到满偏转。1.扫描分类线性时基扫描方式可分为连续扫描和触发扫描1)电子测量技术基础第34页4.4电子示波器的Y、X通道及校正器4.4.2水平偏转通道（X通道）1)电子测量技术基础第35页4.4电子示波器的Y、X通道及校正器4.4.2水平偏转通道（X通道）2.水平通道的组成框图时基发生器是水平通道的核心，用来产生线性度好、频率稳定、幅度相等的锯齿波电压；水平放大器用来放大锯齿波电压，输出对称的锯齿波电压，加至水平偏转板；触发电路控制时基的扫描闸门，以实现与被测信号的严格同步。电子测量技术基础第36页4.4电子示波器的Y、X通道及校正器4.4.2水平偏转通道（X通道）3.由时基闸门、扫描发生器、电压比较器和释抑电路组成。电子测量技术基础第37页4.4电子示波器的Y、X通道及校正器4.4.2水平偏转通道（X通道）1）时基闸门电路（施密特电路）施密特触发电路是一种波形整形电路，当任何波形的信号进入电路时，输出在正、负饱和之间跳动，产生方波或脉波输出。施密特触发电路有两个临界电压且形成一个滞后区，可以防止在滞后范围内的噪声干扰电路的正常工作。如遥控接收线路，传感器输入电路都会用到它整形。电子测量技术基础第38页4.4电子示波器的Y、X通道及校正器4.4.2水平偏转通道（X通道）2）扫描电压产生器（密勒积分器）01,0~oEEVdtttCRRC扫描电压产生器是一个密勒积分器，它能产生高线性度的锯齿波电压。当开关S断开时，电源电压E通过电阻R对电容C充电，产生负向锯齿波U0，此电压一路送至水平放大器，另