第7章 信号波形测量 (1)

电子测量原理第1页第7章信号波形测量7.1概述7.2CRT显示原理7.3通用示波器7.4取样示波器7.5波形存储及显示技术7.6示波器的基本测试技术电子测量原理第2页7.1概述7.1.1示波器的分类根据示波器对信号的处理方式的不同可分为模拟、数字两大类：1模拟示波器——采用模拟方式对时间信号进行处理和显示。2数字示波器——对信号进行数字化处理后再显示。电子测量原理第3页1模拟示波器模拟示波器可分为通用示波器、多束示波器、取样示波器、记忆示波器和专用示波器等。通用示波器采用单束示波管，又可分为单踪、双踪、多踪示波器。多束示波器采用多束示波管，荧光屏上显示的每个波形都由单独的电子束扫描产生。取样示波器可以用较低频率的示波器测量高频信号。记忆示波器采用有记忆功能的示波管，实现模拟信号的存储、记忆和反复显示。专用示波器是能够满足特殊用途的示波器，又称特种示波器。电子测量原理第4页2数字示波器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。数字示波器具有记忆、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7.1.2主要技术指标1．频带宽度BW和上升时间tr示波器的频带宽度BW一般指Y通道的频带宽度。上升时间tr是一个与频带宽度BW相关的参数，表示由于示波器Y通道的频带宽度的限制，反映了示波器Y通道跟随输入信号快速变化的能力。频带宽度BW与上升时间tr的关系可近似表示为30.350.35[],[]10[][]rrtstnsBWMHzBWMHz或电子测量原理第6页7.1.2主要技术指标2．扫描速度扫描速度是指荧光屏上单位时间内光点水平移动的距离，单位为“cm/s”。荧光屏上通常用间隔1cm的坐标线作为刻度线，因此扫描速度的单位也可表示为“div/s”。扫描速度的倒数称为“时基因数”，它表示单位距离代表的时间，单位为“t/cm”或“t/div”，时间t可为μs、ms或s，在示波器的面板上，通常按“1、2、5”的顺序分成很多档。电子测量原理第7页7.1.2主要技术指标3．偏转因数偏转因数指在输入信号作用下，光点在荧光屏上的垂直（Y）方向移动1cm（即1格）所需的电压值，单位为“V/cm”、“mV/cm”（或“V/div”、“mV/div”）。偏转因数表示了示波器Y通道的放大/衰减能力。偏转因数的倒数称为“（偏转）灵敏度”。电子测量原理第8页7.1.2主要技术指标4．输入阻抗当被测信号接入示波器时，输入阻抗Zi形成被测信号的等效负载。5．输入方式即输入耦合方式，一般有直流（DC）、交流（AC）和接地（GND）三种，可通过示波器面板选择。6．触发源选择方式触发源是指用于提供产生扫描电压的同步信号来源，一般有内触发（INT）、外触发（EXT）、电源触发（LINE）三种。电子测量原理第9页7.2CRT显示原理7.2.1CRTCRT主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成，基本结构如下图所示。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电子测量原理第10页1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F、阴极K、栅极G1和G2和阳极A1、A2组成。通过调节G1对K的负电位可控制电子束的强弱，从而调节光点的亮度，即进行“辉度”控制。调节A1的电位器称为“聚焦”旋钮，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”。电子束聚焦的原理是，电子从阴极K发射，经G1、G2、A1、A2聚焦和加速后进入偏转系统。电子测量原理第11页2偏转系统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。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。为了示波器有较高的测量灵敏度，Y偏转板置于靠近电子枪的部位，而X偏转板在Y的右边。电子测量原理第12页2偏转系统电子束在偏转电场作用下的偏转距离与外加偏转电压成正比：示波管的Y轴偏转灵敏度（单位为cm/V）：其倒数为示波管的Y轴偏转因数。偏转灵敏度越大，示波管越灵敏。为提高Y轴偏转灵敏度，可在偏转板至荧光屏之间加一个后加速阳极A3。2yalSyVbVl为偏转板的长度；S为偏转板中心到屏幕中心的距离；b为偏转板间距；Va为阳极A2上的电压。2yalSSbV电子测量原理第13页3荧光屏荧光屏将电信号变为光信号，是示波管的波形显示部分。在使用示波器时，应避免电子束长时间的停留在荧光屏的一个位置，否则将使荧光屏受损。因此在示波器开启后不使用的时间内，可将“辉度”调暗。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”。电子测量原理第14页7.2.2波形显示的基本原理1．显示随时间变化的图形（1）Ux、Uy为固定电压时，有下面四种情况：(a)Ux=0、Uy=0光点出现在荧光屏的中心位置。(b)Ux=0、Uy=常量光点仅在垂直方向偏移：Uy为正电压时，光点从荧光屏的中心往垂直方向上移；Uy为负电压时，光点从荧光屏的中心往垂直方向下移。电子测量原理第15页7.2.2波形显示的基本原理1．显示随时间变化的图形（续）(c)Ux=常量、Uy=0光点仅在水平方向偏移：Ux为正电压时，光点从荧光屏的中心往水平方向右移；Ux为负电压时，光点从荧光屏的中心往水平方向左移。(d)Ux=常量、Uy=常量当两对偏转板上同时加固定的正电压时，光点位置应为两电压的矢量合成。电子测量原理第16页7.2.2波形显示的基本原理1．