示波技术和测量技术.pptx

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1、1第一节 示波测试的基本原理 一、阴极射线示波管 示波管（CRT）：电子枪、偏转系统和荧光屏 阴极射线示波管电子枪偏转系统荧光屏第1页/共149页2（一）电子枪：电子枪由灯丝F，阴极K，栅极G1和G2，阳极A1和A2组成。F、K：当灯丝加热阴极后，涂有氧化物的阴极发射大 量的电子。G1：G1对K的负电位的改变，起到调节电子密度进 而调 节光点亮度的作用，G1电位越负，图形越 暗，调节G1电度的电位器称为“辉度”。第2页/共149页3G2、A1、A2：G2、A1、A2的电位均远高于K，组成聚 焦系统，对电子束进行聚焦和加速，G2、A2 一般相连 ，这个高电位一般 接近于地电位。A1的电位通常低于

2、 A2，。阴极射线示波管电子枪偏转系统荧光屏第3页/共149页4电子穿越加速场的过程：电子穿越加速场,由于电子在垂直方向没有受力,那么 第4页/共149页5即电子的运动方向偏向轴向。第5页/共149页6电子穿越减速场的过程：即：电子的运动方向偏离了轴向。第6页/共149页7电子枪中聚焦系统的作用:由于A1的电位比G2和A2低，即 ，且G2的电位远高于G1 ，所以G1至G2和A1至A2电子束的主要趋势是聚扰和加速，G2到A1电子来的主要趋势是发散。调节A1电位的电位器称为“聚焦”旋钮，调节A2电度的旋钮称为“辅助聚焦”，以免A2至偏转板间可能发生散焦。第7页/共149页8+-辉度聚焦辅助聚焦第8

3、页/共149页9（二）偏转系统：示波管中至少有X 偏转板和Y偏转板各一对。以Y偏转板为例说明光点在荧光屏上的位移与什么因素有关。+-电子束屏幕第9页/共149页10 为示波管的偏转灵敏度，单位为V/cm 在偏转电压Vy的作用下，Y方向在荧光屏偏转的距离为 第10页/共149页11(三)荧光屏 荧光屏在示波管一端，通常是圆形或矩形的。在示波管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。高速电子可以穿透这层铝膜轰击屏上的荧光物质，后者将电子的动能转变为光能，产生亮点。此外，这层铝膜还能吸收荧光物质发出的二次电子和光束中的负离子，还对荧光有反射作用，使显示的图形更加清晰。当电子

4、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的10，所延续的时间称为余辉时间。为了测量所显示波形的高度和宽度，在荧光屏上还常有一定的刻度线。第11页/共149页12二、图像显示的基本原理 图像显示基本类型（1）显示随时间变化的信号。（2）显示任意两个变量x与y的关系。（一）显示随时间变化的信号：1、扫描的概念 假设 ，即为加到Y偏转板上的电压，则电子束就会在Y方向按正弦规律变化，任一瞬间的偏转距离正比于该瞬间Y偏转板上的电压。第12页/共149页131203第13页/共149页1400 假设在X偏转板上加一随时间而线性变化的电压，即锯齿波电压，那么

5、光点在X方向偏转的距离变化反映了时间的变化，光点在荧光屏上构成反映时间变化的直线。第14页/共149页151234信号波形在时间轴上展开第15页/共149页16扫描：光点在锯齿波作用下扫动的过程。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：光点自右端迅速返回起点。时间基线：若在Y方向不加电压，光点只在X方向上构成 反映时间变化的一条直线。第16页/共149页172、信号与扫描电压的同步：同步：扫描电压的周期 是被观察信号周期 的整数倍。即第17页/共149页18被测信号与扫描电压的同步第18页/共149页19被测信号与扫描电压的不同步第19页/共149页20同

6、步的实现：利用被测信号产生一个同步触发信号去控制示波器时基 电路中的扫描发生器，迫使它们同步。用外加信号去产生同步触发信号，但外加信号的周期应 与被测信号有一定关系。3、连续扫描和触发扫描：连续扫描:扫描电压是连续。触发扫描:只有在被测脉冲到来时才扫描一次。第20页/共149页21（二）显示任意两个变量之间的关系 在示波管中，电子束同时受到X和Y两个偏转的作用，示波器可变为一个X-Y图示仪。李沙育图形：示波器两个偏转板都加正弦电压时显示 的图形。第21页/共149页22两个同频率信号构成的李沙育图形第22页/共149页23 第二节 通用示波器 一、示波器的分类和通用示波器的组成 分类：（1）通

