1、,第三章示波测试与测量技术,3 示波测量技术,电子测量技术,3.1 概 述,3 示波测量技术,电子测量技术,电子示波器也称为阴极射线示波器（CRO），它是利用电子射线的偏转来复现电信号瞬时值图像（常称为时间波形）的一种仪器。,3.1.1 示波器的定义,3 示波测量技术,电子测量技术,1. 定性观察,2. 定量测量,3.1.2 示波器的用途,3 示波测量技术,电子测量技术,1.模拟示波器,3.1.3 示波器的分类,3 示波测量技术,电子测量技术,1.模拟示波器,（1）通用示波器,（2）多束示波器,（3）取样示波器,（4）记忆示波器,（5）特种示波器,采用单束示波管,采用多束示波管,采用取样技术,
2、具有记忆、存储功能,具有特殊用途,3.1.3 示波器的分类,3 示波测量技术,电子测量技术,2.数字示波器,取样、量化、编码,3 示波测量技术,电子测量技术,3.2 示波测量的基本原理,3 示波测量技术,电子测量技术,阴极射线示波管简称示波管，它是一种特殊的电子管，形状如喇叭，是电子示波器的核心部件。,采用静电偏转系统，将电信号变换为光信号显示。,3.2.1 阴极射线示波管(CRT),3 示波测量技术,电子测量技术,1. 结构,电子枪,偏转系统,荧光屏,2 示波测量技术,电子测量技术,2. 辉度控制原理,辉度控制是通过改变电子枪中控制栅极和阴极间的电位差来实现的。,2 示波测量技术,电子测量技
3、术,调节W7,-1300V,2 示波测量技术,电子测量技术,3. 偏转原理,垂直方向：,水平方向：,2 示波测量技术,电子测量技术,偏转灵敏度,偏转因数,结论： 垂直方向上偏转的距离与加在垂直偏转板上的电压成正比。,2 示波测量技术,电子测量技术,4. 屏幕特性,（1）余辉及余辉时间,当电子束从荧光屏移去后，光点仍能在屏上保留一段发光过程，形成余辉。,长余辉：,中余辉：,短余辉：,从电子束移去到光点亮度下降到原始值的10%所延续的时间 ，称为余辉时间。,2 示波测量技术,电子测量技术,（2）光迹颜色,（3）屏幕刻度,黄、绿、白,外刻度片,内刻度线,光标,刻度在荧光屏外的透明薄膜上。,刻度在荧光
4、屏玻璃内侧。,移动光标自动测试,3 示波测量技术,电子测量技术,显示随时间变化的信号,显示任意两个变量x、y的关系曲线,3.2.2 图像显示的基本原理,3 示波测量技术,电子测量技术,显示随时间变化的信号,显示任意两个变量x、y的关系曲线,3.2.2 图像显示的基本原理,3 示波测量技术,电子测量技术,被测信号Uy加到Y偏转板，则 y = KyUy；扫描信号Ux ( Ux = Kt ) 加到X偏转板，则 x = Kxt ；当这两个信号同时作用于示波管时，扫描信号将被测信号按时间水平展开，从而显示出被测信号的时间波形。,一、 显示随时间变化的信号,3 示波测量技术,电子测量技术,uy,t0 =
5、0:,被测信号,锯齿波扫描信号,2 示波测量技术,电子测量技术,uy,被测信号,锯齿波扫描信号,t 1= Ty / 8 :,2 示波测量技术,电子测量技术,uy,被测信号,锯齿波扫描信号,t 2= Ty / 4 :,2 示波测量技术,电子测量技术,uy,被测信号,锯齿波扫描信号,t 3= 3Ty / 8 :,2 示波测量技术,电子测量技术,uy,被测信号,锯齿波扫描信号,t 4= Ty / 2 :,2 示波测量技术,电子测量技术,y,x,被测信号,锯齿波扫描信号,波形显示的原理,t,2 示波测量技术,电子测量技术,uy,t,0,0,Ty,Uy,被测信号,Tx=2Ty,锯齿波扫描信号,波形显示的
