电子测量第4章波形测试与仪器

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1、第 4 章 时域测量仪器与原理 1 第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理 4.1 概述 4.2 模拟示波器 4.3 示波器的多波形显示 4.4 数字存储示波器 4.5 取样示波器 补充 : 示波器的应用 第 4 章 时域测量仪器与原理 2 第 4章 时域测量仪器与原理 学习参考 ：示波器主要用来观测信号波形、测量 电压、频率、时间等参数，是电子测量三大仪器之一。 本章主要介绍波形测试原理及示波器的组成原理与应 用。要求通过学习了解示波器的组成、理解它的工作 原理、掌握它的应用。 本章要点： 示波管组成及波形显示原理，示波器 扫描过程、技术指标及应用。 第 4 章 时域测量仪器与原理 3

2、 4.1 概述 电子示波器简称为示波器，它借助阴极射线示波 管（ CRT， Cathode Ray Tube）电子射线的偏转将电 信号变换成可见图像，实现波形的显示，实现电压、 周期、频率、时间、相位、调制系数等参数的测量。 示波器也是构成特性曲线测试仪器等的重要组成 部分，例如晶体管特性图示仪、扫频仪等。 第 4 章 时域测量仪器与原理 4 通用示波器 多束示波器 取样示波器 存储示波器 专用示波器 单踪示波器 双踪示波器 多踪示波器 又称为多线示波器 将高频、超高频信号经取样变换为较 低频率信号后再显示，适用于测量高 频、超高频信号 适用于异地观测、异地分析测量 电视示波器 矢量示波器 逻

3、辑示波器 示波器按其性能、结构分为 : 数字示波器 第 4 章 时域测量仪器与原理 5 4.2 模拟示波器 1 基本组成 通用示波器主要由 X通道 （ HORIZONTAL）、 Y通道 （ VERTICAL）、 主机 三大部分组成。 （ 1） X通道（水平系统） X通道由 触发电路、扫描电路 和 X放大器 组成。主要作用是： 在 触发信号的作用下，输出大小合适、极性相反的对称扫描电压， 以驱动电子束水平偏转 。 （ 2） Y通道（垂直系统） Y通道由 输入电路、前置放大器、延迟线、输出放大器 等组成。 主要作用是： 对单端输入的被测信号进行变换、处理 使电子束 产生垂直偏转。 第 4 章 时域

4、测量仪器与原理 6 探 极 输入电路 Y前置 放大器 延迟 线 Y输出 放大器 Y偏 转板 触发 电路 扫描电路 X放 大器 校准信号 发生器 电源 增辉 电路 控制栅极 (或阴极 ) 主机 Y通道 X偏 转板 “X”输入 外同步 触发输入 标准信号 输出 “X-Y” X通道 “扫描 ” S2 S 1 内 外 电源 示波管 被测 信号 输入 图 4.2 通用示波器基本组成 第 4 章 时域测量仪器与原理 7 （ 3）主机部分 主机部分主要包括 标准信号源、增辉电路、电源、示波 管等 部分。 第 4 章 时域测量仪器与原理 8 阴极射线示波管是示波器重要组成部分，用来将 电信号变换为光信号而加以

5、显示。 CRT主要由 电子枪、 偏转系统和荧光屏 三大部分组成，它们都封装在密闭 呈真空的玻璃壳内，其结构如图 4.2.2所示。 4.2.2 阴极射线示波管 基本原理 第 4 章 时域测量仪器与原理 9 电子枪 控制栅极 G 阴极 K 灯丝 F 偏转系统 第一阳极 A1 第二阳极 A2 Y1 Y2 X1 X2 后加速阳极 A3 荧光屏 偏转板 辅助聚焦 聚焦 辉度 + RP1 RP2 RP3 图 4.2 阴极射线示波管结构示意图 第 4 章 时域测量仪器与原理 10 1. 电子枪 电子枪用来发射电子并形成很细的高速电子束。它主要由 灯丝 F、阴极 K、控制栅极 G、第一阳极 A1、第二阳极 A

