第三章 示波测试和测量技术.ppt

1、2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,1,第三章 示波测试和测量技术,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、波形的存储和记忆 五、示波器的扩展应用,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,2,一、概述,示波器在1931年由美国无线电公司发明 示波测试的特点 能直接观测并真实显示被测信号的波形,可显示脉冲信号的前后沿、脉宽、上升及下降时间,作为时域测试典型仪器，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,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,3,示波测

2、试的特点（续）,可显示两个变量之间的关系，可作为X-Y图示仪使用是频域、数字域测量的仪器设备的基础 可用于多种电量和非电量的测试和测量 是对信号进行定性或准定量分析与测量的可视化手段 不断融合最新科学技术，向数字化、多功能化、虚拟仪器方向发展示波器是电子测量领域的万用表“示波表”,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,4,示波器的分类,按信号的处理方式分为模拟、数字两大类 模拟示波器采用模拟方式对信号进行处理和显示 数字示波器对信号进行数字化处理后再显示。 对输入信号进行时域取样和幅度量化后，经D/A转换器重建波形； 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

3、器。,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,5,示波器的分类（续）,按示波器的功能特点分类 通用示波器 采用单束示波管，分为单踪、双踪、多踪示波器 多束示波器 每个波形的显示都由单独的电子束扫描实现 取样示波器用较低采样频率实现高频信号的测量 记忆示波器具有记忆和反复显示模拟信号的能力 专用示波器能满足特殊的测量要求晶体管图示仪、频谱分析仪、电能质量监测仪、,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,6,通用存储示波器的外观,测量功能设定区,水平控制区,存储控制区,触发控制区,垂直控制区,信号输入通道,CRT显示器,多功能按键,2019/6/10,电子测量北京交

4、通大学 电气工程学院,7,二、示波测试的基本原理,本节主要内容 示波器的总体构成 CRT的工作原理 图象显示的基本原理和关键技术,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,8,（一）示波器的总体构成,Y前置 放大器,Y输入,外触发输入,延迟线,衰减器,Y输出 放大器,触发 电路,扫描 发生器,X输出 放大器,X输入,标准信号 发生器,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,9,（二） CRT 的结构与工作原理,CRT主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,10,1. 电子枪,作用：发射电子，形成很细的高速电

5、子束 组成：灯丝F、阴极K、栅极G1和G2和阳极A1、A2 调节VG1可控制从G1发射出的电子的数量 VG1越低于VK，能打到荧光屏上的电子就越少辉度调节 电位关系： VG1VKVA1VG2=VA2 G1、G2、A1和A2共同构成电子“透镜”聚焦系统,G1,加速,G2,减速,A1,加速,A2,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,11,聚焦原理,电子运动的方向与电极的形状、位置及电极之间的电压差有关。 电子在穿越G1G2的加速场时，获得很大的水平加速度和一定的垂直加速度 电子在穿越G2A1的减速场时，水平速度降低，垂直速度变化不大，此时电子呈发散趋势 电子在穿越A1 A2的加

6、速场时，水平速度增加很快，垂直速度有一定增加，此时电子呈聚拢趋势,VG1VKVA1VG2=VA2,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,12,聚焦原理（续）,调节A1的电位，即调节电子“透镜”系统的焦距，电子将聚焦于荧光屏上“聚焦”调节 A2的电位对聚焦有一定的作用“辅助聚焦”调节 G2除了用于构成加、减速电场外，还起到消除“辉度”调节与“聚焦”调节之间相互影响的作用,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,13,2. 偏转系统,在水平方向（X方向） 、垂直方向（Y方向）各有一对偏转板 X或Y偏转板之间的距离及所加电压的大小决定了电场强度 E E 决定了电子在

7、电场中所受力的大小 电子在离开X或Y方向偏转板时，在X或Y方向的速度与电场强度 E 及 Z方向 的速度成正比示波器采用的是静电偏转方式 电视机采用的是磁场偏转方式,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,14,2. 偏转系统（续）,在垂直方向上，电子偏离垂直中心的距离 y ，其近似公式为：,A2,Va,b,Vy,L,y,S,Y,VaA2电位，VyY偏转板电压,推导过程：,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,15,2. 偏转系统（续）,几点结论 极板距离 b 越小，则偏转电场越强，偏转距离 y 越大 阳极A2的电压Va越高，则电子在Z方向的速度越高，偏转电场作

