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1、第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理第第4 4章章时时 域域 测测 量量 仪仪 器器 与与 原原 理理4.1 4.1 概述概述 4.2 4.2 模拟示波器模拟示波器 示波器的多波形显示示波器的多波形显示4.4 4.4 数字存储示波器数字存储示波器4.5 4.5 取样示波器取样示波器补充补充:示波器的应用示波器的应用 1第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理第第4章章 时域测量仪器与原理时域测量仪器与原理学习参考学习参考：示波器主要用来观测信号波形、测量：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。电压、频率、时间等参数，是电子测量三大仪器之一。
2、本章主要介绍波形测试原理及示波器的组成原理与应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。原理、掌握它的应用。本章要点：本章要点：示波管组成及波形显示原理，示波器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。扫描过程、技术指标及应用。2第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理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
3、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。3第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理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，适用于测量高低频率信号后再显示，适用于测量高频、超高频信号频、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辑示波器示波器按其性能、结构分为:数字示波器4第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理4.2 模拟示波器模拟示波器1 基本组成 通用示波器主要由X通道（
4、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。5第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理探极输入电路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-
5、Y”X通道“扫描”S2S1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6第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理（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。7第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理 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，其结构如图所示。4.2.2 阴极射线示波管阴极射线示波管基本原理基本原理8第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理电子枪控制栅极G阴极K灯丝F偏转系统第一阳极A1第二阳极A2Y1Y2X1X2后
6、加速阳极A3荧光屏偏转板辅助聚焦聚焦辉度+RP1RP2RP3图4.2 阴极射线示波管结构示意图9第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理 1.电子枪电子枪 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A2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10第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理 2.2.偏转系统偏转系统 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
7、示波管的线性偏转特性。Y1Y2X1X2荧光屏偏转板11第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理EY12第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理3.荧光屏 荧光屏内壁涂有荧光物质（磷光质），外壁则是玻璃管壳。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（1ms2ms）和长余辉（大于2s，甚至可达几分钟或更长）等几种。13第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理4.2.3 4.2.3 波形显示原理波形显示原理1.1.波形显示波形显示当被测电压、扫描
8、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。14第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理几个概念: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
9、端迅速返回起扫点。Tt0图4.2 扫描电压uY1X1荧光屏15第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理图为扫描电压实际波形。ux(t)TbTSTwTx=TS+Tb+Twt0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。TSt0图4.2 扫描电压理想波形u16第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理几个概念: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
10、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，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。17第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理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18第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理图像显示原理：tyxyxtt=0TTn=Tt=T/4t=T/2t=3T/4扫描电压周期与被测信号周期相同。19第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理xyxtTn=2TtyT2
11、0第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理tyxyxtTTn21第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理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。22第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理2 2 主要技术指标主要技术指标1).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=fHfL现代
12、示波器的fL一般延伸至0Hz，因此频带宽度可用上限频率fH来表示。23第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理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 24第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理上升时间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
13、短，性能越好，可测信号的频率越高。Utt(d)tr25第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理 频带宽度BW与上升时间tr之间存在的关系如下：BWtr式中，BW（或（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trsignaltrScopeM/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。26第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理 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
14、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”。27第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理4).输入阻抗Zi 示波器输入阻抗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=（15%）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
15、入电容的影响。RC28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。30第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理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
16、.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,可用于显示频率不相关的信号.31第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理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
17、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”方式方式32第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理李沙育图形xyxtty33第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理示波器测元件的特性曲线34第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理4.3 示波器的多波形显示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。35第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原
18、理二 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。36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”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。38第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理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，
19、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39第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理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-pU=Up-p/2KP 补充补充:示波器的应用示波器的应用40第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理 例4
20、-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，Hp-p=8div，探极衰减比K=10：1，所以 Up-p=8div1V/div=8V输入正弦波时探极输出电压：U=Up-p/2Kp正弦波电压：U=输入三角波时探极输出电压：U=Up-p/2K三角波电压：U答：正弦波、三角波电压分别为、。41第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理（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
21、距离Hp-p，Hp-p的单位为“cm”或“div”，然后保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Hp-p，则有：42第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理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）之间的水平距离（设为L，单位为“cm”或“di
22、v”），则有t=DxL 式中，t为被测时间量，单位为“s”。43第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理例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：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=101。正弦波周期：T=DxL/K=5ms/div10div/10=5ms44第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理正弦波峰-峰值：Up-p=SH=2V/div8div=16V 正弦波电压：U
23、=KUp-p/2Kp=答：（略）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（李沙育图形法李沙育图形法）。45第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理 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：ABCu1(t)u2(t)图4.24 直线扫描法测量相位差46第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理 2.2.椭圆法椭圆法图中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：=ar
24、csin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。AyByAxBxO47第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理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，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？48第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理 解：解：利用多周期测量法，
25、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。AB被测信号周期为：被测信号频率为：f=1/T 答：（略）49第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理2.李沙育图形法李沙育图形法 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。50第 4章 时 域 测 量 仪 器
26、 与 原 理51第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理例4-4 如图所示的李沙育图形，已知X信号频率为6MHz，问Y信号的频率是多少？解：分别在李沙育图形上画出垂直线和水平线，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）52第 4章 时 域 测 量 仪 器 与 原 理 本章主要介绍了通用电子示波器的基本组成、工作原理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。及其应用。（1 1）阴极射线示波管由电子枪、偏转板和荧光屏三部分）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组成。电子示波
27、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，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。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 2）示波器主要由）示波器主要由X X、Y Y、Z Z通道及主机部分组成。选用示通道及主机部分组成。选用示波器要对其频带宽度波器要对其频带宽度BWBW、上升时间、上升时间trtr等技术指标进行综合考虑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、。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。时间、调制系数等物理量。53