7、用示波器 （2）多束示波器 （3）取样示波器 （4）记忆、存贮示波器 （5）专用或特殊示波器 组成：示波管 垂直通道 水平通道 电源电路 校准信号发生器 第23页/共149页24 X输入衰减Y前置放大器延迟线Y输出放大器触发电路X放大器扫描发生器环 Y输入外触发输入内外内外X通道Y通道校准信号发生器 校准输出电源第24页/共149页25二、示波器的垂直通道 垂直通道包括：输入衰减器 Y前置放大器 延迟线 Y输出放大器 第25页/共149页26()输入衰减器 _若满足 最佳补偿 则 与信号频率无关 改变分压比就可改变示波器的偏转灵敏度。（分压公式）第26页/共149页27（二）延迟线：作用：把加

8、到垂直偏转板的脉冲信号延迟一段时间，使 信号出现的时间滞后于扫描开始时间。被观测脉冲扫描电压屏幕显示（三）Y放大器：Y放大器使示波器具有观测微弱信号的能力。Y 放大器前置放大器输出放大器第27页/共149页28三、示波器的水平通道 组成:扫描发生器环 触发电路 X放大器（一）扫描发生器环 扫描发生器环是产生扫描信号(锯齿波）的，它又称时基电路。第28页/共149页29扫描：光点在锯齿波作用下扫动的过程。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：光点自右端迅速返回起点。时间基线：若在Y方向不加电压，光点只在X方向上构成 反映时间变化的一条直线。补充第29页/共

9、149页30扫描门积分器 比较和释抑电 路 至X放大器增辉-E扫描发生器环的组成D第30页/共149页311、积分器：产生锯齿波 S+ERCA+_+ERCA+_T第31页/共149页32S断开：和t成线性关系。S闭合：C迅速放电，迅速上升，形成锯齿波扫描电压。为高电平，T截止，相当S断开。为低电平，T导通，相当S接通。+ERCA+_T第32页/共149页33 把积分器产生的锯齿波电压送入X放大器加以放大，再加至水平偏转板，由于偏转的水平距离与偏转电压成正比，而这个电压与时间成正比，所以可以用荧光屏上的水平距离代表时间。扫描速度 x：光点在水平方向偏转的距离 t：偏转x距离所对应的时间 扫描速度

10、的粗调：改变R或C扫描速度的微调：改变E第33页/共149页342、扫描门 也称时基阐门：用来产生门控信号，用射极耦合双稳触发电路即施密特电路来实现。+E-E来自触发电路 来自比较释抑电路-E去积分器T1T2稳定度第34页/共149页35时 ,截止，导通，处于第一稳定状态 为低电平，积分器不积分，没有锯齿波产生。时 ,导通，截止，进入第二稳定状态 为高电平，积分器开始积分，有锯齿波产生。*去积分器-E来自触发电路 来自比较释抑电路-ET1T2稳定度tt00t1t2+E第35页/共149页36tt00t1t2 时,，还导通，还截止，保持第二稳定状态，积分器继续积分，有锯齿波产生。时,，截止，导通

11、，回到第一稳态状态，积分器停止积分，锯齿波消失。*+E去积分器-E来自触发电路 来自比较释抑电路-ET1T2稳定度第36页/共149页37(1)受三方面信号的共同作用：“稳定度”旋钮的电位器供给它一个直流电位；接受从触发电路来的触发脉冲；接受从释抑电路来的释抑信号。+E-E来自触发电路 来自比较释抑电路-E去积分器T1T2稳定度第37页/共149页38直流电位使 高于 ，在没有触发信号，也能使 导通，截止,即产生扫描电压；(2)“稳定度”旋钮来的直流电位的作用:直流电位使 处于 与 之间，只有在触发脉冲作 用下才会翻转到 导通，截止的状态,即产生扫描电 压；直流电位过负，有触发信号时 也达不到

12、 ，则不会产 生扫描信号，这时示波器X通道直接输入外加信号。+E-E来自触发电路 来自比较释抑电路-E去积分器T1T2稳定度第38页/共149页393、比较和释抑电路 扫描门积分器 至X放大器-ED比较和释抑+E+ERhChTBP稳定度-+放电回路充电回路第39页/共149页40tE1E0E2t1t2t3t4t5tfthtb释抑电路充电 释抑电路放电 扫描电压第二次扫描Vr12345（1）触发信号使 导通，截止，积分器开始 积分，输出扫描电压（随时间线性 ）*触发扫描 第40页/共149页41（2）如果有第二个触发信号使 或没有触发信 号，导通，截止保持不变（）。tE1E0E2t1t2t3t4

13、t5tfthtb释抑电路充电 释抑电路放电 扫描电压第二次扫描Vr12345扫描门积分器 至X放大器-ED比较和释抑+E+ERhChTBP稳定度-+放电回路充电回路第41页/共149页42（2）如果有第二个触发信号使 或没有触发信 号，导通，截止保持不变（）。tE1E0E2t1t2t3t4t5tfthtb释抑电路充电 释抑电路放电 扫描电压第二次扫描Vr12345扫描门积分器 至X放大器-ED比较和释抑+E+ERhChTBP稳定度-+放电回路充电回路第42页/共149页43(3)扫描电压达到负值 T导通 充电 随 两端的电压开始 。tE1E0E2t1t2t3t4t5tfthtb释抑电路充电 释

