电气测量第八章

本章要点本章要点 本章介绍电子示波器的电路与器件，包括示波管、液晶显示器、高低压电源、Y通道、X通道、电子开关，以及附属电路的结构、原理与技术性能。并通过第七节的典型实例，进一步了解常用的示波器电路形式，电子示波器的使用方法以及面板上旋钮的功能。本章还对数字示波器和描绘特性曲线的专用示波器作一般的介绍。第一节 电子示波器的类型和基本工作原理 一、电子示波器分类一、电子示波器分类电子示波器电子示波器模拟示波器模拟示波器数字示波器数字示波器通用示波器通用示波器取样示波器取样示波器多束示波器多束示波器特殊示波器特殊示波器实时显示数字读出示波器实时显示数字读出示波器数字存储示波器数字存储示波器实时显示与存储示波器实时显示与存储示波器逻辑分析逻辑分析仪仪 二、电子示波器工作原理二、电子示波器工作原理 电子示波器是利用被测信号控制电子束在Y轴的位置，同时利用内部的锯齿信号，使电子束重复地沿水平方向匀速扫描，然后在示波管荧光屏或液晶显示器上观察被测信号波形的一种仪器，因此一台电子示波器至少要包括X、Y通道和显示器三个部分。返回本章首页第二节第二节 示波管示波管一、一、示波管示波管结构结构 示波管又称阴极射线管，由电子枪、偏转系统和荧光屏等部分组成，所有部件都密封在一个喇叭状的玻璃管中，内部抽至高真空，其结构如下图。二、示波管电路二、示波管电路 通常的情况下，被观察的波形信号加在 Y 偏转板，时间扫描信号加在 X 偏转板，为了控制荧光屏上显示图象的亮度和聚焦，在示波管的栅极和各阳极加上不同的直流电压，如下图所示。返回本章首页第三节第三节 液晶显示器液晶显示器 一、液晶显示器结构一、液晶显示器结构 液晶显示器由两片玻璃基板黏合而成，板间留有微米级空隙，将液晶封存在间隙中。液晶材料是由脂类、联苯类、笨基环已烷类、毗啶类、乙烷类等多种液晶混合而成。当基板上的电极施加反相电压时，经偏振片的室内光线，无法通过液晶返回,即可形成图像。二、二、液晶显示器的电极液晶显示器的电极 液晶显示器的电极有两种结构，一种是分段式结构，另一种是矩阵式结构。分段式结构中的上基板电极分七段可组成 0 9 十个数码，下基板电极各段连接在一起，作为公共电极。这种结构多用于仪表的数字显示。矩阵式结构中的上基板作为行电极，下基板作为列电极，行列交叉组成的点阵，可用于显示图像或文字。三、三、液晶显示器驱动方式液晶显示器驱动方式 1.1.分段式的驱动方式分段式的驱动方式 分段式液晶显示器要显示图像时，可向液晶显示器的两电极分别施加幅度相等相位相反的方波电压（不能加直流电压），使得液晶显示器的基板显出相应的数码图像。如果两电极加上同相电压，液晶显示器则呈熄灭状态。2.矩阵式矩阵式驱动方式驱动方式 矩阵式液晶显示器的两基板电极分别为行、列电极。行列交点形成像素。如要某像素发亮，行列电极间须加选择点波形的电压，如要某像素呈暗态,电极间须加非选择点波形的电压,如果一个电极为选择点,另一电极为非选择点,该像素为半选择点仍保持暗态。加于行电极加于列电极行列电极间返回本章首页第四节第四节 示波器电源示波器电源 示波器必须为内部各种元、器件及电路提供不同电压的电源，包括 一、示波管灯丝电源一、示波管灯丝电源 示波管灯丝电压由工频电源经变压器降压后提供，虽然灯丝电压本身只有几伏或十几伏，属于低压。但是因为灯丝与阴极极为靠近，为减小两者电位差，通常也置以高电位，如图加-1kV电位。二、直流低压电源二、直流低压电源 示波器内部所需的低压电源，可用工频经降压、整流、滤波获得。也可以利用直流-交流-直流转换器，后一种方法因工作频率较高，所需的变压器体积小，并可用较小的滤波电容，使得性能与价格都比工频优越。有工频变压器的直流-交流-直流转换器 无工频变压器直流-交流-直流转换器工频变压器三、直流高压电源三、直流高压电源 示波管需要1000V以上的直流高压电源，通常使用直流-高频交流-直流变换器，这种变换器因工作频率高，可以用体积较小高压变压器和电容量较小的高压滤波电容，以节省费用和空间。