测感技术31课件

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第3章电子测量显示技术

本章内容：3.1示波器的功能、分类和发展

3.2信号的波形显示3.3信号分析和频域测量显示技术显示技术分为:

时域显示：示波器频域显示：频谱分析仪

教学要求：

掌握示波器和频谱分析仪的工作原理；掌握常见示波器和频谱分析仪的使用方法

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3.1示波器的功能、分类和发展1.示波器的分类

根据示波器对信号的处理方式的不同可分为模拟、数字两大类：模拟示波器：采用模拟方式对时间信号进行处理和显示。可分为通用示波器、多束示波器、取样示波器、记忆示波器和专用示波器等通用示波器采用单束示波管，分为单踪、双踪、多踪示波器。多束示波器采用多束示波管，荧光屏上显示的每个波形都由单独的电子束扫描产生。取样示波器可以用较低频率的示波器测量高频信号。记忆示波器采用有记忆功能的示波管，实现模拟信号的存储、记忆和反复显示。专用示波器是能够满足特殊用途的示波器，又称特种示波器。如：心电示波器、矢量示波器数字示波器（数字存储示波器）

对信号进行数字化处理后再显示。分为实时、随机、顺序三种取样方式。具有存储、单次显示、非周期显示，高档的具有FFT功能、通信等；

100MHz以上的示波器一般为数字示波器。第3页

2.示波器的主要技术指标

1）频带宽度BW和上升时间tr

BW：Y通道输入信号的的频带宽度。BW=fH-fL,一般fL＝0上升时间tr：输入理想阶跃信号时，示波上升沿从10%到90％所需时间，反映了示波器Y通道跟随输入信号快速变化的能力。频带宽度BW与上升时间tr的关系可近似表示为：2）扫描速度：是指荧光屏上单位时间内光点水平移动的距离，单位为“cm/s”荧光屏上通常用间隔1cm的坐标线作为刻度线，因此扫描速度的单位也可表示为“div/s”。扫描速度的倒数称为“时基因数”，它表示单位距离代表的时间，单位为“t/cm”或“t/div”，时间t可为μs、ms或s，在示波器的面板上，通常按“1、2、5”的顺序分成很多档。3.示波器的发展

(1)20世纪30～50年代是模拟示波器的诞生和实用化阶段。1958年时模拟示波器的最高带宽达到100MHz。电子管的时代，个头大（2）20世纪60年代是示波器技术水平不断提高的阶段。如模拟示波器带宽从100MHz、150MHz到300MHz，取样示波器的带宽则达到了18GHz。（3）20世纪70年代开始模拟示波器的技术指标大幅度提高以及数字示波器诞生和发展阶段。模拟示波器的带宽由1971年的500MHz到1979年的1GHz，创造了模拟示波器的带宽高峰。晶体管及集成电路时代

（4）目前数字存储示波器是示波器发展的主要方向数字存储示波器的技术指标都优于模拟示波器，尤其在带宽上，数字存储示波器正在逐步取代模拟示波器。第6页

3.1.1CRT显示技术

1.示波管的基本结构

CRT主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成。电子枪FKG1G2A1A2Y偏转X偏转偏转系统荧光屏荧光屏－E＋E灰度聚焦辅助聚焦第9页

（2）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。1）显示随时间变化的图形（续）

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2）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(cm/V)，hx为光点移动速度(cm/s)，水平亮线“时间基线”

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“扫描逆程”。3）同步的概念如果扫描电压周期Tx与被测电压周期Ty保持Tx=nTy的关系，则称扫描电压与被测电压“同步”。此时，荧光屏上将稳定显示n个周期的被测信号波形。Tx≠nTy(n为正整数)，即不满足同步关系时，显示的波形不稳定。

2.波形显示的基本原理

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4）连续扫描和触发扫描

TyTyTyTx被测信号为脉冲，占空比低左上图，扫描周期等于Ty，脉冲窄，不易观察右上图，扫描周期为脉冲宽度τ，脉冲被展宽，但有很多次“扫空”，脉冲部分不亮左图，有脉冲时扫描，无脉冲时停扫，脉冲被展宽同时有亮。2.波形显示的基本原理

