电子测量示波器.pptx
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1、 4.1 4.1 概述概述 4.2 CRT4.2 CRT显示原理显示原理 4.3 4.3 通用示波器通用示波器 4.4 4.4 取样示波器取样示波器 4.5 4.5 数字示波器数字示波器第1页/共143页从本章开始将介绍几种从本章开始将介绍几种图示式仪器图示式仪器,从三个方面去进行研究,即,从三个方面去进行研究,即时域时域反映的幅度反映的幅度U U与时间与时间T T的关系的关系( (如如示波器示波器) )、频域反映的幅度、频域反映的幅度U U与频率与频率F F的关系的关系( (如频谱仪如频谱仪) )及调制域。及调制域。T T图图 调频波频谱图调频波频谱图F FU U调制域调制域频域频域时域时域
2、第2页/共143页4.1 4.1 概述概述 示波器的特点和用途示波器的特点和用途 它是一种用荧光屏显示电量随时间变化过程它是一种用荧光屏显示电量随时间变化过程的电子测量仪器。的电子测量仪器。 它能把人的肉眼它能把人的肉眼无法直接观察的电信号无法直接观察的电信号,转换转换成人眼能够成人眼能够看到的波形看到的波形,具体显示在示波屏,具体显示在示波屏幕上。幕上。第3页/共143页电子示波器的基本特点是: 能显示信号波形,可测量瞬时值,具有直观性。 输入阻抗高,对被测信号影响小。 工作频带宽,速度快,便于观察高速变化的波形的细节。 在示波器的荧光屏上可描绘出任意两个电压或电流量的函数关系,故可作为比较
3、信号用的高速XY记录仪。第4页/共143页 电子示波器除直接用于电量测试外,电子示波器除直接用于电量测试外,也可配以其他设备组成综合测量仪器。也可配以其他设备组成综合测量仪器。 电子示波器的电子示波器的主要用途是主要用途是: 观测电信号波形。观测电信号波形。 测量电压电流的幅度、频率、时间、测量电压电流的幅度、频率、时间、相位等电量参数。相位等电量参数。 显示电子网络的频率特性。显示电子网络的频率特性。 显示电子器件的伏安特性。显示电子器件的伏安特性。第5页/共143页 示波器的分类示波器的分类当前常用的示波器从技术原理上可分为:当前常用的示波器从技术原理上可分为: (1 1)模拟式模拟式通用
4、示波器通用示波器(采用单束示波管实现显示,当前(采用单束示波管实现显示,当前 最通用的示波器)。最通用的示波器)。 (2 2)数字式数字式数字存储示波器数字存储示波器(采用(采用A/DA/D、DSPDSP等技术实现等技术实现的数字化示波器)。的数字化示波器)。(1 1)中、低档示波器,带宽在中、低档示波器,带宽在60MHz60MHz以下以下。 (2 2)高档示波器,带宽在高档示波器,带宽在60MHz60MHz以上,大多在以上,大多在300MHz300MHz以下。以下。 更高档的有更高档的有1GHz1GHz2GHz2GHz以上。以上。 从性能上,按示波器的带宽可分为:从性能上,按示波器的带宽可分
5、为: 第6页/共143页1 1 模拟示波器模拟示波器 模拟示波器可分为通用示波器、多束示波模拟示波器可分为通用示波器、多束示波器、取样示波器、记忆示波器等。器、取样示波器、记忆示波器等。 通用示波器采用单束示波管,又可分为单踪、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。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。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取样示波器可以用较低频率的示波器测量高频信号。频信号。第7页/共143页2 2 数字示波器 数字示波器将输
6、入信号数字化(时域取样和幅度量化)后,数字示波器将输入信号数字化(时域取样和幅度量化)后,经由经由D/AD/A转换器再重建波形。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,又称为数字示波器具有记忆、存贮被观察信号功能,又称为数字存数字存贮示波器贮示波器。 根据取样方式不同,数字示波器又可分为根据取样方式不同,数字示波器又可分为实时取样、随机取实时取样、随机取样和顺序取样样和顺序取样三大类。三大类。 第8页/共143页 示波器的组成示波器的组成 Y Y(垂直)通道(垂直)通道:引入被测信号。:引入被测信号。X X(水平)通道(水平)通道:主要产生与被测信号相适应的扫描锯齿波。:主