振荡管稳压电路降压整流返回本章首页第五节第五节 示波器的示波器的Y通道通道 一、一、Y 通道的技术性能通道的技术性能 由于被测信号要从示波器的Y通道输入，因此它的性能直接影响示波器的测量准确度，所以要求Y通道 1.1.频率宽度：频率宽度：必须满足测量对象的需要，例如测量视频信号至少要有6MHz带宽。2.输入阻抗：输入阻抗：例如5MHz带宽的示波器，其输入电阻至少必须大于1M，输入电容小于40F。3.灵敏度：灵敏度：一般示波器Y灵敏度约为毫伏级，特殊的场合要求Y通道灵敏度能达到微伏级。4.非线性失真非线性失真：一般要求小于3%10%。5.抗干扰与抗漂移能力：抗干扰与抗漂移能力：Y通道应具备抗干扰与抗漂移能力。二、二、Y 通道的结构通道的结构 Y 通道包括探头、衰减、放大、电子开关与延迟线。1.探头：探头：提高输入阻抗，补偿输入引线对频率特性的影响。2.衰减器：衰减器：调节Y 通道的灵敏度。3.前置放大与输出级：前置放大与输出级：增加Y 通道放大倍数，提高灵敏度。4.电子开关：电子开关：双踪显示时，用于选择A 通道或B 通道。5.延迟线：延迟线：延迟Y 通道信号到达偏转板的时间，防止Y 通道信号比扫描信号到达偏转板的时间早，使被测信号开始部分无法显示。三、三、Y 通道的调节通道的调节 1衰减器调节衰减器调节:通常利用RC分压衰减器，改变RC值，达到改变Y 通道的输出幅度的目的，调节时应注意正确补偿。2.信号幅度微调信号幅度微调:衰减器调节通常作为输出幅度的粗调，还要通过调节放大器的放大倍数对输出幅度进行微调。两者结合以后可使荧光屏所显示的波形大小适中，以便于观察。例如输入信号幅度为1mV，若示波管 的Y 轴偏转灵敏度为20V/cm，要使显示波形的幅度达到5cm，就要求Y 通道输出幅度达 100V，这就要求粗调与微调能使Y 通道的放大倍数在0至100000之间进行调节。四、双踪显示四、双踪显示 如示波器有两个Y 通道，可以通过电子开关，打开其中一个通道，显示该通道的波形，也可以同时打开两个通道，实现双踪显示，双踪显示有交替和断续两种方式，如果交换周期等于扫描周期，则每次扫描都可以有一个完整的扫描波形，称为交替。如果交换周期小于扫描周期，显示波形会呈现为断续状，称为断续。返回本章首页第六节第六节 示波器的示波器的X X通道通道 一、一、X 通道的技术性能通道的技术性能 1.扫描电压幅度：扫描电压幅度：为便于观察，一般示波管要求扫描线长度有10cm，液晶显示器要求占满显示板。因此要求X通道的输出电压达到100V以上。2.扫描电压线性：扫描电压线性：一般示波器要求X通道的非线性失真小于3%-10%。3.扫描速度调节范围扫描速度调节范围:扫描速度要与被测信号的频率相适应，至少能观察到一个完整的波形，若 Y 通道最高频率为0 100MHz，扫描速度调节范围要求为1s 0.01s，调节扫速实际上就是调节扫描波的正程时间。二、二、X 通道的结构通道的结构 X通道结构有连续和触发两种方式，现在示波器都采用由密勒电路组成的触发扫描结构，这种结构由触发放大与整形、闸门与密勒积分、释抑电路以及X 放大等几部分组成。其中X 放大与一般放大器没有什么区别，频宽约为Y 通道频宽的十分之一，其输出要保证扫描线的宽度占满全屏。三、触发信号放大与整形三、触发信号放大与整形 触发信号可以是被测信号本身(内)，也可从外部引入(外)。触发信号经放大后还需整形，整形利用施密特电路在它翻转时输出的方波脉冲作为触发输出，调节参考电平可改变触发输出方波前沿与后沿的位置。整形后的触发放大输出的方波又称为闸门触发脉冲，闸门触发脉冲的下降沿将打开时基闸门，相当于闸门开启，闸门开启时闸门输出将启动密勒电路开始扫描，所以闸门触发脉冲的下降沿也代表扫描正程的开始位置。