电子测量与技术第三章-示波测试技术

1、第三章 示波器原理及应用,（一）、概述 （二）、示波测试的基本原理 （三）、通用示波器原理及使用 （四）、取样技术在示波测量中的应用 （五）、波形的存储和记忆 （六）、示波器的扩展应用,（一）、概述：,1、直接观测和真实显示被测波形。,可显示脉冲信号的前后沿、脉宽、上升下降时间。,2、是时域测试典型仪器，能检测信号波形是否正常， 有无失真以及相关关系。,3、X-Y图示仪。,4、是多种电量和非电量测试和测量中的基 本测试仪器。,通过描绘被研究的信号随时间的变化，可用于 调试电子电路、维修仪器设备。,是构成其他两个测试领域的仪器设备的基础。,根据示波器的性能和结构，分为：,通用示波器；多束示波器；

2、取样示波器； 记忆、存储示波器；专用或特殊示波器。,（二）、示波测试的基本原理：,衰 减,Y前置 放大器,延迟线,Y输出 放大器,扫描 发生器环,触发 电路,X 放大器,输入,输入,X,Y,外触发输入,s2,Y通道,X通道,50Hz电源,灯丝,阴极K,栅极 G1G2,阳极A1A2,电子枪,偏转系统,一、阴极射线示波管,示波管由电子枪、偏转系统、荧光屏组成,1.电子枪,K,_,+,辉度,聚焦,辅助 聚焦,荧光屏,灯丝加热阴极后，发出大量电子。G1包围着K，只在面向荧光屏的位置开一小口。UG1K是可调的。能够调节电子密度进而调节亮度、灰度。,对数码显示，该端受数码控制。对电视受灰度控制。G2、A1

3、、A2组成聚焦系统，并能加速。 UG2A2=0 UA2A10 UA1G20,形成一个减速场，一个加速场,调节A1电位进行聚焦， 调节A2辅助聚焦， 以免发生散焦。,2.偏转 系统,X偏转板,Y偏转板,b,s,L,y,灵敏度：Dy =1/hy,静电偏转与磁偏转的区别,电子示波器偏转系统是静电偏转 电视CRT监视器偏转系统是磁偏转。,原理,定量研究一下电子束的偏转情况（见P128图）,Va越高，轴向速度越高，穿过偏转板所用的时间减少， 电场作用减少，Y减小。,在偏转电压的作用下， Y方向的偏转距离为,单位电压偏转距离Y越大，示波器越灵敏。 S，散焦，且体积 l,受时间限制，不能显示高频信号 b，必

4、然限制电子束的偏转角度 Va, 必然降低轴线方向的速度，不亮且易散焦。 但如果改进一下，先偏转后加速，则可使偏转灵敏度。为此在偏转板至荧光屏间加一个后加速阳极，为避免后加速阳极对电子偏转的影响，通常将后加速阳极作成分段的（因为分段后，电力线偏到外面的会少）后加速阳极电压可高达上万伏，灵敏度可提高数十倍。,示波器内壁涂上一层荧光物质。面向电子枪的一侧还常覆盖一层极薄的透明铝膜，用以反光和散热。 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。 余辉时间：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。,3. 荧光屏,不同的材料余辉时间不一样。 蓝 绿 白、黄 小于

5、10s 10 s 1ms 1ms0.1s 0.11s 大于1s 极短 短 中 长 极长 看什么样的波形，用什么样的示波管。 主频：短 注：避免光点长时间打在一点上，烧焦屏幕（出现黑点），实验室内常用的中余辉（绿色）。当用作显象管时（绿色）,二、图象显示的基本原理：,1、显示y=f（t）时的图形,加在VY上即Y偏转板上。如VX=0则电子束在垂直方向上显示一条线 这时可测VP-P。,（1）、扫描,A、偏转特性：,光点在锯齿波作用下扫动的过程称为扫描， 从左到右称为扫描正程，从右到左为回程。,电压max 光点最右 电压min 光点最左,能实现扫描的锯齿波电压叫扫描电压,X偏转板上加一随时间而线性变化

