第3章示波測試和測量技術(shù)ppt課件

1、u3.1 示波測試的基本理論u3.2 模擬示波器u3.3 數(shù)字存儲示波器 u3.4 示波器的應用 4u示波器的功用、分類、組成和波形顯示原理u通用示波器的組成原理、特性與應用u取樣技術(shù)在示波器中的應用u數(shù)字示波器的組成原理、信號采集處理技術(shù)、特性與功能u示波器：u利用熒光屏顯示電量隨時間變化過程的電子測量儀器。u示波器可以測量很多電參數(shù)。u電壓、電流、功率、頻率、周期、相位、脈沖寬度、脈沖上升及下降時間等。u如果配上相應的傳感器,示波器可以測量非電量u溫度、壓力、振動、密度、聲、光、熱、磁效應等。u示波器對電信號的分析是按時域法進行的,研究信號的瞬間幅度與時間的函數(shù)關(guān)系,具有捕獲顯示及分析時域

2、波形的功能u具有良好的直觀性,能顯示波形,能測量信號瞬時值。u靈敏度高,顯示速度快,工作頻帶寬,可方便觀察瞬變信號細節(jié)。u輸入阻抗高(M級),對被測電路影響小,這對測量精度是很重要的。u是一種信號比較器,可顯示、分析任意兩個量之間的函數(shù)關(guān)系。u通用示波器：采用單束示波管u可對信號進行定性觀察和定量測量。u取樣示波器：采用取樣技術(shù)將高頻信號轉(zhuǎn)換為低頻信號后再借助通用示波器的原理進行顯示測量 u存儲示波器：可對信號進行存儲并進行顯示和測量u記憶示波器：采用具有存儲能力的示波管；u存儲示波器：借助計算機技術(shù)和大規(guī)模集成電路實現(xiàn)對信號的存儲。u多束示波器：采用多束示波管u能在屏幕同時觀察和測量多個信號

3、波形 u特種示波器：滿足特種需要的示波器u當前常用的示波器從技術(shù)原理上可分為：u模擬式通用示波器(采用單束示波管實現(xiàn)顯示,當前最通用的示波器)。 u數(shù)字式數(shù)字存儲示波器(采用A/D、DSP等技術(shù)實現(xiàn)的數(shù)字化示波器)。u從性能上,按示波器的帶寬可分為： u中、低檔示波器,帶寬在60MHz以下。u高檔示波器,帶寬在60MHz以上,大多在300MHz以下。 更高檔的有1GHz2GHz以上。 u3050年代：通用示波器的誕生和實用化u58年帶寬達100MHz；57年研究成記憶示波器, 59年生產(chǎn)出取樣示波器。u60年代：示波器技術(shù)進一步得到提高，u通用示波器的帶寬69年躍至300MHz。u取樣示波器的

4、帶寬達到了18GHz。u70年代以后：u71年帶寬500MHz ,79年達到1GHz。u74年就發(fā)表了帶微處理器的示波器,開辟了示波器微機化的發(fā)展方向,示波器開始具備對信號的數(shù)字存儲功能uY(垂直)通道u對被測信號進行不失真的線性放大,以保證示波器的測量靈敏度。uX(水平)通道u產(chǎn)生與被測信號相適應的掃描鋸齒波u主機u陰極射線示波管(CRT)u將電信號轉(zhuǎn)變成光信號并在熒光屏上顯示u示波管：u電子槍： 發(fā)射電子并形成很細的高速電子束u偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)：決定電子束怎樣偏轉(zhuǎn)(X Y兩對偏轉(zhuǎn)板)u熒光屏： 在偏轉(zhuǎn)后的電子射線轟擊下發(fā)光,從而顯示出外加電信號的波形HeaterCathodeGridFluores

