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1、示波测量技术恢复二、二、阴极射线示波管（阴极射线示波管（CRTCRT）1.电子枪（1 1）电子在电场中的运动）电子在电场中的运动前者为电子穿越加速场前者为电子穿越加速场,U,U2 2UU1 1 电子向轴线收拢电子向轴线收拢后者为电子穿越减速场，后者为电子穿越减速场，U U2 2UU1 1.发散发散可证明可证明（2）静电式CRT中的电子枪U UG1G1UUUG1 G1:G:G1 1至至G G2 2电子束聚拢电子束聚拢U UA1A1UUUA1A1:A:A1 1至至A A2 2电子束聚拢电子束聚拢 调节调节U UA1A1可达到使电子束在荧光屏聚拢的目的可达到使电子束在荧光屏聚拢的目的,当然也可调当然
2、也可调U UA2A2(辅助聚焦辅助聚焦).).2.偏转系统 偏转系统由一对偏转系统由一对Y(Y(垂直垂直)偏转板和一对偏转板和一对X X(水平水平)偏转板偏转板(均为金属板均为金属板)组成组成.偏转板位于电子枪之后偏转板位于电子枪之后,板上加电压将影板上加电压将影响电子运动轨迹响电子运动轨迹(两对板上电位两两相等两对板上电位两两相等,电电子束打在荧光屏正中子束打在荧光屏正中).).以以Y Y偏转系统为例偏转系统为例:可以证明可以证明,在在U Uy y(偏转电压偏转电压)的的作用下电子在作用下电子在Y Y方向的偏转距离为方向的偏转距离为:由于由于l l、s s、b b、v va a为定值为定值,
3、故故上式还可写成上式还可写成:，h hy y为偏转因数为偏转因数(cm/V),(cm/V),其值越大越好其值越大越好 ，D DY Y为偏转灵敏度为偏转灵敏度(V/cm),(V/cm),其值越小越其值越小越好。示波管重要参数好。示波管重要参数 3.荧光屏 由磷光质材料制成由磷光质材料制成,受电子轰出后能产生辉光受电子轰出后能产生辉光,即电子动能变成光能及热能即电子动能变成光能及热能.利用余辉可以使人们看到一连续波形利用余辉可以使人们看到一连续波形长余辉长余辉:低频低频 0.1s-1s0.1s-1s中余辉中余辉:中频中频 1ms-0.1s1ms-0.1s短余辉短余辉:高频高频 10us-1ms10
4、us-1ms三、图像显示基本原理 1.显示随时间变化的图形（1）扫描的概念 在X(水平)偏转板上加上一个随时间做线性变化的锯齿波电压,也称扫描电压.波形显示原理:Y轴通常为输入信号 X轴此时为时间轴,若Y输入f(t)，屏幕上显示的是随时间变化的波形f(t).只加只加VY信号,显示一条垂线,如左图;只加VX信号,显示一条做匀速运动的直线,如右上图;同时加UX、UY,显示随t变化的波形,如右图:（2）信号与扫描电压的同步 当Tn=nTs时(n=1,2),称信号和扫描电压同步,此时可得到稳定、清晰的图像.其中Tn为扫描电压周期，Ts为被测信号周期。若不满足条件,则得不到所需波形或稳定的波形.下图为T
5、n=2Ts时的图像.由于由于Tn与与Ts为为两个无关信号两个无关信号,为了保证为了保证Tn=nTs,必须有必须有同步电路来迫同步电路来迫使使Tn=nTs.对于同步电路在后叙述.（3）连续（自激）扫描与触发扫描 连续扫描-扫描电压为连续的周期性锯齿波 特点:Uy=0时,屏幕也显示一条时基线 应用:观测连续信号波形 触发扫描-只有当触发脉冲到来时,锯齿波发生器才开始工作并进行扫描 特点:Uy=0时,屏幕无显示 应用:研究脉冲波过程参数,特别是/Ts很小的信号 现代示波器可选择任一种扫描方式工作现代示波器可选择任一种扫描方式工作,下图是连下图是连续扫描和触发扫描方式下对脉冲波形的观测续扫描和触发扫描
