电子式电测仪表资料

会计学1电子式电测仪表资料前言电子式电测仪表种类很多，应用范围也很广，电子示波器是其中的一种。按用途与特点分类如下：通用示波器取样示波器数字存储示波器专用示波器专用示波器有矢量示波器、环扫描示波器和逻辑示波器等第1页/共62页本章内容§3.1

电子示波器原理§3.2

电子示波器的应用§3.3

取样示波器§3.4

数字存储示波器上一页

第2页/共下6一2页页§3.1

电子示波器原理示波器的基本结构通用示波器原理框图上一页

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回1．示波管简称CRT，它是一种利用高速电子冲击荧光屏使它发光的显示器件。示波管由电子枪、偏转系统和荧光屏三个部分组成，整个结构密封在一个喇叭状的抽成真空的玻璃壳中。被测信号经垂直偏转板显示(一条直线)上一页

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回

电子枪在电源的作用下产生一精确聚焦的电子束，并对其进行加速使之达到很高速度射向荧光屏，在电子束射向荧光屏过程中，穿过一组垂直偏转板和一组水平偏转板；

当只有交变的被测信号经垂直放大器加到垂直偏转板时，仅在屏幕上形成一条垂直线，其长短反映被测信号的强弱；

为了在屏幕上把交变被测信号描绘出来，必须在水平偏转板上加一个扫描电压，一般为锯齿波电压；

如仅有锯齿波经水平放大器加到水平偏转板时，荧光屏的光点从最左端向右作等速直线移动，扫描结束光点迅速从最右端回到原点，在屏幕上显示一条直线；第5页/共62页

由于锯齿波电压随时间作线性变化，因此，在屏幕上显示一条水平直线，这条水平直线称为“时间基线”或

“时基”；

为了观察一个电压变化波形，就需要在被测电压加到垂直偏转板的同时，将锯齿波电压加到水平偏转板上，电子束在垂直和水平两个偏转板的作用下，就可以在屏幕上显示变化的波形。偏转原理第6页/共62页垂直偏转板水平偏转板返

回2.扫描方式(连续扫描和触发扫描)采用连续扫描时，扫描电压为周期性锯齿波电压T；n为了显示稳定的信号波形，扫描电压周期应为被测信号周期Ts的整数倍；如果T

nTs，屏幕上的波形会有“移动”现象。n连续扫描上一页

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如果Tn

nTs，被测信号在屏幕上左移或右移；呈现不稳定；

为了使被测信号在荧光屏确定位置上重复出现，水平扫描信号应出现在被测信号不同周期的相同点，实际上，示波器可以通过连续调节扫描锯齿波电压信号的周期来实现；

虽然通过调节扫描电压周期来实现与被测信号同步，但由于干扰，还会有微小的变化，使屏幕上波形不稳定，为了克服此现象，示波器内频率跟踪电路，调整电路参数可以使扫描信号频率自动跟踪被测信号频率变化，称为“同步”或“整步”。第8页/共62页返

回触发扫描只有被测信号到来时才扫描一次，可以保证在波形的相同点启动扫描电压，使显示的波形稳定不动；上一页

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通常用被测信号的前沿使触发电路产生触发脉冲，触发脉冲再去启动扫描电路；

完成触发、启动需要一定的时间，即扫描启动时刻略滞后于被测信号，这样被测信号的前沿就无法在屏幕上显示出来；

图延迟线的作用就是将被测信号延迟至扫描电压产生后再送到垂直偏转板，保证屏幕上显示完整的被测电压波形。第10页/共62页3.双踪显示（用于比较）上一页

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回双踪显示实现的方法一般是用双束示波管或用单束示波管外加电子开关。采用双束示波管的示波器结构复杂、价格较贵。利用单束示波管实现双踪显示的方法如图所示：控制S1、S2的方法有两种，即交替法和断续法。上一页

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回交替法：扫描锯齿波信号控制S1、S2；只要S1、S2交替接通的速度足够快，由于荧光屏的余辉效应，荧光屏上就会看到两个稳定的波形断续法：不用扫描锯齿波信号控制S1、S2；用一个固定频率的方波，通常为10kHz，让S1、S2按0.1ms的速度自行交替接通，荧光屏上就会看到两个断续虚线；如果被测信号频率较低，虚线间距离较小，可以想象为一条实线。(a)交替法显示波形(b)断续法显示波形第13页/共62页返