6、原理,y,x,3 示波测量技术,电子测量技术,1. 扫描的概念,扫描是指在线性时间信号(锯齿波信号)作用下，光点扫动而获得时间基线的过程。,扫描时，光点自左向右的连续扫动称为扫描正程；光点自屏的右端迅速返回起点称为扫描回程。,3 示波测量技术,电子测量技术,3 示波测量技术,电子测量技术,2. 同步的概念,当Tx= nTy (n 为正整数）时，扫描的后一周期描绘的波形与前一周期重合，荧光屏上得到n个周期的清晰而稳定的波形，称信号与扫描电压“同步”。,当Tx nTy时，后一周期扫描的信号波形与前一周期不重合，波形晃动，称为“不同步”。,3 示波测量技术,电子测量技术,Ux,同步,3 示波测量技术
7、,电子测量技术,Ux,不同步,3示波测量技术,电子测量技术,3. 扫描方式,连续扫描,扫描电压信号是周期性的锯齿波。在扫描电压信号的作用下，示波管光点将在屏幕上作连续重复周期的扫描。,3 示波测量技术,电子测量技术,触发扫描,这种扫描方式适用于显示占空比很小的信号，即脉冲持续时间与重复周期之比很小的信号。,只有在触发信号出现时才产生一次扫描。,4、扫描过程的增辉在扫描正程期间使电子枪发射更多电子，即给示波器增辉。方法：控制栅极加正脉冲或阴极加负脉冲,二、显示任意两个变量间的关系把示波器扩展成XY图示仪。利用XY方向的偏转，画出任意图形。,3 示波测量技术,电子测量技术,1. 模拟示波器的组成,
8、3.3 模拟示波器（通用示波器）,3 示波测量技术,电子测量技术,1. 模拟示波器的组成,3.3 模拟示波器,3 示波测量技术,电子测量技术,1. 模拟示波器的组成,3.3 模拟示波器,垂直通道,水平通道,主机,CRT、Z通道、电源、校准信号发生器,3 示波测量技术,电子测量技术,水平通道（X通道）,主机,3 示波测量技术,电子测量技术,（1） 探极, 作用,探测信号,提高输入阻抗,3. 模拟示波器的垂直通道,3 示波测量技术,电子测量技术,普通示波器探极,采用一般的屏蔽导线。,高频、高灵敏度示波器探极,由RC元件和同轴电缆构成。,无源探极,有源探极,由源极跟随器、电缆和放大器构成。, 种类,
9、3 示波测量技术,电子测量技术,“DC”,被测信号直接加到衰减器的输入端。,“AC”,“GND”,被测信号经电容进入示波器，耦合交流成分，隔离直流成分。,衰减器接地。 （用于校准，调试）,（2）耦合开关,3 示波测量技术,电子测量技术,3 示波测量技术,电子测量技术,3 示波测量技术,电子测量技术,作用,对大信号进行衰减，以保证显示在荧光屏上的信号不致因过大而失真。,（3）衰减器,3 示波测量技术,电子测量技术,阻容分压器,3 示波测量技术,电子测量技术,此时分压比（衰减量）与频率无关。,示波器的“偏转因数粗调”开关就是改变分压比来获得不同的偏转因数。,3 示波测量技术,电子测量技术,3 示波
10、测量技术,电子测量技术,（4）放大器, 作用,3 示波测量技术,电子测量技术,输入级,采用平衡式源极射极跟随电路。, 组成,3 示波测量技术,电子测量技术,放大级,差动反馈电路。,3 示波测量技术,电子测量技术,3 示波测量技术,电子测量技术,对Y通道信号延时。 补偿X通道扫描电路启动时间的延迟。,（5）延迟线, 作用,3 示波测量技术,电子测量技术,分布参数式延迟线 集中参数式延迟线, 种类,双芯平衡螺旋导线,多节LC延迟网络,3 示波测量技术,电子测量技术,将被测信号放大，送入X通道作为内触发信号。,作用,（7）触发放大器,偏转因数粗调,增益微调倍率 Y轴位移,3 示波测量技术,电子测量技
11、术,3. 模拟示波器的水平通道（通道）,3 示波测量技术,电子测量技术,1、作用：,放大外接信号（XY图示仪）,3 示波测量技术,电子测量技术,2、 水平通道的组成,同步触发电路,X放大器,3 示波测量技术,电子测量技术, 同步触发电路,产生与触发信号有关的同步触发脉冲，这个脉冲被加至扫描发生器环的扫描门控制扫描信号的产生，其幅度和波形均应达到一定要求。,3 示波测量技术,电子测量技术,组成框图：,电路：,3 示波测量技术,电子测量技术,触发源,内触发 (INT),外触发 (EXT),电源触发 (LINE),以外接信号作为触发源。,比较整形,至扫描门,Y放大器输出,内,电源,外,DC,AC,A