7、要产生与被测信号相适应的扫描锯齿波。显示屏显示屏:主要由阴极射线管组成,:主要由阴极射线管组成,常以常以CRT (Cathode Ray Tube)CRT (Cathode Ray Tube)表示,通常称为示波管。另外,表示,通常称为示波管。另外,液晶显示屏(液晶显示屏(LCDLCD)已经应用于)已经应用于示波器了。示波器了。 Y (Y (垂直垂直) )通通 道道X (X (水平水平) )通通 道道电源电源图图 示波器的基本组成示波器的基本组成显示屏显示屏第9页/共143页4.2 CRT4.2 CRT显示原理 CRT主要由电子枪、偏转系统和荧光屏电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成,基本结构如下
8、图所示。 FKG1G2A1A2Y偏转板X偏转板辉度聚焦辅助聚焦+E-E荧光屏电子枪偏转系统荧光屏第10页/共143页示波管属于电真空器件,又称为示波管属于电真空器件,又称为阴极射线管(阴极射线管(CRTCRT)。KG1G2A1A2Y2X2F6.3V-1KV0VX1亮度Ug1聚焦UA1辅助聚焦后加速极A315KV电子枪偏转系统荧光屏Y1真空玻璃管图 阴极射线示波管Z Z轴轴第11页/共143页电子枪的作用是电子枪的作用是发射电子并形成强度可控制的很细的电子束。发射电子并形成强度可控制的很细的电子束。1.1.灯丝灯丝FF在交流低压在交流低压( (如如6.3V)6.3V)下使钨丝烧热下使钨丝烧热,
9、,用于加热阴极。用于加热阴极。2.2.阴极阴极KK是一个表面涂有氧化钡(其逸出功小,内部自由电子容易逸出)是一个表面涂有氧化钡(其逸出功小,内部自由电子容易逸出)的金属的金属 3.3.第一栅极第一栅极G1G1调节调节G1G1的电位可以调节示波器的亮度,常置于示波器的电位可以调节示波器的亮度,常置于示波器面板上供使用。面板上供使用。 当控制信号加于当控制信号加于G1G1,其,其亮度亮度可随之改变,则可以传递信息,称为示波器的可随之改变,则可以传递信息,称为示波器的Z Z轴轴电路。电路。4.4.第二栅极第二栅极G2G2隔离开隔离开G1G1和和A1A1,以减小亮度调节与聚焦调节的相互影响。,以减小亮
10、度调节与聚焦调节的相互影响。5.5.第一阳极第一阳极A1A1与第二阳极与第二阳极A2A2构成一个电子透镜,对电子束起构成一个电子透镜,对电子束起聚焦聚焦作用。作用。 6.6.第二阳极第二阳极A2A2是个更大的同轴圆筒,其上电压较高,它主要与是个更大的同轴圆筒,其上电压较高,它主要与A1A1构成构成电子透镜。电子透镜。 7.7.第三阳极第三阳极A3A3具有上万伏的高压,用于对电子束加速,故也称具有上万伏的高压,用于对电子束加速,故也称后加速后加速阳极。阳极。 第12页/共143页 2 2 偏转系统偏转系统1 1静电偏转静电偏转-光点法光点法-用于示波用于示波器器2.2.磁偏转磁偏转-光栅法光栅法
11、-用于电视机、计算机显示器及示波器。用于电视机、计算机显示器及示波器。2yyyaLsyUh UbU图图 电子束的偏转电子束的偏转L LS SY YU Uy yU Ua a屏幕屏幕电子束电子束A A2 22yyyaLsyUh UbU比例系数称为示波管的偏转比例系数称为示波管的偏转因数,单位为因数,单位为cm/Vcm/V,它的倒,它的倒数数D Dy y1 1h hy y称为示波管的偏称为示波管的偏转灵敏度,单位为转灵敏度,单位为V/cmV/cm。偏。偏转灵敏度是示波管的重要参转灵敏度是示波管的重要参数数。第13页/共143页 示波管的偏转系统由两对相互垂直的平行示波管的偏转系统由两对相互垂直的平行
12、金属板组成,分别称为金属板组成,分别称为垂直偏转板和水平偏转垂直偏转板和水平偏转板板 。 当有外加电压作用时,偏转板之间形成电当有外加电压作用时,偏转板之间形成电场,场,电子束打向由电子束打向由X X、Y Y偏转板共同决定的荧光偏转板共同决定的荧光屏上的某个坐标位置。屏上的某个坐标位置。第14页/共143页3 3 荧光屏荧光屏 当电子束停止轰击荧光屏时,光点仍能保当电子束停止轰击荧光屏时,光点仍能保持一定的时间,这种现象称为持一定的时间,这种现象称为“余辉效应余辉效应”。 在示波管正面内壁涂上一层荧光物质,在示波管正面内壁涂上一层荧光物质,荧光物质将高速电子的轰击动能转荧光物质将高速电子的轰击
