电子测量-信号波形测量.ppt

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1、第7章 信号波形测量,7.1 概述 7.2 CRT显示原理 7.3 通用示波器 7.6 示波器的基本测试技术,7.1 概述,7.1.1 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：1 模拟示波器采用模拟方式对时间信号进行处理和显示。2 数字示波器对信号进行数字化处理后再显示。,1 模拟示波器,模拟示波器可分为通用示波器、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，又可分为单踪、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

2、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。,2 数字示波器,数字示波器将输入信号数字化（时域取样和幅度量化）后，经由D/A转换器再重建波形。数字示波器具有记忆、存贮被观察信号功能，又称为数字存贮示波器。根据取样方式不同，数字示波器又可分为实时取样、随机取样和顺序取样三大类。,7.1.2 主要技术指标,1频带宽度BW和上升时间tr 示波器的频带宽度BW一般指Y通道的频带宽度。上升时间tr是一个与频带宽度BW相关的参数，表示由于示波器Y通道的频带宽度的限制，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

3、表示为,2扫描速度 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“cm/div”。扫描速度的倒数称为“时基因素”，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s、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偏转因素偏转因素指在输入信号作用下，光点在荧光屏上的垂直（Y）方向移动1cm（即1格）所需的电压值，单位为“V/cm”、“mV/cm”（或“V/div”、“mV/div”）。偏转因素表示了示波器Y通道的放大/衰减能力。偏转因素的倒数称为“（偏

4、转）灵敏度”。,4输入阻抗 当被测信号接入示波器时，输入阻抗Zi形成被测信号的等效负载。5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，可通过示波器面板选择。6触发源选择方式 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）、外触发（EXT）、电源触发（LINE）三种。,7.2 CRT显示原理,7.2.1 CRTCRT主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成，基本结构如下图所示。,1 电子枪,电子枪的作用是发射电子并形成很细的高速电子束，它由灯丝F、阴极K、栅极G1和G2和阳极A1、A2组成。通过调节G1对K的负电位可控制电子束的强弱，从而

5、调节光点的亮度，即进行“辉度”控制。调节A1的电位器称为“聚焦”旋钮，通过对它进行调节可调节G2与A1和A1与A2之间的电位；调节A2电位的旋钮称为“辅助聚焦”。,电子束聚焦的原理是，电子从阴极K发射，经G1、G2、A1、A2聚焦和加速后进入偏转系统。电子在电子枪中的运动轨迹如下图所示。,2 偏转系统,示波管的偏转系统由两对相互垂直的平行金属板组成，分别称为垂直偏转板和水平偏转板。当有外加电压作用时，偏转板之间形成电场；在偏转电场作用下，电子束打向由X、Y偏转板共同决定的荧光屏上的某个坐标位置。为了示波器有较高的测量灵敏度，Y偏转板置于靠近电子枪的部位，而X偏转板在Y的右边。,电子束在偏转电场

6、作用下的偏转距离与外加偏转电压成正比：示波管的Y轴偏转灵敏度（单位为cm/V）：其倒数为示波管的Y轴偏转因数。偏转灵敏度越大，示波管越灵敏。为提高Y轴偏转灵敏度，可在偏转板至荧光屏之间加一个后加速阳极A3。,l为偏转板的长度；S为偏转板中心到屏幕中心的距离；b为偏转板间距；Va为阳极A2上的电压。,3 荧光屏,荧光屏将电信号变为光信号，是示波管的波形显示部分。在使用示波器时，应避免电子束长时间的停留在荧光屏的一个位置，否则将使荧光屏受损。因此在示波器开启后不使用的时间内，可将“辉度”调暗。当电子束停止轰击荧光屏时，光点仍能保持一定的时间，这种现象称为“余辉效应”。,7.2.2 波形显示的基本原