6、方式下对脉冲波形的观测:(b)(b)脉冲细节看不清脉冲细节看不清(c)(c)时基线太亮不易时基线太亮不易观察，难同步观察，难同步(d)(d)能较好的观测能较好的观测脉冲脉冲TsttttuyuxuxuxTnTn （4）扫描过程的增辉 实际的扫描电压是非理想的,扫描回程将产生回程线.克服方法:在扫描正程给示波器增辉,即正程才可显示,回程不显示.增辉方法:在扫描正程期间给示波管第一栅极G1加正脉冲或给阴极K加负脉冲.2.显示任意两个变量间关系若X偏转板不加扫描信号,将两变量信号分别加到Y,X偏转板,则可显示两变量间的关系.例:李沙育图形 下图为ux与Uy同频率和用示波器观察射随器跟随过程ui-uo图
7、.一、基本组成 通用示波器主要由示波管、垂直通道和水平通道三部分组成.此外还包括电源电路,它产生示波管和仪器电路中需要的多种电源.6.36.3通用示波器通用示波器二、示波器的垂直（Y）通道1.输入电路作用:衰减过大的输入信号,以免失真.通常由如右图示的一系列RC(脉冲)分压器组成衰减系数:K=V0/Vi=Z2/(Z1+Z2)Z1=R1(1/jC1)/(R1+1/jC1)=R1/(1+jC1R1)Z2=R2(1/jC2)/(R2+1/jC2)=R2/(1+jC2R2)若满足:C1R1=C2R2 为最佳补偿 则 K=V0/Vi=R2/(R1+R2)2.延迟线 分布参数式:螺旋平衡时延迟电缆 集中参
8、数式:LC延迟网络 作用:保证能显示脉冲前沿 原理:将输入信号延迟使其滞后于扫描开始时间下图a为无延迟线的情况,图b为加延迟线后的情况tTtd 3.Y放大器 Y通道的主放大器 功能：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.特点：具有稳定的增益,较高的输入阻抗,足够的频带,较小的谐波失真.结构：差分平衡放大器 三.示波器的水平（X）通道 组成：触发电路 扫描发生器环 X放大器 1.扫描发生器环（时基电路）产生符合一定标准的稳定的锯齿波电压,其组成如下图:（1）积分器功能：形成线性良好的锯齿波 当E,R,C一定,V0与t成正比 定义扫描速度
9、 Ss=t/x (t/cm)X-光迹在水平方向偏转的距离 t-偏转X所对应的时间 （2）扫描门功能:产生控制积分器开关S的门控信号要求:能与被测信号同步,完成连续、触发扫描组成:施密特触发电路 双稳触发器 触发扫描态触发扫描态:调调W(W(稳定度稳定度)使使V Vb1b1介于介于E E1 1,E,E2 2间间 有触发脉冲时有触发脉冲时V V0 0=1,=1,开始扫描开始扫描 无触发脉冲时无触发脉冲时V V0 0=0,=0,无扫描无扫描,显示一点显示一点连续扫描态连续扫描态:调调W W使使V Vb1 b1 EE1 1,无论有无触发均有无论有无触发均有V V0 0=1,=1,无信号时无信号时 显示
10、一直线显示一直线X X外加信号态外加信号态(不扫描不扫描):):调调W W使使Etb,thtb,可保证回扫结束后扫描门才可触发可保证回扫结束后扫描门才可触发t t2 2-t-t3 3 “抑抑”，触发脉冲不起作用，触发脉冲不起作用t t3 3以后以后,“,“释释”，可触发，可触发UpUp变化变化,使得使得t t2 2变变,最终导致最终导致U U0 0变变连续扫描状态的同步连续扫描状态的同步:调稳定度使调稳定度使U Ui i=E=E0 0 无论有无脉冲均可扫描无论有无脉冲均可扫描有脉冲有脉冲,t,t4 4开始二次扫描开始二次扫描(同步同步)无脉冲无脉冲,t,t5 5开始二次扫描开始二次扫描增辉脉冲