12、C低频抑制,HF,C1,C2,C3,电平,（预置）,1,1,2,2,ui1,Ui2,外接信号,来源,触发源为50Hz的交流正弦信号。,正弦信号（50Hz）,触发信号来自示波器垂直通道（被测信号）。,3 示波测量技术,电子测量技术,触发耦合方式（“方式”）,“AC”(交流耦合),“HF”(高频耦合),“AC低频抑制”,“DC”(直流耦合),3 示波测量技术,电子测量技术,“极性” 选择开关,用于控制触发时触发点是位于触发源信号的上升沿还是下降沿。,3 示波测量技术,电子测量技术,比较整形,(2) 形成一个具有一定幅度、前沿陡峭、宽度适当的触发脉冲。,比较整形,方 式,内,电源,外,DC,AC,A
13、C低频抑制,HF,C1,C2,C3,电平,（预置）,1,1,2,2,ui1,Ui2,极 性,作用,(1) 选择触发电平,Y放大器输出,外接信号,正弦信号（50Hz）,至扫描门,3 示波测量技术,电子测量技术,正极性，负电平,“电平”旋钮和“极性”选择开关配合，可选择触发源信号上的任意一点作为触发点。,3 示波测量技术,电子测量技术,正极性，正电平,“电平”旋钮和“极性”选择开关配合，可选择触发源信号上的任意一点作为触发点。,3 示波测量技术,电子测量技术,负极性，正电平,“电平”旋钮和“极性”选择开关配合，可选择触发源信号上的任意一点作为触发点。,3 示波测量技术,电子测量技术,负极性，负电平
14、,“电平”旋钮和“极性”选择开关配合，可选择触发源信号上的任意一点作为触发点。,3 示波测量技术,电子测量技术, 扫描发生器环（时基电路）,扫描发生器环是水平通道的核心，能产生线性度好、频率稳定、幅度相等的锯齿波扫描电压信号。,3 示波测量技术,电子测量技术,扫描门,产生门控信号，控制锯齿波的起点。,3 示波测量技术,电子测量技术,积分器,产生高线性度的锯齿波扫描电压信号。,3 示波测量技术,电子测量技术,积分器一般采用密勒积分器。,当开关K打开时,电源电压E通过电阻Rt 对电容Ct充电，输出电压uo为：,锯齿波的正程,3 示波测量技术,电子测量技术,电容器迅速放电，输出电压uo迅速上升，得到
15、负向锯齿波的回程。,当开关K闭合时,锯齿波的回程,3 示波测量技术,电子测量技术,改变Rt或Ct作为“时基因数”粗调，用改变E作为“时基因数”微调。,3 示波测量技术,电子测量技术,比较和释抑电路,控制扫描逆程何时开始；保证在一次回扫未结束前不会开始下一次扫描（保证扫描的稳定） 。,3 示波测量技术,电子测量技术,积分器的输出和电源+E同时通过电位器P加到T管的基极B，它们共同影响B点的电位。T管是一个PNP管，它和Ch、Rh组成一个射极输出器。Ch上的电压即为释抑电路的输出电压，被引至扫描门即施密特触发电路的输入端。,扫描门,积分器,C,R,至X放大器,-E,稳定度,+E,P,T,+E,Ch
16、,Rh,+,-,B,u2,比较和释抑电路,3 示波测量技术,电子测量技术, X放大器,宽带多级直接耦合放大器。,电路：,作用：,放大扫描信号并变成双端差分输出 “X轴位移” 扫描扩展,XY工作方式,3 示波测量技术,电子测量技术,4. 模拟示波器的主机,3 示波测量技术,电子测量技术,Z 通道,在扫描正程，加亮信号； 在扫描回程，消隐信号。,作用,3 示波测量技术,电子测量技术,3 示波测量技术,电子测量技术,3 示波测量技术,电子测量技术,3.4 模拟示波器的多波形显示,3 示波测量技术,电子测量技术,3.4.1 多线显示,双线示波器,具有两套各自独立的垂直通道、电子枪和偏转系统。水平通道只