7、理,1显示随时间变化的图形（1）Ux、Uy为固定电压时，有下面四种情况：,光点出现在荧光屏的中心位置。,光点仅在垂直方向偏移：Uy为正电压时，光点从荧光屏的中心往垂直方向上移；Uy为负电压时，光点从荧光屏的中心往垂直方向下移。,光点仅在水平方向偏移：Ux为正电压时，光点从荧光屏的中心往水平方向右移；Ux为负电压时，光点从荧光屏的中心往水平方向左移。,当两对偏转板上同时加固定的正电压时，光点位置应为两电压的矢量合成。,（2）X、Y偏转板上分别加变化电压，有下面两种情况：,仅在垂直偏转板的两板间加正弦变化的电压，则光点只在荧光屏的垂直方向来回移动，出现一条垂直线段。,仅在水平偏转板的两板间加锯齿电

8、压，则光点只在荧光屏的水平方向来回移动，出现一条水平线段。,（3）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。,2显示任意两个变量之间的关系 示波器两个偏转板上都加正弦电压时显示的图形称为李沙育（Lissajous）图形，这种图形在相位和频率测量中常会用到。,若两信号的初相相同，且在X、Y方向的偏转距离相同，在荧光屏上画出一条与水平轴呈45度角的直线。,若两信号的初相相差90度，且在X、Y方向的偏转距离相同，在荧光屏上画出的图形为圆。,3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

9、移距离为，比例系数Sx称为示波管的X轴偏转灵敏度。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”。,4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”。,7.3 通用示波器,7.3.1 通用示波器的组成(示波管、垂直通道和水平通道),7.3.2 通用示波器的垂直通道1输入电路：包括衰减器和输入选择开关。（1）衰减器,最佳补偿条件：,过补偿：,欠补偿：,改变分压比的开关为示波器的垂直灵敏度粗调开关，在面板上用“V/c

10、m”标记。,（2）输入耦合方式 输入耦合方式设有AC、GND、DC三档选择开关。观察交流信号时，置“AC”档。确定零电压时，置“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 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前置放大器大都采用差分放大电路，输出一对平衡的交流电压。若在差分电路的输入端输入不同的直流电位，相应的Y偏转板上的直流电位和波形在Y方向的位置也会改变。可通过调节“Y轴位移”旋钮，调节直流电位以改变被测波形在屏幕上的位置。,3延迟线 触发扫描时，扫描的开始时间总是滞后于被观测脉冲

11、一段时间，这样，脉冲的上升过程就无法被完整地显示出来。,左图为没有延迟线时屏幕上显示的脉冲。,3延迟线（续）延迟线的作用就是把加到垂直偏转板上的脉冲信号延迟一段时间，以保证在屏幕上扫描出包括上升时间在内的脉冲全过程。延迟线的输入级需采用低输出阻抗电路驱动，而输出级则采用低输入阻抗的缓冲器。,4Y输出放大器 Y输出放大器是将延迟线传来的被测信号放大到足够的幅度，用以驱动示波管的垂直偏转系统，使电子束获得Y方向的满偏转。Y输出放大器应具有稳定的增益、较高的输入阻抗、足够宽的频带、较小的谐波失真。Y输出放大器大都采用推挽式放大器，有利于提高共模抑制比。可采用改变负反馈的方法改变放大器的增益（面板上的

12、“5”或“10”开关）。,7.3.3 通用示波器的水平通道,水平通道主要任务：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。包括：触发电路、扫描电路和水平放大器等部分。,1触发电路(P263 图7-16)（1）触发源选择 内触发（INT）：将Y前置放大器输出（延迟线前的被测信号）作为触发信号，适用于观测被测信号。外触发（EXT）：用外接的、与被测信号有严格同步关系的信号作为触发源，用于比较两个信号的同步关系。电源触发（LINE）：用50Hz的工频正弦信号作为触发源，适用于观测与50Hz交流有同步关系的信号。,（2）触发耦合方式“D

13、C”直流耦合：用于接入直流或缓慢变化的触发信号。“AC”交流耦合：用于观察从低频到较高频率的信号。“AC低频抑制”耦合：用于观察含有低频干扰的信号。“HF REJ”高频抑制耦合：用于抑制高频成分的耦合。,（3）扫描触发方式选择（TRIG MODE）常态（NORM）触发方式：指有触发源信号并产生了有效的触发脉冲时，荧光屏上才有扫描线。自动（AUTO）触发方式：有连续扫描锯齿波电压输出，荧光屏上总能显示扫描线。电视（TV）触发方式：是在原有放大、整形电路基础上插入电视同步分离电路实现的，以便对电视信号（如行、场同步信号）进行监测与电视设备维修。,（4）触发极性选择和触发电平调节 触发极性和触发电平