11、可从扫描门取出增辉脉冲可从扫描门取出(正正,负均可负均可)2.触发电路 产生与被测信号周期相关的触发脉冲。脉冲宽度与幅度均确定.触发源 .内触发(+,-):被测信号作触发源 最常用 .外触发(+,-):利用外界信号作触发信号,常用来 比较两信号的时间关系,触发信号 与被测信号有一定关系.电源触发(+,-):在观测与电源有关的信号时选择（耦合）方式选择 DC:用于接入直流或缓慢变化信号,一般用于外触 发或连续扫描方式 AC:C1起隔直作用.用于观察交流信号 低频抑制（LFREJ）:C1与C2串联后抑制约为2KHZ以下低频 部分 高频耦合（高频耦合（HFHF）:C:C1 1 和和C C3 3串联后
12、串联后,C,C C C1 1 较小较小,只允许通过较高频只允许通过较高频(一般一般5M5MHZ)信号信号 高频高频抑制（HFREJ）：触发极性 .正极性(正斜率):V1接触发信号,V2接电平电位器 .负极性(负斜率):V1接电平电位器,V2接触发信号触发电平 当U1=U2时,电路翻转,输出触发脉冲触发电平与触发极性配合可在波形任一点进行触发.6.46.4示波器的多波形显示示波器的多波形显示功用:比较电路各点波形的幅度、相位、时间关系、失真情况,观察一脉冲序列的某一部分.一、多线显示与多踪显示 1.多线显示 CRT可产生多个电子束(用多个电子枪或一个电子枪产生)有两套偏转系统,工艺制作困难价格较
13、贵.2.多踪显示 组成与普通示波器类似,区别在于Y通道加电子开关分离波形.双踪显示示意图:电子开关对电子开关对Y YA A,Y,YB B进行时间分割即可进行双踪进行时间分割即可进行双踪显示显示1.1.交替工作方式交替工作方式(ALT)(ALT)开关转换频率开关转换频率=扫描频率扫描频率 受扫描电路控制受扫描电路控制 Y YA A,Y,YB B轮流显示轮流显示条件条件:转换频率高于转换频率高于25HZ 25HZ 用于信号频率较高情况用于信号频率较高情况2.2.断续断续(CHOP)(CHOP)工作方式工作方式:电子开关工作于自激电子开关工作于自激状态状态 ,不受扫描电路控制不受扫描电路控制,频率一
14、般在频率一般在100-1000KHZ 100-1000KHZ 范围内范围内.显示波形为不连显示波形为不连续状续状 原理原理:两个通道信号用两个通道信号用同一个扫描电压展开同一个扫描电压展开,电电子开关高速将信号分成很子开关高速将信号分成很多小段轮流显示多小段轮流显示 适用较低频信号显示适用较低频信号显示二、双扫描示波显示 1.双扫描显示的用途 主要用于显示由不同幅度和形状组成的复杂的周期性波形序列中任意一个波形的变化过程.如图:若想观测3脉冲前沿,用单扫描示波器难以显示,无论触发电平放在何位置均不能在3处起扫2.双扫描电路的组成 X通道有两个时基电路,其可以是两个结构相同的独立部分,常用的是其
15、中一个为独立(称A扫描),另一个(B扫描)只有在A扫描工作后的某一时刻才开始扫描,二者扫速可以不同,一般也称延迟扫描 双扫描一般有三种工作方式:（1）A工作模式 只有A扫工作,B扫不工作,相当于单扫描示波器 （2）B加亮A工作模式 A扫展示信号全貌,B扫加亮信号中感兴趣部分其中B扫速可调(改变t1-t2时间)右图为双扫描的有关波形 （3）A延迟 B工作模式 如图,关掉A扫至X放大通路,将B扫接到X放大,则只显示被加宽部分或感兴趣部分.可利用延迟旋钮(W)来测量波形两点间距离.B扫速可增大,以便仔细观察波形 延迟方式有连续,触发两种 3.3.双踪双扫描显示双踪双扫描显示 此系统可此系统可 同时显
16、示四个波形同时显示四个波形.推而广之推而广之,可进行四通道八可进行四通道八踪踪,五通道十踪显示五通道十踪显示,只是电子开关较复杂只是电子开关较复杂.一、主要特性 工作特性是正确使用示波器的依据,据此可以了解示波器的适用范围.1.Y通道的频域与时域响应表征一个示波器所能观测的信号频率范围和观测脉冲信号的最小上升时间.（1）频域响应:给出Y通道频率带宽,一般给出上限 fh,如SBM-10,带宽为0-30MHZ 6.56.5通用示波器主要指标及使用通用示波器主要指标及使用 （2）时域响应:给出Y通道在脉冲信号作用下能够响应的最小上升时间tR如SBM-10,tR tR,一般为35倍，则示波器影响可忽略