14、抑电路放电 扫描电压第二次扫描Vr12345扫描门积分器 至X放大器-ED比较和释抑+E+ERhChTBP稳定度-+放电回路充电回路第43页/共149页44(4)继续二极管D截止 电位只由 两端的电压决定（与“稳定度”旋钮的直流电位无关）。tE1E0E2t1t2t3t4t5tfthtb释抑电路充电 释抑电路放电 扫描电压第二次扫描Vr12345扫描门积分器 至X放大器-ED比较和释抑+E+ERhChTBP稳定度-+放电回路充电回路第44页/共149页45（5），截止，导通,扫描停止积分器C放电(RC为时间常数)积分器停止积分 T截止 放电 随 两端的电压。tE1E0E2t1t2t3t4t5tf

15、thtb释抑电路充电 释抑电路放电 扫描电压第二次扫描Vr12345扫描门积分器 至X放大器-ED比较和释抑+E+ERhChTBP稳定度-+放电回路充电回路第45页/共149页46（6）继续放电，由于 ，所以C先 放电完。扫描门积分器 至X放大器-ED比较和释抑+E+ERhChTBP稳定度-+放电回路充电回路tE1E0E2t1t2t3t4t5tfthtb释抑电路充电 释抑电路放电 扫描电压第二次扫描Vr12345第46页/共149页47(7)C放电完，扫描回程进行完毕，但 还在继续 放电。tE1E0E2t1t2t3t4t5tfthtb释抑电路充电 释抑电路放电 扫描电压第二次扫描Vr12345

16、扫描门积分器 至X放大器-ED比较和释抑+E+ERhChTBP稳定度-+放电回路充电回路第47页/共149页48（8）是 的放电时间，触发脉冲不起作用，处 于“抑”状态。扫描门积分器 至X放大器-ED比较和释抑+E+ERhChTBP稳定度-+放电回路充电回路tE1E0E2t1t2t3t4t5tfthtb释抑电路充电 释抑电路放电 扫描电压第二次扫描Vr12345第48页/共149页49(9)之后，这时处于“释”状态，如果有触发信号，产生扫描电压。tE1E0E2t1t2t3t4t5tfthtb释抑电路充电 释抑电路放电 扫描电压第二次扫描Vr12345扫描门积分器 至X放大器-ED比较和释抑+E

17、+ERhChTBP稳定度-+放电回路充电回路第49页/共149页50条件：，保证完成扫描回程前，即使有 第4个脉冲触发，也不能产生第二次扫描，保证每 次回归结束后才可能开始下一次扫描。tE1E0E2t1t2t3t4t5tfthtb释抑电路充电 释抑电路放电 扫描电压第二次扫描Vr12345第50页/共149页51tE1E0E2t1t2t3t4tfthtb释抑电路充电 释抑电路放电 扫描电压第二次扫描Vr*连续扫描 施密特电路从“稳定度”旋纽得到直流电压 ，是否有触发脉冲都可以扫描。第51页/共149页52（二）触发电路 触发电路用来产生周期与被测信号有关的触发脉冲，这个脉冲被加至扫描门。电源电

18、源内内外外外触发6.3V(交流）自Y放大器C1C2C3AC AC低频抑制HFDC极性方式12电平比较整形去扫描发生器环12第52页/共149页531、比较整形电路 近于 并略大于 时电路翻转，输出触发脉冲。电源电源内内外外外触发6.3V(交流）自Y放大器C1C2C3AC AC低频抑制HFDC极性方式12电平比较整形去扫描发生器环12第53页/共149页542、“电平”旋钮 比较整形电路的一端接一个可调时直流电压，调整这个直流电压的旋钮称为“电平”旋钮。比较整形电路另一端接触发信号。当触发信号的电平接近“电平”旋钮选择的直流电位时，产生触发脉冲。因此“电平”旋钮是决定信号在什么电平产生触发的。第

19、54页/共149页553、“极性”开关 三刀六位开关，选择触发源和触发信号的极性。电源电源内内外外外触发6.3V(交流）自Y放大器C1C2C3AC AC低频抑制HFDC极性方式12电平比较整形去扫描发生器环12第55页/共149页56正极性、正电平负极性、正电平正极性、负电平负极性、负电平实线表示触发信号虚线表示直流电位极性选正，触发信号至比较整形电路的输入端1 极性选负，触发信号至比较整形电路的输入端2第56页/共149页57电源电源内内外外外触发6.3V(交流）自Y放大器C1C2C3AC AC低频抑制HFDC极性方式12电平比较整形去扫描发生器环12第57页/共149页584、“方式”开关

