第5章 时域测量

第5章

时域测量第5章时域测量

—信号以连续时间为自变量的函数—以f为自变量，P或能量为因变量的函数例：脉冲发生器、函发、示波器、计数器例：频谱仪，频域时域第5章时域测量

5.1示波器的分类5.2通用示波器*5.3多波形显示5.4取样示波器5.5示波器的应用*第5章时域测量重点：通用示波器通用示波器的基本构成通用示波器显示波形的原理示波器的应用测频、测相位难点：通用示波器显示波形的原理第5章时域测量示波器的应用：示波器的特点：电信号的时域测量非电信号（如T、压力、a等）的变化测量速度快，工作频率宽，可测高速脉冲灵敏度高，可观察微弱信号变化过载能力强输入阻抗高—电子束惯性小—非指针指示—配有高增益放大器—对被测电路影响小

5.1示波器的分类数字示波器模拟示波器通用示波器*多束示波器取样示波器记忆示波器专用示波器实时取样随机取样顺序取样A/D，D/A中低档B<100MHz高档B>100MHz—测量高频周期信号—例：高灵敏度示波器—测量瞬变的单次信号5.2通用示波器5.2.1通用示波器的基本构成5.2.2示波器显示波形的原理5.2.3垂直系统5.2.4水平系统5.2.1通用示波器的基本构成Y轴输入外X轴输入外触发输入示波管垂直系统（Y通道）水平系统（X通道）主机（显示＋电源）5.2.2示波器显示波形的原理一、示波管的结构①由电子枪、偏转系统、荧光屏组成②这个密封在玻璃壳内，形成大型的电真空器件③用途：电信号光信号5.2.2示波器显示波形的原理一、示波管的结构(CRT-CathodeRayTube)电子枪F:灯丝K：阴极G1：控制栅极G2：加速级A1：第一阳极A2:第二阳极5.2.2示波器显示波形的原理一、示波管的结构发射电子并形成很细的高速电子束灯丝F、阴极K、栅极G、前加速极G2、第一阳极A1、第二阳极A2A、灯丝F加热产生电子束B、负电位栅极G控制电子束的强弱—辉度调节C、G2、A1、A2构成电子束的聚焦—A1聚焦调节—A2辅助聚焦调节1、电子枪①作用：②组成：③原理：（1）、辉度控制：一、示波管的结构5.2.2示波器显示波形的原理（1）、辉度控制：5.2.2示波器显示波形的原理一、示波管的结构电子束在电子枪内的运动轨迹：（2）、聚焦、加速为增加聚焦效果：①G2加隔板，截获偏离轴线远的电子②A2中心有一个小孔，利于聚束加速电场聚焦电位器辅助聚焦电位器5.2.2示波器显示波形的原理一、示波管的结构(CRT-CathodeRayTube)偏转系统5.2.2示波器显示波形的原理一、示波管的结构2、偏转系统垂直偏转板＋水平偏转板外加电压在偏转板之间形成电场；使电子束打向荧光屏上的某个坐标位置。Y偏转板置于靠近A2的部位，而X偏转板在Y的右边。为了示波器有较高的灵敏度。

①组成：③放置：②原理：5.2.2示波器显示波形的原理一、示波管的结构(CRT-CathodeRayTube)SLdUA2V0ylLd5.2.2示波器显示波形的原理2、偏转系统—以垂直偏转板为例偏转距离y与偏转电压Uy的关系：板长板屏距板间距偏转灵敏度V/cm一、示波管的结构5.2.2示波器显示波形的原理一、示波管的结构2、偏转系统—以垂直偏转板为例提高灵敏度措施：①增大L，垂直偏转置于水平偏转左边②减小UA2，增加先偏转后加速系统（PDA）P157③加屏蔽层，消除偏转板间交叉干扰及外界电磁场作用5.2.2示波器显示波形的原理一、示波管的结构3、荧光屏②余辉时间—光点亮度下降为最大值10％持续的时间①荧光粉—将电信号光信号大部分转化成热能，少部分转化成光能。因此：不能长时间停在一处，否则易损坏荧光粉而形成斑点。③铝膜—位于荧光屏内侧短余辉—10us∽1ms中余辉—1ms∽0.1s长余辉—0.1s∽1s——一般示波器——高频信号——超低频信号二、示波管波形显示原理5.2.2示波器显示波形的原理5.2.2示波器显示波形的原理二、示波管波形显示原理1、显示随时间变化的波形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