显示随时间变化的图形（续）（2）X、Y偏转板上分别加变化电压，有下面两种情况：Uy0123401324Uy-Uyt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来回移动，出现一条垂直线段。电子测量原理第17页7.2.2波形显示的基本原理1．显示随时间变化的图形（续）Ux0123401324Ux-Uxt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，出现一条水平线段。电子测量原理第18页7.2.2波形显示的基本原理1．显示随时间变化的图形（续）（3）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电子测量原理第19页7.2.2波形显示的基本原理2．显示任意两个变量之间的关系示波器两个偏转板上都加正弦电压时显示的图形称为李沙育（Lissajous）图形，这种图形在相位和频率测量中常会用到。t0123401234uytux01234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。电子测量原理第20页7.2.2波形显示的基本原理2．显示任意两个变量之间的关系（续）t0123401234uytux01234024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。电子测量原理第21页7.2.2波形显示的基本原理3．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”，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”。电子测量原理第22页7.2.2波形显示的基本原理4．同步的概念（1）Tx=nTy(n为正整数)：荧光屏上将稳定显示n个周期的被测信号波形。uyTyTxuxttn=2如果扫描电压周期Tx与被测电压周期Ty保持Tx=nTy的关系，则称扫描电压与被测电压“同步”。电子测量原理第23页7.2.2波形显示的基本原理4．同步的概念（续）（2）Tx≠nTy(n为正整数)，即不满足同步关系时，显示的波形不稳定。t015(6)234789012345678uytuxTy54xyTT101110911电子测量原理第24页7.2.2波形显示的基本原理5．连续扫描和触发扫描扫描电压是连续的方式称为连续扫描。当欲观测脉冲信号，尤其是占空比很小的脉冲时，采用连续扫描存在一些问题：选择扫描周期等于脉冲重复周期时，难以看清脉冲波形的细节。TsT=Tstt(a)被测脉冲(b)连续扫描，且T=Ts不能观测到脉冲细节电子测量原理第25页7.2.2波形显示的基本原理5．连续扫描和触发扫描（续）选择扫描周期等于脉冲底宽时，观测者不易观察波形，而且扫描的同步很难实现。Tstt(a)被测脉冲(c)连续扫描，且T=T=脉冲得到展宽，但波形显示暗，而时基线太亮电子测量原理第26页7.2.2波形显示的基本原理5．连续扫描和触发扫描（续）触发扫描时，使扫描脉冲只在被测脉冲到来时才扫描一次；没有被测脉冲时，扫描发生器处于等待工作状态。Tstt(a)被测脉冲(d)触发扫描扫描等待能较好地观测脉冲电子测量原理第27页7.2.2波形显示的基本原理6．扫描过程的增辉为了使回扫产生的波形不在荧光屏上显示，可以设法在扫描正程期间，给示波器增辉。若不增辉将产生如图的回扫线t015234678012345678uytuxTyTx=2Ty电子测量原理第28页7.3通用示波器7.3.1通用示波器的组成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输入校准信号输出电子测量原理第29页7.3通用示波器7.3.2通用示波器的垂直通道1．输入电路：包括衰减器和输入选择开关。（1）衰减器vivoR1R2C1C2最佳补偿过补偿欠补偿Z1Z2最佳补偿条件：2211CRCR过补偿：1122RCRC欠补偿：1122RCRC改变分压比的开关为示波器的垂直灵敏度粗调开关，在面板上用“V/cm”标记。电子测量原理第30页7.3通用示波器（2）输入耦合方式输入耦合方式设有AC、GND、DC三档选择开关。观察交流信号时，置“AC”档。确定零电压时，置“GND”档。观测频率很低的信号或带有直流分量的交流信号时，置“DC”档。电子测量原理第31页7.3.2通用示波器的垂直通道2．前置放大器前置放大器将信号适当放大，从中取出内触发信号，并具有灵敏度微调、校正、Y轴移位、极性反转等控制作用。Y前置放大器大都采用差分放大电路，输出一对平衡的交流电压。若在差分电路的输入端输入不同的直流电位，相应的Y偏转板上的直流电位和波形在Y方向的位置也会改变。可通过调节“Y轴位移”旋钮，调节直流电位以改变被测波形在屏幕上的位置。电子测量原理第32页7.3.2通用示波器的垂直通道3．延迟线触发扫描时，扫描的开始时间总是滞后于被观测脉冲一段时间，这样，脉冲的上升过程就无法被完整地显示出来。左图为没有延迟线时屏幕上显示的脉冲。触发点输入信号扫描电压显示波形扫描起点tT电子测量原理第33页7.3.2通用示波器的垂直通道3．延迟线（续）延迟线的作用就是把加到垂直偏转板上的脉冲信号延迟一段时间，以保证在屏幕上扫描出包括上升时间在内的脉冲全过程。触发点输入信号扫描电压显示波形输入信号延迟后td扫描起点tT电子测量原理第34页7.3.2通用示波器的垂直通道4．Y输出放大器Y输出放大器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。Y输出放大器大都采用推挽式放大器，有利于提高共模抑制比。可采用改变负反馈的方法改变放大器的增益（面板上的“×5”或“×10”开关）。