电子测量与仪器第四章时域测量-电子示波器1

第四章时域测量—电子示波器4.1电子示波器概述4.2波形显示技术4.3示波器的组成和原理4.4高速与取样示波器4.5记忆示波器仪器科学与工程系4.6数字存储示波器厂商:Agilent（HP），Tektronix，RIGOL4.1电子示波器概述电子示波器是一种用屏幕(包括荧光屏、液晶屏)显示电量随时间变化过程的电子测量仪器。它可直观地显示被测信号的波形。一、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③显示电子网络的频率特性④显示电子器件的伏安特性附加功能:频谱分析,信号加减运算等二、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。③工作频带宽，速度快，便于观察高速变化的波形及细节。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，有时还带有频谱分析功能。三、电子示波器的分类：按技术原理分：模拟式、数字式按性能分：①通用示波器(双踪示波器与双线示波器)②高速示波器和取样示波器③记忆示波器与存储示波器④数字存储示波器四、示波器的组成：三大部分：Y通道、X通道、显示屏Y通道X通道X1X2Y1Y2显示屏信号4.2波形显示技术一、示波管(CRTCathodeRayTube)亮度聚焦辅助聚焦~6.3VF电子枪荧光屏偏转系统真空玻璃管后加速极-1kV0V+15kV3部分组成：电子枪、偏转系统、荧光屏１、电子枪灯丝F─采用交流低压，加热阴极阴极K─表面涂有逸出功小的材料(BaO)，温度升高，发射电子第一栅极G1─电位低于阴极，套于阴极之外，对电子形成排斥力，使电子朝轴向运动，形成交叉点，可控制电子流轰击荧光屏的能量，可调节示波器的亮度。（Z轴）第二栅极G2─第一阳极A1─第二阳极A2─第三阳极A3─位于荧光屏附近，高压，电子加速。先偏转后加速，可减小对电子偏转的影响。构成电子透镜，使电子束向轴线聚拢，形成很细的电子束。2、偏转系统偏转分为静电偏转和磁偏转。偏转系统由水平偏转板X(X1、X2)和垂直偏转板Y(Y1、Y2)这两对相互垂直的偏转板组成。在偏转板间加上电压，电子束在电场的作用下偏转。偏转距离与电场强弱有关。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。为了显示信号波形，通常X方向加一线性锯齿波扫描电压，在Y方向加信号输入电压。所形成的电子束在屏幕上按时间沿水平方向展开，形成一条曲线。只有扫描电压频率与被观察信号的频率成倍数关系时，波形才能稳定。Y放大锯齿波扫描电压X1X2Y1Y2信号输入3、荧光屏在荧光屏的玻璃壳内侧涂上荧光粉，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。不同成份的荧光粉，发光的颜包不尽相同，一般示波器选用人眼最为敏感的黄绿色。余辉时间：荧光粉从电子激发停止时的瞬间亮度下降到该亮度的10％所经过的时间称为余辉时间。荧光粉的成份不同，余辉时间也不同。长余辉(100ms~1s)，慢扫描示波器中余辉(1ms~100ms)，普通示波器短余辉(10us~10ms)二、液晶显示(LCD)(平板显示)液晶(LiquidCrystal)是一种介于液体和固体之间(有时称为第四态)，具有规则分子排列的有机化合物。液晶加电或受热后会呈透明的液体状态，断电或冷却后会出现结晶颗粒的浑浊固体状态。可视偏转角170°玻璃板透明电极液晶体透明电极荧光粉（B、G、R）显示的驱动：(1)液晶数码直流电压，液晶电解，寿命(2)点阵式，行列扫描OLCD4.3通用示波器的组成和原理一、通用示波器的组成Y放大X放大Y输入延迟线Y前置放大器输入衰减器扫描发生器环触发电路校准信号发生器外触发输入校准输出内外外内组成：示波管、X通道、Y通道、校准信号、电源过程：被测波形Y通道探头→衰减器→Y前置放大器→延迟线→Y放大器，加到示波管的Y偏转板上。时基发生器产生线性扫描电压，经X放大器放大后，输出锯齿波信号加到X偏转板上。