20、：直流（DC）方式 交流（AC）方式 AC低频抑制方式AF高频耦合方式（三）X放大器：改变X放大器的增益可以使光迹在水平方向得到 若干倍的扩展，校准扫描速度，改变X放大器有关的 直流电位，可使光迹产生水平位移。第58页/共149页59第三节 数字存储示波器数字存储示波器(DSO)简称数字示波器。一、数字存储示波器的组成和工作原理 数字存储示波器主要由采样存储、触发与时基和显示三大部分组成。第59页/共149页60（一）采样存储 采样存储包括衰减及放大采样保持及AD变换采集存储器三部分 衰减及放大电路的作用与模拟示波器类似。它们的输出信号经采样保持电路，由连续信号变为离散信号，各离散点的采样值正

21、比于采样瞬间的幅值。经过AD变换，离散的模拟量变为量化后的数字量，然后由采集存储器存储。第60页/共149页61 数字存储示波器的采样方式分为实时采样和非实时采样。非实时采样分为非实时顺序采样和随机采样两种。1采样方式（1）实时采样:在信号实际经历的时间内完成了全部采样。在实时采样中，只要按时间顺序在同一波形上等问隔采集若干点即可。实时取样不能解决示波器在观测高频信号时所遇到的频带限制的困难。第61页/共149页62（2）非实时顺序采样234561123456 非实时顺序采样通常对周期为T的信号每经大约m个周期采集一点（m为正整数），但每次采样都比前次在波形的相对位置上滞后t，也就是说每经（m

22、T+t）采集一点。第62页/共149页63（3）非实时随机采样 非实时随机采样也要经过多个信号波形的采集，才能”拼凑”出完整波形所需的采样点，但是在一个采集窗口内它可以取得若干个采样点。第63页/共149页64 对随机采样方式，通常用内插的方法精确计算触发点至下一个采样时钟的相对时间间隔（图中 )，微处理器根据这些相对位置重建全部采样点，”拼凑”成供显示的波形。第64页/共149页652数字示波器的混淆失真 为不失真地恢复被测波形，通常需要示波器的采样率为被测信号所包含最高频率的4l0倍以上。如果采样率过低则恢复、显示的波形可能发生严重失真，这称为混淆失真。第65页/共149页66 数字存储示

23、波器要用存储器把AD变换后的数据存储起来以便显示。3数字存储示波器的存储 存储容量 每个信号通道能存储数据的点数称为存储容量，亦称为存储深度（长度、宽度）或记录长度。第66页/共149页67（二）信息显示1.CRT光栅增辉显示 光栅增辉显示一半采用磁偏转的CRT，即用X，Y两个磁偏转线圈产生磁场，来使电子束偏转。磁偏转管由于偏转角度大、工作频率高和失真及功耗均小等优点，在各类显示器中得到广泛应用。(1)光栅增辉显示的偏转系统第67页/共149页68（2）暗光栅的产生 如果把频率较高的锯齿波电流加至CRT的X偏转线圈，把频率比它低千、百倍的锯齿波电流加至Y偏转线圈。在他们形成的合成磁场作用下，光

24、束快速在X方向扫动（称为行扫描）的同时，还会在Y方向缓慢扫动（称为场扫描或帧扫描）。第68页/共149页69 尽管行扫描时，光迹在Y方向也稍有异动，但由于fxfy，有几乎可以认为荧屏上的光迹由一条条紧密靠拢的横线所组成，这称为光栅。如果光栅是亮的，则荧屏一片白亮，什么图形、符号都看不到了。因此，在没有显示信息时，调负CRT栅阴之间的点位，使光栅变暗，称为暗光栅。第69页/共149页70 将荧屏分为若干个能分辨的点阵，每格作用于栅阴之间的加亮脉冲与一个点阵点相对应。每帧图像对应一长串加亮脉冲，它是把各显示行的加亮脉冲列串联而成，并在各行及各帧间加进必要的同步脉冲。(3)暗光栅增辉显示方式 第70

25、页/共149页713.波形显示的内插方法（1）波形显示采用内插方法的原因 数字示波器采集的是一系列离散点，当采用不加内插技术的“点显示”法时，荧屏上也显示离散的光点。在不少情况下显示点数不够多。例如，用采样率为500MS/s的示波器观测频率为100MHz的正弦信号，则每个信号周期上只有5哥采样点，若在荧屏上观测两周，则只有10个显示点，观测效果就较差了。在点显示中，通常需要采样频率比信号最高频率高25倍，才能保证较好的显示效果。为解决上述问题，数字示波器中常采用内插技术，以插补采样点间的部分。第71页/共149页72（2）内插技术的种类 最常用的内插技术有两种，即正弦内插和脉冲内插，后者又称为