8、用的时间就越短，偏转距离 y 越小 极板长度 L 越大，则偏转电场作用时间越长，偏转距离 y 越大 在速度 v 一定的条件下，板、屏距离 S 越大，电子运行时间越长，偏转距离 y 越大 偏转电压Vy越高，偏转距离 y 越大,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,16,2. 偏转系统（续）,对于一个示波器，L、S、b 是确定的，而Va 基本不变，因此偏转距离 y 与偏转电压Vy呈正比关系，即y =hyVy hy称为偏转因数，单位为cm/V 或 Vy =Dyy Dy=1/hy称为偏转灵敏度， 单位为V/cm偏转距离与偏转板所加的偏转电压成正比,思考题：在给定的偏转电压条件下，如何

9、有效提高偏转距离，使示波器偏转更为灵敏呢？,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,17,提高偏转灵敏度的措施,S 示波器体积，且容易散焦 L 显示高频信号的能力降低 b 最大偏转角度受限，即最大偏转距离受限 VaZ方向速度降低亮度，且易散焦。,在单位偏转电压作用Vy下，如何有效提高偏转距离y ？,A2,Va,b,Vy,+,L,y,S,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,18,提高偏转灵敏度的措施（续）先偏转后加速,思路：降低偏转前的Z速度，可提高偏转灵敏度；在电子偏转之后再提高Z速度，可以使电子获得较大动能，提高亮度和聚焦性能。 措施：在偏转板与荧光屏间增

10、加后加速阳极通常将后加速阳极作成分段的，以避免后加速阳极对电子偏转的影响 后加速阳极电压可高达上万伏，灵敏度可提高数十倍,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,19,3. 荧光屏,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现象 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,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,20,3. 荧光屏（续）,不同的材料余辉时间不一样，人眼对不同颜色光（蓝、绿、白、黄）的残留效应也存在差别。 余辉时间分为

11、极短（小于10s）、 短（10 s 1ms）、 中（1ms0.1s）、长（0.11s）、极长（大于1s） 看什么样的波形，就用什么样的示波管信号频率 避免光点长时间打在一点上，烧焦屏幕（黑点） 实验室内常用的中余辉（绿色）显象管,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,21,（三）图象显示的基本原理和关键技术,CRT提供了： 电子枪（笔）、荧光屏（纸）、偏转系统（手） “笔”和“纸”在调整好之后，不需再多加关注 如何控制“手”的动作，画出期望的图案，就是本节讨论的问题 有两类图案需要绘制y = f (t)图形时域波形 任意两波形变量之间关系的图形XY图形,2019/6/10,电

12、子测量北京交通大学 电气工程学院,22,1、时域图形 y=f (t)的显示,先考虑水平偏转板不加信号的情况。 将正弦信号VyVPsint 加在Y偏转板上，随着Vy变化，电子束将在垂直方向上显示一直线，直线的长度为ymax- ymin= 2hyVP 这时可测VP-P,Vy,+,y,S,y(t)= hyVP sint,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,23,垂直方向的偏转控制,信号 y(t) 的瞬时值决定了光点在屏幕垂直方向上的位置 信号的变化率 dy/dt 决定了光点在屏幕垂直方向上的移动速度,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,24,水平方向的偏转控制

13、,当锯齿波作用于水平偏转板时，光点如何移动？ 加正弦波是否也可以达到相同的效果？三角波呢？,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,25,水平、垂直方向同时加偏转控制,光点位置由X、Y偏转板上的信号共同决定 X、Y信号需要配合，才能显示出 y=f (t),X、Y如何配合？,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,26,（1）扫描,光点在锯齿波作用下运动的过程称为扫描。 从左到右称为扫描正程，从右到左为扫描回程。 显示y=f (t)的条件 Y偏转板加欲显示的信号 X偏转板加随时间线性变化的信号锯齿波信号因为Y=hy f (t), X= hx k t所以屏幕上实际显

