《示波测量技术》PPT课件

6.1概述 示波器功用： 一般地，示波器大多作为一种时域图示测量仪器使用，它可以显示各种时间函数f(t)的波形，并对其参数进行测试，如脉冲信号的前后沿脉宽，周期，当然也可以显示任意两变量间的关系。,第六章 示波（时域）测量技术,示波器分类： 通用示波器 取样示波器 逻辑示波器 存储示波器 给示波器加上各种配件即可组成各种监测仪，本章主要介绍示波器的基本原理，基本组成。,一、 示波器基本组成,6.2示波测试基本原理,示波器主要由Y(垂直)通、x(水平)通道和显示屏三大部分组成，如图所示。 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，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。,二、 阴极射线示波管（CRT）,1.电子枪 （1）电子在电场中的运动 前者为电子穿越加速场, U2U1 电子向轴线收拢 后者为电子穿越减速场， U2U1. 发散 可证明,（2）静电式CRT中的电子枪 UG1UG1 : G1至G2电子束聚拢 UA1UA1: A1至A2电子束聚拢 调节UA1可达到使电子束在荧光屏聚拢的目的,当然也可调UA2 (辅助聚焦).,2.偏转系统 偏转系统由一对Y(垂直)偏转板和一对X(水平)偏转板(均为金属板)组成. 偏转板位于电子枪之后,板上加电压将影响电子运动轨迹(两对板上电位两两相等,电子束打在荧光屏正中).,以Y偏转系统为例:可以证明,在Uy(偏转电压)的 作用下电子在Y方向的偏转距离为: 由于l、s、b、va为定值,故 上式还可写成: ，hy为偏转因数(cm/V),其值越大越好 ，DY为偏转灵敏度(V/cm),其值越小越 好。示波管重要参数,3.荧光屏 由磷光质材料制成,受电子轰出后能产生辉光,即电子动能变成光能及热能. 利用余辉可以使人们看到一连续波形 长余辉:低频 0.1s-1s 中余辉:中频 1ms-0.1s 短余辉:高频 10us-1ms,三、 图像显示基本原理 1.显示随时间变化的图形 （1）扫描的概念 在X(水平)偏转板上加上一个随时间做线性变化的锯齿波电压,也称扫描电压. 波形显示原理: Y轴通常为输入信号 X轴此时为时间轴,若Y输入f(t)，屏幕上显示的是随时间变化的波形f(t).,只加VY信号,显示一条垂线,如左图;只加VX信号,显示一条做匀速运动的直线,如右上图; 同时加UX 、UY, 显示随t变化 的波形,如右图:,（2）信号与扫描电压的同步 当Tn=nTs时(n=1,2),称信号和扫描电压同步,此时可得到稳定、清晰的图像.其中Tn为扫描电压周期，Ts为被测信号周期。若不满足条件,则得不到所需波形或稳定的波形.下图为Tn=2Ts时的图像.,由于Tn与Ts为两个无关信号,为了保证Tn=nTs,必须有同步电路来迫使Tn=nTs.对于同步电路在后叙述.,（3）连续（自激）扫描与触发扫描 连续扫描- 扫描电压为连续的周期性锯齿波 特点:Uy=0时,屏幕也显示一条时基线 应用:观测连续信号波形 触发扫描-只有当触发脉冲到来时,锯齿波发生器才开始工作并进行扫描 特点:Uy=0时,屏幕无显示 应用:研究脉冲波过程参数,特别是 /Ts很小的信号,现代示波器可选择任一种扫描方式工作,下图是连续扫描和触发扫描方式下对脉冲波形的观测: (b)脉冲细节看不清 (c)时基线太亮不易 观察，难同步 (d)能较好的观测 脉冲,（4）扫描过程的增辉 实际的扫描电压是非理想的,扫描回程将产生回程线. 克服方法:在扫描正程给示波器增辉,即正程才可显示,回程不显示. 增辉方法:在扫描正程期间给示波管第一栅极G1加正脉冲或给阴极K加负脉冲.,2.