26、线性内插。（3）正弦内插 根据数字信号处理理论，一个有限带宽的信号x（t）的最高频率分量若为fM，则该信号在时域内完全可以由一系列时间间隔T等于或小于1/(2fM)的样点值x(nT)与其内插函数乘积的代数和表达，即通常采样频率应为信号最高频率的4 5倍或更高。第72页/共149页73（4）脉冲内插 脉冲（线性）内插是在采样点间用直线进行插补，这种方法更适合与对脉冲信号的内插显示。这时采样频率应为信号最高频率的10倍或更高。（三）时基与触发(1)数字示波器的时基电路 1.时基 数字示波器的时基电路，除了包括高稳定度、高准确度的主时钟外，还需要产生各种时序信号，例如采样时钟，A/D变换启动信号，显

27、示定时信号等。第73页/共149页74 模拟示波器的时基电路主要用来产生于时间成正比的锯齿波，即扫描电压。数字示波器并不需要单独产生锯齿波，而是根据各采样点间实际对应的时间间隔，算出各显示点的X坐标加以显示。因此，对于数字示波器，从数据采集开始，几乎每个主要环节都需要严格的定时关系。2.触发 模拟示波器的触发信号用来启动一次扫描，图形显示部分处于触发点之后。数字示波器的触发点通常只是开启存储门的一个参考点。（1）自动电平触发 示波器根据实际输入信号自动选择一个触发电平，可以使显示稳定。通常，自动选择的触发电平处于显示波形幅度50%的位置。如果没有信号输入到示波器，则显示一条时基线。第74页/共

28、149页75（2）逻辑模式（Logic pattern）触发 数字示波器通常有2或4路输入，其触发可以由一路信号的某种跳变沿与另一至纪录信号的逻辑状态或逻辑组合共同确定。例如，可用I/O请求信号为逻辑真时的写时钟边沿来触发，这就可以观测向I/O设备写数据时有关信号的情况，而不是想内存写数据的情况。几路信号的逻辑组合，可以是“与”、“或”、“与非”、“或非”、“异或”、“异或非”等多种关系。这种逻辑模式触发又称为码型触发，在观测包含多路信号的数字系统时非常有用。第75页/共149页76（3）毛刺触发 毛刺是数字系统发生故障的重要原因之一，检测毛刺对数字系统硬件故障分析有显著作用。很多现代数字示波

29、器可以规定当输入信号中含有正、负或任意方向的毛刺时产生触发。（4）脉冲边沿时间或脉冲宽度不恰当触发 数字电路常因信号边沿不够陡，致使信号逻辑值不能确定的时间过长。有时，脉冲持续时间过长或过短，致使某段时间信号的逻辑关系不对或信号的建立时间、保持时间不足。以上这些容易造成故障的情况均可设置为数字示波器的触发条件。这种触发又称为时间限定触发。第76页/共149页77（5）数字电路电平不规范（Runt）触发 操作者可规定两个门限电平，当信号连续两次穿越其中一个电平，而不穿越另一个电平，则说明信号值不规范。例如对于正电平的TTL电路，可规定+0.8V和+2.0V两个门限电平，若信号从低电压端穿过+0.

30、8V而为穿过+2.0V，然后又向下端再次穿过+0.8V，则说明信号幅值处于两个门限电平之间。这种情况往往难于判断信号值是逻辑0还是逻辑1，容易造成故障。因此，可把电平不规范作为触发条件，这种触发亦称为矮脉冲触发。第77页/共149页78（6）专用信号的触发 这种触发为观测某些专用信号提供了方便。例如，在电视信号观测中，常需显示与行信号、场信号有关的波形。因此，很多数字示波器设置了TV触发，并提供多种与TV相关的触发项选择。又如I2C总线（Inter IC bus）是一种集成电路间互联用串行总线，在消费电子等很多领域得到广泛应用。这种总线有规定的传输方式，I2C触发就是便于观测该总线相关信号的一

31、种触发方式。第78页/共149页79（7）触发释抑时间 释抑时间用来控制从一次触发到允许下一次触发之间的时间。在模拟世博中实际上也有释抑时间，只不过它是用来保证扫描回程结束后采允许新的触发，即保证每次扫描都从X轴的同一起点开始。模拟示波器每种扫描时间因数（时基）对应的释抑时间由厂商在设计电路时确定，仪器操作者通常无法改变。数字示波器通常可由用户自己控制释抑时间。它的作用是在观测复杂波形时获得同步的触发信号，以得到稳定清晰的显示。第79页/共149页80（8）序列触发 操作者可规定一个触发时间序列，当该序列的若干条件依次均得到满足时采产生触发。这些触发事件可以是脉冲沿、模式、脉冲宽度等时间，也可