四、密勒电路四、密勒电路 密勒电路实际是一个他激锯齿波发生器，由高增益放大器A和反馈电容（也称密勒电容）C 组成。反馈电容可等效为在输入端接上一个大电容C（A+1）。以便充电时利用其充电曲线的直线部分。经施密特电路整形后闸门触发脉冲，启动时基闸门，时基闸门的输出方波加在密勒电路输入端，密勒电容开始充电，相当于扫描正程的开始，直至闸门输出的方波翻转，密勒电容开始放电，对应于正程结束与逆程开始。五、释抑电路五、释抑电路 释抑电路用来控制扫描波的终点与起点。扫描电压升到一定高度后，通过释抑电路，使时基闸门翻转，关闭闸门，结束正程转为逆程。考虑到逆程开始之后，闸门随时都可能被触发信号重新打开，造成扫描波未回到起点，又开始新的正程。为此，扫描发生器通过释抑电容将逆程电压下降速度变慢，用它抑制闸门不使过早打开。保证扫描波形回到起点之后，才会产生新的一轮扫描。返回本章首页第七节第七节 通用示波器实例通用示波器实例 一、一、SR-8双踪示波器双踪示波器 1.内部结构框图内部结构框图 SR-8为频宽015MHz，灵敏度为0.1mV/cm，输入阻抗为 1M的双踪示波器，内部结构如图：图：2.2.衰减电路衰减电路衰减电路由两级 RC 分压器组成，共11档，可从1:1调至1:2000。3.Y 通道前置放大通道前置放大 Y 通道输入级采用场效应管提高输入阻抗，其中平衡、极性、移位和幅度微调旋钮都放在面板上，可以由使用者进行调节。平衡旋钮的作用，是使调节移位时不影响波形幅度，同样在调节幅度时不要影响移位。4.4.混合级混合级 Y 通道前置放大有YA、YB 两个通道，两通道的信号，通过电子开关A、B 控制，可以使用一个通道,实现单踪显示,也可以轮流（交替、断续）或叠加（YA+YB）后送混合级，实现双踪显示。5.电子开关与触发放大电子开关与触发放大 通过工作方式开关，可以使电子开关工作于双稳、无稳或断开四种状态。分别选择单踪(YA或YB)、交替、断续和叠加（YA+YB）五种工作方式。内触发源选择开关可以选择改变内触发源，或来自YA或来自YB。6.末级放大末级放大 末级包括延迟线和两级的共射、共基组合放大。当屏幕上找不到被测信号波形时，可按下寻迹开关，将输入接地，正常情况下扫描线会出现在中央位置。当找不到扫描线时，可用它检查 Y通道是否故障。7.X 通道放大通道放大 X 通道放大电路主要用于放大 X 向信号，控制 X 向的移位（RP25-1）和扫描线长度（按拉式开关S25-1作10扩展，RP25-1作长度调试），寻迹开关按下时，除将 Y 向输入接地外，还在 X电路中置时基为自激状态，自行连续扫描。正常情况下，按下寻迹开关应能见到扫描线。8.触发放大触发放大 触发放大电路用于调节与选择触发信号，内设置触发方式、触发极性、触发耦合方式和内、外触发源选择四个开关。用于控制显示波形的触发和波形的起点位置。9.扫描发生器扫描发生器 扫描发生器包括时基闸门、密勒电路和释抑电路等部分。扫速开关通过改变时基电阻、时基电容，来调节扫速。稳定性旋钮可使扫描发生器处于自激或触发状态。RP23-2可以调节扫描线长度。二、二、BS-601双踪示波器双踪示波器 1.结构框图结构框图 2.衰减电路衰减电路 BS-601双踪示波器的衰减电路有两级，第一级为 RC 分压衰减器，衰减比分别为1:1、1:10、1:100、1:1000，第二级为集成电路 IC10组成的衰减器，衰减比分别为1:1、1:2、1:4，级连后组成11级的衰减电路。可以由1:1调至1:4000，测量范围从5mV/cm至20 V/cm。3.前置放大级前置放大级 前置放大级的任务是将Y 输入信号送Y 放大和触发放大，其中RP1-6作移位、S1-2作极性调节（限YB）、RP1-2作增益微调，RP1-1、RP1-4作为直流平衡调节。4.混合级与末级混合级与末级 混合级与末级任务是将前置放大级送来信号放大后送示波管的Y 偏转板。