回示波器的主要性能指标1.频率响应范围√ 指被测信号在屏幕上显示图像幅度的下降小于3分贝的频率区域，即上限频率与下限频率之差。√ 由于fH>>fL,所以频率范围可以用fH表示，即fH=fB,fB为示波器的频率范围。√ 示波器的频率范围越宽，其应用范围越广。上一页

第14页/共下6一2页页2.时域响应指标√

上升时间tr：正脉冲前沿从基本幅度A的10%上升到90%所需时间；√

下降时间tf：正脉冲后沿从下垂后幅度A1的90%下降到10%所需时间；√

上冲量b、下冲量f、预充量d；√

下垂 ；平顶部分倾斜度e与A之比的百分数。第15页/共62页标准矩形方波的示波器显示图形第16页/共62页3.扫描速度√

扫对被描于测速高信度频号即信的光号频点，率移用不动高同的速，速扫扫度描描。，速对度于也缓不慢应变相化同的。信号，要求用低速扫描。√

示示波器器扫描描速度度范围围越宽宽越好好。4.输入阻抗√

输用输输入入阻端阻测抗得越的越直大流，电，阻对和被电被容测并信联信来号等的效的。影响越小。第17页/共62页第18页/共62页§3.2

电子示波器的应用电压的测量（数格子）交流电压的测量上一页

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回直流电压的测量上一页

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回“VOLTS/DIV”的指示值为0.5，则Vp-p=0.5

3.7=1.85V。时间间隔的测量时间的测量上一页

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回上升时间的测量上一页

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回两个同频率信号相位差的测量1．直接测量法（整周期对应360°）上一页

第23页/共下6一2页页返

回频率的测量频形率或测椭量圆的形另，一则种被方测法频是率f李Y=萨fX育，图式形中法fX，为即标在准示信波号器的的频X轴率加值可。调标准频率信号，在Y轴加被测信号。反复调节标准信号的频率和幅值，使示波器显示稳定的圆说明：10为10格上一页

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回§3.3

取样示波器取样示波器原理框图单纯的取样示波器只能观察重复性的周期信号、取样门过载能力差、关键器件不过关，导致市场上很少有单纯的取样示波器，被数字示波器所取代。第25页/共62页返

回§3.4

数字存储示波器数字存储示波器的基本组成典型数字示波器原理框图上一页

第26页/共下6一2页页数字存储示波器有实时和存储两种工作模式；

实时模式的组成原理和一般模拟示波器相同，存储工作模式，其工作过程分为存储和显示两个阶段；

在存储阶段，模拟信号经过适当的放大或衰减，经“采样”和“量化”处理成数字信号，在逻辑控制电路的控制下存入RAM中，采样和量化及写入过程在同一时钟频率下进行；

在显示工作阶段，数字存储器将数字信号从存储器中取出，由D/A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读地址计数脉冲加到D/A，得到

阶梯扫描电压，到水平放大器放大，驱动CRT的X偏转板，这样在CRT上重现模拟输入信号；第27页/共62页

这样显示的信号是光点包络的形式，每一个点代表数据存储器中的一个数据字，点的垂直坐标对应存储单元的

二进制数据，点的水平坐标对应存储单元的二进制地址。

如果对D/A转换后的模拟信号进行插值处理，也可以获得连续的信号波形。第28页/共62页数字存储示波器的信号采集技术1．采样方式（1）实时采样采样方式分：实时采样和等效时间采样（非实时采样）；上一页

第29页/共下6一2页页返

回等效时间采样分随机采样和顺序采样。

信号的所有采样点只是在单一的信号获取阶段中取得，即所有采样点是示波器一次触发而获得的。优点：可以获取非重复性或单一的短暂事件；

缺点：采样速率必须足够高，从而获得足够多的数据以保证正确地重构波形。第30页/共62页（2）等效时间采样①随机采样随机采样多点随机采样上一页

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回等效时间采样中，最终显示的波形是由信号的每一次重复中获取少量信息建立起来的。

随机采样方式按一个随机序列来获取所需要的点，这个序列和采样点与存入存储器中的位置相对应；经过多个周期的样点的积累，参照触发时刻最终恢复出被测波形；

随机采样的另一种方法是多点随机采样，即一个采样周期中采样若干个点，这样可以缩短采样时间。第32页/共62页②顺序采样√顺序采样，每个采样周期的波形上只采样一个点，每次延迟一个已知的时间△t，采样有序重复地进行，直到获得足以构成一个完整波形的点；√等效时间采样只适用于周期性信号，对于非周期性信号，只能采取实时采样方式。第33页/共62页返