14、示的是 Y=hy f (X/ k hx)思考： Y=hy f (X/ k hx)与 y=f (t) 之间有什么关系？,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,27,(2) 扫描的同步,Tn =2Ts,Tn =Ts+Ts/4,为得到稳定的波形，必须保证同步关系，即:Tn=N Ts ( N为整数),2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,28,(2) 扫描的同步（续）,当扫描电压的周期Tn是被观察信号周期TS的整数倍时，相邻两个描绘周期的波形将完全一样，荧光屏上得到清晰而稳定的图形，此时称扫描电压与测量信号同步。,存在两个矛盾的问题 Tn过大时，不便观察占空比很小的

15、波形（尖脉冲等） Tn过小时，回扫线突出，真正的信号显示太暗,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,29,(3) 连续扫描和触发扫描,被测信号,连续扫描 Tn=Ts,t,vy,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,30,(3) 连续扫描和触发扫描(续）,连续扫描的特点 扫描发生器连续工作 无输入信号时显示一条时基线 扫描信号与被测信号之间没有“相位”关系很难同步 触发扫描的特点 被测信号满足设定的条件时才扫描一次 平时为等待扫描状态 用于观测占空比很小的脉冲，或非重复性信号 触发条件的设定：在大多数示波器上，都会有触发方式选择按钮,2019/6/10,电子测

16、量北京交通大学 电气工程学院,31,(4) 增辉、消隐,存在的问题 在连续扫描时，扫描回程时出现基线 在触发扫描时，有很长等待时间，此时VX=VY =0，有一个光点集中于原点 解决的办法 加强扫描正程时的亮度增辉 减弱扫描回程的亮度消隐,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,32,增辉,消隐,对于触发扫描 扫描正程增辉，可增加图形的亮度 扫描回程及无信号时消隐，可避免无信号时中心亮点毁坏屏幕。,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,33,(5) 延迟,如果要想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。 因为当被观察的信号达到触发电平时，扫描发

17、生器才工作，因此扫描的开始时间总是滞后于被观测信号一段时间，所以上升沿或下降沿无法完整显示。 因此需将加到Y偏转板上的信号延迟一段时间通过增加延迟环节实现。,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,34,2、两个变量之间关系的图形显示XY图示,将两个信号分别加在X、Y两个偏转板上，即可显示它们之间的关系 李沙育图形 示波功能的扩展应用 晶体管图示仪 频谱分析仪,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,35,李沙育图形,示波器两个偏转板上都加正弦电压，此时显示的图形称为李沙育（Lissajous）图形 常用于两个信号之间幅值比、相位差、频率比的测量,2019/6/

18、10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,36,用李沙育图形法测量相位差,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,37,三、通用示波器原理及使用,本节主要内容 垂直通道的工作原理 水平通道的工作原理 多波形显示的原理：双踪示波器、双扫描示波器 示波器的主要技术指标 示波器基本测量技术,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,38,示波器的总体构成,Y前置 放大器,Y输入,外触发输入,延迟线,衰减器,Y输出 放大器,触发 电路,扫描 发生器,X输出 放大器,X输入,标准信号 发生器,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,39,（一）垂直通道 ve

19、rtical channel,组成 衰减器、前置放大、延迟线、（差分）输出放大器,Y前置 放大器,Y输入,延迟线,衰减器,Y输出 放大器,Y偏转,作用 根据需要调节输入信号的幅值，以调整示波器的垂直偏转灵敏度Dy 为X通道的触发电路提供信号,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,40,1. 衰减器,作用 扩大可观察信号的幅度范围 保证显示在荧光屏上的信号不致因过大而失真 构成 通常由RC分压网络组成；,改变分压比，即可改变示波器的垂直偏转灵敏度灵敏度粗调开关（V/cm）,当R1C1= R2C2时，分压比与频率无关。,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,41

20、,2. 前置放大器,作用： 提高输入阻抗 改善频率响应特性 提高并稳定增益 构成： 有5和1两档 精密测量时，用1档，且示波器灵敏度微调旋钮置于“校正位置”,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,42,3. 输出放大器,作用 提高输出的偏转电压的幅值 使加在偏转板上的电压能够对称 通过电位器调节波形的垂直位置Y轴位移调节旋钮 结构 采用差分放大器，有利于提高共摸抑制比。,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,43,4. 延迟线,作用： 使Y通道输出的信号滞后于X通道的扫描输出一定时间 目的：便于观察信号的前沿部分 构成： 螺旋平衡式延迟电缆、LC延迟网络、模