5.X 放大与放大与 XY 选择选择 XY 选择可以控制工作于扫描方式或 XY 方式，前者用于观察随时间变化的波形，后者用于观察李沙育图形或描绘特性曲线，RP2-12用于调节X向放大量，MAG5可使放大量得到5倍扩展。6.扫描电路扫描电路 扫描电路的组成扫描电路的组成 扫描电路由触发放大、同步分离、触发整形、时基闸门、密勒积分电路和释抑电路等部分组成。所设置的控制开关和旋钮，可调整扫描状态。触发部分调节旋钮触发部分调节旋钮 1)触发源信号选择：S2-3可选内（INT）、YB、外（EXT）、电网（LINE）。2)同步方式选择：S2-2可选AC、HF、TV。3)极性选择：S2-1可调节同步极性+/-，选择扫描起点在被测信号的前沿或后沿。扫描发生器部分扫描发生器部分调节旋钮调节旋钮 1)扫速调节：S2-4作扫速粗调，R2-4作扫速微调。2)扫描线长度调节：RP2-13可调节荧光屏上的扫描线长度。3)稳定度调节：可调节扫描发生器处于自激还是触发状态。4)电平调节：触发电平，用于选择扫描起点位于被测信号的位置。7.工作方式逻辑控制电路工作方式逻辑控制电路 BS-601有YA、YB、DUAU（双踪）、ADD（YA+YB）等四种工作方式，选择某一种工作方式时，必须通过逻辑控制电路，选择信号的走向。包括 1）选择进入Y 通道混合级的信号是YA或YB或同时输入，OA和OB就是用来打开YA 和YB 的控制信号。例如单踪时仅打开YA或YB中的一个，双踪时轮流打开。如果是选择轮流打开YA、YB，则控制信号OA、OB也必须轮流置低电平。2）选择进入触发放大器的信号，如果选择外触发或LINE触发可以由触发源选择开关控制，但在使用内触发时，还需要通过OTA、OTB控制信号，选择进入触发放大器的触发信号是YA还是YB。以上工作由逻辑控制电路和工作方式转换开关联合完成。单踪显示的逻辑控制电路工作状态双踪显示的逻辑控制电路工作状态叠加方式的逻辑控制电路工作状态X-Y工作方式的逻辑控制电路工作状态返回本章首页第八节第八节 示波器的应用示波器的应用一、用于测量波形的电压与周期波形电压=在Y 轴所占格数 Y 轴偏转因数波形周期=在X 轴所占格数 X 轴偏转因数二、用于测量李沙育图形Y 轴加电压X 轴加电压tAu11sin)sin(22tBu)sincos(22xAxABy当两电压的频率相同时，所形成的轨迹方程为 利用本式可以测量两电压的相位差，若频率不同图形与图形方程都比较复杂。但可以根据与Y、X 轴的交点数推算两频率的比值。1.频率比值为频率比值为1:2时形成的李沙育图形时形成的李沙育图形 求频率比可以在李沙育图形上引进一条水平线和一条垂直线，注意不要通过交点，也不要相切，力求交点最多。则 Y 向交点数/X 向交点数=X通道信号频率/Y 通道信号频率 2.频率相同相位不同形成的李沙育图形频率相同相位不同形成的李沙育图形三、调辉法测量周期三、调辉法测量周期 调辉法必须使用示波器的 Z 轴通道，将标准时间间隔脉冲加在 Z 轴，就会在被测波形上嵌入加亮的时间标志，从而测出被测波形的周期。加亮的时间标志四、用方波测量网络的频率特性四、用方波测量网络的频率特性 将方波信号输入被测网络输入端，用示波器观察网络输出端的波形。可以评估网络的频率特性。返回本章首页第九节第九节 数字示波器数字示波器一、实时显示数字读出示波器一、实时显示数字读出示波器 这种示波器是在模拟示波器的基础上，增加电压间隔或时间间隔的数字显示功能。除实时显示波形外，可以移动叠放在波形上的光标，指定始点和终点，用数字方式在荧光屏上显示出指定间隔内的电压或时间值。1.实时显示数字读出示波器结构实时显示数字读出示波器结构 X、Y 通道与一般模拟示波器相同，增设（图中有色方框）数据采集，光标间隔的读出，字符形成、字符位置控制与显示等电路。整个数据的采集、读出由内嵌微处理器控制。2.