[工学]时域测量part课件

1、art1第六章 时域测量第六章 时域测量本章要点： 示波器的功用、分类、组成和波形显示原理 通用示波器的组成原理、特性与应用 取样技术在示波器中的应用 数字示波器的组成原理、信号采集处理技术、特性与功能本章开始将介绍几种图示式仪器，从三个方面去进行研究，即时域(Time Domain)反映的幅度U与时间T的关系(如示波器)、频域(Frequency Domain)反映的幅度U与频率F的关系(如频谱仪)及调制域(Modulation Domain)。下面将分三章介绍三种图示式仪器：时域示波器、频域频谱仪和数据域逻辑分析仪。 T图6.1 调频波频谱图FU调制域频域时域概述 在电子测量中，通常希望直

2、观地看到电信号随时间变化的图形，时域波形测量技术及电子示波器就是实现人们这种愿望的。示波器不但可将电信号作为时间的函数显示在屏幕上，更广义地讲，示波器是一种能够反映任何两个参数互相关联的XY坐标图形的显示仪器，只要把两个有关系的变量转化为电参数，分别加至X、Y通道，就可以在荧光屏上显示这两个变量之间的关系。如频谱仪和逻辑分析仪都可以看成为广义示波器。因此，示波测量技术是一类重要的基本测量技术。示波器是时域分析的最典型、最常用的仪器。6.1.1 示波器的功用1. 示波器是一种基本的、应用最广泛的时域测量仪器。2. 是一种全息仪器。示波器能让人们观察到信号波形的全貌，能测量信号的幅度、频率、周期等

3、基本参量，能测量脉冲信号的脉宽、占空比、上升（下降）时间、上冲、振铃等参数，还能测量两个信号的时间和相位关系。这些功能是其它电子仪器难以胜任的。 3. 示波器从早期的定性观测，已发展到可以进行精确测量。4. 示波器是其它图式仪器的基础。对扫频仪、频谱仪、逻辑分析仪以及医用B超等各种图示仪器就容易理解了。6.1.2 示波器的分类一、当前常用的示波器从技术原理上可分为： （1）模拟式通用示波器（采用单束示波管实现显示，当前 最通用的示波器）。 （2）数字式数字存储示波器（采用A/D、DSP等技术实现的数字化示波器）。（1）中、低档示波器，带宽在60MHz以下。 （2）高档示波器，带宽在60MHz以

4、上，大多在300MHz以下。 更高档的有1GHz2GHz以上。 从性能上，按示波器的带宽可分为： 1、模拟示波器（信号频率一般在200MHz以下）通用示波器：采用单束示波管，根据能在荧光屏上显示出的信号数目，可分为单踪、双踪和多踪示波器。多束示波器：又称多线示波器。它采用多束示波管，荧光屏上显示的每个波形都由单独的电子束扫描产生，能同时观测、比较两个以上的波形。取样示波器：采用时域采样技术将高频周期信号转换为低频离散时间信号显示，从而可以用较低频率的示波器测量高频信号。记忆示波器：采用具有记忆功能的示波管，能实现模拟信号的存储、记忆和反复显示，特别适宜观测单次瞬变信号。专用示波器：能够满足特殊

5、用途的示波器。如矢量示波器、心电示波器、电视示波器、逻辑示波器等。2。数字示波器（DSO:Digital Storage Oscilloscope）数字示波器将输入信号数字化（即时域取样和幅值量化）后，经D/A转换器再重建波形显示。它具有记忆、存储被观察信号功能，可用来观测和比较单次过程和非周期现象、低频和慢速信号。根据取样方式不同，数字示波器可分为：实时取样、随机取样和顺序取样三大类。由于模拟电路的带宽限制，100MHz以上的示波器，以数字示波器为主。二、主要技术指标1。频带宽度BW和上升时间tr频带宽度BW:一般指Y通道的频带宽度，为Y通道输入信号的上、下限频率。下限频率一般为0Hz，故以

6、信号上限频率为其带宽。上升时间tr：是与带宽相关的参数，表示由于示波器Y通道的频带宽度的限制，当输入一个理想阶跃信号（上升时间为0）时，显示波形的上升沿从10%上升到90%所需时间。它反映了示波器Y通道跟踪输入信号变化的能力：2。扫描速度 扫描速度：指荧光屏上单位时间内光点水平移动的距离，单位为“cm/s”。由于荧光屏上通常以1cm间隔做坐标线刻度，1cm称为“1格”(用div表示)，故扫描速度的单位也为“1div/s”。 时基因数：扫描速度的倒数称为时基因数，表示单位距离代表的时间，单位为“s/cm”或“ms/div”。在示波器面板上有此参数的旋钮，用以展开高频信号的时间轴。同时设有微调和扩