14、决定触发脉冲产生的时刻，并决定被显示信号的起始点。触发极性是指触发点位于触发源信号的上升沿还是下降沿。触发电平是指触发脉冲到来时所对应的触发放大器输出电压的瞬时值。,（5）放大整形电路 放大整形电路的作用是对触发信号进行放大、整形，以满足触发信号的要求。整形电路的基本形式是电压比较器，当输入的触发源信号与通过“触发极性”和“触发电平”选择的信号之差达到某一设定值时，比较电路翻转，输出矩形波，然后经过微分整形，变成触发脉冲。,2扫描发生器环 扫描发生器环又叫时基电路，常由积分器、扫描闸门及比较释抑电路组成,用来产生线性良好的锯齿波。,闸门电路产生快速上升或下降的闸门信号，闸门信号启动扫描发生器工

15、作，产生锯齿波电压，同时把闸门信号送到增辉电路，以便在扫描正程加亮扫描的光迹。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。,（1）扫描方式选择 连续扫描：没有触发脉冲信号，仍会产生门控信号，启动扫描。触发扫描：要有触发脉冲信号，才会产生门控信号，启动扫描。（2）扫描闸门 作用：1）控制积分器扫描。2）起正程加亮作用。3）使双踪示波器工作于交替状态。,扫描门实现电路 常用的闸门电路有双稳态、施密特触发器和隧道二极管整形电路。右图为施密特触发器构成的闸门电路。,（3）积分器 输入信号是从扫描门来的矩形脉冲，输出信号为

16、理想的线性矩形脉冲。密勒（Miller）积分器是通用示波器中应用最广的一种积分电路。,积分器产生的锯齿波电压被送入X放大器中放大，再加至水平偏转板。荧光屏上单位长度所代表的时间为示波器的扫描速度（t/cm），x：光迹在水平方向偏转的距离；t：偏转x距离所对应的时间。在示波器中通常改变R或C值作为“扫描速度”粗调，用改变E值作为“扫描速度”微调。,（4）比较和释抑电路 在比较电路中，输入电压与预置的参考电平进行比较，当输入电压等于预置的参考电平时，输出端电位产生跳变，并把它作为控制信号输出。它决定扫描的终止时刻。释抑电路在扫描逆程开始后，关闭或抑制扫描闸门，使“抑制”期间扫描电路不再受到同极性触

17、发脉冲的触发。,比较和释抑电路（工作波形）,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。,7.3.4 通用示波器的其他电路,1高、低压电源 分别用于示波器的高、中压和直流供电。2Z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。3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。,7.3.5 示波器的多波形显示,1多线示波 利用多枪电子管来

18、实现的。测试时各通道、各波形之间产生的交叉干扰可以减少或消除，可获得较高的测量准确度。2多踪示波 在单线示波的基础上增加了电子开关，利用分时复用的原理，分别把多个垂直通道的信号轮流接到Y偏转板上，最终实现多个波形的同时显示。,2多踪示波“Y1”通道（CH1）、“Y2”通道（CH2）和叠加方式（CH1+CH2）都只显示一个波形。,交替方式（ALT）：适合于观察高频信号。,断续方式（CHOP）：适用于被测信号频率较低的情况。,7.6 示波器的基本测试技术,7.6.1 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。（

19、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。,7.6.2 示波器的正确使用,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。,2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

20、号等。,3通用示波器的面板示意图,3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）VERT MODE：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）SWEEP MODE扫描方式选择开关。（9）EXT TRIG和EXT HOR外触发和外水平共用输入端。（10）LEVEL HOLD OFF触发电平和释抑时间双重控制旋钮。（11）X-Y方式。,4探头的正确使用常见探头为低电容高电阻探头：,低电容探头的应用使输入阻

