第3章 示波測試和測量技術(shù)

《電子測量》示波測試和測量技術(shù)

第3章內(nèi)容3.1示波測試的基本理論3.2模擬示波器3.3數(shù)字存儲示波器3.4示波器的應(yīng)用

4本章要點示波器的功用、分類、組成和波形顯示原理通用示波器的組成原理、特性與應(yīng)用取樣技術(shù)在示波器中的應(yīng)用數(shù)字示波器的組成原理、信號采集處理技術(shù)、特性與功能3.1示波測試的基本理論示波器的功用示波器：利用熒光屏顯示電量隨時間變化過程的電子測量儀器。示波器可以測量很多電參數(shù)。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。如果配上相應(yīng)的傳感器,示波器可以測量非電量溫度、壓力、振動、密度、聲、光、熱、磁效應(yīng)等。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波形的功能示波器的特點

具有良好的直觀性,能顯示波形,能測量信號瞬時值。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)。輸入阻抗高(MΩ級),對被測電路影響小,這對測量精度是很重要的。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。示波器的分類

通用示波器：采用單束示波管可對信號進行定性觀察和定量測量。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存儲示波器：可對信號進行存儲并進行顯示和測量記憶示波器：采用具有存儲能力的示波管；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。多束示波器：采用多束示波管能在屏幕同時觀察和測量多個信號波形特種示波器：滿足特種需要的示波器示波器的分類當(dāng)前常用的示波器從技術(shù)原理上可分為：模擬式—通用示波器(采用單束示波管實現(xiàn)顯示,當(dāng)前最通用的示波器)。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)。從性能上,按示波器的帶寬可分為：

中、低檔示波器,帶寬在60MHz以下。高檔示波器,帶寬在60MHz以上,大多在300MHz以下。更高檔的有1GHz～2GHz以上。

示波器的發(fā)展及現(xiàn)狀

30～50年代：通用示波器的誕生和實用化58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。60年代：示波器技術(shù)進一步得到提高，通用示波器的帶寬69年躍至300MHz。取樣示波器的帶寬達到了18GHz。70年代以后：71年帶寬500MHz,79年達到1GHz。74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)字存儲功能示波器的組成

Y(垂直)通道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。X(水平)通道產(chǎn)生與被測信號相適應(yīng)的掃描鋸齒波主機陰極射線示波管(CRT)陰極射線示波管(CRT)將電信號轉(zhuǎn)變成光信號并在熒光屏上顯示示波管：電子槍：發(fā)射電子并形成很細的高速電子束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)：決定電子束怎樣偏轉(zhuǎn)(XY兩對偏轉(zhuǎn)板)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

CRTHeaterCathodeGridFluorescentscreenAnodeX-platesY-plates示波管屬于電真空器件,又稱為陰極射線管(CRT)。電子槍電子槍的作用是發(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：燈絲F在交流低壓(如6.3V)下使鎢絲燒熱,用于加熱陰極陰極K是一個表面涂有氧化鋇的金屬第一柵極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。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。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。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。第三陽極A3具有上萬伏的高壓,用于對電子束加速,故也稱后加速陽極。偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)靜電偏轉(zhuǎn)——光點法用干示波器磁偏轉(zhuǎn)——光柵法用于電視機、計算機顯示器及示波器。熒光屏在示波管正面內(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。當(dāng)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偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)電子束在偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)作用下的運動X、Y偏轉(zhuǎn)板上都不加電壓：光點在熒光屏的中心位置Y上高,電子束受正電壓吸引向上移動；X右高,電子束受正電壓吸引向右移動；電子束在偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)作用下的運動Y:uy=UmsinωtX:ux=0Y:uy=0X:ux=UmsinωtY:uy=UmsinωtX:ux=Umsinωt波形波形顯示原理電信號的時間波形,實際上就是它的瞬時值與時間在直角坐標(biāo)系統(tǒng)中的函數(shù)圖像。示波器：垂直坐標(biāo)y正比于輸入信號瞬時值水平坐標(biāo)x正比于時間

——水平方向需用一個電壓模擬時間

波形顯示原理Y偏轉(zhuǎn)板加正弦波信號電壓X偏轉(zhuǎn)板加鋸齒波電壓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。掃描—時間基準(zhǔn)掃描：光點在x軸上反復(fù)移動時基(時間基準(zhǔn))：熒光屏上代表時間的水平亮線掃描電壓ux：隨時間線性變化的電壓ux=kt鋸齒波時間可以無限延續(xù),實際線性變化信號幅度不可能無限增長,且屏幕尺寸有限直線掃描電壓,只能使光點在屏幕上自左至右掃一次波形對掃描電壓要求對掃描電壓要求：周期性：線性：同步性：當(dāng)fx=fy→Tx=

Ty,第2周期光點移動軌跡與前一周期重合；當(dāng)fy=2fx→Tx=2Ty,第34周期光點移動軌跡與前12周期重合。推論：fy=n

fx(n為正整數(shù)),波形穩(wěn)定同步：fy=n

fx

，→Tx=n

Ty如果Tx≠n

Ty,即不滿足同步條件,顯示的圖像不穩(wěn)定連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描掃描種類：直線掃描：連續(xù)掃描觸發(fā)掃描圓掃描螺旋掃描