17、有一个，扫描电压共用。,特点:测量精度高，图形清晰，但工艺要求高，电路复杂，价格贵。,3 示波测量技术,电子测量技术,3.4.2 多踪显示,1. 工作原理,由单束示波管配以通道转换器，利用时间分割原理实现多波形同时显示。,2. 双踪示波器,（1）结构及 工作原理,3 示波测量技术,电子测量技术,（2）显示方式（五种）,单踪显示YA通道的输入信号。,单踪显示YB通道的输入信号。,单踪显示两信号的和或差。,“YA”(或CHA),“YB”(或CHB),“YA YB”,3 示波测量技术,电子测量技术,“交替”(ALT),这种显示方式适用于显示重复频率高的信号，因此要求扫描频率在每秒25次以上，即大于2
18、5Hz ，被测信号频率不低于扫描频率。,YA 、YB信号交替显示在荧光屏上。,3 示波测量技术,电子测量技术,“断续”(CHOP),当开关信号频率远大于被测信号频率时，这时开关信号分别对两个被测信号波形轮流进行实时取样，在屏幕上看到的是由若干取样光点所构成的断续波形。,3 示波测量技术,电子测量技术,这种显示方式是“准实时显示”，每个扫描周期同时显示两个信号波形，观测重复频率较低的波形可避免闪烁。,3 示波测量技术,电子测量技术,3.5 数字存储示波器,组成、工作原理,主要技术指标,一、数字存储示波器的组成和工作原理 组成：采样存储、时基与触发、显示与控制,3 示波测量技术,电子测量技术,插值
19、处理,（一）采样存储 组成：衰减及放大，采样保持及AD变换，采集存储器。 1、采样方式 实时采样；非实时采样：非实时顺序采样、随机采样 （1）实时采样特点：要求较高的采样率可观测单次信号、重复信号可观测触发点前、后的信号,（2）非实时顺序采样特点：采样速率大大降低，通频带宽。不能观测单次信号；可观测周期信号、非周期的重复信号。不能观测触发前的信号，不便观 测频率较低的信号。取样示波器,（3）非实时随机采样特点：实际采样速率不高 不可观测单次信号可观测触发前、后的信号,2、数字示波器的混淆失真（混叠失真或假信号） 原因：如果采样率过低，造成恢复显实的波形发生严重失真。,3、数字存储示波器的存储
20、存储容量（存储深度、记录长度）：每个信号通道能存储数据的点数。 正延迟；负延迟,（二）时基与触发 1、时基：扫描时间因数 主时钟、各种时序信号 2、触发 （1）自动电平触发根据实际输入信号自动选择触发电平（50%） （2）逻辑模式触发（码型触发）利于观测包含多路信号的数字系统,（3）毛刺触发分析数字系统硬件故障 （4）脉冲边沿时间或脉冲宽度不恰当触发（时间限定触发） （5）数字电路电平不规范触发（矮脉冲触发） （6）专用信号的触发：TV触发、IC总线触发 （7）触发释抑时间： （8）序列触发：触发事件序列,（三）信息显示 1、CRT光栅增辉显示 2、液晶显示 3、波形显示的内插方法 4、显示中
21、涉及的几个其他问题 （1）对波形进行存储、调用和数字信号处理 （2）显示不同的灰度级别 （3）光标测量功能,（4）延迟扫描功能：双扫描示波器(P94) （5）提高显示更新速度和减少 “死区”时间 （6）显示单词或缓慢变化的信号 （7）余辉、亮度、色彩控制，显示部位及标尺网格变换,二、数字示波器的特性 1、数字示波器的常见功能 2、数字示波器的工作特性（技术指标）,（1） 采样(取样)速率,采样速率表示单位时间内对模拟输入信号的采样次数。,3 示波测量技术,电子测量技术,（2） 存储容量（存储深度）,存储容量表示保存模拟输入信号采样点的数量，用存储器存储字的最大数量表示。,256、512、1K
