电子测量技术基础-第4章-2

1、E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础1E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础2E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础3E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1多线示波 利用多枪电子管来实现的。 测试时各通道、各波形之间产生的交叉干扰可以减少或消除，可获得较高的测量准确度。 2多踪示波 在单线示波的基础上增加了电子开关，利用分时复用的原理，分别把多个垂直通道的信号轮流接到Y偏转板上，最终实现多个波形的同时显示。 4E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础52多踪示波“Y1”通道（CH1）、“Y2”通道（CH2）和叠加方式（CH1+CH2）都只显示一个波形。 Y1输

2、入电路Y1前置放大器Y1门电路电子开关延迟线Y后置放大器Y2输入电路Y2前置放大器Y2门电路至Y偏转板Y1输入Y2输入控制信号E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础62多踪示波（续) 交替方式（ALT）：适合于观察高频信号。 uy1uy2uxE-mail: 西南科技大学电子测量技术基础72多踪示波（续) 断续方式（CHOP）：适用于被测信号频率较低的情况。 uy1uy2uxE-mail: 西南科技大学电子测量技术基础8E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 4.6.1 概述 1取样的基本概念 取样就是从被测波形上取得样点的过程。 取样分为实时取样和非实时取样两种。 从一个信号波形中

3、取得所有取样点，来表示一个信号波形的方法称为实时取样。 从被测信号的许多相邻波形上取得样点的方法称为非实时取样，或称为等效取样。 9E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础1取样的基本概念实时取样示意图 取样脉冲p(t)输入信号Vi(t)取样信号Vo(t)ttE-mail: 西南科技大学电子测量技术基础1取样的基本概念非实时取样示意图E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础2取样原理 核心电路取样保持器示意图两个取样脉冲的时间间隔为 ，由于波形包络所经历的时间变长了，故可用低频示波器显示较高频率的信号。 输入信号输出信号Vi(t)Vo(t)取样脉冲p(t)取样门RCSsTmTtE-ma

4、il: 西南科技大学电子测量技术基础2取样原理（续）步进间隔t与信号最高频率fh应满足取样定理非实时采样只适用于周期性信号。 顺序进行的取样称为顺序取样；否则称为随机取样12htf E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础3 显示原理 顺序取样示波器中的水平扫描信号为阶梯波电压，阶梯持续时间，阶梯数对应屏幕上显示的不连续的光点数。 输入信号Y放大器输出tmTt2 t 3 t4 tsTmTt12345tX放大器输出（扫描阶梯波电压）E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 4.6.2 取样示波器的组成及工作原理 1.取样示波器的基本框图15延迟线取样电路触发电路Y延长门垂直放大器水平放大

5、器步进脉冲发生器Y输入外触发内外扫描信号发生器至X偏转板至Y偏转板E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础2.取样示波器的垂直通道 垂直通道由延迟线、延长门和Y放大器等电路组成，最关键的电路是取样电路，它产生正比于取样值的阶梯电压。下图为常用的闭环取样电路组成框图。 A反馈电路CsCmui(t)S1取样门取样脉冲延长门脉冲S2延长门+-至Y放大器uo(t)跟随器交流放大器E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础2.取样示波器的垂直通道（续） 第一个取样脉冲到来时，取样门闭合，输入的被测信号对取样电容Cs充电； 然后该电压被送到交流放大器A放大，在延长门闭合期间对保持电容Cm充电； 最后

6、保持电压经过反馈电路送回取样电容Cs，故取样电容Cs上最终得到的电压为 （K为取样门的传输函数）。 若kA=1，则取样电路的输出电压值正比于输入电压的取样值。 1csiuKA uA反馈电路CsCmui(t)S1取样门取样脉冲延长门脉冲S2延长门+-至Y放大器uo(t)跟随器交流放大器E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础2.取样示波器的垂直通道（续） 第二个取样脉冲到来时，取样门闭合，输入的被测信号与cs上的电压ui1之差给取样电容Cs充电，充电的电压值经过传递系数K和增益A后，将在保持电容上与前一次的输出信号叠加，得到uo2为 取样电路的输出是由离散的、与被测信号成正比的阶梯波构成的。