13、动能转变为光能,产生亮点。变为光能,产生亮点。 第15页/共143页余辉时间:余辉时间:当电子束从荧光屏上移去后,光点仍能在屏上保持当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。从电子束移去到光点亮度下降为原始值一定的时间才消失。从电子束移去到光点亮度下降为原始值的的1010,所延续的时间称为余辉时间,所延续的时间称为余辉时间 小于小于10s10s的为极短余辉;的为极短余辉; 不同荧光材料余辉时间不一样:不同荧光材料余辉时间不一样:10s10s1ms1ms为短余辉(通常是为短余辉(通常是蓝色蓝色,便于摄影感光);,便于摄影感光);1ms1ms0.1s0.1s为中余辉(通常为为中
14、余辉(通常为绿色绿色,眼睛不易疲劳);,眼睛不易疲劳); 0.1s0.1s1s1s为长余辉(通常是为长余辉(通常是黄色黄色););第16页/共143页 注意:在使用示波器时,应避免电子束长时间的停留在荧光屏注意: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。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因此在示波器开启后不使用的时间内,可将用的时间内,可将“辉度辉度”调暗。调暗。第17页/共143页波形显示的基本原理 1 1显示随时间变化的图形显示随时间变化的图形(1 1)UxUx、UyUy为固定电压时,有下面四种情况:为固定电压时,有下面四种情况:
15、(a) Ux=0、Uy=0 (b) Ux=0、Uy=常量 第18页/共143页(c) Ux=常量、Uy=0 (d) Ux=常量、Uy=常量第19页/共143页(2 2)X X、Y Y偏转板上分别加变化电压,有下面两偏转板上分别加变化电压,有下面两种情况:种情况:Uy0123401324Uy-Uyt 第20页/共143页Ux0123401324Ux-Uxt第21页/共143页(3 3)Y Y偏转板加偏转板加正弦波信号电压,正弦波信号电压,X X偏转板加锯齿波偏转板加锯齿波电压电压Uy0123401324Uy-Uyt0UxtUx-Ux第22页/共143页2 2显示任意两个变量之间的关系显示任意两个
16、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(为李沙育(LissajousLissajous)图形,)图形,这种图形在相位和频这种图形在相位和频率测量中常会用到。率测量中常会用到。 t0123401234uytux01234。 第23页/共143页t0123401234uytux01234024。第24页/共143页3 3扫描的概念扫描的概念 光点在锯齿波作用下扫动的过程称为光点在锯齿波作用下扫动的过程称为“扫描扫描”。 第25页/共143页4 4同步的概念同步的概念 (1 1)Tx=nTy(nTx=nTy(n为正整数为正整数
17、) ):荧光屏上将稳定显示:荧光屏上将稳定显示n n个周期的被测信号波形。个周期的被测信号波形。 uyTyTxuxtt 第26页/共143页(2 2)T Tx xnTnTy y(n(n为正整数为正整数) ),即不满足同步关系时,显示的波形不稳定。,即不满足同步关系时,显示的波形不稳定。 第27页/共143页5 5连续扫描和触发扫描连续扫描和触发扫描 扫描电压是连续的方式称为连续扫描。 当欲观测脉冲信号,尤其是占空比很小的脉冲时,采用连续扫描存在一些问题:选择扫描周期等于脉冲重复周期时,难以看清脉冲波形的细节。 TsT=Tstt(a)被测脉冲(b)连续扫描,且T=Ts不能观测到脉冲细节第28页/
18、共143页选择扫描周期等于脉冲底宽时,观测者不易观察波形,而且扫描的同步很难实现。 Tstt(a)被测脉冲(c)连续扫描,且T=T=脉冲得到展宽,但波形显示暗,而时基线太亮第29页/共143页触发扫描,使扫描脉冲只在被测脉冲到来时才扫描一次;没有被测脉冲时,扫描发生器处于等待工作状态。第30页/共143页6 6扫描过程的增辉扫描过程的增辉 为了使回扫产生的为了使回扫产生的波形不在荧光屏上显示,波形不在荧光屏上显示,可以设法在扫描正程可以设法在扫描正程期间,给示波器增辉。期间,给示波器增辉。 t015234678012345678uytuxTyTx=2Ty第31页/共143页 示波器的基本组成;