32、以是对某时间的计数或延时等。在有些数字示波器中加进了而逻辑分析仪功能，这时更常用到序列触发功能。单纯的数字示波器用到序列处罚时，通常是较短的简单序列。第80页/共149页81二、数字示波器的特性（一）数字示波器的常见功能 数字示波器大多具有模拟示波器的基本功能。例如基本显示波形的功能、X-Y工作模式、基本出发方式等，还常包括一些功能方面的描述，例如说明是否有延迟扫描功能和基本输入、输出信号的情况，包括输入信号耦合方式、有无调辉用的Z输入端，有无校准幅度及时间用的校准信号源输出等。第81页/共149页82 数字示波器比模拟示波器增加了多种有用的功能，最常见的有自动标定（Autoscale）、自动

33、参数测量、波形和设置状态的存储、接口总线及输出打印、显示平均及曲线拟合（内插方法）、带宽滤波器接入、触发工作模式及触发条件选择、光标测量、毛刺检测及峰值（包络）检测、数字信号处理、工业标准脉冲模板功能等。自动标定 自动标定又称为自动量程选择，它是示波器根据输入信号的具体情况，自动选择垂直偏转因数和扫描时间因数，并指定触发条件，使用户不需要调整示波器的开关、旋钮、按键，即可得到恰当的显示波形。第82页/共149页83 自动参数测量 自动参数测量功能可直接测量并显示信号的幅度、周期、脉宽、前后沿等数个至数十个信号参数。（二）数字示波器的主要工作特性1.带宽 带宽是频带宽度的简称，是指当示波器输入不

34、同频率的等幅正弦信号时，屏幕上对准基准频率的显示幅度虽频率变化而下跌3dB时，其下限到上限频率的范围。这里基准频率是指示波器频率特性平坦部分的某一指定频率。针对不同带宽的示波器，基准频率亦不同。对于采用随机采样的数字示波器，应分别给出对重复信号和对单次（实时）信号的带宽。第83页/共149页842.上升时间 一个理想矩形脉冲电压或电流在示波器上观测时，由于示波器的影响，脉冲波形会有一定前沿。规定从稳态幅度的10%90%所经过的时间间隔为上升时间，常用tr表示。3.采样率 采样率又称为取样速率或数字化速率。它是指单位时间内对模拟信号的采样、存储次数，常用每秒的采样点数（S/s或Sa/s）表示。值

35、得注意的是，厂商所给采样率往往是该仪器最高实时（单次）采样率，对非实时采样，等效采样率可以升高很多倍。第84页/共149页854.存储深度 存储深度又称为存储容量。它用来表示数字存储示波器存储信号的能力，通常是指采集存储器的容量。当有两路输入信号时，如果只使用其中一路，存储深度往往可以加倍。5.垂直偏转因数 垂直偏转因数又称垂直灵敏度。它是示波器垂直输入电压与垂直偏转的长度之比，单位为V/cm或V/div，div为荧屏上的一格，长度一般也是1cm。厂商通常给出一个偏转因数范围，其最小值越小，示波器灵敏度越高，观测微弱信号的能力越强。很多示波器有垂直偏转因数微调装置。第85页/共149页866.

36、扫描时间因数 扫描时间因数又称为时基或扫描速度。它是指示波器光点在X轴方向移动单位长度所需的时间，以s/cm或s/div表示。厂商通常给出一个扫描时间因数范围，其最小数值越小，示波器拉宽高频信号的能力越强。7.垂直分辨率 垂直分辨率是指数字示波器能分辨最小模拟量的能力。一般用仪器中所采用A/D转换器量化的位数表示。由于噪声等因素的影响，可能使分辨率下降。目前厂家所给一般均为理想情况，而不考虑下降情况。第86页/共149页878.水平分辨率 水平分辨率用来描述数字示波器在水平方向所能分辨最小时间的能力。通常用显示存储器的二进制数或每格（div）所能显示的点数表示。例如10位对应10格1k（102

37、4）点。以上表示方法是国家标准规定的表示法，也有的厂商采用采样率的倒数即时间绝对值表示，这种表示法与国标的规定不完全对应，它没有考虑采集存储器与显示存储器容量往往不同，此外用时间绝对值只能表示“分辨力”而不能表示“分辨率”。第87页/共149页88（三）采样率受存储深度及扫描时间因数的影响 数字示波器的采样率高，则在相同的时间内得到的采样点数多，容易更真实地反映被测信号的细节。但厂商所给的采样率往往只是对单次（实时）信号的最高采样率。用户不但要注意示波器是否能工作于非实时随机采样状态，对重复信号得到高很多倍的等效采样率，而且要注意存储深度和扫描时间因素对采样率的影响。第88页/共149页89以