6、2和后加速 阳极 A3组成。 +1300V 萤 光 屏 灯丝 阴极 控制栅极 第一阳极 第二阳极 偏转 系统 第 4 章 时域测量仪器与原理 11 2. 偏转系统 偏转系统位于第二阳极 之后，由两对相互垂直的 X （水平）、 Y（垂直）偏转板 组成，分别控制电子束水平 方向、垂直方向的偏转，偏 转的距离分别与加在偏转板 上的电压大小成正比，该特 性称为阴极射线示波管的线 性偏转特性。 Y1 Y2 X1 X2 荧光屏 偏转板 第 4 章 时域测量仪器与原理 12 E y y yy S U UCY Y 第 4 章 时域测量仪器与原理 13 3. 荧光屏 荧光屏内壁涂有荧光物质（磷光质），外壁则是玻

7、璃管壳。 当荧光物质受到电子枪发射的高速电子束轰击时能发出荧光， 并维持一定的时间，该现象称为荧光物质的余辉现象。 按照余辉现象维持时间（即余辉时间）的长短，荧光物质 分为短余辉（小于 1ms）、中余辉（ 1ms 2ms）和长余辉（大 于 2s，甚至可达几分钟或更长）等几种。 第 4 章 时域测量仪器与原理 14 4.2.3 波形显示原理 1. 波形显示 当被测电压、扫描电压分别加至垂直、水平偏转板上时， 电子束受到垂直、水平偏转板的共同作用，使电子束每一时刻 产生的亮点的垂直位移与被测电压的瞬时电压成正比，而在时 间上则一一对应，这样就在荧光屏上得到一个留存时间很短的 亮点轨迹，即波形。 第

8、 4 章 时域测量仪器与原理 15 几个概念 : 时间基线 :若在 x偏转板上加一个随时间而线性变化的电压， 即加一个锯齿波电压，则光点在 x方向的变化就反映了时 间的变化。若在 y方向不加电压，则光点在荧光屏上构成 一条反映时间变化的直线，称为 时间基线 。 扫描 ：光点在锯齿波电压的作用下扫动的过程， 扫描电压 ：能实现扫描的锯齿波电压 扫描正程 ：光点自左向右的连续扫动。 扫描回程 ：光点自屏右端迅速返回起扫点 。 T t 0 图 4.2 扫描电压 u Y1 X1 荧光 屏 第 4 章 时域测量仪器与原理 16 图 4.2为扫描电压实际波形。 ux(t) Tb T S Tw Tx=TS+

9、Tb+Tw t 0 图 4.2 扫描电压实际波形 Ts:扫描正程时间 Tb: 扫描回程 Tw:扫描休止时间 扫描休止时间用以保证下次扫描在荧光屏上的起始点能够 与本次扫描的起始点重合，为便于分析通常不予考虑。当扫描逆 程时间和扫描休止时间均为零时，扫描电压为 理想扫描电压 。 图 扫描电压理想波形 u 第 4 章 时域测量仪器与原理 17 几个概念 : 增辉 : 扫描正程时显示被测信号的波形，要求在此期间增 强波形亮度。 可以在控制栅极上叠加正极性脉冲或在阴极上叠加负极性 脉冲来实现增辉。 在扫描逆程时，电子束在向左移动的过程中会出现亮线， 该亮线称为 回扫线 。 假如在 Y偏转板上加正弦电压

10、，在扫描休止时，电子束会在 起始点位置出现一条垂直的亮线，该亮线称为 休止线 。 第 4 章 时域测量仪器与原理 18 应对回扫线和休止线进行 消隐 ，否则，将影响波形的观测。 正程波形 （与被测信号波形相同） 回扫线 休止线 图 4.3 不消隐时显示的波形 第 4 章 时域测量仪器与原理 19 图像显示原理： t y x y x t t=0 T Tn=T t=T/4 t=T/2 t=3T/4 扫描电压周期与被 测信号周期相同。 第 4 章 时域测量仪器与原理 20 x y x t Tn=2T t y T 第 4 章 时域测量仪器与原理 21 t y x y x t T Tn=1.5T 第 4

11、 章 时域测量仪器与原理 22 信号与扫描电压的同步： 当扫描电压的周期是被观测信号周期的整数倍时，扫 描的后一个周期描绘的波形与前一周期一模一样，荧 光屏上得到清晰稳定的波形。这时，信号与扫描电压 同步 。 同步条件： Tx=nTy（ n为正整数） 式中， Tx为扫描信号周期； Ty为被测信号周期。 第 4 章 时域测量仪器与原理 23 2 主要技术指标 1). 频带宽度 BW和上升时间 tr 如不加说明 ,示波器频带宽度 BW 均为 Y通道的频带宽度 ，它 是 Y通道输入信号上、下限频率 fH、 fL之差，即 BW=fH fL 现代示波器的 fL一般延伸至 0Hz，因此频带宽度可用上限频率