6、的电压，即VX=kt(锯齿波电压)， 光点的变化反应了时间变化。时间变化为一条直线，称为时间基线,B、扫描的同步,Ts,Tn,Tn,Tn =2Ts,Tn =Ts+1/4Ts,为得到稳定的波形，必须 保证同步关系，即 Tn=NTs N-为整数,同步扫描 当扫描电压的周期Tn是被观察信号周期的整数倍时，扫描后的一个周期描绘的波形与前一个周期完全一样，荧光屏上得到清晰而稳定的波形，这就叫做信号与扫描电压同步。,存在问题： a 有扫描底线 b 不便观察占空比很小的波形（尖脉冲等）。,C、连续扫描和触发扫描,被测脉冲,连续扫描 Tn=Ts,t,vy,以观察电视行同步信号为例。,*连续扫描的特点：,a、扫

7、描发生器连续工作； b、无输入信号时显示一条时基线；,*触发扫描的特点：,a、被测脉冲到来时扫描一次； b、平时为等待扫描状态； c、主要用于观测占空比很小的脉冲，扫描电压 持续时间的选择应等于或稍大于脉冲底宽。,在有的示波器上，会有一个按钮来进行选择。,D、关于增辉、消隐,存在的问题,在触发扫描时，有很长等待时间，此时VX=VY =0，有一个光点，而且还有回扫虚线。 利用增辉可加强扫描正程时的亮度，减弱光点；利用消隐可减少扫描回程时的基线。,增辉,消隐,！对于触发扫描，扫描正程增辉 可避免无信号时中心亮点毁坏 屏幕。,如果观察触发脉冲的上升沿，触发扫描加上消隐 及增辉后，仍不理想。 因为触发

8、扫描发生器只有当被观察的信号到来时 才工作，因此扫描的开始时间总是滞后于被观测信号， 所以上升沿或下降沿无法完整显示。因此需将加到Y 偏转板上的信号Vy延长，加延迟线即可。,E、延迟,(三)、通用示波器原理及使用,一.原理框图,扫描门,积分器,比较和释抑 电路,增辉,至X放大器,E,扫描发生器环,对于扫描信号要求： 要求波形线性好，下降快；如线性不好时，信号观 测会产生失真，下降不够快时，会出现回扫。,X通道主要功能即为产生扫描信号。,二.水平通道,(1)、扫描门：采用施密特电路,又称为时基闸门， 连续扫描时，没有触发 信号也有门控信号输出； 触发扫描时只有在触发 脉冲作用下才应产生触 发信号

9、。,输入端由三个方面信号控制：,稳定度提供直流电位,触发电路触发脉冲,释抑电路释抑信号,(2)、积分器：采用密勒积分器，使荧光屏上水平距离代表时间,（a）、,使荧光屏上水平 距离代表时间,（b）,（c）,扫描速度粗调改变 R 或 C,扫描速度微调改变 E 或改变X放大器的增益,扫描速度（t/cm）,(3)、自举电路,把锯齿波送入X放大器后，再加至水平偏转板，由于这个电压与时间成正比，就可以用荧光屏上的水平距离代表时间。 定义荧光屏上单位长度所代表的时间为示波器扫描速度S（t/cm）,(4)、扫描速度,x：光迹在水平方向偏转的距离 t：偏转x所对应的时间 可见，调整E、R、C均可改变扫描速度。改

10、变E作为扫描速度微调；改变R、C扫描速度粗调。,（5）、比较和释抑电路,作用： 通过判断积分器输出电压 来控制扫描门关闭，同时 使积分器复位。复位过程 即为回扫过程。,E0,E1,E2,t,t1,t1,t2,t4,t5,连续扫描时，稳定度 旋钮电平E0大于上触 发电平E1,触发扫描时，E0 介于E1与 E2之间 脉冲到来时触发,E1,E0,E2,释抑电路 充电,释抑电路 放电,释抑电路 充电,释抑电路 放电,在扫描正程时，即使接收到触发信号也不能改变电路状态，这叫“抑”,在扫描回程后才可以接收触发脉冲，这叫“释”。,作用：产生周期与被测信号有关的触发电路脉冲，加至扫描门。,组成：方式开关、电平