3.1.2LCD显示技术液晶显示器，简称LCD(LiquidCrystalDisplay)液晶：特殊的物质，它完全介于固态、液态与气态之外同时具备了晶体与液态的两种性给液晶充电会改变它的分子排列，继而造成光线的扭曲或折射液晶显示：被动显示在电子显微镜下液晶分子的形态20世纪70年代初，TN(TwistedNematic)-LCD(扭曲向列)显示器。单色显示，电子表、计算器等领域20世纪80年代：STN(SuperTwistedNematic)-LCD(超扭曲向列)；TFT-LCD(薄膜晶体管)技术20世纪80年代末90年代初，LCD工业开始高速发展。3.1.2LCD显示技术3.1.3显示技术的展望1.CRT自身更新，仍居霸主长远：CRT将被平板型显示器，特别是液晶显示器所代替目前：技术成熟、模拟驱动的优势、不断改新，仍有市场2.平板显示（1）液晶显示器件异军突起

（2）电致发光显示东山再起

（3）发光二极管显示长寿命、可靠性高

（4）等离子显示不可低估

（5）荧光显示器件显示优美、豪华

3.大屏幕显示稳步发展投影大屏幕、巨型平板显示、电视墙3.2.1模拟示波器的组成及原理1.通用示波器的组成Y输入电路Y前置放大器触发电路延迟线Y后置放大器水平放大器扫描发生器Y输入外触发内外至X偏转板至Y偏转板校准信号发生器低压电源高压电源电源至各电路正高压负高压X输入校准信号输出Y输入内外触发外电源输出X输入6部分：垂直系统、水平系统、Z轴系统（正程增辉、逆程消隐）、示波管及电源、校准信号或者：电路部分＋示波管第18页

最佳补偿最佳补偿：过补偿

：欠补偿：

vivoR1R2C1C2过补偿欠补偿Z1Z2R1R2C1C2欠过1）垂直系统1.通用示波器的组成（1）输入电路衰减：适应不同量程输入耦合方式：

有AC、GND、DC三档选择开关。观察交流信号时，“AC”档，确定零电压时，“GND”档。观测频率很低的信号或带有直流分量的交流信号时，置“DC”档。（2）前置放大器：

将信号适当放大，从中取出内触发信号，并具有灵敏度微调、校正、Y轴移位、极性反转等控制作用。“Y轴位移”通过调节直流电位来完成。1）垂直系统（1）输入电路第21页

2）水平系统

水平通道包括触发电路、扫描电路和水平放大器等部分。其主要任务是产生随时间线性变化的扫描电压，再放大到足够的幅度，然后输出到水平偏转板，使光点在荧光屏的水平方向达到满偏转。3.2.1模拟示波器的组成及原理

1.通用示波器的组成（1）触发电路

触发电路的作用是为扫描信号发生器提供符合要求的触发脉冲。包括触发源选择、触发耦合方式选择、触发方式选择、触发极性选择、触发电平选择和触发放大整形等电路。

至扫描发生器环电源触发方式选择触发脉冲输出触发电平调节放大、整形电路内外C1C2C3ACAC低频抑制HFREJDC常态自动TV调节触发脉冲输出S1S2S4+-S3极性反转电路触发源选择触发极性选择触发源选择内外电源DCACAC低频抑制高频耦合触发耦合方式选择极性选择触发方式选择常态自动电视触发源选择：内触发、外触发、电源触发触发耦合方式：DC耦合（直流耦合）、AC耦合（交流耦合）、AC低频抑制（抑制2K以下的信号，如50Hz）、AC高

频抑制耦合（观测5MHz以上信号）扫描触发方式选择：常态方式（有触发信号源才能触发）、自动（常用，没有触发信号也产生锯齿波信号）、电视触发方式（用于电视触发功能，插入同步分离2）水平系统触发极性选择和触发电平：