显示任意两个变量间关系 若X偏转板不加扫描信号,将两变量信号分别加到Y,X偏转板,则可显示两变量间的关系.,例:李沙育图形 下图为ux与Uy同频率和用示波器观察射随器跟随过程ui-uo图.,一、 基本组成 通用示波器主要由示波管、垂直通道和水平通道三部分组成.此外还包括电源电路,它产生示波管和仪器电路中需要的多种电源.,6.3通用示波器,二、 示波器的垂直（Y）通道 1.输入电路 作用:衰减过大的 输入信号,以免失真. 通常由如右图示的 一系列RC(脉冲)分压器组成 衰减系数: K=V0/Vi=Z2/(Z1+Z2) Z1 = R1(1/jC1)/(R1+1/jC1)= R1/(1+jC1R1) Z2 = R2(1/jC2)/(R2+1/jC2)= R2/(1+jC2R2),若满足:C1R1=C2R2 为最佳补偿 则 K=V0/Vi=R2/(R1+R2),2.延迟线 分布参数式:螺旋平衡时延迟电缆 集中参数式:LC延迟网络 作用:保证能显示脉冲前沿 原理:将输入信号延迟使其滞后于扫描开始时间 下图a为无延迟线的情况,图b为加延迟线后的情况,3.Y放大器 Y通道的主放大器 功能：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. 特点：具有稳定的增益,较高的输入阻抗,足够的频带,较小的谐波失真. 结构：差分平衡放大器,三.示波器的水平（X）通道 组成：触发电路 扫描发生器环 X放大器 1.扫描发生器环（时基电路） 产生符合一定标准的稳定的锯齿波电压,其组成如下图:,（1）积分器 功能：形成线性良好的锯齿波 当E,R,C一定, V0与t成正比 定义扫描速度 Ss=t/x (t/cm) X-光迹在水平方向偏转的距离 t-偏转X所对应的时间,（2）扫描门 功能:产生控制积分器开关S的门控信号 要求:能与被测信号同步,完成连续、触发扫描 组成:施密特触发电路 双稳触发器,触发扫描态:调W(稳定度)使Vb1介于E1,E2间 有触发脉冲时V0=1,开始扫描 无触发脉冲时V0=0, 无扫描,显示一点 连续扫描态:调W使Vb1 E1 ,无论有无触发均有V0=1,无信号时 显示一直线 X外加信号态(不扫描):调W使E2较多,无论有无触发均有V0=0, 无扫描电压输出,（3）比较和释抑电路 功能：保证每次扫描在同一电平开始,T导通时,Uch下降(充电) T截止, Uch上升(通过Rh放电),上图为触发的扫描状态: t=t2, Ui=E2,扫描正程结束,开始回程扫描,积分器电容放电 t2-t3 完成回程扫描过程 选择thtb,可保证回扫结束后扫描门才可触发 t2-t3 “抑”，触发脉冲不起作用 t3以后,“释”，可触发 Up变化,使得t2变,最终导致U0变,连续扫描状态的同步: 调稳定度使Ui =E0 无论有无脉冲均可扫描 有脉冲,t4开始二次扫描(同步) 无脉冲,t5开始二次扫描 增辉脉冲可从扫描门取出(正,负均可),2.触发电路 产生与被测信号周期相关的触发脉冲。脉冲宽度与幅度均确定.,触发源 .内触发(+,-):被测信号作触发源 最常用 .外触发(+,-):利用外界信号作触发信号,常用来 比较两信号的时间关系,触发信号 与被测信号有一定关系. .电源触发(+,-):在观测与电源有关的信号时选择 （耦合）方式选择 DC: 用于接入直流或缓慢变化信号,一般用于外触 发或连续扫描方式 AC: C1起隔直作用.用于观察交流信号 低频抑制（LFREJ）:C1与C2串联后抑制约为2KHZ以下低频 部分 高频耦合（HF）:C1 和C3串联后,CC1 较小, 只允许通过较高频(一般5MHZ)信号 高频抑制（HFREJ）：,触发极性 .