7、 21212oiiiiuKAuKA uuKAuA反馈电路CsCmui(t)S1取样门取样脉冲延长门脉冲S2延长门+-至Y放大器uo(t)跟随器交流放大器E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础3.取样示波器的水平通道X通道主要包括触发、放大、分频单元、快斜波发生器、比较器、阶梯波发生器和X放大器。下图为阶梯波发生器框图：快斜波发生器水平放大器电压比较器触发脉冲阶梯波发生器取样脉冲发生器泵发生器至取样门至X偏转板E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础3.取样示波器的水平通道（续）图示波形说明了步进脉冲发生器的工作过程触发脉冲t2 t3 tsTmTt 步进延迟脉冲快斜波、阶梯波mT123

8、4E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础21E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 模拟记忆示波器是利用记忆示波管的波形记忆（存储）特性实现波形较长时间的存储，其核心是记忆示波管：22KGA1A2G11G12G21G22K1K2收集极存储介质存储栅网荧光屏YX写入电子枪偏转系统读出电子枪记忆与显示记录系统泛射系统E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 4.7.1 记忆和存储示波器示波管内有两种电子枪，一种称为写入枪，另一种称为读出枪。 在记录波形之前，首先对存储栅网进行清除，清除网上的电子。写入枪发射电子束，实现了存储功能。 读出时，在那些被记录枪电子束扫描过的区域，读出枪发

9、出的泛射电子可以通过栅网而到达荧光屏，从而显示波形。23E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1数字存储示波器的组成原理 24E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础1数字存储示波器的组成原理（续）当处于存储工作模式时，其工作过程一般分为存储和显示两个阶段。在存储工作阶段，将模拟信号转换成数字化信号，在逻辑控制电路的控制下依次写入到RAM中。在显示工作阶段，将数字信号从存储器中读出转换成模拟信号，经垂直放大器放大加到CRT的Y偏转板。同时，CPU的读地址计数脉冲加至D/A转换器，得到一个阶梯波扫描电压，驱动CRT的X偏转板， E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础2数字存储式

10、波器的工作方式 （1）数字存储器的功能 随机存储器RAM包括信号数据存储器、参考波形存储器、测量数据存储器和显示缓冲存储器四种。 （2）触发工作方式 1）常态触发 同模拟示波器基本一样。 2）预置触发 可观测触发点前后不同段落上的波形。（3）测量与计算工作方式 数字存储示波器对波形参数的测量分为自动测量和手动测量两种。一般参数的测量为自动测量，特殊值的测量使用手动光标进行测量。（4）面板按键操作方式 数字存储示波器的面板按键分为立即执行键和菜单键两种。 E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础3数字存储示波器的显示方式 （1）存储显示 适于一般信号的观测。 （2）抹迹显示 适于观测一长串波

11、形中在一定条件下才会发生的瞬态信号。（3）卷动显示 适于观测缓变信号中随机出现的突发信号。 E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础3数字存储示波器的显示方式（4）放大显示 适于观测信号波形细节。 （5）XY显示 新波形到来移出，消逝输入波形放大显示波形(a) 卷动显示(b) 放大显示E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础3数字存储示波器的显示方式（6）显示的内插 插入技术可以解决点显示中视觉错误的问题。 主要有线性插入和曲线插入两种方式。 E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础4数字存储示波器的特点 （1）波形的采样/存储与波形的显示是独立的 因而可以无闪烁地观测极慢变化信号

12、 ；对于观测极快信号来说，数字存储示波器可采用低速显示。（2）能长时间地保存信号 便于观察单次出现的瞬变信号。 （3）先进的触发功能 不仅能显示触发后的信号，而且能显示触发前的信号。（4）测量准确度高 采用了晶振和高分辨率A/D转换器。 （5）很强的数据处理能力 内含微处理器，能自动实现多种波形参数的测量与显示；还具有自检与自校等多种自动操作功能（6）外部数据通信接口 可以很方便地将存储的数据送到计算机或其他的外部设备，进行更复杂的数据运算和分析处理。 E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础5数字存储示波器的主要技术指标（1）最高取样速率 指单位时间内取样的次数，用每秒钟完成的A/D转换

13、的最高次数来衡量。 （2）存储带宽(B) 与取样速率密切相关。（3）分辨率 包括垂直分辨率(电压分辨率)和水平分辨率(时间分辨率) 垂直分辨率与A/D转换器的分辨率相对应，常以屏幕每格的分级数(级div)或百分数来表示。 水平分辨率由存储器的容量决定，常以屏幕每格含多少个取样点或用百分数来表示。 E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础5数字存储示波器的主要技术指标（续）（4）存储容量 由采集存储器（主存储器）的最大存储容量来表示。 （5）读出速度 读出速度是指将数据从存储器中读出的速度，常用(时间)/div来表示。 E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础6数字存储示波器的主要部件及