19、示波器的基本组成; CRT CRT 的组成;的组成; CRTCRT的显示原理;的显示原理; 示波器的垂直(示波器的垂直(Y Y)通道;)通道;第32页/共143页4.3 4.3 通用示波器 通用示波器的组成通用示波器的组成 Y输 入电 路Y前 置放 大 器触 发 电 路延 迟 线Y后 置放 大 器水 平放 大 器扫 描发 生 器Y输 入外 触 发内外至 X偏 转 板至 Y偏 转 板校 准 信 号发 生 器低 压 电 源高 压 电 源电 源至 各 电 路正 高 压负 高 压X输 入校 准 信 号输 出第33页/共143页 示波器的示波器的Y(Y(垂直垂直) )通道通道 示波器的示波器的Y Y通道
20、的任务通道的任务是将被观测的信号尽量不失真地是将被观测的信号尽量不失真地加到示波管加到示波管Y Y偏转板上。偏转板上。 1.1.探头(探极)探头(探极)作用作用提高输入阻抗作用提高输入阻抗作用减小外界干扰减小外界干扰提高可测测电压幅度提高可测测电压幅度分类分类无源电压探头无源电压探头有源电压探头有源电压探头有源电流探头有源电流探头注意:注意:探头不能张冠李戴,必须配对使用探头不能张冠李戴,必须配对使用。否则。否则300MHz300MHz带带宽的示波器可能不到宽的示波器可能不到50MHz50MHz的效果。的效果。 高频示波器高频示波器第34页/共143页1)1)无源电压探头无源电压探头20pF2
21、0pF示波器示波器180pF180pF探头探头图图 通用示波器探极原理图通用示波器探极原理图输入电阻:输入电阻:1M10M1M10M输入电容:输入电容:180pF18pF180pF18pF展宽了频带展宽了频带分压比:分压比:10101 1扩展示波器的量程上限扩展示波器的量程上限第35页/共143页附加一个附加一个RLCRLC阻抗匹配网络,把工作频率上限提高到了阻抗匹配网络,把工作频率上限提高到了300300MHzMHz以上。以上。 图图 带有阻抗匹配时的无源探头带有阻抗匹配时的无源探头图图 源极跟随器式探头的基本电路源极跟随器式探头的基本电路第36页/共143页(1 1)输入耦合方式)输入耦合
22、方式 输入耦合方式设有输入耦合方式设有ACAC、GNDGND、DCDC三档选择开关。三档选择开关。观察交流信号时,置观察交流信号时,置“AC”AC”档。档。确定零电压时,置确定零电压时,置“GND”GND”档。档。观测频率很低的信号或带有直流分量的交流信号观测频率很低的信号或带有直流分量的交流信号 时,置时,置“DC”DC”档。档。 第37页/共143页c cACACDCDC50 50 1M1M 1M1M 地地20p20p730pf730pf. .第38页/共143页(2 2)输入衰减器)输入衰减器 图图 输入衰减器原理示意图输入衰减器原理示意图u ui iu uo oC C1 1C C2 2
23、R R1 1R R2 2对于直流或低频情况:对于直流或低频情况: 212oiuRuRR对于高频情况对于高频情况 212oiuZuZZ第39页/共143页当满足当满足 R R1 1C C1 1= =R R2 2C C2 2 能在很宽频率范围得到能在很宽频率范围得到最佳补偿最佳补偿,使信号不失真。,使信号不失真。 R R1 1C C1 1=R=R2 2C C2 2R R1 1C C1 1RR2 2C C2 2R R1 1C C1 1R1500MHz 1500MHz周期重复信号难以实现周期重复信号难以实现取样取样 2. 2. 单次、非周期信号单次、非周期信号难以观测(拍照)难以观测(拍照)存储存储
24、B BWW再提高受到下列因素的限制:再提高受到下列因素的限制:(1 1)受到示波管的上限工作频率的限制。)受到示波管的上限工作频率的限制。(2 2)受)受Y Y通道放大器带宽的限制;通道放大器带宽的限制;(3) (3) 受时基电路扫描速度的限制。受时基电路扫描速度的限制。 第92页/共143页4.5 4.5 取样示波器的基本原理取样示波器的基本原理 一取样的基本概念一取样的基本概念取样就是从被测波形上取得样点的过程取样就是从被测波形上取得样点的过程, ,以少量以少量间间 断的样点表征一个连续的完整的波形。断的样点表征一个连续的完整的波形。取样分为取样分为实时取样实时取样和和非实时取样非实时取样
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