回2．采样速率采样速率又称数字化速率，有33

种描√述用方采采采式样样样：频频次率数率来描来描述描述，述，表，如示如22成00单MM

HH位zz时;;间内采样的次数；√用信信息息率率描描述述，，表表示示为为每每秒种种存储多少位（

bb

ii

tt))的数据。上一页

第34页/共下6一2页页采样速率高，可以增大数字示波器的带宽；采样速率还受到存储器容量的限制，该容量在数字示波器中称为记录长度，用能够连续存入的最大

字节数或采样点数表示；在不同扫描速率时，要求的采样速率是不一样的，以防止采样点过多而溢出采样存储器，具体关系为：第35页/共62页3．采样器件并联比较式A/D转换器两路组合采样原理图√可以通过A/D交叉复用使采样速率成倍提高；√组合方式既降低了对A/D的要求，也降低了对采样存储器的存储速度要求，使存储容量增大；√交叉复用的结果使电路复杂程度增加，成本提高。上一页

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回CCD

（电荷耦合器件）＋A/D技术CCD＋A/D组合采集原理图√采样CCD作为高速模拟存储，再进行慢速A/D数字化处理；√由于制造技术上的原因，这种数字示波器的记录长度有限。上一页

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回4．采样存储器√采样存储器必须具有与采样速率相同的连续接收数据的能力；√数字存储示波器的采样存储器采样类似图所示的循环结构进行循环存储，即各存储单元按串行的方式依次寻址，且首尾相接，每次采样数据按顺序依次存储，当所有的单元存满后，新数据覆盖旧数据；√nm是存储器的容量，即前面介绍的记录长度。上一页

第38页/共下6一2页页返

回图采样存储器的结构形式√由于存储器容量有限，所以只能保存一段被测波形，观察被测波形由示波器的触发功能来完成；√如果示波器的采样过程是在触发后才开始的，则触发前的波形信息将无法观测到；√为了能观测到触发前的波形，采样过程必须预先进行，称预采样，即触发前的数据也存入存储器中。第39页/共62页返

回5．触发方式√在模拟式示波器中，每次时基扫描都是由一个触发事件启动的，模拟式示波器只能观察到触发以后的信号变化情况；√在数字示波器沿用这一叫法，设置触发功能，但此时的触发仅是从存储器中选取信号的一个标志；√数字示波器设有延迟环节，可以自由地改变触发点的位置，如图，分正延迟触发和负延迟触发。√正延迟触发可以观测触发点以后的波形；√负延迟触发可以观测触发点以前的波形；√触发延迟时间可由程序设定。上一页

第40页/共下6一2页页图触发功能示意图√延迟触发对观测周期信号意义不大，但对于观测单次非

周期信号作用明显；下图所示的振荡器的起振过程，选择触发电平介于零和稳定振幅之间的某个值，触发极性选正、负5格，就可以在屏幕上同时看到触发前后的情况；√这种延迟触发功能是数字示波器检测故障的一种手段。可以利用故障形成的触发信号，利用负延迟看故障前后情况。第41页/共62页毛刺触发捕捉尖峰干扰的波形上一页

第42页/共下6一2页页返

回毛刺触发具有识别尖峰干扰的功能；正向模式时，如发现一个上升沿后紧跟一个下降沿，则必为正尖峰（毛刺）干扰；反向模式时，如发现一个下降沿后紧跟一个上升沿，则必为负尖峰（毛刺）干扰；在毛刺触发模式下，示波器以最高采样速率连续不断地采集信号，无毛刺时，示波器不显示；当发现毛刺时，毛刺触发器使采样停止，并显示尖峰干扰前后的波形。数字存储示波器的波形显示技术上一页

第43页/共下6一2页页返

回1．点显示技术√点显示技术就是在屏幕上以有间隔点的形式将信号波形显示出来；√考虑到有限带宽问题，一般要求每个信号周期显示20-25点；√点显示方式可以实现用较少的点构成波形，但存在视觉混淆问题。视觉混淆示意图第44页/共62页2．数据点插入技术上一页