14、要求（1）高速A/D转换器 1）并行比较式ADC 采用直接比较原理， 转换速度快，有闪 烁式A/D（Flash A/D）之称。 +-+-+-编码逻辑电路输出寄存器ViRRR+Vr-Vr采样时钟比较器nn-11nn-11MSBLSBE-mail: 西南科技大学电子测量技术基础6数字存储示波器的主要部件及要求（续）（1）高速A/D转换器2）并串式ADC S/H4位并行A/D4位并行A/D4位D/A-+减法放大器b7b6b5b4b3b2b1b0(MSB)(LSB)ViV1E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础6数字存储示波器的主要部件及要求（续）（2）存储器 可将高速采集的数据分路变为低速数据

15、进行存储以降低对存储速度的要求。 A/D转换器寄存器RAM1RAM2Vi/2fsE-mail: 西南科技大学电子测量技术基础6数字存储示波器的主要部件及要求（续）（3）控制系统 单处理器系统：仅有一个CPU，加上在CPLD或FPGA等数字逻辑的管理下进行工作的高速时钟电路。 多处理器系统：由多个CPU完成数据采集、数据处理、显示、人机控制等功能。 E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础高速信号采集技术（1）CCD器件和A/D相结合 对被测信号进行非实时取样后借助CCD进行信号的模拟存储。然后将CCD中存储的信号读出并进行A/D转换，其结果存入RAM。 YA顺序取样YB顺序取样通道转换器A

16、B通道转换器A/DRAMViAViBE-mail: 西南科技大学电子测量技术基础高速信号采集技术（续）（2）扫描交换管和A/D相结合 将高速信号存储在扫描变换管的靶面上，然后通过电子扫描靶面以图像信号输出的形式取出存储信号，并经A/D转换将数字化结果存入存储器。 （3）等效取样和A/D相结合 采用等效取样的方法将高速信号变为低速信号，对此低速信号进行采集、存储就可能完成测量任务。 E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础高速信号采集技术（续）（4）多通道组合 将多个通道的采集能力均用于一个通道对被测信号进行采集。ADC1ADC2RAM1RAM2Vifs数据输出Vifs反相fs(a) 原理框

17、图(b) 采样与存储波形图E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础40E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 4.8.1 示波器的选用 （1）根据要显示的信号数量，选择单踪或双踪示波器。 （2）根据被测信号的频率特点选择。 （3）根据被测信号的重现方式选择。 （4）根据被测信号是否含有交直流成分选择。 （5）根据被测信号的测试重点选择。 41E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础使用注意事项（1）检查电源电压。 （2）通电预热后再调整各旋钮，同时注意各旋钮应先大致旋在中间位置。（3）亮度不宜开得过高，且亮点不宜长期停留在固定位置，不观测波形时，应该将辉度调暗。（4）输入信号电压

18、的幅度应控制在示波器的最大允许输入电压范围内。 E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础2通用示波器的主要技术性能 （1）Y轴通道 包括偏转灵敏度、频带宽度、输入阻抗、最大输入电压、工作方式及Y通道延迟时间等。 （2）X轴通道包括时基因数、工作方式、触发方式、耦合方式及外触发最大输入电压等。 （3）主机包括显示尺寸、后加速阳极电压、校准信号等。E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础3通用示波器的面板示意图 （1）CH1（X）通道1：垂直输入端。 （2）CH2（Y）通道2：垂直输入端。 （3）VOLTS/DIV:输入衰减器。 （4）VERT MODE：垂直方式选择开关。 （5）SOUR

19、CE:触发源选择开关。 （6）COUPLING:触发信号耦合方式开关。 （7）TIME/DIV:扫描时间选择开关。 （8）SWEEP MODE:扫描方式选择开关。 （9）EXT TRIG和EXT HOR外触发和外水平共用输入端。 （10）LEVEL HOLD OFF触发电平和释抑时间双重控制旋钮。 （11）X-Y方式。 E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础3通用示波器的面板示意图（续）E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础4探头的正确使用常见探头为低电容高电阻探头： vivoRRiCCiZ1Z2C0输入探头示波器最佳补偿过补偿欠补偿显示波形E-mail: 西南科技大学电子测量技术