11、旋钮、极性开关、S1开关组成。,“极性”决定 上升沿或下 降沿触发,“电平”决定 正半周或负 半周触发,方式开关决定 不同的耦合方 式：AC、DC,（6）、触发电路,1、正极性，正电平,触发点,2、负极性，正电平,触发点,3、正极性，负电平,触发点,4、负极性，负电平,触发点,有衰减器、前置放大、延迟线、Y输出差分放大组成。,可以证明： 当R1C1= R2C2时 分压比与频率无关。 改变分压比，即可改变示波器 的偏转灵敏度，这个改变分压比的开关即为灵敏度粗调开关（V/cm）。,三.垂直通道,(1)、衰减器,（vertical channel）,为扩大可观察信号的幅度范围，保证显示在荧光屏上的信

12、号不致因过大而失真，通常由RC组成。,提高输入阻抗。在集电极加电抗，提高频率响应。 高频时ZC较大， 增益增大。输出差分信号至差分放大器。 改变负反馈，可改变较大的增益， 即示波器灵敏度微调（“校正位置”）。,(2)、前置放大,输出极采用差分放大使加在偏转板上的电压能够对称，并有利于提高共摸抑制比。 改变Y电位器，可以改变两输出端的直流电位，进而改变波形Y在荧光屏上的位置，即“Y轴位移”旋钮。,(3)、输出放大器,a、偏转灵敏度:10V-10nV，体现测量强弱信号的能力。,b、扫描速度Ss：10S/cm-1nS/cm,c、带宽：仪器响应降低3dB时的上限频率。,信号上升时间/示波器对信号的上升

13、时间 测量误差 1/1 41% 3/1 5.2% 5/1 2% 10/1 0.5%,结论:示波器带宽越宽，上升时间越短，测量误差越小。,四.示波器的使用,(1)、工作特性,依据：,(2)、示波器的选用,a、电压测量,b、时间测量,掌握各种方法的 原理、使用，及其优 缺点。,(3)、基本测量技术,最常用的探头是“低电容探头”，其等效电路如图所示,(4)、探头的使用,可以证明，当 R1(C1+C2) = Ri Ci,则分压比,与输入信号频率无关 常取分压比为1:1 1:10(探头有一开关选择) 如果Ri=1M 欧姆，则R1=9M 欧姆 大大提高了系统的输入阻抗，降低了输入电容。 C1+C2 Ci

14、故称低电容探头。,探头的校正： 如不满足上述关系，测量波形会发生畸变，因此要进行探头的校正。 对标准信号，0.5vpp，1kHz，如C1调整不合适，会出现以下波形。 C1叫做补偿电容，又叫加速电容。,其它常用探头： 高压探头（100:1)、电压隔离探头、电流探头,输入0.5vpp， 1kHz的信号，探头打在1：1档。调整示波器灵敏度粗调（v/cm），此时微调打在校正位置，0.5v/cm档应是一格，否则调微调。扫描速度粗调1ms/cm，再调微调。,尽量放在直流档，可获得最大信息量。,(5)、标准信号的校正,(6)、交直流混合量的测量,A线性扫描法 a 首先进行时基校正。 b 选择出发电平及极性。

15、触发电平太大、太小均不稳定。 在调整触发电平时，会觉得波形左右跳，这是眼睛的错觉，实际上是触发位置在动。 c 选择同步源 比如双通道A、B看触发脉冲，可利用电源触发或外触发输入（双踪示波器在下面介绍）。 讨论：用单踪示波器，如何查看两波形的相位差？,(7)、相位测量,B 李沙育图形法,显示两个任意变量的关系,梯形法,X通道,(8)、调幅系数测量,包络法,B,A,正确使用注意事项,a、探头配套使用及校准，微调旋钮的校正位置,b、注意电压高低,c、注意保护屏幕,d、注意共地问题,(1)、多线示波器,发射多个相互独立的电子束，多枪多束或单枪 多束；常用双线示波器。,缺点：工艺要求较高，价格较贵。,(

16、2)、多踪示波器,组成与普通示波器类似，增加了一个电子开关， 具有多个垂直通道。电子开关的切换或转换方式有 交替和断续两种，属于时间分割方式。,五.示波器多波形显示,双踪示波器Y通道方框图：,图中V1、V2两个电位器为偏置电位器电位器。把上下两通道上下分开。,“交替”方式,“断续”方式,其扫描方式有： 交替扫描：非实时，开关速度低，有闪动，不用于低频波形显示。,断续扫描：开关速度高，不闪，中间要消隐，否则有雾状。,注意：双踪示波器在使用时， 切忌共地，否则短路。 触发源的选择问题,(3)、双扫描示波显示,功能：在观察一个脉冲 序列的同时，可以仔细 观察其中一个或部分脉 冲的细节,有两个独立的触