扫描信号：为了在示波管上得到稳定的显示波形，要求每次扫描的锯齿波信号起点，应对应于周期性被显示信号的同一相应点，因此，将被显示信号的一部分送到触发同步电路，产生触发信号启动时基发生器，产生扫描电压。增辉/消隐：扫描正程，加亮(增辉)；扫描回程，使光迹消隐。延迟线：触发点即锯齿波扫描起点并不在被显示信号的起始过零点，为观察信号前沿，在Y前置放大器之后加入延迟线，对Y向信号进行延迟，以确保触发扫描与显示信号同步。内同步，外同步：内触发，外触发。校正器：用来校准示波器，幅度/扫描时间1kHz,5V方波电源：电子束控制电路常与电源连在一起波形显示过程延迟线作用.二、示波器的主要技术性能1、带宽BW、上升时间带宽指Y偏转通道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。目前约1GHz.BW=fH-fL传输函数：如果要求任意形状信号通过该电路时不产生畸变，就要求电路对被传输信号的所有频谱分量的幅频特性为常数。给示波器加载脉冲瞬变信号，上升时间与带宽的关系为：Tr=0.35/BW()()()oiUHU2、偏转灵敏度单位输入信号电压uy引起光点在荧光屏上偏转的距离H称为偏转灵敏度S。单位：div/V偏转因数d=1/S。单位：V/divdHSHuuHSyy3、扫描频率扫描速度就是光点水平移动的速度。单位：cm/s或div/s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所需的时间。扫描频率表示水平扫描的锯齿波的频率。扫描速度越高，表示示波器能够展开高频信号或窄脉冲信号波形的能力越强。为了观察缓慢变化的信号，则要求示波器具有较低的扫描速度。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。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Ri大而输入电容Ci小。输入电容在频率越高时，对被测电路的影响越大。例：SBM-l0，Ri＝1MΩ，Ci＝27pFTDS-3502，Ri＝10MΩ，Ci＝8pF5、触发特性内触发，外触发，电源触发；触发电平，触发极性；电平触发，沿触发6、扫描方式示波器的扫描方式分为：连续扫描和触发扫描此外，还有双时基扫描，延迟扫描，交替扫描等。(双通道)被测脉冲连续扫描连续扫描触发扫描三、电子示波器的基本部件Y垂直通道的任务是检测被观察的信号，并将它无失真或失真很小地传输到示波管的垂直偏转极板上。同时，为了与水平偏转系统配合工作，要将被测信号进行一定的延迟。Y通道由输入电路、延迟线和放大器组成。A、Y通道Y放大Y输入延迟线Y前置放大器输入衰减器1、探头探头可分为无源探头，有源探头，电流探头。无源探头：用示波器观察信号波形时，长的引线会引进杂散干扰，通常采用同轴电缆作为输入引线，以避免干扰影响。因同轴电缆内外导体间存在电容使输入电容显著增加，这对观察高频电路或窄脉冲是很不利的。高频示波器常用电容补偿法提高探头的工作频率。(补偿可以消除电缆的寄生电容)RiCi探头电缆触点CR补偿调节：探头里有一可调的小电容C(5～l0pF)和大电阻R并联。如果设计示波器输入电阻为Ri为，输入电容为Ci，调整补偿电容C可以得到最佳补偿，即满足:RC=RiCi(a)正常补偿RC=RiCi(b)过补偿RCRiCi(c)欠补偿RCRiCi最佳补偿过补偿欠补偿匹配使得失真最小.有源探头：无源探头具有分压作用，不宜用来测量微小的信号。有源探头采用结型场效应构成源极跟随器，具有较低的噪声和较大的过载能力。适宜用来探测频率较高的微弱信号。电流探头：Ｉ－Ｖ变换器。跟随器放大器+E到示波器输入10M欧2、输入耦合方式DC、AC转换开关，直流耦合，交流耦合。3、输入衰减器观察幅度较大的信号时，必须接入衰减器。对衰减器的要求：①输入阻抗高；②线性：同时在示波器的整个通频带内衰减的分压比均匀不变。因下级输入和引线分布电容影响，单纯电阻分压不能达到要求，引入阻容补偿分压器。