21、拟移位寄存器 数字移位寄存器 要求：信号不能失真,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,44,(二）水平通道horizontal channel,X通道的主要功能产生扫描信号(锯齿波),2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,45,1. 扫描发生器环的构成,对于扫描信号的要求 波形线性好若线性不好，信号观测将产生失真 下降快下降不够快时，回扫线突出,扫描门,积分器,比较和释抑 电路,至增辉,至X放大器,E,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,46,（1）扫描门时基闸门,作用：产生与被测信号同步的门控信号，以控制积分器的工作 要求：触发扫描时

22、，由触发信号控制，产生门控信号连续扫描时，“自动”产生门控信号 构成：施密特触发器射极耦合双稳态触发电路,电压vb1由三个方面的信号控制1. 触发电路触发脉冲2. 稳定度提供直流电位3. 释抑电路释抑信号,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,47,（1）扫描门（续）,E1,t,t,0,uo,E2,vb1,T1截至、T2导通 T1导通、T2截至 T1截至、T2导通,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,48,（1）扫描门（续）,当E0高于E1时，扫描门不受触发信号控制，示波器将处于连续扫描状态 当E0低于E2时， 扫描门始终关闭，积分器不工作，无扫描信号产生

23、。用于X通道接入外部信号的情况,思考题：当调节稳定度旋钮，使vb1的初始电压E0高于E1，或使E0低于E2，会出现什么情况？,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,49,（2）积分器,作用：产生线性度很好的锯齿波 构成：米勒积分器,扫描速度由R、C、E决定 扫描速度粗调改变 R 或 C 扫描速度微调改变 E,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,50,（2）积分器（续）,扫描速度的概念把锯齿波送入X放大器后，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。示波器扫描速度S定义为荧光屏上单位长度所代表的时间，即S=t / x （t

24、/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,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,51,（3）比较和释抑电路,作用： 判断积分器输出电压值，以控制和关闭扫描门 使积分器复位，即回扫过程 要求： 在触发模式下，只要开始了扫描过程，触发输入端的状态就不会改变扫描的过程“抑” 当且仅当扫描过程结束后，触发信号才能起作用“释” 在连续扫描模式下，控制积分器的复位过程,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,52,（3）比较和释抑电路（续）,电路结构 工作过程分析,（略，参见P8182）,E0,E1,E2,t,t1,t1,t2,t4,t5,E1,E0

25、,E2,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,53,2. 水平放大器,作用：将信号进行适当放大，以调整光点在X方向的位置 特点：有两个输入信号作为选择 “内”：信号是来自扫描环节的锯齿波，决定了光点移动的速度扫描速度 “外”：信号由外部输入，启用XY图示仪功能 可以通过调节直流偏置电平，调节水平方向的位移X位移调节旋钮,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,54,3. 触发电路,作用：产生扫描门所需的、周期与被测信号相关的触发脉冲 组成：方式开关、电平旋钮、极性开关,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,55,触发电路（续）触发源选择,内触

26、发INT：将Y前置放大器输出作为触发信号，适用于观测被测信号的时间信息 有些双通道示波器的内触发只能选择B(CH2)通道 有些双通道示波器的内触发可选择CH1和CH2 外触发EXT：用外接信号作为触发源，该信号与被测信号一般一定的时间关系，用此功能可比较该信号与被测信号之间的的时间关系 电源触发LINE：用工频正弦信号（50Hz）作为触发源，适用于观测与工频交流有一定时间关系的信号,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,56,触发电路（续）,触发耦合方式选择（一般的示波器没有此选择功能） 直流耦合DC：用于接入直流或缓慢变化的触发信号 交流耦合AC：用于观察从低频到较高频率的

27、信号 AC低频抑制耦合：用于抑制低频（5MHz) 触发极性选择SLOPE“+” 触发点位于触发源信号的上升沿“-” 触发点位于触发源信号的下降沿 触发电平调节设定产生触发脉冲的电压条件,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,57,几个触发的例子,a、正极性，触发电平1.0V,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,58,几个触发的例子（续）,b、负极性，触发电平1.0V,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,59,几个触发的例子（续）,c、正极性，电平-1.4V,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,60,几个触发的例子（续