正极性(正斜率):V1接触发信号,V2接电平电位器 .负极性(负斜率):V1接电平电位器,V2接触发信号 触发电平 当U1 = U2时,电路翻转,输出触发脉冲 触发电平与触发极性配合可在波形任一点进行触发.,6.4示波器的多波形显示,功用:比较电路各点波形的幅度、相位、时间关系、 失真情况,观察一脉冲序列的某一部分. 一、多线显示与多踪显示 1.多线显示 CRT可产生多个电子束(用多个电子枪或一个电子枪产生)有两套偏转系统,工艺制作困难价格较贵. 2.多踪显示 组成与普通示波器类似,区别在于Y通道加电子开关分离波形.,双踪显示示意图: 电子开关对YA,YB进行时间分割即可进行双踪显示,1.交替工作方式(ALT) 开关转换频率=扫描频率 受扫描电路控制 YA,YB轮流显示 条件:转换频率高于25HZ 用于信号频率较高情况,2.断续(CHOP)工作方式: 电子开关工作于自激状态 ,不受扫描电路控制,频率一般在100-1000KHZ 范围内.显示波形为不连续状 原理:两个通道信号用同一个扫描电压展开,电子开关高速将信号分成很多小段轮流显示 适用较低频信号显示,二、双扫描示波显示 1.双扫描显示的用途 主要用于显示由不同幅度和形状组成的复杂的周期性波形序列中任意一个波形的变化过程.如图:若想观测3脉冲前沿,用单扫描示波器难以显示,无论触发电平放在何位置均不能在3处起扫,2.双扫描电路的组成,X通道有两个时基电路,其可以是两个结构相同的独立部分,常用的是其中一个为独立(称A扫描),另一个(B扫描)只有在A扫描工作后的某一时刻才开始扫描,二者扫速可以不同,一般也称延迟扫描,双扫描一般有三种工作方式: （1）A工作模式 只有A扫工作,B扫不工作,相当于单扫描示波器 （2）B加亮A工作模式 A扫展示信号全貌,B扫加亮信号中感兴趣部分其中B扫速可调(改变t1-t2时间) 右图为双扫描的有关波形,（3）A延迟 B工作模式 如图,关掉A扫至X放大通路,将B扫接到X放大,则只显示被加宽部分或感兴趣部分. 可利用延迟旋钮(W)来测量波形两点间距离. B扫速可增大,以便仔细观察波形 延迟方式有连续,触发两种,3.双踪双扫描显示,此系统可 同时显示四个波形.推而广之,可进行四通道八踪,五通道十踪显示,只是电子开关较复杂.,一、 主要特性 工作特性是正确使用示波器的依据,据此可以了解示波器的适用范围. 1.Y通道的频域与时域响应 表征一个示波器所能观测的信号频率范围和观测脉冲信号的最小上升时间. （1）频域响应: 给出Y通道频率带宽,一般给出上限 fh ,如SBM-10,带宽为0-30MHZ,6.5通用示波器主要指标及使用,（2）时域响应: 给出Y通道在脉冲信号作用下能够响应的最小上升时间tR 如SBM-10, tR tR,一般为35倍，则示波器影响可忽略不计 否则按下式修正: -示波器显示的信号上升时间,2. Y通道偏转灵敏度 表征一个示波器观测信号的振幅范围,如SBM-10为50mv/cm-20V/cm 3.扫描速度 表示示波器展宽被测信号的能力。为读数方便一般用扫速的倒数时基因数来定量,如SBM-10 时基因数范围0.05us-0.5s/cm 上限:展宽高频信号及窄脉冲的能力 下限:观测慢信号的能力 4.示波器探头性能: 1：1 10：1 有源 无源,二 .示波器的基本测量方法 1.电压测量 直接测量法(常用) VP-P=DYh ,Y偏转灵敏度V/cm, h-VP-P高度 比较测量法 位移法 2.时间测量 直接法(常用): tx=Ssx Ss-扫速(时基因数) s/cm或ms/cm, X-被测时 间对应的距离 时标法 位移法 注： 均为老式示波器用法,3.相位测量 线性扫描法(需双踪示波器） 李沙育图形法:不易调稳定，已很少用。