22、、4K,3 示波测量技术,电子测量技术,（3） 分辨力,垂直分辨力,又称电压分辨力，指示波器能分辨的最小电压增量，由A/D转换器的位数决定。通常用量化结果的最低有效位所对应的电压来表示。,垂直分辨力越高(数值越小)，显示信号细节的能力越强。,3 示波测量技术,电子测量技术,3. 分辨力,水平分辨力,又称时间分辨力，指示波器水平方向上相邻采样点之间的时间间隔的大小。由采样速率和存储器的存储容量决定。,3 示波测量技术,电子测量技术,4. 存储带宽,B 最少为信号最高频率的3倍以上。,3 示波测量技术,电子测量技术,5. 瞬态响应,反映垂直系统在方波脉冲输入信号作用下的过渡特性。,上升时间tR,正
23、脉冲波的前沿从基本幅度A的10%上升到90%所需的时间。,3 示波测量技术,电子测量技术,上升时间和上限频率的关系：,上限频率越大，上升时间越小，信号前沿失真越小。,或,3 示波测量技术,电子测量技术,下降时间tF,正脉冲波的后沿从下垂后幅度的90%下降到10%所需的时间。,上冲S0,下冲、预冲、下垂,3 示波测量技术,电子测量技术,6. 偏转因数,偏转因数指光点在屏幕的垂直方向上偏转单位距离所需电压的峰-峰值。,偏转灵敏度：,偏转因数反映了示波器观测信号幅度范围的能力。Dy越小(sy越大) ，观测微弱信号的能力越强。,3 示波测量技术,电子测量技术,7. 时基因数,时基因数是指光点在屏幕的水
24、平方向上移动单位距离所需要的时间。,3 示波测量技术,电子测量技术,3.5 示波器的应用,3 示波测量技术,电子测量技术,3.5.1 电压测量,直接从示波器屏幕上量出被测电压波形上任意两测量点的高度，再乘以Y通道的偏转因数，则可得被测电压值。,直接测量法,Y输入 校正,3 示波测量技术,电子测量技术,3.5.1 电压测量,自动参数测量法(自动波形参数测量）,光标测量法,3 示波测量技术,电子测量技术,3.5.2 时间的测量,直接从示波器屏幕上量出被测时间的宽度，然后换算成时间。,类似的，测量时，应将时基因数微调置于“校准”位置。,直接测量法,3 示波测量技术,电子测量技术,3.5.2 时间的测
25、量,自动参数测量法(自动波形参数测量）,光标测量法,比较测量法,3 示波测量技术,电子测量技术,3.5.3 相位测量,1线性扫描法,（1）测量前，调节两信号时间基线重合。,3 示波测量技术,电子测量技术,（2）测量时,3 示波测量技术,电子测量技术,测量前将两个垂直通道的输入耦合开关置“GND”（接地），调节位移旋钮，使两时间基线重合，测量时再将此开关拨到“AC”位置，以防直流电平影响。,只能用其中一个波形作为触发信号，而不要用多个信号分别去触发，以免产生相位误差。,保证两信号的时间基线重合。,3 示波测量技术,电子测量技术,2李沙育图形法,把两个正弦波分别加在示波器的X、Y偏转板，可以得到不
26、同的李沙育图形。根据所得出的李沙育图形，可以测出波形间的相位差。,3 示波测量技术,电子测量技术,若示波器本身X轴、Y轴存在固有相移，即在X、Y通入相位差为0的信号时，李沙育图形不是一条直线，而是一个椭圆。则测量时，两个信号的实际相位差应为示波器测出的相位差减去固有相移，即：,3 示波测量技术,电子测量技术,2.5.4 频率测量,1线性扫描法,把被测信号送入Y输入端，调节使显示波形稳定且至少显示一个完整的周期，测得一个周期的水平分度数，可求得周期：,3 示波测量技术,电子测量技术,2李沙育图形法,将要测频率的信号送Y通道，已知频率的信号送X通道，示波器工作在XY方式。这时屏幕上会显示出一个李沙育图形。,m,n,2 示波测量技术,电子测量技术,2.5.5 示波器功能扩展,1X-Y图示仪 2记录单次信号 3将非电信号转换为电信号测量 4通信测量 5数字示波器的运算功能 6用示波器自行构成其他仪器,