12、 fH 来表示。 第 4 章 时域测量仪器与原理 24 3dB点的频率就是示波器所显示的信号幅度 “ Vdisp”为示 波器输入端真实信号值的 71时的信号频率， dB(伏 ) 20log(电压比 ) 3dB=20log(Vdisp/Vinput) Vdisp=0.7Vinput 第 4 章 时域测量仪器与原理 25 上升时间 tr： 用于表示在输入脉冲等瞬变信号时示波器 Y 通道的过渡特性（瞬态响应特性）， 即在 Y通道输入端加一个理想的脉冲信号，显示波形从稳 定幅度的 10%上升到 90%所需的时间。 它反映出示波器 Y通道能否跟得上输入信号变化的性能， 上升时间越短，性能越好，可测信号的

13、频率越高。 Ut t (d) tr 第 4 章 时域测量仪器与原理 26 频带宽度 BW与上升时间 tr之间存在的关系如下： BWtr0.35 式中， BW（或 fH）、 tr的单位分别为 MHz、 s。 为了在测量时不产生明显的测量误差，通常要求 trsignal trScopeM/5（为被测信号上升时间），否则，应按下式 修正 式中， trdisplayed为示波器显示的上升时间； trsignal为信号上升时间； trScopeM为示波器上升时间。 2 S c o p e M 2 rr ttt s i g n a ld i s p l a y e d 第 4 章 时域测量仪器与原理 27

14、 2). 扫描速度 扫描速度 是单位时间内亮点水平移动距离，单位为 “ cm/s” 或 “ div/s”（ 1div读作 1格， 1格一般等于 1cm）。 扫描速度越快，显示的波形越宽，反之，越窄。 扫描速度的倒数称为 “ 时基因数 ” ，单位为 “ t/cm”或 “ t/div”， t可取 s、 ms或 s。 3). 偏转因数 偏转因数是指在输入信号作用下，亮点在荧光屏上移动 1cm 或 1div所需的电压值 . 数值越小，波形幅度越大。 偏转因数的倒数称为 “ 偏转灵敏度 ” ，单位为 “ cm/V”或 div/V”。 第 4 章 时域测量仪器与原理 28 4).输入阻抗 Zi 示波器输入

15、阻抗 Zi，即被测电路的等效负载，可等效为输 入电阻 Ri和输入电容 Ci的并联。 通常规定 Ri=（ 1 5%） M，要求 Ci随频带宽度的增加而减 小， Ci一般在 35pF左右。测量高频信号时应考虑输入电容的影 响。 R C 第 4 章 时域测量仪器与原理 29 第 4 章 时域测量仪器与原理 30 5).输入耦合控制 输入方式即输入耦合方式 ，一般有 直流（ DC）、交流（ AC）和 接地（ GND） 三种耦合方式。 接地耦合 将示波器 Y通道输入端短路，一般在测量直流电压 时，为确定零电平位置而选用。 交流耦合 可隔离被测信号中的直流及慢变化分量，抑制工频 干扰，便于测量高频及交流瞬

16、变信号。 直流耦合 即直接耦合，将输入信号所有成分都加到示波器上。 变换交流耦合和直流耦合，可以测出交流信号中直流成分 的大小。 第 4 章 时域测量仪器与原理 31 6). 触发源 触发源 是指用于提供产生扫描电压的同步信号来源 . 一般有 内触发 (INT，双踪示波器又有 CH1、 CH2之分 )、 外触 发 (EXT)和 线触发 （ LINE）三种方式。 内触发是指由被测信号来产生同步触发信号。 外触发是指由外部电路提供的信号来产生同步触发信号。 线触发又称为 电源触发 ，是指利用示波器内部工频电源来 产生同步触发信号。 复合触发 :显示不同通道信号时轮流使用相应的通道触发 , 可用于显

17、示频率不相关的信号 . 第 4 章 时域测量仪器与原理 32 当示波器用于显示被测信号波形时， X放大器的输入信号 是 扫描 电压 ；当示波器工作在 “ X-Y”方式 时，输入信号是 外加的 X信号 。 “ X-Y”方式时，外加的 X信号，该信号与 Y信号是各自独立 的，它们各自在 X、 Y偏转板间建立偏转电场对电子束共同作用 而产生一个新的图形 . 例如，将两个同频正弦波加到示波器上时，得到的波形为椭 圆、圆或直线， 两个正弦波加到示波器得到的图形称为 李沙育 图形。 3 “X-Y”方式 第 4 章 时域测量仪器与原理 33 李沙育图形 x y x t t y 第 4 章 时域测量仪器与原理