,信号存储的必要性 有时为了进行研究不得不重复产生被测信号，但是有些信号是不能重复产生的。 还有一些周期很长的信号不能给人以连贯的感觉。 一、信号的模拟存储 实际上是采用具有信号存储功能的示波管,取代通用示波器的CRT,发展到500MHz后已基本上停止 存储机理: 示波管采用了具有二次电子发射特性的介质材料。在这种示波管中，阴极发射的电子称为一次电了，由它轰击某种介质材料而产生二次电子，并且二次电子数多于一次电子数。因此，介质材料在产生二次电子的区域具有正电位，而且能保存很长时间。,6.6 存储示波器,二、信号的数字存储(数字存储示波器) 从发展过程看有两种主要形式 模拟技术+数字存储 数字化示波器,主要原理框图,控制系统,地址扫描,CRT,模拟数字存储示波器组成原理框图,数字存储示波器组成原理框图,三、取样技术在示波器中的应用 1、实时取样,2、非实时取样,四、主要技术指标,1.采样速率 fs 主要决定因素、A/D转换速度 一般要求： （实时采样） 通常与时基因数 对应 即 对应最快扫描档位，如最快为1ns/div 则,n：每格采样点数 t ：每格扫描时间,2.带宽（存储带宽）,重复周期信号带宽 （等效带宽） 单次信号带宽 （实时带宽） 理论上 实际应用 实时带宽 k：带宽因子,25 逐点显示 k 10 线性插值 2.5 正弦内插,3、垂直分辨力（电压分辨力）,由A/D位数决定，目前多为8位 若CRT为810分度（div) 若n8 则（垂直方向为256等级） 每级最小电压 Vm：满量程 若Vm10V，n8 则 n10 则 也与偏转因数Dy有关，如Dy1V/div 则,4、水平分辨力（时间分辨力）,决定于D/AX的位数，相当于X方向的点数 当n=10 则 即测量精度为0.01div 模拟示波器难以达到 同时与示波器Dx有关 如Dx10ms/div n10（10位D/A) 则 精度高（D/A基准，时钟）,此时屏幕上任一点均可用两个二进制数（16进制数）表示,五、DSO的主要部件及要求(略) 六、高速信号采样技术(略),七、波形显示 1.基本显示 将存储器中的数据按地址顺序取出(先进先出),经D/A转换后 可还原为模拟量送Y轴,相应的同时把地址按顺序送出,经D/A变为 阶梯波送X轴.即可将存储波形显示在CRT上. 显示内容与容量有关:若存储波形时是以255为一个页面,则显 示时首先确定页面. 4k容量 则可分为16个页面 1k 4页 4k 16页 不同机型选择不一样,若CPU为8位,则总线低8位恰为255,选页 面相当于确定地址高8位. 例:若选第n页,则全局8位地址为08H即可. 特点:X、Y轴数据均需通过CPU,速度受限制,2.刷新显示(auto rease 自动抹迹) 与数据存储方式和读出方式有关 特点:在CRT屏幕上自左至右更新数据,A,B,新数据 写入慢,旧数据 读出快,有新数据 写入时马 上读出并 显示出来,写入起始地址,读出起始地址和 扫描起始地址相同,3.滚动显示(roll 卷动),新数据,特点: 新数据出现在屏幕最右边 与刷新显示的区别: 有预触发功能 写入慢、读出快,相当于窗口移动方向,4.双踪显示,交替读出奇偶地址数据,D/A,奇数地址 RAM 偶数地址,A/D,A/D,YA,YB,5.锁存和半存显示,锁存: 存储器内容不变，不准新数据写入 半存: 保存偶（奇）数地址内容不变，另一路可变,八、预触发（触发预置） 以触发点为参考，灵活移动存储窗口和显示窗口 触发信号作为停止存储的标志 触发点可由程序设定 正延时 观测触发点以后信号,负延时 观测触发点以前信号 （模拟示波器无法做到）,触发点,设A0，存储器存储以触发点为始点波形 设B存储容量 存以触发点为终点波形,