第3章 示波测试和测量技术

《电子测量》示波测试和测量技术

第3章内容3.1示波测试的基本理论3.2模拟示波器3.3数字存储示波器3.4示波器的应用

4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3.1示波测试的基本理论示波器的功用示波器：利用荧光屏显示电量随时间变化过程的电子测量仪器。示波器可以测量很多电参数。电压、电流、功率、频率、周期、相位、脉冲宽度、脉冲上升及下降时间等。如果配上相应的传感器,示波器可以测量非电量温度、压力、振动、密度、声、光、热、磁效应等。示波器对电信号的分析是按时域法进行的,研究信号的瞬间幅度与时间的函数关系,具有捕获显示及分析时域波形的功能示波器的特点

具有良好的直观性,能显示波形,能测量信号瞬时值。灵敏度高,显示速度快,工作频带宽,可方便观察瞬变信号细节。输入阻抗高(MΩ级),对被测电路影响小,这对测量精度是很重要的。是一种信号比较器,可显示、分析任意两个量之间的函数关系。示波器的分类

通用示波器：采用单束示波管可对信号进行定性观察和定量测量。取样示波器：采用取样技术将高频信号转换为低频信号后再借助通用示波器的原理进行显示测量存储示波器：可对信号进行存储并进行显示和测量记忆示波器：采用具有存储能力的示波管；存储示波器：借助计算机技术和大规模集成电路实现对信号的存储。多束示波器：采用多束示波管能在屏幕同时观察和测量多个信号波形特种示波器：满足特种需要的示波器示波器的分类当前常用的示波器从技术原理上可分为：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)。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)。从性能上,按示波器的带宽可分为：

中、低档示波器,带宽在60MHz以下。高档示波器,带宽在60MHz以上,大多在300MHz以下。更高档的有1GHz～2GHz以上。

示波器的发展及现状

30～50年代：通用示波器的诞生和实用化58年带宽达100MHz；57年研究成记忆示波器,59年生产出取样示波器。60年代：示波器技术进一步得到提高，通用示波器的带宽69年跃至300MHz。取样示波器的带宽达到了18GHz。70年代以后：71年带宽500MHz,79年达到1GHz。74年就发表了带微处理器的示波器,开辟了示波器微机化的发展方向,示波器开始具备对信号的数字存储功能示波器的组成

Y(垂直)通道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)通道产生与被测信号相适应的扫描锯齿波主机阴极射线示波管(CRT)阴极射线示波管(CRT)将电信号转变成光信号并在荧光屏上显示示波管：电子枪：发射电子并形成很细的高速电子束偏转系统：决定电子束怎样偏转(XY两对偏转板)荧光屏：在偏转后的电子射线轰击下发光,从而显示出外加电信号的波形

CRTHeaterCathodeGridFluorescentscreenAnodeX-platesY-plates示波管属于电真空器件,又称为阴极射线管(CRT)。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：灯丝F在交流低压(如6.3V)下使钨丝烧热,用于加热阴极阴极K是一个表面涂有氧化钡的金属第一栅极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。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。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。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构成电子透镜。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。偏转系统静电偏转——光点法用干示波器磁偏转——光栅法用于电视机、计算机显示器及示波器。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。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偏转系统电子束在偏转系统作用下的运动X、Y偏转板上都不加电压：光点在荧光屏的中心位置Y上高,电子束受正电压吸引向上移动；X右高,电子束受正电压吸引向右移动；电子束在偏转系统作用下的运动Y:uy=UmsinωtX:ux=0Y:uy=0X:ux=UmsinωtY:uy=UmsinωtX:ux=Umsinωt波形波形显示原理电信号的时间波形,实际上就是它的瞬时值与时间在直角坐标系统中的函数图像。示波器：垂直坐标y正比于输入信号瞬时值水平坐标x正比于时间

——水平方向需用一个电压模拟时间

波形显示原理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。扫描—时间基准扫描：光点在x轴上反复移动时基(时间基准)：荧光屏上代表时间的水平亮线扫描电压ux：随时间线性变化的电压ux=kt锯齿波时间可以无限延续,实际线性变化信号幅度不可能无限增长,且屏幕尺寸有限直线扫描电压,只能使光点在屏幕上自左至右扫一次波形对扫描电压要求对扫描电压要求：周期性：线性：同步性：当fx=fy→Tx=

Ty,第2周期光点移动轨迹与前一周期重合；当fy=2fx→Tx=2Ty,第34周期光点移动轨迹与前12周期重合。推论：fy=n

fx(n为正整数),波形稳定同步：fy=n

fx

，→Tx=n

Ty如果Tx≠n

Ty,即不满足同步条件,显示的图像不稳定连续扫描和触发扫描扫描种类：直线扫描：连续扫描触发扫描圆扫描螺旋扫描

连续扫描Tx=tf

+tbtf

：扫描正程tb

：扫描回程理想情况：tb=0

连续扫描和触发扫描为观测连续信号,扫描电压是连续的,称为连续扫描当观测脉冲过程时,往往感到连续扫描不再适应,特别是研究脉冲持续时间与重复周期之比,即占空比t0／Ty很小的脉冲过程时,问题就更为突出触发扫描