触发极性选择，触发点位于触发源上升沿或下降沿；触发电平，触发的临界值。放大整形电路：

对触发信号放大、整形，成矩形波，经微分整形，成触发脉冲。触发电平为正，上升沿触发触发电平为正，下降沿触发触发电平为负，下降沿触发触发电平为负，上升沿触发闸门电路：产生门控信号

连续扫描：没有触发脉冲信号，闸门电路仍有门控信号输出。

触发扫描：只有在触发脉冲作用下才产生门控信号。

（2）扫描发生器环

2）水平系统释抑电路：

起到了稳定扫描锯齿波的形成、防止干扰和误触发的作用，确保每次扫描都在触发源信号的同样的起始电平上开始以获得稳定的图象。2）水平系统（2）扫描发生器环

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（3）水平放大器

其基本作用是选择X轴信号，并将其放大到足以使光点在水平方向达到满偏的程度。

X放大器的输入端置于“内”时，X放大器放大扫描信号；置于“外”时，水平放大器放大由面板上X输入端直接输入的信号。

3）通用示波器的其他电路高、低压电源

分别用于示波器的高、中压和直流供电。Z轴的增辉与调辉增辉：将闸门信号放大，使显示的波形正程加亮。调辉：加外调制信号或时标信号，使屏幕显示的波形发生相应地变化。校准信号发生器

可产生幅度和频率准确的基准方波信号，为仪器本身提供校准信号源。2）水平系统第29页

2）多踪示波（续)

(4)交替方式（ALT）：适合于观察高频信号。

(5)断续方式（CHOP）：适用于被测信号频率较低的情况。

第一个扫描周期显示Y1通道，第二个扫描周期显示Y2通道，因为余辉效应，显出两个完整的波形。通过电平调整，可将两个波形拉开观察。在一个扫描周期内对两个信号通断，显示出的各个波形是断续的。2.示波器的多波形显示

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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。分为实时取样和非实时取样两种。实时取样：从一个信号波形中取得所有取样点，来表示一个信号波形的方法。非实时取样：从被测信号的许多相邻波形上取得样点的方法，或称为等效取样。

3.2.2波形取样技术及取样示波器第31页

2)取样原理采样保持器：

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，可用低频示波器显示较高频率的信号。步进间隔Δt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。3)显示原理顺序进行的取样称为顺序取样；否则称为随机取样。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。第32页

2.取样示波器的组成及工作原理(了解)

1)取样示波器的基本框图

延迟线取样电路触发电路Y延长门垂直放大器水平放大器步进脉冲发生器Y输入外触发内外扫描信号发生器至X偏转板偏转板Y输入内外外触发组成：示波管、X通道、Y通道与普通示波器相比，增加了取样电路和步进脉冲发生器，延迟线放在输入端。

3.2.2波形取样技术及取样示波器2.取样示波器的组成及工作原理(了解)

2)取样示波器的垂直通道

垂直通道由延迟线、取样电路、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)b跟随器交流放大器取样门输入取样脉冲延长门延长门脉冲至Y放大器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取样值。当取样门、延长门打开，电容上的电压仍保持刚才取样的值第二个取样脉冲到来时，仍经历取样过程，输出为此时取样值，当脉冲过后，取样门、延长门打开，电容上的电压仍保持第二次取样的值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偏转板触发脉冲步进延迟脉冲取样脉冲至取样门图示波形说明了步进脉冲发生器的工作过程2.取样示波器的组成及工作原理(了解)

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4)取样示波器的主要参数

（1）取样示波器的带宽：要提高取样示波器的带宽，取样门用元件的高频特性要足够好；其次取样脉冲本身要足够窄。取样脉冲通常有两种形式：规则脉冲和尖三角脉冲。取样门的最高工作频率为 （τ为取样脉冲底宽），即与取样脉冲底边的宽度成反比。（2）取样密度