17、不计否则按下式修正:-示波器显示的信号上升时间 2.Y通道偏转灵敏度 表征一个示波器观测信号的振幅范围,如SBM-10为50mv/cm-20V/cm 3.扫描速度 表示示波器展宽被测信号的能力。为读数方便一般用扫速的倒数时基因数来定量,如SBM-10 时基因数范围0.05us-0.5s/cm 上限:展宽高频信号及窄脉冲的能力 下限:观测慢信号的能力 4.示波器探头性能:1：1 10：1 有源 无源二.示波器的基本测量方法 1.电压测量 直接测量法直接测量法(常用常用)V VP-PP-P=D=DY Yh ,Yh ,Y偏转灵敏度偏转灵敏度V/cm,h-VV/cm,h-VP-PP-P高度高度 比较测
18、量法比较测量法 位移法位移法 2.时间测量 直接法直接法(常用常用):t):tx x=S=Ss sx x S Ss s-扫速扫速(时基因数时基因数)s/cm)s/cm或或ms/cm,X-ms/cm,X-被测时被测时 间对应的距离间对应的距离 时标法时标法 位移法位移法注：注：均为老式示波器用法均为老式示波器用法3.3.相位测量相位测量线性扫描法线性扫描法(需双踪示波器）需双踪示波器）李沙育图形法李沙育图形法:不易调稳定，已很少用。不易调稳定，已很少用。信号存储的必要性信号存储的必要性 有有时时为为了了进进行行研研究究不不得得不不重重复复产产生生被被测测信信号号，但但是是有有些些信号是不能重复产
19、生的。信号是不能重复产生的。还有一些周期很长的信号不能给人以连贯的感觉。还有一些周期很长的信号不能给人以连贯的感觉。一、一、信号的模拟存储信号的模拟存储 实实际际上上是是采采用用具具有有信信号号存存储储功功能能的的示示波波管管,取取代代通通用用示示波器的波器的CRT,CRT,发展到发展到500MHz500MHz后已基本上停止后已基本上停止存储机理存储机理:示波管采用了具有二次电子发射特性的介质材料。在这示波管采用了具有二次电子发射特性的介质材料。在这种示波管中，阴极发射的电子称为一次电了，由它轰击某种种示波管中，阴极发射的电子称为一次电了，由它轰击某种介质材料而产生二次电子，并且二次电子数多于
20、一次电子数。介质材料而产生二次电子，并且二次电子数多于一次电子数。因此，介质材料在产生二次电子的区域具有正电位，而且能因此，介质材料在产生二次电子的区域具有正电位，而且能保存很长时间。保存很长时间。6.6 存储示波器存储示波器二、二、信号的数字存储(数字存储示波器数字存储示波器)从发展过程看有两种主要形式从发展过程看有两种主要形式 模拟技术模拟技术+数字存储数字存储 数字化示波器数字化示波器 主要原理框图主要原理框图输入电路A/DRAMD/AyY放大CPUD/AxX放大|控制系统地址扫描CRT模拟数字存储示波器组成原理框图模拟数字存储示波器组成原理框图数字存储示波器组成原理框图数字存储示波器组
21、成原理框图三、取样技术在示波器中的应用1 1、实时取样 2 2、非实时取样、非实时取样顺序取样随机取样四、四、主要技术指标主要技术指标1.采样速率 fs 主要决定因素、A/D转换速度 一般要求：（实时采样）通常与时基因数 对应 即 对应最快扫描档位，如最快为1ns/div 则n n：每格采样点数：每格采样点数t t：每格扫描时间：每格扫描时间2.2.带宽（存储带宽）带宽（存储带宽）重复周期信号带宽重复周期信号带宽 （等效带宽）（等效带宽）单次信号带宽单次信号带宽 （实时带宽）（实时带宽）理论上理论上 实际应用实际应用 实时带宽实时带宽 k k：带宽因子：带宽因子 25 逐点显示k 10 线性插