18、 34 示波器测元件的特性曲线 第 4 章 时域测量仪器与原理 35 4.3 示波器的多波形显示 1.采用多束示波管（又称为多线示波管）制成的 多束示波器 。 2.采用单束示波管制成的 多踪示波器 .本节只讨论双踪示波器的 多波形显示原理，即 双踪显示原理 。 第 4 章 时域测量仪器与原理 36 二 双踪示波器 YA 双踪示波器的五种显示方式： YA， YB， YA+YB，交替，断续 。 第 4 章 时域测量仪器与原理 37 第 4 章 时域测量仪器与原理 38 A门 B门 电子开关 A通道 B通道 至垂直偏 转板 双踪 示波器“ Y 通道”方框图 双踪显示原理 : 交替，断续 1“ 交替”

19、方式 在“交替”工作方式时，在第一个周期，电子开关使 A 门接通，并显示 A通道输入信号波形；在第二个周期， 电子开关使 B门接通，并显示 B通道输入信号波形。如 此重复，在屏幕上 轮流 显示出两信号的波形。 第 4 章 时域测量仪器与原理 39 2 “ 断续”方式 当开关信号频率远大于被测信号频率时，示波器工作 在“断续”工作方式。这时，开关信号分别对两个被 测信号轮流进行实时取样，在屏幕上看到的是由若干 取样点所构成的“断续”的波形。 交替方式适于观测高频信号。断续方式适于观测频率较低的信号 第 4 章 时域测量仪器与原理 40 示波器是时域测量仪器，可以用来 显示信号波形，测量电 压、频

20、率、相位、时间、调制系数 等参数。 1 测量电压 示波器可以测量直流电压、交流电压及交流电压瞬时值。 其方法包括直接测量法和比较测量法。 直接测量法又称为 灵敏度变换法 。测量时，将偏转因数 “ 微调 ” 置于 “ 校准（ CAL） ” 位置后 : Up-p=SHp-p U=Up-p/2KP 补充 : 示波器的应用 第 4 章 时域测量仪器与原理 41 例 4-1 示波器测量正弦波电压，已知波形垂直幅度（即峰 - 峰点距离）为 8div，偏转因数为 1V/div，探极衰减比为 10： 1， 试求正弦波电压是多少？如果正弦波改为三角波，三角波电压 又是多少？ 解：由题意得， S=1V/div，

21、Hp-p=8div，探极衰减比 K=10： 1， 所以 Up-p=8div 1V/div=8V 输入正弦波时探极输出电压： U=U p-p/2Kp= 2.82V 正弦波电压： U=10 2.82V=28.2V 输入三角波时探极输出电压： U =Up-p/2Kp= 2.31V 三角波电压： U =10 2.31V=23.1V 答：正弦波、三角波电压分别为 28.2V、 23.1V。 第 4 章 时域测量仪器与原理 42 （ 2）比较测量法（属于间接测量法） 比较法测量电压 时，首先调出合适的被测信号波形，记录下 波形峰 -峰点距离 Hp-p， Hp-p的单位为 “ cm”或 “ div”，然后保

22、 持偏转因数及其微调旋钮不变，加入大小（设峰 -峰值为，单 位为 “ V”）已知的标准信号，记录下标准信号波形的峰 -峰点 距离 H p-p，则有： pp PP pp pp HUU H 第 4 章 时域测量仪器与原理 43 2 测量时间 示波器测量时间的方法有多种 ,在此仅讨论直接测量法。 直接测量法 又称为 标尺法 ，测量时，将扫速微调旋钮置于 “ 校准 ” 位置，选用合适的输入耦合方式，调节有关旋钮，使 显示波形的幅度、宽度合适，记录下 “ 时基因数（ t/div） ” 的 大小（设为 Dx， 单位为 “ s/cm”或 “ s/div”）和波形某两点（根 据被测量的定义来确定）之间的水平距