指电路扫描时，在示波器屏幕X轴上显示的被测信号每格所对应的取样点数，常用每厘米的光点数来表示。屏幕上的光点总数为

Us为X方向最大偏转电压；Δus为阶梯波每级上升的电压）。使ΔUs变小，可使总点数增加，即取样密度变大；但取样点过多可能导致波形闪烁。

（3）等效扫速：被测信号经历时间与水平方向展宽的距离比。在取样示波器中，虽然在屏幕上显示n个亮点需要n（mT+Δt）的时间，但它等效于被测信号经过了nΔt的时间。Us为X方向最大偏转电压；N为X轴偏转格数；为快斜波的斜率。

2.取样示波器的组成及工作原理(了解)

1.记忆示波器

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：

KGA1A2G11G12G21G22K1K2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KGA1A2写入电子枪偏转系统记录系统Y

XK1K2G11G12G21G22读出电子枪记忆与显示泛射系统收集极存储介质存储栅网荧光屏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，读出枪发出的泛射电子可以通过栅网而到达荧光屏，从而显示波形。3.2.3波形存储及显示技术2.数字存储示波器

1)数字存储示波器的组成原理

外触发衰减器放大器触发电路A/D转换器延迟线存储器（RAM）D/A转换器地址计数器D/A转换器垂直放大器水平放大器扫描发生器逻辑控制电路（微处理器）输入内外实时存储实时实时存储存储至X偏转板至Y偏转板输入内外实时存储实时实时存储存储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。分为两种工作方式实时：同模拟示波器存储：存储、显示2.数字存储示波器2)数字存储式波器的工作方式(了解内容，通过实验强化)

（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。

2.数字存储示波器(了解内容，通过实验强化)

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。（4）放大显示：适于观测信号波形细节。

（5）X—Y显示（如李撒育图形）（6）显示的内插：在相邻点之间插入新点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。

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2.数字存储示波器(了解内容，通过实验强化)

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；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。2.数字存储示波器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转换的最高次数来衡量。实时取样速率 （N为每格的取样数；

t/div为扫描一格所用的时间即扫描时间因数）。（2）存储带宽(B)

与取样速率密切相关。B＝fs/N，理论上N＝2即可，一般N＝4－10（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。如：8位AD，垂直显示8格，则为32级／div或0.39%

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。如RAM为1K，水平方向10格，则为：100点／div或0.1%（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。2.数字存储示波器(了解内容)

6)数字存储示波器的主要部件及要求

（1）高速A/D转换器

并行比较式ADC采用直接比较原理，速度快，有闪烁式A/D（FlashA/D）之称。但电路复杂，如8位AD转换需要255个比较器（解释编码器原理）

并串式ADC

+VMSBLSBb7b6b5b4b3b2b1b0(MSB)(LSB)+-+-+-编码逻辑电路输出寄存器ViRRRr-Vr采样时钟比较器nn-11nn-11uib0b7+Ur-UrS/H4位并行A/D4位并行A/D4位D/A-+减法放大器ViV1ui相减，放大16倍b4-b7b0-b3高4位AD，其结果经DA后与输入相减，且放大16倍，再与进行一次4位AD，转换结果的结果权值低16倍，作为低4位结果。共需30个比较器2.数字存储示波器(了解内容)

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进行存储以降低对存储速度的要求。（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

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3.2.3示波器的正确使用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。2.示波器使用注意事项（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）输入信号电压的幅度应控制在示波器的最大允许输入电压范围内。第45页

3.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。3.2.3示波器的正确使用第46页

4．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）VERTMODE：垂直方式选择开关。（5）SOURCE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）SWEEPMODE扫描方式选择开关。（9）EXTTRIG和EXTHOR外触发和外水平共用输入端。（10）LEVELHOLDOFF触发电平和释抑时间双重控制旋钮。（11）X-Y方式。3.2.3示波器的正确使用5．探头的正确使用

常见探头为低电容高电阻探头：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。3.2.3示波器的正确使用第48页

3.2.4示波器测量1．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。

VDC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；Dy为示波器的垂直灵敏度，k为探头衰减系数。（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