22、值 2.5 正弦内插3 3、垂直分辨力（电压分辨力）、垂直分辨力（电压分辨力）由由A/DA/D位数决定，目前多为位数决定，目前多为8 8位位 若若CRTCRT为为810810分度（分度（div)div)若若n n8 8 则则（垂直方向为256等级）每级最小电压每级最小电压 VmVm：满量程：满量程若若VmVm10V10V，n n8 8 则则 n n10 10 则则也与偏转因数也与偏转因数DyDy有关，如有关，如DyDy1V/div1V/div则则4 4、水平分辨力（时间分辨力）、水平分辨力（时间分辨力）决定于决定于D/AD/AX X的位数，相当于的位数，相当于X X方向的点数方向的点数当当n=
23、10 n=10 则则即测量精度为即测量精度为0.01div 0.01div 模拟示波器难以达到模拟示波器难以达到同时与示波器同时与示波器DxDx有关有关如如DxDx10ms/div n10ms/div n1010（1010位位D/A)D/A)则则精度高（精度高（D/AD/A基准，时钟）基准，时钟）此时屏幕上任一点均可用两个二此时屏幕上任一点均可用两个二进制数（进制数（1616进制数）表示进制数）表示五、DSO的主要部件及要求(略)六、高速信号采样技术(略)七、波形显示 1.1.基本显示基本显示 将存储器中的数据按地址顺序取出将存储器中的数据按地址顺序取出(先进先出先进先出),),经经D/AD/
24、A转换后转换后可还原为模拟量送可还原为模拟量送Y Y轴轴,相应的同时把地址按顺序送出相应的同时把地址按顺序送出,经经D/AD/A变为变为阶梯波送阶梯波送X X轴轴.即可将存储波形显示在即可将存储波形显示在CRTCRT上上.显示内容与容量有关显示内容与容量有关:若存储波形时是以若存储波形时是以255255为一个页面为一个页面,则显则显 示时首先确定页面示时首先确定页面.4k 4k容量容量 则可分为则可分为1616个页面个页面 1k 41k 4页页 4k 164k 16页页 不同机型选择不一样不同机型选择不一样,若若CPUCPU为为8 8位位,则总线低则总线低8 8位恰为位恰为255,255,选页
25、选页面相当于确定地址高面相当于确定地址高8 8位位.例例:若选第若选第n n页页,则全局则全局8 8位地址为位地址为08H08H即可即可.特点特点:X:X、Y Y轴数据均需通过轴数据均需通过CPU,CPU,速度受限制速度受限制2.2.刷新显示刷新显示(auto rease(auto rease 自动抹迹自动抹迹)与数据存储方式和读出方式有关与数据存储方式和读出方式有关特点特点:在在CRTCRT屏幕上自左至右更新数据屏幕上自左至右更新数据AB新数据写入慢旧数据读出快 有新数据写入时马上读出并显示出来写入起始地址,读出起始地址和扫描起始地址相同3.3.滚动显示滚动显示(roll(roll 卷动卷动
26、)新数据特点:新数据出现在屏幕最右边与刷新显示的区别:有预触发功能 写入慢、读出快相当于窗口移动方向4.双踪显示 交替读出奇偶地址数据D/A奇数地址 RAM偶数地址A/DA/DYAYB5.锁存和半存显示 锁存:存储器内容不变，不准新数据写入半存:保存偶（奇）数地址内容不变，另一路可变八、预触发（触发预置）以触发点为参考，灵活移动存储窗口和显示窗口以触发点为参考，灵活移动存储窗口和显示窗口触发信号触发信号作为停止存储的标志作为停止存储的标志 触发点可由程序设定触发点可由程序设定正延时正延时 观测触发点以后信号观测触发点以后信号负延时 观测触发点以前信号（模拟示波器无法做到）触发点B存储容量A存储窗口预触发设A0，存储器存储以触发点为始点波形设B存储容量 存以触发点为终点波形此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