A、Ux＝Uy＝0B、Ux＝0,Uy=常量光点仅在垂直方向偏移5.2.2示波器显示波形的原理二、示波管波形显示原理1、显示随时间变化的波形C、Ux＝常量,Uy=常量B、Ux＝常量,Uy=0光点仅在水平方向偏移光点在象限内，为两者的矢量合成5.2.2示波器显示波形的原理二、示波管波形显示原理2、扫描的概念A、Ux＝0,Uy为正弦波电压UyUyt01234024135.2.2示波器显示波形的原理二、示波管波形显示原理B、Uy=0,Ux为锯齿波电压01324UxUxt0t01234Ux扫描：Ux为周期锯齿波电压（扫描电压），在屏幕上显示一条水平亮线（时间基线），这过程称扫描。2、扫描的概念5.2.2示波器显示波形的原理二、示波管波形显示原理2、扫描的概念C、Ux为锯齿波电压，Uy为正弦波电压（设Tx＝Ty）01324UxUxUyUy0123401234UyUxttn=2TxTy5.2.2示波器显示波形的原理二、示波管波形显示原理3、同步的概念设Tx＝2Ty5.2.2示波器显示波形的原理二、示波管波形显示原理3、同步的概念设Tx＝5Ty/40123467810911TxUxt0123455678910TyUyt01234567910波形一直往左跑－不同步同步—Tx＝nTy5.2.2示波器显示波形的原理二、示波管波形显示原理4、扫描过程的增辉（设Tx＝2Ty）01234678tUxtTxUyTy0123456785501234678正程增辉—使波形不出现回扫线正程：回程：5.2.2示波器显示波形的原理二、示波管波形显示原理5、连续扫描和触发扫描连续扫描—锯齿波电压连续的扫描例：TsT＝Tstt难以观察脉冲细节a.连续扫描5.2.2示波器显示波形的原理二、示波管波形显示原理5、连续扫描和触发扫描例：ttTs脉冲展宽，但太暗而时间基线太亮b.连续扫描tTs扫描等待5.2.2示波器显示波形的原理二、示波管波形显示原理5、连续扫描和触发扫描例：能较好观察脉冲c.触发扫描触发扫描—只在信号来时才触发，而平时无触发的扫描。应用：占空比小的脉冲信号5.2.2示波器显示波形的原理二、示波管波形显示原理6、X－Y方式波形显示01234UyUxtt（1）Ux与Uy都为正弦波，且同相5.2.2示波器显示波形的原理二、示波管波形显示原理6、X－Y方式波形显示（2）Ux与Uy都为正弦波，不同相，设相位差90o01234024UyUxtt若峰值不同，则为椭圆5.2.2示波器显示波形的原理二、示波管波形显示原理7、主要的性能指标（1）频带宽度BW和上升时间tr一般指Y通道的频带宽度。反映可观测信号的最高频率，越大越好。频带宽度BW——5.2.2示波器显示波形的原理二、示波管波形显示原理7、主要的性能指标表示示波器Y通道随输入信号快速变化的能力。反映脉冲信号的最小宽度，越小越好。两者关系：上升时间tr——5.2.2示波器显示波形的原理二、示波管波形显示原理7、主要的性能指标（2）偏转灵敏度

表示了示波器Y通道的放大/衰减能力，反映示波器观察微弱信号的能力，越小越好。与BW相矛盾定义——意义——

指在输入信号无衰减情况下，光点在荧光屏Y方向上移动1cm（即1格）所需的电压值，单位为“V/cm”、“mV/cm”（或“V/div”、“mV/div”）。5.2.2示波器显示波形的原理二、示波管波形显示原理7、主要的性能指标（3）扫描速度