5、cent screenAnodeX-platesY-plates示波管屬于電真空器件,又稱為陰極射線管(CRT)。u電子槍的作用是發(fā)射電子并形成強度可控制的很細的電子束。它由以下幾部分組成： u燈絲F在交流低壓(如6.3V)下使鎢絲燒熱,用于加熱陰極u陰極K是一個表面涂有氧化鋇的金屬 u第一柵極G1調(diào)節(jié)G1的電位可以調(diào)節(jié)示波器的亮度,常置于示波器面板上供使用。 u第二柵極G2隔離開G1和A1,以減小亮度調(diào)節(jié)與聚焦調(diào)節(jié)的相互影響。u第一陽極A1與第二陽極A2構(gòu)成一個電子透鏡,對電子束起聚焦作用。u第二陽極A2是個更大的同軸圓筒,其上電壓較高,它主要與A1構(gòu)成電子透鏡。 u第三陽極A3具有上萬伏的

6、高壓,用于對電子束加速,故也稱后加速陽極。 u偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)u靜電偏轉(zhuǎn)光點法u用干示波器u磁偏轉(zhuǎn) 光柵法u用于電視機、計算機顯示器及示波器。u熒光屏u在示波管正面內(nèi)壁涂上一層熒光物質(zhì),熒光物質(zhì)將高速電子的轟擊動能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?產(chǎn)生亮點。 u當電子束從熒光屏上移去后,光點仍能在屏上保持一定的時間才消失。從電子束移去到光點亮度下降為原始值的10所延續(xù)的時間稱為余輝時間uX、Y偏轉(zhuǎn)板上都不加電壓：u光點在熒光屏的中心位置uY上高,電子束受正電壓吸引向上移動；uX右高,電子束受正電壓吸引向右移動；uY: uy =Umsintu X: ux = 0uY: uy = 0u X: ux = UmsintuY: uy

7、 = Umsint uX: ux = Umsintu波形u電信號的時間波形,實際上就是它的瞬時值與時間在直角坐標系統(tǒng)中的函數(shù)圖像。u示波器：u垂直坐標y正比于輸入信號瞬時值u水平坐標x正比于時間u 水平方向需用一個電壓模擬時間 uY偏轉(zhuǎn)板加正弦波信號電壓uX偏轉(zhuǎn)板加鋸齒波電壓u熒光屏上將顯示出被測信號隨時間變化的一個周期的波形曲線。 u掃描：光點在x軸上反復移動u時基(時間基準)：熒光屏上代表時間的水平亮線u掃描電壓ux：u隨時間線性變化的電壓ux = ktu鋸齒波 u時間可以無限延續(xù),實際線性變化信號幅度不可能無限增長,且屏幕尺寸有限u直線掃描電壓,只能使光點在屏幕上自左至右掃一次u波形u對

8、掃描電壓要求：u周期性：u線性：u同步性：u當fx = fy Tx = Ty ,第2周期光點移動軌跡與前一周期重合；u當fy =2 fx Tx = 2 Ty ,第3 4周期光點移動軌跡與前1 2周期重合。u推論： fy =n fx (n為正整數(shù)),波形穩(wěn)定u同步： fy =n fx ， Tx = n Tyu如果Tx n Ty ,即不滿足同步條件,顯示的圖像不穩(wěn)定u掃描種類：u直線掃描：u連續(xù)掃描u觸發(fā)掃描u圓掃描u螺旋掃描 u連續(xù)掃描uTx= tf + tbutf ：掃描正程 tb ：掃描回程u理想情況：tb = 0 u為觀測連續(xù)信號,掃描電壓是連續(xù)的,稱為連續(xù)掃描u當觀測脈沖過程時,往往感到

9、連續(xù)掃描不再適應,特別是研究脈沖持續(xù)時間與重復周期之比,即占空比t0Ty很小的脈沖過程時,問題就更為突出u觸發(fā)掃描 u Tx= tf + tb + twu只有在被測脈沖到來時才掃描一次u掃描發(fā)生器平時處于等待工作狀態(tài),只有送入觸發(fā)脈沖時才產(chǎn)生一個掃描電壓 u一般選擇 Tx t0u實際工作時回掃是需要一定時間的,這對顯示波形產(chǎn)生了一定的影響。 u為使回掃產(chǎn)生的波形不在熒光屏上顯示,可以設法在掃描正程期間使電子槍發(fā)射更多的電子,即給示波器增輝 u增輝：在掃描正程期間給第一柵極G1加正脈沖u 陰極K 加負脈沖 Y輸入電路Y前置放大器觸發(fā)電路延遲線Y后置放大器水平放大器掃描發(fā)生器Y輸入外觸發(fā)內(nèi)外至X偏