28、）,d、负极性，电平-1.4V,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,61,触发电路（续）触发方式选择,常态触发方式NORM 只有满足“触发极性”和“触发电平”设定条件的触发源信号出现时，才会产生一次触发，屏上才出现一次扫描线。多次满足触发条件，会产生多次触发。 自动触发方式AUTO 不满足触发条件时，自动产生扫描线，满足触发条件时，按照NORM模式工作。 适用于直流或电压等级很低的信号的测量 电视触发方式TV 将触发信号对CRT的行、场扫描信号进行控制，用于监测电视信号或维修电视设备。,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,62,（三）示波器的多波形显示,

29、多线示波器多束示波器 发射多个相互独立的电子束，经过各自的辉度、聚焦，以及XY位移、灵敏度调节环节，显示出图形。 多枪多束或单枪多束其中以双线示波器为主缺点：工艺要求较高，价格较贵非主流产品 多踪示波器 其组成与普通示波器类似，只是增加了一个电子开关，以分时显示多个垂直通道的波形，各通道的Y位移、灵敏度可以独立调节，共用X位移、灵敏度调节。 双踪示波器最为常见,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,63,双踪示波器Y通道方框图,图中，两个电位器为垂直偏置电位器，用于控制两个通道的垂直位移，以便两个通道的波形分开,A门,电子开关,B门,垂直位移,垂直位移,A通道输入,B通道输入

30、,至垂直偏转板,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,64,双踪示波器的扫描方式 时间分割方式,交替扫描ALT非实时；开关转换速度较低；测量低频信号时，会有闪动现象。,断续扫描CHOP开关转换速度高；无两个波形的闪动现象；中间要消隐，否则有雾状。,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,65,双踪示波器的特殊功能,两个通道的显示方式 独立显示CH1，CH2或CH2（INV CH2）INV CH2 同时显示CH1、CH2或CH2（INV CH2）ALT/CHOP 显示CH1+CH2，或 CH1CH2 ADD 显示X-Y图形：X= CH1，Y= CH2 TIM-D

31、IV的XY档 触发源：LINE、EXT、CH1、CH2需合理选择 注意 使用双踪示波器时，切记探头共地问题，否则会发生短路 合理选用交替、断续扫描方式,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,66,双扫描示波器,功能在观察一个波形的同时，可以仔细观察其中一个或部分脉冲局部的细节 原理有两个独立的触发和扫描电路，扫速时间可相差很多倍,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,67,双扫描示波器的原理框图,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,68,双扫描示波器的相关波形,被测信号,A 触发,A扫描,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程

32、学院,69,（四）示波器的主要技术指标,1频带宽度BW和上升时间trBW一般指Y通道的频带宽度，表示仪器的响应降低 3dB时的上限频率。tr是一个与BW相关的参数，反映了由于示波器Y通道的频带宽度限制对输入信号快速变化的跟随能力的影响。BW与tr的关系可近似表示为,例如，20MHz的示波器，上升时间为17.5ns,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,70,1频带宽度BW和上升时间tr（续）,结论: 对于给定的被测信号，示波器的上升时间越短（示波器的带宽越宽），测量误差越小。,上升时间比值（示波器/信号） 测量误差1/1 41%1/3 5.2%1/5 2%1/10 0.5%,

33、2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,71,2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“div/s”。 扫描速度的倒数称为“时基因数”，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。 通用示波器的时基因数范围为1us/cm10s/cm 其最小值越小，示波器显示高频信号的 能力越强,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,72,3偏转因数,偏转因数指在输

34、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 偏转因数表示了示波器Y通道的放大/衰减能力，偏转因数的单位为V/cm、mV/cm（或V/div、mV/div）。 偏转因数的倒数称为“（偏转）灵敏度”，体现了示波器测量强弱信号的能力，单位为cm/V、cm/mV（或div/V、div/mV） 其最小值越小，示波器的灵敏度越高,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,73,4输入阻抗,表示当被测信号接入示波器时的等效负载大小 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