38、下一个实例来说明 有A，B两种数字示波器，带宽均为100MHz，其相关指标为 A型：实时最高采样率100MS/s，对重复信号随机采样的 最高等效采样率10GS/s，存储深度为每通道10MS；B型：实时及重复信号最高采样率均为1GS/s，存储深度 为每通道1kS。第89页/共149页90 以B示波器为例，当扫描很快即扫描时间因数足够小时，采样率为1GS/s。到扫描时间增至100ns/div，一帧波形或称一个记录（占10div）的采样时间为1s，所采样点数恰为1s1GS/s=1kS 已经把存储器存满。若再增加扫描时间因数，按1GS/s的速度采样，存储器就存不下了，只能降低实际采样率。例如扫描时间因

39、数增加10倍，采样率就下降10倍。第90页/共149页91（1）对于高频重复信号，A明显优于B。以观测100MHz正弦信号为例，其周期为10ns，A在一周期内采集100点（10GS/sns），B在一周内只采集10点。第91页/共149页92（2）对于高频单次信号，B明显优于A。（3）当扫描时间因数（时基）逐渐加大时，对于重复信号，A因采样率高，就永远优于B，这是不言而喻的。关键是对于单次信号，一旦越过了交叉点O，A示波器的实际采样率就明显大于B。即最高采样率高的示波器，实际采样率反而可能明显低于最高采样率低的示波器。第92页/共149页93第93页/共149页94第四节 示波器的多波形显示 一

40、、多线显示和多踪显示（一）多线显示常见双线示波器：两个电子束，并有两套X、Y偏转系统。（二）多踪显示多了一个电子开关，并具有多个垂直通道。常见双踪示波器显示：一套X、Y偏转系统，两个Y通道。第94页/共149页95A门yAA通道输入+-B门yBB通道输入电子开关+-垂直位移垂直位移至垂直偏转板开关信号转换速率不同，有两种时间分割方式1、“交替”方式 开关信号与扫描信号同步。2、“断续”方式：开关信号频率远大于被测信号频率。第95页/共149页96二、双扫描示波显示前置放大延迟线电压比较A触发B触发A扫描B扫描电子开关Y线分离A门B门Y放大X放大+-RPY输入123同时产生增辉脉冲A同时产生增辉

41、脉冲B第96页/共149页97脉冲（1）达到触发电平，产生A触发，在它作用下产生A扫描，这个扫描电压将脉冲（1）（4）显示在荧光屏上端。A扫描电压与电位器RP提供的直流电位在比较器中进行比较，当电平一致时产生B触发，开始B扫描。被测信号A触发延迟触发电平A扫描B触发B扫描A增辉B增辉1234第97页/共149页98B扫描比A扫描延迟的时间可以通过跳RP来调节，RP提供的直流电平称为延迟触发电平。B扫描的扫描速度是可以调节的，这里使它的扫描正程略大于脉冲（3）的周期，则在B扫描期间脉冲（3）显示，它被“拉”得很宽，可以看清它的前后沿、上下冲等细节。被测信号A触发延迟触发电平A扫描B触发B扫描A增

42、辉B增辉1234第98页/共149页99为了能同时观测脉冲列得全貌及其中某一部分得细节，在X通道设电子开关，把两套扫描电路得输出交替地接入X放大器。电子开关还控制Y线分离电路，在两种扫描时给Y放大器加不同得直流电位，使两种扫描显示的波形上下分开。被测信号A触发延迟触发电平A扫描B触发B扫描A增辉B增辉1234第99页/共149页100扫描过程的增辉增辉：为使扫描回程产生的波形不在荧光屏上显示，可在扫描回程期间使电子枪发射更多的电子，即给示波器增辉。增辉方法：扫描正程期间给示波管第一栅极G1加正脉 冲或给阴极K加负脉冲来实现，可以做到只 有扫描正程即有增辉脉冲时才有显示，其 它时间荧光屏上没有显

43、示。第100页/共149页101被测信号A触发延迟触发电平A扫描B触发B扫描A增辉B增辉1234在扫描正程期间扫描门可以提供增辉脉冲。把A、B扫描门产生的增辉脉冲叠加起来，形成合成增辉信号，用它来给A通道增辉。第101页/共149页102第三节 取样技术在示波测量中的应用 实时（real time）测量法:示波器显示波形的过程中，无论是连续扫描还是触发扫描，它们都是在信号经历的实际时间内显示的信号波形，即测量时间（一个扫描正程）与被测信号的实际持续时间相等。实时示波器:能实现实时（real time）测量法的示波器。第102页/共149页103 实时示波器的上限工作频率直接受限制的因素：（1）

44、受到示波管的上限工作频率的限制。（2）受Y通道放大器带宽的限制。（3）实时示波器的特点是扫描速度必须与被测快速过 程相当，这样才能把被测波形展宽。但是，扫描 速度过高将给扫描信号的产生和同步带来困难。第103页/共149页104一、取样示波器的基本原理（一）实时取样 欲观察一个波形，可以在这个波形上取很多的取样点，把连续波形变换成离散波形状，只要取样点数足够多，显示这些离散点也能够反映原波形的形状。1、连续时间信号vi（t）（输入信号）第104页/共149页1052、取样门与取样脉冲S1 对一个连续时间信号vi（t）（输入信号）在电路上，取样通常用电子开关取样门来实现的。取样门受重复周期为T0