10、轉(zhuǎn)板至Y偏轉(zhuǎn)板校準信號發(fā)生器低壓電源高壓電源電源至各電路正高壓負高壓X輸入校準信號輸出u示波器對Y通道的基本要求是：u以足夠高的輸入阻抗將被測信號以很小的失真對稱地傳輸?shù)結(jié)偏轉(zhuǎn)板上u有足夠?qū)挼姆群皖l率測量范圍。u為了與X通道配合,Y通道應有一定的延遲。 Y輸入電路Y前置放大器觸發(fā)電路延遲線Y后置放大器水平放大器掃描發(fā)生器Y輸入外觸發(fā)內(nèi)外至X偏轉(zhuǎn)板至Y偏轉(zhuǎn)板校準信號發(fā)生器低壓電源高壓電源電源至各電路正高壓負高壓X輸入校準信號輸出u輸入電路u探極u耦合方式轉(zhuǎn)換開關(guān)u衰減器u阻抗變換器u被測信號送入Y通道前,先通過探極(探頭)進入示波器。u使用探極的目的：u提高示波器的輸入阻抗u擴展帶寬,減小失真

11、。u衰減器作用是把檢測信號很寬的幅度變化范圍壓縮,保證放大器正常工作u一般用阻容補償分壓電路來實現(xiàn)。222111222212111CRjRCRjRCRjRZZZK212RRRKu當R1 C1 = R2 C2 最佳補償vivoR1R2C1C2最佳補償過補償欠補償Z1Z2u具有觸發(fā)功能的示波器,由于掃描信號是由被測信號的前沿啟動的,因此掃描開始時刻總比被測信號到來的時刻要遲一些。u若被測信號前沿較短，則可能出現(xiàn)被測信號過去td之后才開始掃描。u為完整顯示信號波形的前沿,在Y通道中加延遲線,對被測信號延時。uY放大器u前置放大器和后置放大器,均采用差分放大器u作用：使示波器具有觀測微弱信號的能力uY

12、通道的增益uSR-8：Symax =10mV/div=12.5mV/cmu Sv =68V/cmmaxyvSSK 560/5 .12/7cmVcmVKu示波器的Y通道必須由多級放大器組成u對Y放大器的主要要求是：u頻帶寬度f足夠?qū)挘?fH越高越好 u fL=0u上升時間tr足夠小u穩(wěn)定的增益u對稱的輸出電路u較高的輸入阻抗u作用：u使電子束作水平偏轉(zhuǎn)u給示波管提供增輝脈沖u組成 觸 發(fā) 源選 擇觸 發(fā) 耦 合方 式 選 擇放 大 整 形電 路掃 描閘 門掃 描 電 壓發(fā) 生 器水 平放 大 器比 較 和釋 抑 電 路觸 發(fā) 信 號觸 發(fā) 電 路掃 描發(fā) 生 器 環(huán)至 X偏 轉(zhuǎn) 板u觸發(fā)電路的作

13、用是為掃描信號發(fā)生器提供符合要求的觸發(fā)脈沖。u它把觸發(fā)信號變換為具有陡峭前沿,與被測信號同步的觸發(fā)脈沖u觸發(fā)電路組成：u觸發(fā)源選擇u觸發(fā)的耦合方式選擇u觸發(fā)方式選擇u觸發(fā)極性選擇u觸發(fā)電平選擇u觸發(fā)放大整形電路等 u觸發(fā)極性選擇和觸發(fā)電平調(diào)節(jié)(a) 正電平、正極性(b) 正電平、負極性(c) 負電平、負極性(d) 負電平、正極性u作用:產(chǎn)生符合要求的鋸齒電壓。u組成:掃描閘門、掃描電壓發(fā)生器、電壓比較器、u 釋抑電路 掃描閘門掃描鋸齒波發(fā)生器比較和釋抑電路+E至X放大器+E“穩(wěn)定度”調(diào)節(jié)比較電平觸發(fā)脈沖輸入“增輝”脈沖u掃描閘門施密特觸發(fā)器(滯后特性)u當觸發(fā)脈沖在到來時,觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，輸出的高