Tx=tf+tb+tw只有在被测脉冲到来时才扫描一次扫描发生器平时处于等待工作状态,只有送入触发脉冲时才产生一个扫描电压一般选择Tx≥t0扫描过程的增辉若不增辉将产生如图的回扫线实际工作时回扫是需要一定时间的,这对显示波形产生了一定的影响。为使回扫产生的波形不在荧光屏上显示,可以设法在扫描正程期间使电子枪发射更多的电子,即给示波器增辉增辉：在扫描正程期间给第一栅极G1加正脉冲

阴极K加负脉冲3.2模拟示波器通用示波器的组成Y通道(垂直通道)示波器对Y通道的基本要求是：以足够高的输入阻抗将被测信号以很小的失真对称地传输到Y偏转板上有足够宽的幅度和频率测量范围。为了与X通道配合,Y通道应有一定的延迟。输入电路输入电路探极耦合方式转换开关衰减器阻抗变换器被测信号送入Y通道前,先通过探极(探头)进入示波器。使用探极的目的：提高示波器的输入阻抗扩展带宽,减小失真。衰减器衰减器作用是把检测信号很宽的幅度变化范围压缩,保证放大器正常工作一般用阻容补偿分压电路来实现。当R1C1=R2C2—最佳补偿延迟线

具有触发功能的示波器,由于扫描信号是由被测信号的前沿启动的,因此扫描开始时刻总比被测信号到来的时刻要迟一些。若被测信号前沿较短，则可能出现被测信号过去td之后才开始扫描。为完整显示信号波形的前沿,在Y通道中加延迟线,对被测信号延时。Y放大器Y放大器前置放大器和后置放大器,均采用差分放大器作用：使示波器具有观测微弱信号的能力Y通道的增益SR-8：Symax=10mV/div=12.5mV/cmSv=6~8V/cmY放大器示波器的Y通道必须由多级放大器组成对Y放大器的主要要求是：频带宽度Δf足够宽：fH越高越好

fL=0上升时间tr足够小稳定的增益对称的输出电路较高的输入阻抗X通道作用：使电子束作水平偏转给示波管提供增辉脉冲组成触发电路

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。它把触发信号变换为具有陡峭前沿,与被测信号同步的触发脉冲触发电路组成：触发源选择触发的耦合方式选择触发方式选择触发极性选择触发电平选择触发放大整形电路等

触发电路触发极性选择和触发电平调节扫描发生器环作用:产生符合要求的锯齿电压。组成:扫描闸门、扫描电压发生器、电压比较器、释抑电路扫描发生器环扫描闸门—施密特触发器(滞后特性)当触发脉冲在到来时,触发器翻转，输出的高低电平,作为扫描发生器的控制信号——门控信号扫描发生器—受时基闸门控制密勒积分器当K断开时,电源E通过电阻R对电容C充电,输出负向锯齿波扫描电压队。此电压一路送X放大器,另一路送时基电路的电压比较器输出电压U0为当K闭合时,电容C放电,使U0迅速上升,回到扫描的起点。扫描发生器环电压比较器将扫描电压U0与参考电压Ur进行比较,当U0＜Ur时,电压比较器输出电压随U0而下降,给释抑电路的电容器充电。释抑电路在扫描回程期间电容C以较慢的速度放电保证每次扫描都在同一起始电平上开始。扫描发生器环示波器的多波形显示多束显示和多踪显示是同时显示几个信号波形的基本方法多束显示优点：能够观察同时出现的瞬变信号。多束示波管内装有几个独立电子枪，能同时发射多束电子；或把同一阴极发射出来的电子分割为几束电子束。用多束示波管制成的示波器称为多束示波器或多线示波器多踪显示多踪示波器：采用单束示波管,在它的Y偏转板上轮流接入几个被测信号,按时间分割原理制成的示波器优点：性能高、价格低缺点：不能观测同时出现的瞬变信号，双踪示波器

组成：与普通示波器类似两个Y通道+一个通道转换器（电子开关）通道转换器工作原理

双踪示波器设有“A”“B”“A+B”“交替”和“断续”五种工作状态。“A”：S1S2S7S8

断开,S3S4S5S6接通，

YA信号→送Y偏转板“B”：S1S2S7S8接通,S3S4S5S6断开，

YB信号→送Y偏转板“A±B”：S1S2S5S6断开,S3S4S7S8接通，两路信号均传到输出端,并在负载中互相叠加通道转换器工作原理上述三种状态均为单踪显示,为显示双踪,需高速控制YA与YB的接通与断开,实现两信号的轮流显示在实际电路中,用晶体二、三极管代替机械开关K