35、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。,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,74,（五）示波器选用时需要考虑的因素,主要技术指标 测量准确度 通道数 采样速率,数据处理方式 数据处理能力计算、显示、存档、通讯 使用方便程度 性能价格比,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,75,（六）示波器基本测量技术,1. 示波器的正确操作方法 熟悉所用示波器的性能仔细阅读使用说明书 检查电源：是否匹配、是否接通 预热 旋钮初始位置要设置适当 扫描时间、Y增益、X水平位移、Y水平位移、辉度 触发模式：建

36、议先设定“Line”、 “AUTO” 耦合方式：先放在“AC”档 找到0V基准线，调整Y位移，选择合适的位置 接入信号注意是否超出允许范围 调整旋钮，进行测量,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,76,1. 示波器的正确操作方法,根据测量需求调整信号的耦合方式：AC、DC GND 调整Y增益，使信号占屏幕垂直方向80的区域（单通道时） 选择合适的触发模式：触发源、极性、电平 调整扫描速度，对于周期性信号，一般显示12个周期 将Y增益旋钮、X扫描速度置于“校正”位置 测量信号的值,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,77,2. 电压测量,直接测量法 由波形

37、在垂直方向的格数，以及单位长度的电压（Y偏转灵敏度）换算出被测电压。最常用的方法 比较法适用于内部配有标准信号的示波器 当被测信号的波形调整恰当后，选择一个标准信号，使其与被测信号的高度相近，通过计算两个信号的高度之间的比值，换算出被测信号的大小。 光标直读法通过按键移动示波器屏幕上的水平光标，示波器直接显示出光标当前位置的电压值（相对于设定的起始点） 自动参数测量法适用于数字示波器,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,78,3. 时间测量,直接法 测量信号在X方向两点之间的格数，根据扫描速度旋钮的指示值，换算出这两点之间的时间常用方法 时标法适用于特定的示波器 示波器可按

38、照给定的时间间隔，在被测信号的波形上打出亮点，由两点之间的亮点数目换算出时间。 光标法通过按键移动示波器屏幕上的垂直光标，示波器直接显示出光标当前位置的时间值（相对于设定的起始点） 自动参数测量法适用于数字示波器,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,79,4. 相位测量,线性扫描法测量两个信号过零点之间的距离x1，以及同一信号的两个过零点之间的距离x，它们的比值就是相位差。,要点 设定好触发源、极性、电平 尽量提高Y增益，使过零点明显 两个信号的电压0点要对齐,思考：如何用单踪示波器测量两个信号之间的相位差？三个信号呢？,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学

39、院,80,4. 相位测量（续）李沙育图形法,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,81,5. 探头的使用,使用探头的目的 提高示波器的输入阻抗，减小输入电容 种类 低电容探头最常用 专用探头：高压探头（1000:1）、电气隔离探头,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,82,5. 探头的使用（续）,可以证明，当R1(C1+C2) Ri Ci 时，输入信号衰减系数（分压比）与频率无关，且分压比为Ri /(R1+Ri) 分压比通常有两种取值，分别为1:1和1:10，通过探头上的一个开关选择 探头一般与示波器匹配的，随便更换将会增大误差,2019/6/10,电子测

40、量北京交通大学 电气工程学院,83,5. 探头的使用（续）校准,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调C1（ C1称为加速电容）。 将示波器输出的标准信号（0.5Vpp，1kHz）通过探头输入到示波器中。随着C1的调整变化，会出现以下不同的波形。,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,84,6. 示波器的使用注意事项,探头配套使用并校准 测量时，确认微调旋钮处于“校正”位置 充分利用屏幕面积，减小测量误差 灵活运用“触发”功能，得到稳定、清晰的图象 注意输入电压的高低不要超限、注意衰减系数 注意保护屏幕光点、屏幕 注意共地问题防止短路,2019/6/10

41、,电子测量北京交通大学 电气工程学院,85,思考题,如何用示波器测量一个含有交流和直流成分的信号，并将各种成分表示出来？,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,86,四、波形的采样、存储和记忆,本节主要内容 取样技术在示波测量中的应用 记忆示波器 数字存储示波器,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,87,（一）取样技术在示波测量中的应用,1取样的基本概念 取样：从被测波形上取得样点的过程 实时取样：所有取样点都来自于波形的同一部分（周期），测量时间与波形实际持续时间相等 非实时取样：从被测信号的许多相邻部分（周期）上抽取采样点，组成一个与原信号相同的部分（