7、展旋钮。3。偏转因数偏转因数：指在输入信号作用下，光点在荧光屏上垂直（Y）方向移动1cm（即1div）所需的电压值，单位为“V/cm”、”mV/cm”、（或“V/div”、”mV/div”）。示波器面板上也有其旋钮和微调旋钮。偏转灵敏度：偏转因数的倒数称为灵敏度。4。输入阻抗 当被测信号接入示波器时，其输入阻抗形成被测信号的等效负载。当输入直流信号时，输入阻抗表现为输入电阻，一般为1M；当输入为交流信号时，输入阻抗用输入电阻和输入电容Ci的并联表示，Ci一般在33pF左右，当使用有源探头时，Ri=10M ，Ci10pF。5。输入方式指输入的耦合方式。一般有直流（DC）、交流（AC）和接地（GN

8、D）三种。 直流方式：即直接耦合方式，输入信号的所有成分都加到示波器上。 交流方式：通过隔直电容去掉直流和低频分量，仅将交流分量加到示波器。 接地方式：断开输入信号，将Y通道接地。常用来在测量信号幅度时确定零电平位置。6。触发源选择方式触发源是指用于提供产生扫描电压的同步信号来源。一般有内触发（INT）、外触发（EXT）、电源触发（LINE）。 内触发：用输入信号产生同步触发信号。 外触发：由外部输入信号产生同步触发信号，通常此信号与被测信号具有某种时间同步关系。 电源触发：即利用50Hz工频电源产生同步触发信号。6.1.3 示波器的组成 Y（垂直）通道：由探头、衰减器、前置放大器、延迟线和输

9、出放大器组成，实质上是个多级宽频带、高增益放大器，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。当前以光点和光栅方式作显示屏的主要采用示波管。另外，平板显示屏是后起之秀，发展很快，尤其是液晶显示屏（LCD）已经应用于示波器了。 Y (垂直)通 道X (水平)通 道电源图6.2 示波器的基本组成显示屏6.2 示波管（CRT） 示波管属于电真空器件，又称为阴极射线管（CRT）。KG1G2

10、A1A2Y2X2F6.3V-1KV0VX1亮度Ug1聚焦UA1辅助聚焦后加速极A315KV电子枪偏转系统荧光屏Y1真空玻璃管图6.3 阴极射线示波管Z轴目前示波器的显示器有阴极射线管（CRT）和平板显示器（LCD）两大类。CRT主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成，他们被密封在真空的玻璃管内。F：灯丝，K：阴极，G：栅极，A：阳极。6.2.1 电子枪电子枪的作用是发射电子并形成强度可控制的很细的电子束。它由以下几部分组成： 1.灯丝F在交流低压(如6.3V)下使钨丝烧热,用于加热阴极。2.阴极K是一个表面涂有氧化钡（其逸出功小，内部自由电子容易逸出）的金属 KG1G2A1A2Y2X2F6.

11、3V-1KV0VX1亮度Ug1聚焦UA1辅助聚焦后加速极A315KV电子枪偏转系统荧光屏Y1真空玻璃管图6.3 阴极射线示波管阴极发射电子：当电流流过灯丝后对阴极加热，使涂有氧化物的阴极产生大量电子，在后续电场的作用下加速运动，去轰击荧光屏发光。亮度控制：阴极与第一、第二阳极（A1、A2）之间为控制栅极（G1、G2），G1呈圆筒状，包围着阴极，只在面向荧光屏的方向开一个小孔让电子通过。栅极的作用：通过调节G1对K的负电位可控制电子束的强弱，从而调节光点的亮度，即“辉度”控制。聚焦与加速：当电子离开栅极小孔时，相互排斥而发散。通过第一阳极A1使电子会聚，通过第二阳极A2使电子加速。G2与A2具有

12、相等的电位，只要调节A1的电位，即可调节G1与A1、A1与A2之间的电位，实现聚焦。3.第一栅极G1调节G1的电位可以调节示波器的亮度，常置于示波器面板上供使用。 当控制信号加于G1，其亮度可随之改变，则可以传递信息，称为示波器的Z轴电路。4.第二栅极G2隔离开G1和A1，以减小亮度调节与聚焦调节的相互影响。KG1G2A1A2Y2X2F6.3V-1KV0VX1亮度Ug1聚焦UA1辅助聚焦后加速极A315KV电子枪偏转系统荧光屏Y1真空玻璃管图6.3 阴极射线示波管5.第一阳极A1与第二阳极A2构成一个电子透镜，对电子束起聚焦作用。 6.第二阳极A2是个更大的同轴圆筒，其上电压较高，它主要与A1