20、基础4探头的正确使用（续）低电容探头的应用使输入阻抗大大提高，特别是输入电容大大减小。但是，将使示波器的灵敏度有所下降。探头和示波器是配套使用的，不能互换，否则将会导致分压比误差增加或高频补偿不当。低电容高电阻探头的校正方法是以良好的方波电压通过探头加到示波器，微调电容C以达到出现良好的方波。 E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 4.8.2 用示波器测量电压481直流电压的测量 （1）测量原理 利用被测电压在屏幕上呈现的直线偏离时间基线(零电平线) 的高度与被测电压的大小成正比的关系进行的。 为被测直流电压值，h为被测直流信号线的电压偏离零电平线的高度； 为示波器的垂直灵敏度， k为

21、探头衰减系数。DCyVhDkDCVyDE-mail: 西南科技大学电子测量技术基础1直流电压的测量（续）（2）测量方法 1）将示波器的垂直偏转灵敏度微调旋钮置于校准位置（CAL）。 2）将待测信号送至示波器的垂直输入端。 3）确定零电平线。 4）将示波器的输入耦合开关拨向“DC”档，确定直流电压的极性 5）读出被测直流电压偏离零电平线的距离h。 6）计算被测直流电压值。 E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础1直流电压的测量（续）例4-1 示波器测直流电压及垂直灵敏度开关示意图如图所示，h=4cm、V/cm、若k=10：1，求被测直流电压值40.5 1020DCyVhDk(V)0.512

22、51025010050255VmVV/div零电平线显示波形（直流电压）E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础2交流电压的测量 （1）测量原理 为被测交流电压值（峰-峰值）；h为被测交流电压波峰和波谷的高度或任意两点间的高度； 为示波器的垂直灵敏度； 为探头衰减系数。（2）测量方法 垂直偏转灵敏度微调旋钮置于校准位置；接入待测信号；输入耦合开关置于“AC” ；调节扫描速度使波形稳定显示；调节垂直灵敏度开关；读出被测交流电压波峰和波谷的高度；计算被测交流电压的峰-峰值。 PPyyVhDkP PVyDykE-mail: 西南科技大学电子测量技术基础2交流电压的测量（续）例4-2 示波器正弦电

23、压如图所示，h=8cm、V/cm、若K=1：1，求被测正弦信号的峰-峰值和有效值。正弦信号的峰-峰值为正弦信号的有效值为 0.51251025010050255VmVV/div零电平线显示波形（交流电压）8 1 18VP PyVhDk 82.322 22 2PP PVVVVE-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 4.8.3 用示波器测量时间和频率 531测量周期和频率 （1）测量原理 被测交流信号的周期 （x为被测交流信号的一个周期在荧光屏水平方向所占距离； 为示波器的扫描速度； 为X轴扩展倍率。 周期的倒数即为频率。 /xxTxDkxDxkE-mail: 西南科技大学电子测量技术基础1

24、测量周期和频率（续）（2）测量方法 1）将示波器的扫描速度微调旋钮置于“校准” 位置。 2）将待测信号送至示波器的垂直输入端。3）将示波器的输入耦合开关置于“AC”位置。4）调节扫描速度开关，记录 值。5）读出被测交流信号的一个周期在荧光屏水平方向所占的距离x6）计算被测交流信号的周期。 xDE-mail: 西南科技大学电子测量技术基础1测量周期和频率（续）例4-3 荧光屏上的波形如图所示，信号一周期7cm，扫描速度开关置于“10ms/cm”位置，扫描扩展置于“拉出10”位置，求被测信号的周期。 0.20.5121010010110050Smst/div55nsx7 10/710 xxTxDk

25、msms E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础2测量时间间隔 （1）测量同一信号中任意两点A与B的时间间隔的测量方法如下图。 A与B的时间间隔 （ 为A与B的时间间隔在荧光屏水平方向所占距离， 为示波器的扫描速度）A BA BxTxDA BxxDE-mail: 西南科技大学电子测量技术基础2测量时间间隔（续）（2）若A、B两点分别为脉冲波前后沿的中点，则所测时间间隔为脉冲宽度，如下图示。 E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础2测量时间间隔（续）（3）采用双踪示波器可测量两个信号的时间差。将B脉冲的起点左移1格，读出两被测信号起始点时间的水平距离。E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 4.8.4 用示波器测量相位 591用双踪示波法测量相位 将欲测量的两个信号A和B分别接到示波器的两个输入通道。 利用荧光屏上的坐标测出信号的一个周期在水平方向上所占的长度 。 再测量两波形上对应点之间的水平距离x，则两信号的相位差为 Txo360TxxE-mail: 西南科技大学电子测量技术基础1用双踪示波法测量