数据读出原理数据读出原理 调节光标移动电位器RP的两个动点，一方面改变荧光屏上的始点光标和终点光标的位置，另一方面将始点电位与终点电位送入比较器跟实时采集到的电压相比较，当实时电压与始点电位相等时打开控制门，与终点电位相等时关闭控制门，计数器显示的就是始点与终点的间隔，读出电路有两套，一套用于读出 X 通道的时间间隔，另一套读出 Y 通道的电压间隔。二、数字存储示波器二、数字存储示波器 1.数字存储示波器结构数字存储示波器结构 这种示波器先将采集到的信号转换为数字并存于存储器，显示时再从存储器中取出，转换为模拟信号。2.数字存储示波器特点数字存储示波器特点 1)数字存储示波器是先存储、后显示。所以所显示的波形不是实时的，而是过去捕捉的。2)对捕捉的波形信号进行存储，就可以在任意时刻取出显示，所以这种示波器具备记忆功能，也可以在测量过程中对波形进性“定格”或“冻结”。3)对捕捉的波形信号进行存储时，要求存储与A/D转换的速度要跟的上信号的变化速度，否则可能出现丢失和遗漏。三、实时显示与数字存储示波器三、实时显示与数字存储示波器 这种示波器通过切换开关，既可工作于模拟状态，又可工作于数字状态。切换到模拟示波器档时，可实时观察波形。切换到数字存储示波器档时，作为数字示波器具又存储特点，用于观测瞬变波形或非周期性的信号，对波形进行存储、“定格”。也可以不用切换开关，直接用微处理器控制。是模拟与数字两种的综合。返回本章首页第十节 逻辑分析器 一、逻辑定时分析仪一、逻辑定时分析仪 用于测量各种数字电路某些点的逻辑状态。示波器通常是测量电压与时间的函数关系图形，属于时域测量。而逻辑定时分析仪则以事件序列为自变量以被测点电平为应变量，自变量可以是等时间间隔的时钟脉冲，也可以是不等时间间隔的其他激励，荧光屏上显示的应变量的电平变化是被处理过的，只有0(低电平)和1(高电平)两种状态，图形高度并不代表具体电压值，只代表电平高低。也称为数据域测量。测出波形如下图。二、逻辑状态分析仪二、逻辑状态分析仪 逻辑状态分析仪在荧光屏上显示的不是各通道的逻辑变化波形，而是状态。状态用数字0和1表示，每一行的数据，代表某一时刻各测试点的逻辑状态，如下图所示。三、逻辑分析仪三、逻辑分析仪 逻辑分析仪是将状态分析仪和定时分析仪结合成一体，既能显示定时波形也能显示逻辑状态，基本结构可分为取样、状态比较与触发、显示等三个部分。逻辑分析仪的工作原理 1）数据采样：图为12通道的分析仪，分别对12通道的信号采样后，经输入寄存器后存于存储器中。2）状态比较：采样各通道的状态数据后，取出部分或全部与预置状态相比较，若输入数据与预置状态相同，则触发数据存储器开始存储，内存中存放和屏幕上显示的是预定触发条件出现后的数据。也可以先行存储，在与预置状态相同时经触发停止存储，这时内存中存放和屏幕上显示的是触发条件出现前的数据。3）显示：现在的分析仪，是利用嵌入式PC及WINDOWS操作系统，既能显示定时波形，又能使用鼠标选择不同界面，显示各种不同逻辑状态的结构列表。定时波形逻辑状态的结构列表返回本章首页第十一节第十一节 描绘特性曲线的专用示波器描绘特性曲线的专用示波器 一、工作原理一、工作原理 晶体管图示仪内部有一个正弦半波发生器，作为集电极扫描信号源，例如要测量晶体管共射输出特性曲线，可将该电压加在集射极间作为 X 轴方向的变量，在该变量的驱动下所产生的电流，作为Y 轴方向的函数，通过取样电阻 R 引入 Y 通道，由变量与函数所形成的曲线就是晶体管特性曲线。二、二、特性曲线族的显示方法特性曲线族的显示方法 如果晶体三极管的基极输入不同的电流，其输出特性曲线的形状也会随之改变。为此在图示仪内部另设一个阶梯波发生器，将阶梯电压加到基极，每一级阶梯，对应一个基极电流，和一条输出特性曲线，若阶梯为七级，即可获得由七条特性曲线组成的曲线族。为使波形稳定要求阶梯波要与扫描电压同步。每一次扫描对应两级阶梯，以保持扫描与阶梯同步由七级阶梯形成的特性曲线族返回本章首页