23、离（设为 L，单位为 “ cm” 或 “ div”），则有 t=DxL 式中， t为被测时间量，单位为 “ s”。 第 4 章 时域测量仪器与原理 44 例 4-2 已知示波器时基因数、偏转因数分别为 5ms/div、 2V/div，扫速扩展为 10，探极衰减系数为 10： 1，计算图所示信 号的周期是多少？电压是多少？ 解： 据题意得， Dx=5ms/ div， S=2V/ div， H=8div，正弦波一个周 期的宽度 L=10div，扫速 扩展 K=10，探极衰减比 K=10 1。 正弦波周期： T=DxL/K=5ms/div 10div /10=5ms 第 4 章 时域测量仪器与原理

24、45 正弦波峰 -峰值： Up-p=SH=2V/div 8div =16V 正弦波电压： U=KUp-p/2Kp= 56.6V 答：（略） 22V1610 3 测量相位差 测量相位差是指测量两个同频信号的相位之差。测量方 法有多种， 在此仅讨论 线性扫描法 和 椭圆法（ 李沙育图形 法 ） 。 第 4 章 时域测量仪器与原理 46 1. 线性扫描法 线性扫描法即双踪法 ，测量时，将两个信号分别接入双踪 示波器的两个输入端，适当调整 Y轴移位旋钮，使两个信号的水 平中心轴重合，如图所示，测出 AB、 AC长度，计算相位差： A B C u1(t) u2(t) 图 4.24 直线扫描法测量相位差

25、3 6 0ACAB 第 4 章 时域测量仪器与原理 47 2. 椭圆法 图中 O点为椭圆中心。椭圆形状与两信号的幅度和相位差有关。 相位差的计算如下： =arcsin x x B A 式中 : Ax（或 Ay）是横轴（或纵轴） 与椭圆两交点的水平（或垂 直）间距； Bx（或 By）是两垂直（或水 平）线与椭圆切点的水平 （或垂直）间距 。 Ay By Ax Bx O 第 4 章 时域测量仪器与原理 48 4 测量频率 测量频率的方法有多种，在此仅讨论 周期法、李沙育图 形法。 1） 周期法 周期法测量时，根据周期、频率之间的关系，首先测量 出周期，然后再换算出被测信号的频率。为了减小测量误差，

26、 可采用多个周期测量求平均的方法测量周期。 例 4-3 已知示波器时基因数为 2ms/div，扫速扩展为 10， 求图示的被测信号的频率是多少？ 第 4 章 时域测量仪器与原理 49 解： 利用多周期测量法，据题意得，四个周期宽度 L=16div，时基因数 Dx=2ms/div，扫速扩展 K =10。 ms8.0104m s / di v2di v164x KLDT A B 被测信号周期为： 被测信号频率为： f=1/T=1/0.8ms=1.25kHz 答：（略） 第 4 章 时域测量仪器与原理 50 2. 李沙育图形法 李沙育图形法测量频率时， 示波器工作于 X-Y方式下 ， 频率已知的信号

27、与频率未知的信号加到示波器的两个输入端， 调节已知信号的频率，使荧光屏上得到李沙育图形，由此可测 出被测信号的频率。 即垂直线、水平线与李沙育 图形的交点数分别与 X、 Y信号 频率成正比 V H x y N N f f 李沙育图形法适合测量频率比在 1： 10和 10： 1之间的信 号频率，否则，波形显示复杂，给调整和测量带来困难。 第 4 章 时域测量仪器与原理 51 第 4 章 时域测量仪器与原理 52 例 4-4 如图 4.27所示的李沙育图形，已知 X信号频率为 6MHz，问 Y信号的频率是多少？ 2 M H z62M H z6 V H xy N Nff 解： 分别在李沙育图形上画出

28、垂直线和水平线，则 NH=2、 NV=6，或 NH=1、 NV=3。注意必须在交点数最多 的位置画线 答：（略） 第 4 章 时域测量仪器与原理 53 本章主要介绍了通用电子示波器的基本组成、工作原理 及其应用。 （ 1）阴极射线示波管由电子枪、偏转板和荧光屏三部分 组成。电子示波器测量各种物理量的原理依据是示波管的线 性偏转特性。示波器扫描过程分为扫描正程、扫描逆程、扫 描等待三个过程。扫描正程时显示波形；扫描逆程和扫描等 待时，电子束回到起始点，要对回扫线和休止线消隐。示波 器得到稳定波形的条件是扫描电压的周期等于被测信号周期 的整数倍。 （ 2）示波器主要由 X、 Y、 Z通道及主机部分组成。选用示 波器要对其频带宽度 BW、上升时间 tr等技术指标进行综合考 虑。示波器可以用来观测信号波形，测量电压、频率、相位 差、时间、调制系数等物理量。