14、低電平,作為掃描發(fā)生器的控制信號門控信號u掃描發(fā)生器受時基閘門控制u密勒積分器u當K斷開時,電源E通過電阻R對電容C充電,輸出負向鋸齒波掃描電壓隊。u此電壓一路送X放大器,另一路送時基電路的電壓比較器u輸出電壓U0為u當K閉合時,電容C放電,使U0迅速上升,回到掃描的起點。 tRCEEdtRCUt001u電壓比較器u將掃描電壓U0與參考電壓Ur進行比較,當U0Ur時,電壓比較器輸出電壓隨U0而下降,給釋抑電路的電容器充電。u釋抑電路u在掃描回程期間電容C以較慢的速度放電u保證每次掃描都在同一起始電平上開始。E1E0E2Er來 自 比 較 電 路的 參 考 電 平（ 比 較 電 平 ）掃 描 發(fā)

15、 生器 輸 出 Vo上 觸 發(fā) 電 平下 觸 發(fā) 電 平通 過 “ 穩(wěn) 定 度” 調(diào) 節(jié) 的 靜 態(tài)工 作 電 平 E0觸 發(fā) 脈 沖12345抑 制 期回 掃 期開 始 下 一次 掃 描跟 隨 Vo6釋 放閘 門 輸 出疊 加 后 的閘 門 輸 入u多束顯示和多蹤顯示是同時顯示幾個信號波形的基本方法u多束顯示u優(yōu)點：能夠觀察同時出現(xiàn)的瞬變信號。u多束示波管內(nèi)裝有幾個獨立電子槍，能同時發(fā)射多束電子；或把同一陰極發(fā)射出來的電子分割為幾束電子束。u用多束示波管制成的示波器稱為多束示波器或多線示波器u多蹤示波器：u采用單束示波管,在它的Y偏轉(zhuǎn)板上輪流接入幾個被測信號,按時間分割原理制成的示波器u優(yōu)點

16、：性能高、價格低u缺點：不能觀測同時出現(xiàn)的瞬變信號，u組成：與普通示波器類似u兩個Y通道 + 一個通道轉(zhuǎn)換器電子開關(guān)）Y1輸入電路Y1前置放大器Y1門電路電子開關(guān)延遲線Y后置放大器Y2輸入電路Y2前置放大器Y2門電路至Y偏轉(zhuǎn)板Y1輸入Y2輸入控制信號u雙蹤示波器設有“A”“B”“A+B”“交替和“斷續(xù)五種工作狀態(tài)。u“A”：uS1S2S7S8 斷開, S3S4S5S6接通，u YA信號送Y偏轉(zhuǎn)板u“B”：uS1S2S7S8接通, S3S4S5S6斷開，u YB信號送Y偏轉(zhuǎn)板u“AB”：uS1S2S5S6斷開, S3S4S7S8接通，u 兩路信號均傳到輸出端,并在負載中互相疊加 u上述三種狀態(tài)均

17、為單蹤顯示,為顯示雙蹤,需高速控制YA與YB的接通與斷開,實現(xiàn)兩信號的輪流顯示u在實際電路中,用晶體二、三極管代替機械開關(guān)K1 K8,稱為電子開關(guān),其開關(guān)轉(zhuǎn)換速率可達幾百kHzu電子開關(guān)的轉(zhuǎn)換控制方式 u交替u斷續(xù) 交替方式不適于顯示重復頻率很低的信號 u特點：fk = fx 顯示波形連續(xù)u第一次掃描接通YA信號,第二次掃描接通YB信號,如此反復,并在屏幕上輪流顯示出兩個信號波形u控制電子開關(guān)的開關(guān)信號由時基電路提供。uy1uy2uxu特點： fk fxu在每一次掃描正程中,高速輪流接通兩個輸入信號, 顯示出來的波形是由許多線段組成。 u當開關(guān)轉(zhuǎn)換頻率很高時,這些線段很短,看上去就好像是連續(xù)的波形。u斷續(xù)方式只適合于觀測低頻信號u雙掃描示波器有兩個獨立的觸發(fā)和掃描電路,特別適用于在觀察一個脈沖序列的同時,仔細觀察其中一個或部分脈