第45页/共下6一2页页返

回√√用曲线数线性据插插点入入插按按入照直技曲线术线的可的方以方式解式将决将一视一些觉些点错点插误插入问入到题到采，采样主样点要点之有之间两间，种，当插常数入用据方正点法弦没，插有即入落线法到性和信插改号入进顶和型峰曲正时线弦，插插会入入造。法成。顶尖幅值误差。√正弦插入法要对斜率突变处邻近点进行修正。数字存储示波器的控制系统数通字常存一储个C示PU波为器主的CP控U制，系具统有需相要应完的存成数储器据（采R集OM、、数RA据M)处、理输、入显输示出、接人口机（控I/制O等）功和能外，设(用键一盘个、微显处示理器器等很)，难执及时行管完成理整这些个任仪务器，的因软此件现；代数字存储示波器出现多CC

PP

UU

系统。其余C

PU为从CPU，在主CPU管理下完成一部分工作，如数据采集CPU、数据处理CPU、通信管理CPU等。上一页

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回数字存储示波器的主要性能指标1．最高采样速率最高采样速率指数字存储示波器单位时间内采样次数，也称数字化速率，用每秒种完成A/D转换的最高次数来衡量，用频率fs表示，单位为S/s（次/秒）实时采样速率随扫描速率而变化：上一页

第47页/共下6一2页页返

回N为每格采样点数，t/DIV为扫描速率。2．存储带宽BW第48页/共62页定义：当示波器输入不同频率的等幅正弦信号时，屏幕上显示的幅度下降至比基准频率的幅度低3dB时，对应的频率范围即带宽。在数字示波器中有两种带宽：重复带宽，单次带宽。（1）重复带宽:也称等效带宽，是指数字存储示波器测量重复信号时的3dB带宽，由于采用了非实时采样技术（随机或顺序采样），所以重复带宽可以做得很宽。（2）单次带宽也称有效存储带宽，是指用数字存储示波器测量单次信号时，能完整显示被测波形的3dB宽度，与采样速率和取样点数有关，对应公式为：第49页/共62页fs为最高采样速率，k为每周期的采样点数。说明：当数字存储示波器的采样速率足够高时，其重复带宽与单次带宽一致，称实时带宽。返

回3．分辨率分辨率指示波器能分辨的最小电压增量，即量化的最小单元，包括垂直分辨率和水平分辨率两种。

水平分辨率（时间分辨率）由采样速率和存储器的容量决定，常以屏幕每格含多少个采样点或用百分数来表示。如水平显格为10格，如采用1KB的存储器，则水平分辨率为1024/10=100点/DIV，或用百分数表示为

1/1024=0.1%上一页

第50页/共下6一2页页存储容量即记录长度，由采样存储器的最大容量表示，数字存储示波器常用256、512、1K、4K等容量的高速半导体存储器。垂直分辨率（电压分辨率）与A/D转换器的分辨率相对应，常以每格分级数或百分数来表示。如垂直显示格为8格，采用8为A/D转换器（256级），则垂直分辨率为32级/DIV,或用百分数表示为1/256=0.39%4．存储容量第51页/共62页返

回5．读出速度读出速度指将数据从存储器中读出的速度，常用“时间/DIV”表示，其中，“时间”为屏幕上每格对应的存储容量×读脉冲周期。使用中应根据显示器、记录装置或打印机等对速度的要求进行选择。上一页

第52页/共下6一2页页第53页/共62页数字荧光示波器（DPO）（了解）数字荧光示波器（Digital

Phosphor

Oscilloscopes）具有数字存储示波器的各种优点，从数据存储到先进的触发作用，样样俱全。同时，它也具有模拟示波器的明暗显示和实时特性，能以数字形式产生显示效果优于模拟示波器的亮度渐次变化的化学荧光效果。第54页/共62页DPO的特点主要表现（1）

快速波形捕获速率和超强显示能力数字荧光显示技术的应用使DPO能以不同的灰度或色彩同时显示信号的多

幅图像。DPO每秒可记录200

000幅波形，其信号数据比一般的DSO多1

000倍，每次可捕获500

000幅波形，这种快速波形捕获速率结合高超的显示能力，使

DPO具有分析信号任何细节的性能。第55页/共62页（2）

连续高速采样能力通常DSO因处理显示数据在显示两幅波形之间有8ms的停滞时间，模拟示波器在回扫时间内也不能捕捉波形信息。而DPO能始终以最高采样率对