45、取样脉冲（开关信号）p（t）所控制。第105页/共149页106 当取样脉冲p（t）出现瞬间，取样门S开通,输入信号vi（t）被取样，形成离散输出信号vs（t），vs（t）叫“取样信号”。3、取样信号vs（t）4、取样信号vs（t）与输入信号vi（t）关系第106页/共149页107 取样方法是在信号经历的实际时间对一个信号波形进行取样，故叫“实时取样”。实时取样的特点是，取样一个波形所得脉冲列的持续时间等于输入信号实际经历的时间，所以取样信号vs（t）的频谱比原信号vi（t）还要宽。由此可知，实时取样不能解决示波器在观测高频信号时所遇到的频带限制的困难。5、什么叫实时取样？（二）非实时取样1

46、、什么是非实时取样？非实时取样不是在信号一个周期波形上完成全部取样过程，而取样点是分别取自信号若干个周期波形的不同位置。第107页/共149页1082345611234562、非实时取样的过程第108页/共149页109123456m为两个取样脉冲之间的被测信号周期个数 第109页/共149页110 采用非实时取样所得到取样信号脉冲列，其包络波形同样可以重现原信号波形，而且由于包络波形的持续时间变长了，这就有可能用一般低频示波器来显示。由于显示一个取样信号包络波形所需时间（称测量时间）远远大于被测信号波形实际经历的时间，故这种示波方法称非实时示波方法。利用非实时取样方法组成的取样示波器，在屏幕

47、上显示的信号波形是由一系列不连续光点构成。3、非实时示波方法第110页/共149页111（三）显示信号的合成过程1、Y偏转板上加什么样的电压?Y偏转板上应该加阶梯波，每个阶梯持续时间亦应为 ，在Y偏转板各阶梯的电压值对应信号的取样值。2、X偏转板上加什么样的电压?X偏转板上应该加阶梯波，每个阶梯持续时间亦应为 ，电压是等距离跳变的阶梯波。第111页/共149页112二、取样示波器的基本组成（一）取样示波器的Y通道 取样电路产生正比于取样值的阶梯电压，这个电路又叫做闭环取样电路。第112页/共149页113 闭环取样电路由取样门、取样电容CS、交流放大器A1、延长门、保持电容电容Cm、直流放大器

48、A2和反馈电路B组成。其中直流放大器是增益为1的高输入阻抗放大器，它的作用主要是使保持电容Cm上的电压得以保持。1、闭环取样电路的组成 取样电路的输入信号除被观测的信号，第一个为脉宽较窄的尖冲称为取样脉冲，第二个为脉宽较宽的延长门脉冲。第113页/共149页1142、闭环取样电路的工作过程 第一个取样脉冲作用下取样门闭合（假设这一瞬 间被观测的信号值为vi1），取样门的传输系数为K，交流放大器的增益为A1。第114页/共149页115 取样门断开后，经过反馈电路B，在CS上的电压为这个电压持续时间应为 第115页/共149页116 持续时间 后，第二个取样脉冲作用下取 样门再次闭合（假设这一瞬

49、间被观测的信号值vi2）。vi2与CS上的电压Vil之差经过传递系数K和增益A1后，将在保持电容Cm上与前一次的输出信号相叠加，得到这个电压亦将保持 不变 第116页/共149页117 只要每隔 来一个取样脉冲和延长门脉冲，并满足KA1B=1的条件就可以在输出端得到需的阶梯 波。（二）取样示波器的X通道 第117页/共149页118第六节 示波器的使用 一、示波器的基本测量方法（一）电压的测量 1、直接测量法 1234hDy:偏转灵敏度 所谓直接测量法，就是直接从示波器屏幕上量出被测电压波形的高度，然后换算成电压值第118页/共149页119比较信号 发生器输入 衰耗器 Y放大器延迟线SY输入

50、2、比较测量法 比较测量法就是用已知电压值(一般为峰峰值)的信号波形与被测信号电压波形比较，并算出测量值。第119页/共149页1203、位移法 调电位器P1,使直流电压表Vm指零。加入被测信号，利用“垂直位移”旋钮使波形最上峰移至0轴下。调节电位器P1，使波形最下峰移至0轴上，那么被测电压峰峰值等于电压表Vm的读数。第120页/共149页121（二）时间的测量 1、直接测量法 当线性扫描时，示波管荧光屏的水平轴就是时间轴，若扫描电压线性变化的速率和X放大器的电压增益一定，那么扫描速度也为定值第121页/共149页1222、时标法 第122页/共149页123(三)相位的测量 1、线性扫描法