17、发和扫描电路，扫速可相差很多倍,延迟触 发电平,被测信号,A 触发,A扫描,B触发,B扫描,A增辉,B增辉,双扫描示波器的有关波形,（四）、取样技术在示波测量中的应用,取样分为,实时取样,非实时取样,实时取样：指在信号经历的实际时间内对一个信号 波形进行取样。,缺点：不能解决示波器在观测高频信号时所遇到 的频带限制的困难。,非实时取样：取样点分别取自若干个信号波形的 不同位置。 优点：解决了实时取样的缺点。,K,G,A1,A2,Y,X,K1,K2,G11,G12,G21,G22,收集极,存储介质,存储 栅网,写入电子枪,偏转系统,读出电子枪,记忆和显示部分,栅网式存储示波管,（五）、波形的存储

18、和记忆,例如:,自动测量,被测波形的频率、幅度、前后沿时间、平均值等,数字示波器分为实时和存储两种工作模式；,当为存储模式时，工作过程分为存储和显示两个阶段,当为实时工作模式时，原理与传统模拟示波器基本一样。,取样器,模-数变换,存储器,取样器,模-数变换,存储器,时基电路,处理器,显 示,晶体振荡器,时钟,前置放大器,输入1,输入2,外触发,数字示波器的输入电路与模拟示波器的输入电路相似；,数字示波器的时基电路的功能与模拟示波器不同，它是 一个晶体振荡器，测量触发信号和取样时钟之间的时间 差，处理器根据此时间差确定将波形取样放在显示器上 什么位置。,被测信号,取样脉冲,取样值,取样和存储过程

19、,读出和显示过程,荧光屏 显示,数字示波器的技术指标、特点及应用,技术指标,1、最大取样速率,单位时间内完成的完整A/D转换的最高次数,2、存储带宽,3、分辨率,包括水平和垂直分辨率,4、存储容量,5、读出速度,数字存储示波器的特点：,1、可观测甚低频信号波形；,2、可长期存储波形,3、可进行负延迟；,可同时观察到触发点前、后的波形，有利于观察振荡器 起振的过程。,触发点,4、便于观测单次过程和缓慢变化的过程,可用于观察地震、金属断裂、武器发射、材料变形等 单次过程和缓慢变化过程。,5、多种显示方式,卷动,例如：,适合于连续波形中寻找所需信号的两种显示方式,适用于在缓慢变化中的信号寻找所需的信

20、号。,新波形,老波形,改写点,自动抹迹,每满足一次触发条件，新存储的波形就覆盖 原波形。,6、便于数据处理,7、可用字符显示测量结果,8、便于程控和用多种方式输出,9、便于进行功能扩展,例如：,可扩展为同时显示时、频域波形的仪器。,HP54645D示波器应用,2、数字信号观测：16个数字输入通过对数字逻辑信号测量 的设置操作，对通道数字输入状态进行测量,3、触发方式设置,边沿触发,触发电平,4、触发类型,AUTO:自动触发,Autio Lvl:自动电平触发,Normal:常态触发,模式触发:对信号通道设置触发类型,可以是数字编码 或者是模拟通道的信号。,先进触发包括毛刺触发、模式触发和TV触发

21、。,逻辑分析仪原理、组成,3、数据域测试典型代表;,1、数据域分析：以离散时间或事件为自变量的数据流。,2、数字系统的特点,数据 采集 探头,输入 寄存器,FIFO 存储器,触发 识别器,内时钟 发生器,显示 发生器,+,+,CRT,门限电平设定,外时钟输入,0通道,1通道,N通道,触发字置入,外触发输入,触发 信号,触发识别:,为了捕获和显示感兴趣的内容，触发识别电路 用于寻找触发字或触发事件。,数据获取：,在时钟作用下，通过多路数据采集探头，与 设定的门限电平进行比较，判为0、1两种状 态后存入输入存储器。,数据存储：,存储采集到的数据。,通常采用先进先出（FIFO）寄存器,数据显示：,显

