第5章-时域测量

电子测量原理第1页第5章时域测量5.0概述5.1示波器分类5.2模拟示波器（重点）5.3交替与断续显示5.4取样示波器5.5记忆示波器5.6数字存储示波器5.7示波器功能扩展举例5.8示波器的应用与选择电子测量原理第2页5.0概述示波器复现电信号时变规律，是用途广泛的综合性仪器。1、示波器可代替一大堆仪表。理由是：基本电信号V、I、P等都表现为幅度的大小；基本电参数T、f、以及调制特性、失真情况等都是时变规律。2、示波器是唯一可选仪器（对某些参数）。如：阻尼振荡，脉冲的上冲、下冲、上升、下降，重合等。3、配合有关电路组成测试系统。如：晶体管特性图示仪，阻抗、频率、网络测试仪等。第5章时域测量电子测量原理第3页4、结合有关传感器进行非电测量。如：温度、振动、压力、密度以及声、光、热、磁效应等。示波器应用可谓广泛、综合。示波器发展历程1922年制造出第一台阴极射线管1928年制造出第一台实用的阴极射线管1931年制造出第一台示波器（美国）。其特点：误差10%、频带10MHz、单踪、定性、全电子管。五十年代末~七十年代初十余年，示波器发展到第二阶段，其特点：除示波管外电路固态化、精度提高、功能完善。5.0概述电子测量原理第4页第5章时域测量5.1示波器分类按功能分最合理通用示波器（单束单踪、双踪）:多束示波器：类似显象管有R、G、B三束，可同时测几个信号（不同于多踪单束加电子开关）存储示波器：示波管特制，能测瞬时、非周期性信号。专用示波器：电视示波器（矢量）、逻辑分析仪（四踪以上）、晶体管特性图示仪等。简易：带宽100~500KHz低频：带宽1MHz普通：带宽5~60MHz(最常用)宽带：带宽60~1000MHz取样示波器：能测1000MHz以上的信号（通过取样将高频转换成低频）数字示波器：将输入信号数字化（时域取样和幅度量化）后，经由D/A转换器再重建波形。具有记忆、存贮被观察信号功能，又称为数字存贮示波器。电子测量原理第5页重点讲通用型普通示波器（模拟型），其原因：常用、常见。本身具有的它类都有，如：X、Y、Z放大器，高、中、低压电源等。5.2模拟示波器Y输入电路Y前置放大器触发电路延迟线Y后置放大器水平放大器扫描发生器Y输入外触发内外至X偏转板至Y偏转板校准信号发生器低压电源高压电源电源至各电路正高压负高压X输入校准信号输出5.2.1模拟示波器的基本组成约有5个独立部分第5章时域测量电子测量原理第6页Y输入电路Y前置放大器触发电路延迟线Y后置放大器水平放大器扫描发生器Y输入外触发内外至X偏转板至Y偏转板校准信号发生器低压电源高压电源电源至各电路正高压负高压X输入校准信号输出1、示波管：采用内部电偏转方式，分水平（X方向）偏转和垂直（Y方向）偏转，目的是使电子束位移成形。类似电视机的显象管（采用外部磁偏转方式），在某些特殊场合可互代（如在教学中用显象管看大波形）。5.2.1模拟示波器的基本组成电子测量原理第7页Y输入电路Y前置放大器触发电路延迟线Y后置放大器水平放大器扫描发生器Y输入外触发内外至X偏转板至Y偏转板校准信号发生器低压电源高压电源电源至各电路正高压负高压X输入校准信号输出2、垂直信道：简称Y轴由输入电路、Y轴放大器、延迟线等组成，其作用是传输、处理被测信号使电子束上下偏转。5.2.1模拟示波器的基本组成电子测量原理第8页Y输入电路Y前置放大器触发电路延迟线Y后置放大器水平放大器扫描发生器Y输入外触发内外至X偏转板至Y偏转板校准信号发生器低压电源高压电源电源至各电路正高压负高压X输入校准信号输出3、水平信道：简称X轴（有两路）由触发时基电路、锯齿波发生器、水平放大器等组成，其作用使电子束左右偏转。4、Z轴放大：教材框图中有，它是一个放大器，受控点是示波管的阴极，有两个作用：通过调整Z轴放大器的增益改变辉度（亮度）；消除回扫。