2101212RCKRRCC输入R1R2C1C2CKACDCRiCiR1、R2－分压电阻(R2包括下一级的输入电阻)C2－下一级的输入电容和分布电容，C1－补偿电容。调节C1，当满足关系式C1R1＝C2R2时，分压比K0在整个通频带内是均匀的，它被表示为(无畸变传输)通常用一个开关换接不同的R2C2来改变衰减量。×10,×14、阻抗变换器阻抗变换器由RLC网络或射极跟随器构成。①高输入阻抗：使得示波器对外呈现高输入阻抗，②低输出阻抗：易与低阻延迟线相匹配5、延迟线由于扫描触发关系，为了正确显示波形，必须将接入Y通道的被测信号进行一定的延迟，以便与水平系统的扫描电压在时间上相匹配。通常延迟时间在50～200ns之间，这个延迟准确性要求不高，但延迟应稳定，否则会导致图像的水平漂移和晃动。(螺旋平衡式延迟电缆、LC延时网络)要求：在工作频带内，①无失真②产生稳定的延时。在带宽较窄的示波器里，一般采用多节LC网络作延迟线；在带宽较宽(大于15MHz时)，则采用平衡螺旋线作延迟线。无论采用哪种延迟线，其特性阻抗均在几百欧姆以下，延迟线的前边必须用低输出阻抗的电路作驱动级，延迟线的后级用低输入阻抗的电路作缓冲器。在示波器的实际电路中，还要接入各种补偿电路，以补偿延迟线及安装过程中引起的失真。6、Ｙ放大器被测信号经探头检测引入示波器后，微弱的信号必须通过放大器放大后加到示波器的垂直偏转板，使电子束有足够大的偏转能量。放大器要考虑两个因素：①放大倍数：调节放大倍数，可调节灵敏度。②带宽：具有足够低的低频截止频率和足够高的高频截止频率。fL受耦合电容和旁路电容影响，增大这些电容或采用直流耦合。fH受晶体管放大倍数和晶体管输出端分布电容影响。为扩大通频带宽度必须采用下列措施：①选用截止频率高的器件，尽量减小负载电容和分布电容，并选取小的集电极电阻。②电路中引入强的负反馈，如放大器开环增益为K0，反馈系数为F，则加负反馈后，高频截止频率扩展为原来的(1+K0F)倍。③在电路中用电抗元件(电容或电感)加以补偿，使放大器截止频率高一些，使总的频率响应在高频端有所提升。放大器的形式：①单端输入放大器：②差动放大器(推挽放大器)：信号在接入放大器时变换成差动信号进行放大。优点是：抑制干扰，改善因环境温度、电源电压、晶体管参数等变化引起的漂移。B、X通道X通道即水平偏转通道，其作用是产生一个与时间呈线性关系的电压，并加到示波管的X偏转板上去，使电子射线沿水平方向线性地偏移，形成时间基线。随时间线性增长的扫描电压加在水平偏转板上，屏幕电子束即能由左向右随时间作水平扫描，这种扫描称为线性时基扫描。其它还有圆扫描、对数扫描等不作介绍。扫描方式：连续扫描，触发扫描示波器的X通道包括三部分:时基发生器是水平通道的核心，它产生线性度好、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电压波，产生对称的锯齿波输至水平偏转板；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。触发方式选择脉冲整形电路扫描闸门扫描发生器水平放大器释抑电路触发电路时基发生器水平放大器1、时基发生器(扫描发生器环)时基发生器由扫描门、积分器、电压比较器和释抑电路组成。扫描门积分器RhChD-E+ERpTb稳定度比较和释抑Ub1E0扫描门电路是一个典型的施密特电路，它是双稳态触发电路，当触发脉冲在t1时刻到来，电路翻转，输出高电平，使得扫描电压发生器开始工作。积分器为密勒积分器，它能产生高线性度的锯齿波电压。当开关K断开时，电源电压E通过电阻只对电容C充电，产生负向锯齿波Uo，此电压一路送至水平放大器，另一路送入时基发生器的电压比较器。积分器的两个稳态相当于开关K的断开和闭合，开关K闭合时，电容C迅速放电，使Uo迅速回升，形成扫描回程电压。密勒积分器电压比较器和释抑电路用于保证产生稳定的扫描信号，不会由于脉冲而产生“误”翻转。比较、释抑电路保证回扫结束后才开始下一次的触发扫描.回扫时不会被误触发又开始一次新的扫描.正程无影响t1---扫描开始tp---Ch开始充电，t2---扫描结束,Ch开始放电回扫时间t