42、周期），这种方法称为非实时取样，或称为等效取样 非实时取样只适用于周期性重复的信号 实时取样受到系统带宽的限制，非实时取样可以利用较低的采样速率，复现很高频率的信号,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,88,实时取样,非实时取样,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,89,取样示波器的基本原理,取样间隔：Ts=mT+t，T为信号周期， t 为增量时间 显示信号的合成水平扫描信号为阶梯波电压，阶梯持续时间为取样间隔；垂直信号为采样电压，维持一个阶梯的时间。屏幕上显示的是不连续的光点,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,90,取样示波器的基

43、本原理（续）,与普通示波器不同之处 水平通道需产生阶梯波形 垂直通道需要取样、保持电路,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,91,（二）波形模拟存储技术和记忆示波器,记忆示波管,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,荧光屏,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,92,记忆示波器工作原理,波形记录过程 清除存贮栅网上的电子 对存储栅网施加负电压（-10V) 写入枪发射电子束轰击存贮栅网 被轰击部位失去电子（0V），组成0V与-10V单元构成的图

44、象 写入枪停止发射，图象被存贮介质保存 波形读出与显示过程 读出枪向屏幕方向无规则全面喷射(泛射)电子 电子穿越被写入枪扫描过的0V区域 荧光屏上显示出写入枪“描述”的波形,两种电子枪 写入枪 读出枪,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,93,（三）数字存储示波器DSO,1. 组成原理,Digital Storage Ocilloscope,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,94,2. 工作模式和工作过程,实时工作模式 工作原理和过程与普通模拟示波器大体相同 增加了单次触发、预置触发模式，CPU可直接控制触发过程 信号可同时经A/D采样，由CPU计算、

45、分析，显示测量结果 存储显示模式 由按键触发，存储正在显示的波形 显示已存储的波形 有的示波器可将存储的波形与实时波形同时显示 有的示波器具备与双扫描示波器相似的功能,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,95,3. 数字存储示波器的特点,可长期存储测量波形 具备很强的触发功能、数据处理和显示能力 测量准确度很高 便于捕捉和观察缓变、突发、非重复的信号 信号通道数目可以较多 由于具有CPU，功能容易升级、扩展 由逻辑、时序电路控制采样过程，采样方式多样、频带宽度大 具有多种数字接口模块可供选择,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,96,4.数字存储示波器的

46、主要部件及关键技术,（1）高速A/D转换器 并行比较式ADC速度最快（可达几百MHz） 并串式ADC 所需比较器少，由28-1变为2(241)，工艺较简单、价格较低 速度较低,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,97,4.数字存储示波器的主要部件及关键技术（续）,（2）存储器 需要的容量较大 要求高速度，采用多路分时存储技术降低速度要求 （3）控制系统 CPU大量采用专用或定制的DSP，有些甚至采用多DSP 大量采用CPLD、FPGA等高速逻辑和时序电路,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,98,4.数字存储示波器的主要部件及关键技术（续）,（4）高速采

47、样技术 研制更高速度的A/D转换器 在现有高速A/D的基础上，采用改进的采样方案 CCDA/D方案对被测信号进行非实时取样后借助CCD进行信号的模拟存储，再将CCD中存储的信号读出并进行A/D转换，其结果存入RAM。,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,99,4.数字存储示波器的主要部件及关键技术（续）,（4）高速采样技术（续） 扫描交换管和A/D相结合将高速信号存储在扫描交换管的靶面上，然后通过电子扫描靶面以图像信号输出的形式取出存储信号，并经A/D转换将数字化结果存入存储器。 等效取样和A/D相结合采用等效取样的方法将高速信号变为低速信号，对此低速信号进行采集、存储就可能完成测量任务。,2019/6/10,电子测量北京交通大学 电气工程学院,100,4.数字存储示波器的主要部件及关键技术（续）,（4）高速采样技术（续） 多路A/D组合采样技术 对于多通道独立A/D采样的示波器，可以将多个通道的A/D转换器对同一个信号实施分时采样，组合出采样点更多的波形，提高等效采样速度。,