連續(xù)掃描Tx=tf

+tbtf

：掃描正程tb

：掃描回程理想情況：tb=0

連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描為觀測連續(xù)信號,掃描電壓是連續(xù)的,稱為連續(xù)掃描當(dāng)觀測脈沖過程時,往往感到連續(xù)掃描不再適應(yīng),特別是研究脈沖持續(xù)時間與重復(fù)周期之比,即占空比t0／Ty很小的脈沖過程時,問題就更為突出觸發(fā)掃描

Tx=tf+tb+tw只有在被測脈沖到來時才掃描一次掃描發(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)生一個掃描電壓一般選擇Tx≥t0掃描過程的增輝若不增輝將產(chǎn)生如圖的回掃線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。為使回掃產(chǎn)生的波形不在熒光屏上顯示,可以設(shè)法在掃描正程期間使電子槍發(fā)射更多的電子,即給示波器增輝增輝：在掃描正程期間給第一柵極G1加正脈沖

陰極K加負脈沖3.2模擬示波器通用示波器的組成Y通道(垂直通道)示波器對Y通道的基本要求是：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)板上有足夠?qū)挼姆群皖l率測量范圍。為了與X通道配合,Y通道應(yīng)有一定的延遲。輸入電路輸入電路探極耦合方式轉(zhuǎn)換開關(guān)衰減器阻抗變換器被測信號送入Y通道前,先通過探極(探頭)進入示波器。使用探極的目的：提高示波器的輸入阻抗擴展帶寬,減小失真。衰減器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一般用阻容補償分壓電路來實現(xiàn)。當(dāng)R1C1=R2C2—最佳補償延遲線

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。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。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。Y放大器Y放大器前置放大器和后置放大器,均采用差分放大器作用：使示波器具有觀測微弱信號的能力Y通道的增益SR-8：Symax=10mV/div=12.5mV/cmSv=6~8V/cmY放大器示波器的Y通道必須由多級放大器組成對Y放大器的主要要求是：頻帶寬度Δf足夠?qū)挘篺H越高越好

fL=0上升時間tr足夠小穩(wěn)定的增益對稱的輸出電路較高的輸入阻抗X通道作用：使電子束作水平偏轉(zhuǎn)給示波管提供增輝脈沖組成觸發(fā)電路

觸發(fā)電路的作用是為掃描信號發(fā)生器提供符合要求的觸發(fā)脈沖。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)脈沖觸發(fā)電路組成：觸發(fā)源選擇觸發(fā)的耦合方式選擇觸發(fā)方式選擇觸發(fā)極性選擇觸發(fā)電平選擇觸發(fā)放大整形電路等

觸發(fā)電路觸發(fā)極性選擇和觸發(fā)電平調(diào)節(jié)掃描發(fā)生器環(huán)作用:產(chǎn)生符合要求的鋸齒電壓。組成:掃描閘門、掃描電壓發(fā)生器、電壓比較器、釋抑電路掃描發(fā)生器環(huán)掃描閘門—施密特觸發(fā)器(滯后特性)當(dāng)觸發(fā)脈沖在到來時,觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，輸出的高低電平,作為掃描發(fā)生器的控制信號——門控信號掃描發(fā)生器—受時基閘門控制密勒積分器當(dāng)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。此電壓一路送X放大器,另一路送時基電路的電壓比較器輸出電壓U0為當(dāng)K閉合時,電容C放電,使U0迅速上升,回到掃描的起點。掃描發(fā)生器環(huán)電壓比較器將掃描電壓U0與參考電壓Ur進行比較,當(dāng)U0＜Ur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。釋抑電路在掃描回程期間電容C以較慢的速度放電保證每次掃描都在同一起始電平上開始。掃描發(fā)生器環(huán)示波器的多波形顯示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多束顯示優(yōu)點：能夠觀察同時出現(xiàn)的瞬變信號。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。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多蹤顯示多蹤示波器：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優(yōu)點：性能高、價格低缺點：不能觀測同時出現(xiàn)的瞬變信號，雙蹤示波器

組成：與普通示波器類似兩個Y通道+一個通道轉(zhuǎn)換器（電子開關(guān)）通道轉(zhuǎn)換器工作原理

雙蹤示波器設(shè)有“A”“B”“A+B”“交替”和“斷續(xù)”五種工作狀態(tài)?！癆”：S1S2S7S8

斷開,S3S4S5S6接通，

YA信號→送Y偏轉(zhuǎn)板“B”：S1S2S7S8接通,S3S4S5S6斷開，

YB信號→送Y偏轉(zhuǎn)板“A±B”：S1S2S5S6斷開,S3S4S7S8接通，兩路信號均傳到輸出端,并在負載中互相疊加通道轉(zhuǎn)換器工作原理上述三種狀態(tài)均為單蹤顯示,為顯示雙蹤,需高速控制YA與YB的接通與斷開,實現(xiàn)兩信號的輪流顯示在實際電路中,用晶體二、三極管代替機械開關(guān)K