22、示存储于存储器中的数据。,2、逻辑分析仪的触发,（1）始端触发,逻辑分析仪在被触发时的数据为存储、显示的第一个有效数据。,（2）终端触发,存储器存满后开始搜索触发字，一旦搜索到， 立即停止存储。,触发字为存储和显示的最后一位有效数据。,（3）延迟触发,分为时钟延迟和事件延迟。,时钟延迟又称为字延迟，指触发后经过一定的采样 时钟数后才开始或终止存储有效数据。,事件延迟通常是对触发字进行延迟，指检出一定数 目的触发字后再触发。,采用延迟的方法可以逐段观测数据流。,(4)触发的识别,（5）触发限定,满足一定的条件才能触发。,3、逻辑分析仪的数据获取,（1）采样方式,（2）同步采样和异步采样,同步采样

23、：利用被测电路的时钟或某些信号作为 逻辑分析仪的时钟进行采样。,异步采样：采样时钟与被测系统没有同步关系。,主要是利用逻辑分析仪内部的多种不同周期的 采样时钟。,异步采样时钟频率的选择：应选时钟频率为被测信号频率 或相当最窄观察脉冲对应频率的510倍。,4、逻辑分析仪数据存储,始端触发的数据存储：,进入存储阶段，找到触发字，经过延迟电路，开始存储,存储计数器计数，存储器满停止。,终端触发的数据存储：,写时钟作用下，开始存储；存储器满开始搜索触发字；,找到触发字，经过数字延迟后，停止存储。,5、逻辑分析仪的显示,状态表显示,定时图显示,6、显示方式,1.JT-1（XJ4810）图示仪,从输出特性

24、曲线上应能查出最常用的4个主要参数 a.Ib=0时的Ic值即Iceo b.Vces饱和压降，在Ic=10mA时 c.电流放大倍数 d.V(BR)CEO反向击穿电压,(1)三极管的输出特性,（六）、示波器应用扩展,50Hz全波整流波形,阶梯波 电压发生器,集电极 扫描电压,Y,X,C,E,B,取样电压,保证阶梯波扫描电压的周期为 集电极扫描电压周期的整数倍,晶体三极管输出特性,(2)原理框图,(3)波形分析,a.外观 要注意NPN和PNP对Vc和Ib的正负调整。 并且在选双簇时，切记同是NPN或PNP管子。 学会用万用表辨别c,e,b。,b.Ib调零 NPN管子Iceo0较小,不明显,因此以PN

25、P管子为例。 显示部分中间按钮按下，调整起始位置在右上角。级数选择“1”，最“左”位置。按下测量板上“零电流”，即Ib=0，调整Vce=10V,此时Ic为Iceo。松开零电流，应使第一条线和Iceo重合，即阶梯调零旋钮。,1,10,88,7,22,15,20,11,c. Vceo 的测量,按下零电流，即IB=0， 适当选择限流电阻RC， 选择适当的电压档位和极性， 逐渐增加扫描电压，观测电流的变化，当发生电流突变时的拐点位置，即为击穿电压。,d.稳压二极管的测量（讨论）,e.绝缘栅场效应管（思考题）,2.放大器的幅频特性测试 (1).原理 X扫描：对应于频率变化 Y扫描：不同频率下的放大输出

26、。 这就是扫频测量技术。,锯齿波电压VCO输出频率随时间在一定范围内由低到高做线性变动，振幅不变放大器，则从输出端得到的电压包络线与其幅频特性相对应,(2).测量方法 首先将放大器的输入输出短路，则屏幕上出现一条线（虚线所示）。 割断短路线，由于是放大器，输出波形非常大。调Y轴衰减使尖峰和上次的直线相切，则衰减倍数即为放大倍数。,3.频谱分析 (1).定义,向pf面投影得到一条条谱线，对应于各频率点所对应的信号幅值。,研究信号所包含的频率成分即频谱分布情况，叫频域分析或频谱分析。 以开关电源中常见的开关信号为例，我们知道，它是镜像对称的，进行傅立叶分析后（展开后）可以写成如下表达式,(2).频谱仪的工作原理 a.模拟式频谱仪,设置一组带同滤波器，中心频率分别为f01 f02 f0n。S开关受阶梯波同步控制，在荧屏上显示出实时的谱线。 缺点：大量的窄带滤波器造