表示了示波器测量信号的范围，窄脉冲和高频需要高的扫描速度，缓慢变化信号需要低的扫描速度，因此扫描速度范围越宽越好。定义——意义——

指在无扩展情况下，光点在荧光屏X方向上单位时间移动的距离，单位为“s/cm”或“s/div”一般范围——0.1us/div∽0.5s/div5.2.3垂直系统1、作用2、组成做为信号的传输通道，并产生同步触发信号。观测mV∽几十伏电压输入电路、前置放大器、延迟线、后置放大器5.2.3垂直系统一、输入电路包含：耦合方式＋衰减器1、耦合方式——信号直接通过——确定零电压——隔直流及低频，观察交流信号DCGNDACDCACGNDRiCi至衰减器S5.2.3垂直系统一、输入电路2、衰减器u1u2R1R2C1C2目的：测量大信号目的：电阻电容分压器组成：R1C1＝R2C2最佳补偿：R1C1>R2C2过补偿：R1C1<R2C2欠补偿：过补偿欠补偿旋钮：示波器面板上的垂直灵敏度粗调开关（V/div）5.2.3垂直系统二、前置放大器1、单端输入信号变成双端对称输出信号2、还具有增益扩展、微调，垂直位移，极性变换的作用电路：采用差分放大电路5.2.3垂直系统三、延迟线1、必要性无法观察完整波形触发点输入信号扫描电压显示波形扫描起点tT5.2.3垂直系统三、延迟线2、作用将被测信号在偏转板上出现的时刻滞后于扫描开始的时刻（td>tT），从而保证屏幕上显示处被测信号的全过程。触发点输入信号扫描电压显示波形输入信号延迟后扫描起点tTtd5.2.3垂直系统四、后置放大器目的：要求：电路：将经延迟线的被测信号放大到足够的幅度，以驱动垂直偏转系统，使电子束获得Y方向的满偏转。具有稳定的增益、较高的输入阻抗、足够宽的频带、较小的谐波失真。采用推挽式放大器，有利于提高共模抑制比5.2.4水平系统1、作用2、组成形成、控制并放大锯齿波扫描电压，以在屏幕上显示稳定、准确的波形。触发源选择触发耦合方式选择放大整形电路扫描闸门扫描电压发生器水平放大器比较和释抑电路触发信号触发电路扫描发生器环至X偏转板扫描电路5.2.4水平系统一、触发电路1、作用为扫描电路提供一定幅度和宽度的正触发脉冲2、组成放大、整形电路内外电源C1C3ACTVHFREJDC常态自动单次触发电平调节至扫描发生器环触发脉冲输出S1S2S4+-S3极性反转电路触发源选择触发耦合方式选择触发极性选择触发方式选择电视同步分离电路5.2.4水平系统一、触发电路（1）触发源选择内触发（INT）外触发（EXT）电源触发（LINE）——将Y前置放大器输出（延迟线前的被测信号）作为触发信号，适用于观测被测信号。——用外接的、与被测信号有严格同步关系的信号作为触发源，用于比较两个信号的同步关系。——用50Hz的工频正弦信号作为触发源，适用于观测与50Hz交流有同步关系的信号。内外电源S1触发源选择5.2.4水平系统一、触发电路（2）触发耦合方式DC直流耦合HFREJ高频电视TV——接入直流或缓慢变化的触发AC交流耦合——观察从低频到较高频率的信号——观察高频成分的交流信号——观察视频TV信号，以便对电视信号（如行、场同步信号）进行监测与电视设备维修。C1C3ACTVHFREJDCS2触发耦合方式选择电视同步分离电路5.2.4水平系统一、触发电路（3）触发方式选择自动单次——有连续扫描锯齿波电压输出，荧光屏上总能显示扫描线。常态——指有触发源信号并产生了有效的触发脉冲时，荧光屏上才有扫描线。——自动和常态均不用，按下“复位”按钮，扫描一次。5.2.4水平系统一、触发电路（4）触发极性(level)和触发电平(slope)触发极性触发电平——指触发脉冲到来时所对应的触发放大器输出电压的瞬时值。＋——触发点位于触发信号的上升沿-——触发点位于触发信号的下降沿——二者共同决定触发脉冲产生的时刻，并决定被显示信号的起始点。