5.2.1模拟示波器的基本组成电子测量原理第9页Y输入电路Y前置放大器触发电路延迟线Y后置放大器水平放大器扫描发生器Y输入外触发内外至X偏转板至Y偏转板校准信号发生器低压电源高压电源电源至各电路正高压负高压X输入校准信号输出5、供电：将220V市电变换成高压和低压直流电源。其中高压送示波管，作用是使电子束加速产生动能激发荧光粉发光。5.2.1模拟示波器的基本组成电子测量原理第10页5.2.2示波器显示波形的原理1、示波管（CRT）的结构原理FKG1G2A1A2Y偏转板X偏转板辉度聚焦辅助聚焦+E-E荧光屏电子枪偏转系统荧光屏（1）电子枪发射电子并形成很细的高速电子束。由灯丝F、阴极K、栅极G1、加速栅极G2、第一阳极A1、第二阳极A2组成。组成：电子枪；偏转系统；荧光屏分类：单束、多束；电偏、磁偏；长、中、短余辉XZY5.2模拟示波器电子测量原理第11页FKG1G2A1A2Y偏转板X偏转板辉度聚焦辅助聚焦+E-E荧光屏电子枪偏转系统荧光屏聚焦结构：有三个同轴中孔圆筒G2、A1、A2，其长短、孔径和电位不一样（VA1VG2=VA2）。调节A1的电位器称为“聚焦”旋钮(面板)，通过对它进行调节可调节G2与A1和A1与A2之间的电位；调节A2电位的旋钮称为“辅助聚焦”(机内)。调“聚焦”旋钮时不影响辉度(即不改变电子的数量)。XZY发射：F加热800CK发射电子(数量由VG1控制)。VG1高电子多（“辉度”右调），反之电子减少变暗。电子测量原理第12页聚焦的原理（各类示波器的共性）圆筒面积有限、有中孔、孔径不一，筒间电位差形成非均匀电场。电力线和等电位线正交垂直，电子沿电力线反方向(等位线垂直)受力运动。电子在非匀电场中将改变运动方向。左孔对入射电子呈凸镜(等位面)，有电子会聚作用；右孔对入射电子呈凹镜(等位面)，有电子发散作用。左孔小曲率半径小会聚强；右孔大曲率半径大发散弱；会聚占主导，使得电子束变细。V2V1等电位线电力线VA1A1端面电场曲率半径会聚点荧光屏上形成光点。V2V1（1）电子枪电子测量原理第13页电子在电子枪中的运动轨迹与图5.2.3类似。KG1G2A1A2（1）电子枪电子测量原理第14页（2）偏转系统及电子束偏转规律结构：示波管的偏转系统由两对相互垂直的平行金属板组成，分别称为垂直偏转板和水平偏转板。作用：当有外加电压作用时，偏转板之间形成电场；在偏转电场作用下，电子束打向由X、Y偏转板共同决定的荧光屏上的某个坐标位置。FKG1G2A1A2Y偏转板X偏转板辉度聚焦辅助聚焦+E-E荧光屏电子枪偏转系统荧光屏特点：为了示波器有较高的偏转系统:测量灵敏度，Y偏转板置于靠近电子枪的部位，而X偏转板在Y的右边。+ev1、CRT的结构原理电子测量原理第15页FKG1G2A1A2Y偏转板X偏转板辉度聚焦辅助聚焦+E-E荧光屏电子枪偏转系统荧光屏偏转板电压Uy偏转板间距d电子电量e偏转板长度l偏转板内电场E偏转角偏转中心玻屏间距L偏转距离y+++EeyLldUyt0t0+y12221AeUmv能量动能电子束Z方向能量守恒电子束偏转规律：XZY+ev（2）偏转系统及电子束偏转规律电子测量原理第16页偏转板电压Uy偏转板间距d电子电量e偏转板长度l偏转板内电场E偏转角偏转中心玻屏间距L偏转距离yY轴偏转灵敏度Sy本教材定义：偏转1cm所需偏转板电压（V/cm）。+++EeyLldUyt0t0+y1第二定律f=ma2121ay222mveEl则21mveEldldytgLy2222AyAydUlUmeUmldUemeEmfa2221AeUmvmeUvA222vlvl)2.2.5()/(22cmVLldUyUSAyy电子测量原理第17页)/(22cmVLldUyUSAyy普通示波器：Sy=40~10V/cm高灵敏示波器：Sy=2V/cmSx=60~20V/cm+++EeyLldUyt0t0+y1实用的偏转板结构有：斜式、折式、指数式（图5.2.5）高频信号亮度低(电子停留时间短)，若提高UA2增加亮度，则S会下降，通常采用偏转后加速增加动能。