21、抗大大提高，特别是输入电容大大减小。但是，将使示波器的灵敏度有所下降。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。,7.6.3 用示波器测量电压,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。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；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

22、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平线的距离h。6）计算被测直流电压值。,例7-1 示波器测直流电压及垂直灵敏度开关示意图如图所示，h=4cm、Dy=0.5V/cm、若k=10：1，求被测直流电压值。,(V),2交流电压的测量（1）测量原理 为被测交流电压值（峰-峰值）；h为被测交流电压波峰和波谷的高度或任意两点间的高度；为示波器的垂直灵敏度；为探头衰减系数。（2）测量方法 垂直偏转灵敏度微调旋钮置于校准位置；接入待测信号；输入耦合开关置于“AC”；调节扫描速度使波形稳定显示；调节垂直灵敏度开关；读

23、出被测交流电压波峰和波谷的高度；计算被测交流电压的峰-峰值。,例7-2 示波器正弦电压如图所示，h=8cm、Dy=1V/cm、若K=1:1，求被测正弦信号的峰-峰值和有效值。正弦信号的峰-峰值为正弦信号的有效值为,V,7.6.4 用示波器测量时间和频率,1测量周期和频率（1）测量原理 被测交流信号的周期（x为被测交流信号的一个周期在荧光屏水平方向所占距离；为示波器的扫描速度；为X轴扩展倍率。周期的倒数即为频率。,（2）周期和频率测量方法 1）将示波器的扫描速度微调旋钮置于“校准”位置。2）将待测信号送至示波器的垂直输入端。3）将示波器的输入耦合开关置于“AC”位置。4）调节扫描速度开关，记录

24、值。5）读出被测交流信号的一个周期在荧光屏水平方向所占的距离x。6）计算被测交流信号的周期。,例7-3 荧光屏上的波形如图所示，信号一周期7cm，扫描速度开关置于“10ms/cm”位置，扫描扩展置于“拉出10”位置，求被测信号的周期。,ms,2测量时间间隔（1）测量同一信号中任意两点A与B的时间间隔的测量方法如下图。A与B的时间间隔（为A与B的时间间隔在荧光屏水平方向所占距离，为示波器的扫描速度）,（2）若A、B两点分别为脉冲波前后沿的中点，则所测时间间隔为脉冲宽度，如下图示。,（3）采用双踪示波器可测量两个信号的时间差。将B脉冲的起点左移1格，读出两被测信号起始点时间的水平距离。,7.6.5

25、 用示波器测量相位,1用双踪示波法测量相位 将欲测量的两个信号A和B分别接到示波器的两个输入通道。利用荧光屏上的坐标测出信号的一个周期在水平方向上所占的长度。再测量两波形上对应点之间的水平距离x，则两信号的相位差为,2用李沙育图形法测量频率或相位（1）测量频率 示波器工作于X-Y方式下，将频率已知的信号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。和 分别为水平线、垂直线与李沙育图形的交点数；、分别为示波器Y和X信号的频率。李沙育图形存在关系：,（2）测量相位差把比较相位差的两个频率、同幅度的正弦信号分别送入示波器的Y通道和X通

26、道，使示波器工作在X-Y方式，这时示波器的屏幕上会显示出椭圆波形，由椭圆上的坐标可求得两信号的相位差为,7.7.1 信号的时域测量,信号的时域测量是对以时间作为自变量的电参量的测量，即信号幅度随时间变化的规律。1脉冲信号参数的时域测试,7.7 时域测量技术,(1)脉冲参数的定义,与时间有关的脉冲参数的定义,(2)脉冲参数的测量方法,使用示波器对脉冲波形进行测量，从荧光屏直接读波形刻度，然后再根据公式计算得到各参数值。测量方法 将被测脉冲直接加到示波器垂直通道Y的输入端，波形的垂直方向表示与幅度有关的参数，水平方向表示与时间有关参数。确定出脉冲的顶值和底值（即幅值的100和0的基线位置）。测量幅度：其它与幅度有关参数测量：从波形上读出响应的刻度值，再比上幅度的刻度值即可。上升时间测量：确定波形幅度为10和90的位置，然后读刻度，再乘以水平扫描时基因素。,