总体作用：5.2.4水平系统一、触发电路（4）触发极性和触发电平(a)正电平、正极性(b)正电平、负极性(c)负电平、负极性(d)负电平、正极性5.2.4水平系统二、扫描发生器环至X放大器稳定度调节比较电平触发脉冲输入扫描闸门积分器比较释抑电路增辉脉冲+E+E5.2.4水平系统二、扫描发生器环1、扫描闸门产生快速上升或下降的闸门信号作用：目的：②控制正程增辉①控制积分器扫描③使双踪示波器工作于交替状态,P183至X放大器稳定度调节比较电平触发脉冲输入扫描闸门积分器比较释抑电路增辉脉冲+E+E5.2.4水平系统二、扫描发生器环2、密勒积分器产生线性变化的锯齿波电压作用：组成：扫描速度粗调扫描速度微调来自扫描闸门-+RC+E扫描锯齿波输出VottS3、比较和释抑电路触发脉冲Ch充电Ch放电上触发电平E1下触发电平E2闸门输入闸门输出比较电平Ur扫描电压E0作用：控制扫描信号的始终点抑释释抑电路放电常数明显大于积分电容放电。123456练习：用通用示波器观测正弦波形，已知示波器良好，测试电路正常，但在荧光屏上出现如下波形，是分析每种图形产生的原因，并说明该如何调整示波器。用示波器观察正弦波，荧光屏上得到的波形如图所示，试分析示波器哪个部位不正常。已知Uy和Ux时间坐标刻度相同，Uy为三角波，Ux分别为a、b两种波形，将Uy和Ux加至y及x偏转板，其中Uy与a图一样，分别画出两种情况示波器显示的波形。5.3多波形显示——多个电子枪和偏转系统——单束，通过电子开关控制多束显示多踪显示多扫描显示——X系统有两个扫描电路特点：实时显示，准确度高；工艺复杂、成本高特点：非实时显示；要求低、应用广泛特点：非实时显示，显示脉冲的某一细节变化5.3.1多踪显示Y1输入电路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输入控制信号一、组成二、显示波形的原理单波形——Y1、Y2、Y1±Y2双波形——Y1和Y2同时显示uy1uy2ux5.3.1多踪显示二、显示波形的原理交替显示方式断续显示方式双波形——高频测量，非实时——低频测量，准实时1、交替显示方式——电子开关受扫描频率控制5.3.1多踪显示二、显示波形的原理2、断续显示方式——电子开关受自激振荡控制uy1uy2ux前置放大延长线Y后置放大A触发A扫描电子开关X放大电压比较B触发选择门Y线光迹分离电路+-B扫描RPY输入A增辉B增辉5.3.2双扫描显示一、组成1234二、作用观察由不同幅度、形状组成脉冲中任一脉冲细节变化工作过程：高速计算机和通讯广播等高频信号，用取样示波器观测。1.取样的基本概念取样（采样）：从被测波形上取得样点的过程。（1）实时取样：从被测波形中取得所有取样点来表示信号波形。特点：取样脉冲列的持续时间等于输入信号实际经历的时间。5.4取样示波器输入信号ui(t)取样脉冲p(t)取样信号uo(t)5.4取样示波器一、原理tt输入信号取样脉冲取样信号经放大和延长电路后的信号（显示波形）TDtT＋Dt123452Dt3Dt4Dt二、应用——周期、高频信号（2）非实时取样（或等效取样）：从被测信号的许多相邻波形上取得样点来表示波形。5.5示波器的应用5.5.1电压的测量5.5.2时间的测量5.5.3相位的测量5.5.4频率的测量5.5.1电压的测量一、直流电压的测量被测电压离零电平的高度垂直偏转灵敏度探头衰减系数注意：通过DC耦合确定零电平线（2）测量方法①垂直偏转灵敏度微调旋钮置校准位置（CAL）。（或经校准的）②确定零电平线。

③将待测信号送至示波器的垂直输入端。

④将Y输入耦合开关拨向“DC”档。

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。例示波器测直流电压时垂直灵敏度开关如图示，h=4cm、若k=10：1，求被测直流电压值。5.5.1电压的测量二、交流电压的测量被测电压离零电平的高度垂直偏转灵敏度探头衰减系数注意：通过AC耦合滤除直流信号（2）测量方法与测直流电压的方法类似，只是Y输入耦合开关应拨向“AC”档。注意：峰值高度不好确定时，可读出峰峰值高度除以2来计算；可测量波形上任意两点间的电压。5.5.2时间的测量所测