FKG1G2A1A2Y偏转板X偏转板辉度聚焦辅助聚焦+E-EA3为避免散焦(电子束内排斥外吸引)，限制UA3:UA22:1。图5.2.5采用石墨螺旋带逐级后加速方式。UA3:UA26:1加金属网的UA3:UA210:1电子测量原理第18页（3）荧光屏荧光屏是示波管的显示部分原理：电子动能转化为光能。荧光质：硅酸盐（ZnSiO4:Mn），绿光，中余辉。硫化物（ZnS:Cn），黄绿光，中余辉。人眼绿光敏感(视敏曲线峰值)，蓝光对胶片敏感(摄影)余辉：当电子束停止轰击荧光屏时，光点仍能保持一定的时间，这种现象称为“余辉效应”。高速信号用短余辉：10S~1mS；低速信号用长余辉：0.1~1S；一般信号用中余辉：1mS~0.1S。荧光涂铝（0.5~1m）优点有反光使亮度提高有利于散热外接后加速电压，可以吸收二次电子。帧形：早期圆形管、外刻度、有视差；现代矩形管、内刻度、无视差，一般为810（div）。1、CRT的结构原理电子测量原理第19页2、示波管波形显示原理（1）电子束沿uy与ux作用的合成方向运动ux、uy为固定电压时，有下面四种情况：（b）ux=0、uy=常量：光点仅在垂直方向偏移，当uy0时，光点从中心垂直上移；当uy0时，光点从中心垂直下移。（c）ux=常量、uy=0：光点仅在水平方向偏移，当ux0时，光点从中心水平右移；当ux0时，光点从中心水平左移。（d）当两对偏转板上都加正电压时，光点位置为两电压的矢量合成(第1项限)。（a）ux=0、uy=0：光点出现在荧光屏的中心位置。5.2.2示波器显示波形原理电子测量原理第20页（1）电子束合成方向运动在Y偏转板上加变化电压：仅在垂直偏转板的两板间加正弦变化的电压，则光点只在荧光屏的垂直方向上下移动，呈现为一条垂线。仅在水平偏转板的两板间加锯齿电压，则光点只在荧光屏的水平方向来回移动，呈现为一条水平线段。在X偏转板上加变化电压：Ux0123401324Ux-Uxt左中右Uy0123401324Uy-Uyt上中下电子测量原理第21页Y偏转板加正弦波信号电压，X偏转板加锯齿波电压：荧光屏上将显示出被测信号随时间变化的一个周期的波形曲线。Uy0123401324Uy-Uyt0UxtUx-Ux左右上中下图5.2.7（1）电子束沿uy与ux作用的合成方向运动电子测量原理第22页李沙育(Lissajous)图形在相位测量中常会用到。示波器两个偏转板上都加正弦电压，若两信号的初相相同，且在X、Y方向的偏转距离相同，在荧光屏上画出一条与水平轴呈45度角的直线。若两信号的初相相差90度，且在X、Y方向的偏转距离相同，在荧光屏上画出的图形为圆。t0123401234uytux01234024上中下右中左t0123401234uytux01234上中下右中左图5.2.6（1）电子束合成方向运动电子测量原理第23页如果垂直偏转板不加电压，在X偏转板上加一个随时间线性变化的电压ux=k1t，k1(V/t)那么光点在水平方向的偏移距离为x=ux/Sx=k1t/Sx=kt(cm)—(5.2.5)（2）扫描的概念光点在锯齿波作用下扫动的过程称为“扫描”，能实现扫描的锯齿波电压称为扫描电压，光点自左向右的连续扫动称为“扫描正程”，光点自荧光屏的右端迅速返回左端起扫点的过程称为“扫描逆程”。k(cm/s)比例系数Sx(V/cm)称为示波管的X轴偏转灵敏度（表示X轴偏转1cm需要加多大的偏转电压）。普通示波器：Sy=40~10V/cmSx=60~20V/cm2、示波管波形显示原理电子测量原理第24页（3）同步的概念如果扫描电压周期Tx与被测电压周期Ty保持Tx=nTy的关系，则称扫描电压ux与被测电压uy“同步”。若n为正整数，则荧光屏上将稳定显示n个周期的被测信号波形。2、示波管波形显示原理图5.2.8n=2的