13、构成电子透镜。 7.第三阳极A3具有上万伏的高压，用于对电子束加速，故也称后加速阳极。 KG1G2A1A2Y2X2F6.3V-1KV0VX1亮度Ug1聚焦UA1辅助聚焦后加速极A315KV电子枪偏转系统荧光屏Y1真空玻璃管图6.3 阴极射线示波管电子束聚焦的原理是，电子从阴极K发射，经G1、G2、A1、A2聚焦和加速后进入偏转系统。电子在电子枪中的运动轨迹如下图所示。 电子从阴极K发射，经G1、G2、A1、A2进入偏转系统。其电位关系为：VG1VG1、VA1VA1。电子穿过加速场时得到会聚并加速，穿过减速场时将发散并减速。6.2.2 偏转系统1静电偏转-光点法-用于示波器2.磁偏转-光栅法-用

14、于电视机、计算机显示器及示波器。图6.4 电子束的偏转LSYUyUa屏幕电子束A2比例系数称为示波管的偏转因数，单位为cm/V，它的倒数Dy1hy称为示波管的偏转灵敏度，单位为V/cm。偏转灵敏度是示波管的重要参数。6.2.3 荧光屏在示波管正面内壁涂上一层荧光物质，荧光物质将高速电子的轰击动能转变为光能，产生亮点。 余辉时间：当电子束从荧光屏上移去后，光点仍能在屏上保持一定的时间才消失。从电子束移去到光点：亮度下降为原始值的10，所延续的时间称为余辉时间 小于10s的为极短余辉； 不同荧光材料余辉时间不一样：10s1ms为短余辉（通常是蓝色，便于摄影感光）；1ms0.1s为中余辉（通常为绿色

15、，眼睛不易疲劳）； 0.1s1s为长余辉（通常是黄色）；大于1s为极长余辉（通常是黄色）。6.3波形显示原理6.3.1 显示随时间变化的图形 1.光点扫描显示原理 光点位置控制： uyY1Y212340t13024(a)(b)tX2X100uxTsTn+ + + +- - - - - - -+ + +光点在合力作用下移动.2.信号与扫描电压的同步uy12340tTsuxuyuxX1X2Y1Y212340t0Tn12340图6.6 扫描过程uyTsTnt0135791086420,81,9537210412681tux25791233445667108图6.7 扫描电压与被测信号同步同步：Tn/

16、TS=nN=1，2，波形稳定3.连续扫描和触发扫描连续扫描：一开机就有扫描线，来信号同步后波形才稳定。触发扫描：一开机没有扫描线，来信号触发后波形才稳定。TsttttuyuxuxuxTnTn图6.9 连续扫描和触发扫描的比较1mS1S1显示随时间变化的图形（1）Ux、Uy为固定电压时，有下面四种情况： 光点出现在荧光屏的中心位置。 光点仅在垂直方向偏移 ：Uy为正电压时，光点从荧光屏的中心往垂直方向上移；Uy为负电压时，光点从荧光屏的中心往垂直方向下移。 1显示随时间变化的图形（续）光点仅在水平方向偏移 ：Ux为正电压时，光点从荧光屏的中心往水平方向右移；Ux为负电压时，光点从荧光屏的中心往水

17、平方向左移。 当两对偏转板上同时加固定的正电压时，光点位置应为两电压的矢量合成。 7.2.2 波形显示的基本原理1显示随时间变化的图形（续）（2）X、Y偏转板上分别加变化电压，有下面两种情况：仅在垂直偏转板的两板间加正弦变化的电压，则光点只在荧光屏的垂直方向来回移动，出现一条垂直线段。 1显示随时间变化的图形（续）仅在水平偏转板的两板间加锯齿电压，则光点只在荧光屏的水平方向来回移动，出现一条水平线段。1显示随时间变化的图形（续）（3）Y偏转板加正弦波信号电压，X偏转板加锯齿波电压，荧光屏上将显示出被测信号随时间变化的一个周期的波形曲线。 2显示任意两个变量之间的关系 示波器两个偏转板上都加正弦

18、电压时显示的图形称为李沙育（Lissajous）图形，这种图形在相位和频率测量中常会用到。 若两信号的初相相同，且在X、Y方向的偏转距离相同，在荧光屏上画出一条与水平轴呈45度角的直线。 2显示任意两个变量之间的关系（续）若两信号的初相相差90度，且在X、Y方向的偏转距离相同，在荧光屏上画出的图形为圆。3扫描的概念 如果在X偏转板上加一个随时间线形变化的电压，垂直偏转板不加电压，那么光点在水平方向的偏移距离为 ，比例系数Sx称为示波管的X轴偏转灵敏度。 光点在锯齿波作用下扫动的过程称为“扫描”，能实现扫描的锯齿波电压称为扫描电压，光点自左向右的连续扫动称为“扫描正程”，自荧光屏的右端迅速返回左端起扫点的过程称为