電子測量—信號波形測量

第7章信號波形測量,7.1概述7.2CRT顯示原理7.3通用示波器7.6示波器的基本測試技術(shù),7.1概述,7.1.1示波器的分類根據(jù)示波器對信號的處理方式的不同可分為模擬、數(shù)字兩大類：1模擬示波器采用模擬方式對時間信號進(jìn)行處理和顯示。2數(shù)字示波器對信號進(jìn)行數(shù)字化處理后再顯示。,1模擬示波器,模擬示波器可分為通用示波器、多束示波器、取樣示波器、記憶示波器和專用示波器等。通用示波器采用單束示波管，又可分為單蹤、雙蹤、多蹤示波器。多束示波器采用多束示波管，熒光屏上顯示的每個波形都由單獨(dú)的電子束掃描產(chǎn)生。取樣示波器可以用較低頻率的示波器測量高頻信號。記憶示波器采用有記憶功能的示波管，實(shí)現(xiàn)模擬信號的存儲、記憶和反復(fù)顯示。專用示波器是能夠滿足特殊用途的示波器，又稱特種示波器。,2數(shù)字示波器,數(shù)字示波器將輸入信號數(shù)字化（時域取樣和幅度量化）后，經(jīng)由D/A轉(zhuǎn)換器再重建波形。數(shù)字示波器具有記憶、存貯被觀察信號功能，又稱為數(shù)字存貯示波器。根據(jù)取樣方式不同，數(shù)字示波器又可分為實(shí)時取樣、隨機(jī)取樣和順序取樣三大類。,7.1.2主要技術(shù)指標(biāo),1頻帶寬度BW和上升時間tr示波器的頻帶寬度BW一般指Y通道的頻帶寬度。上升時間tr是一個與頻帶寬度BW相關(guān)的參數(shù)，表示由于示波器Y通道的頻帶寬度的限制，反映了示波器Y通道跟隨輸入信號快速變化的能力。頻帶寬度BW與上升時間tr的關(guān)系可近似表示為,2掃描速度掃描速度是指熒光屏上單位時間內(nèi)光點(diǎn)水平移動的距離，單位為“cm/s”。熒光屏上通常用間隔1cm的坐標(biāo)線作為刻度線，因此掃描速度的單位也可表示為“cm/div”。掃描速度的倒數(shù)稱為“時基因素”，它表示單位距離代表的時間，單位為“t/cm”或“t/div”，時間t可為s、ms或s，在示波器的面板上，通常按“1、2、5”的順序分成很多檔。,3偏轉(zhuǎn)因素偏轉(zhuǎn)因素指在輸入信號作用下，光點(diǎn)在熒光屏上的垂直（Y）方向移動1cm（即1格）所需的電壓值，單位為“V/cm”、“mV/cm”（或“V/div”、“mV/div”）。偏轉(zhuǎn)因素表示了示波器Y通道的放大/衰減能力。偏轉(zhuǎn)因素的倒數(shù)稱為“（偏轉(zhuǎn)）靈敏度”。,4輸入阻抗當(dāng)被測信號接入示波器時，輸入阻抗Zi形成被測信號的等效負(fù)載。5輸入方式即輸入耦合方式，一般有直流（DC）、交流（AC）和接地（GND）三種，可通過示波器面板選擇。6觸發(fā)源選擇方式觸發(fā)源是指用于提供產(chǎn)生掃描電壓的同步信號來源，一般有內(nèi)觸發(fā)（INT）、外觸發(fā)（EXT）、電源觸發(fā)（LINE）三種。,7.2CRT顯示原理,7.2.1CRTCRT主要由電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三部分組成，基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。,1電子槍,電子槍的作用是發(fā)射電子并形成很細(xì)的高速電子束，它由燈絲F、陰極K、柵極G1和G2和陽極A1、A2組成。通過調(diào)節(jié)G1對K的負(fù)電位可控制電子束的強(qiáng)弱，從而調(diào)節(jié)光點(diǎn)的亮度，即進(jìn)行“輝度”控制。調(diào)節(jié)A1的電位器稱為“聚焦”旋鈕，通過對它進(jìn)行調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)G2與A1和A1與A2之間的電位；調(diào)節(jié)A2電位的旋鈕稱為“輔助聚焦”。,電子束聚焦的原理是，電子從陰極K發(fā)射，經(jīng)G1、G2、A1、A2聚焦和加速后進(jìn)入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。電子在電子槍中的運(yùn)動軌跡如下圖所示。,2偏轉(zhuǎn)系統(tǒng),示波管的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)由兩對相互垂直的平行金屬板組成，分別稱為垂直偏轉(zhuǎn)板和水平偏轉(zhuǎn)板。當(dāng)有外加電壓作用時，偏轉(zhuǎn)板之間形成電場；在偏轉(zhuǎn)電場作用下，電子束打向由X、Y偏轉(zhuǎn)板共同決定的熒光屏上的某個坐標(biāo)位置。為了示波器有較高的測量靈敏度，Y偏轉(zhuǎn)板置于靠近電子槍的部位，而X偏轉(zhuǎn)板在Y的右邊。,電子束在偏轉(zhuǎn)電場作用下的偏轉(zhuǎn)距離與外加偏轉(zhuǎn)電壓成正比：示波管的Y軸偏轉(zhuǎn)靈敏度（單位為cm/V）：其倒數(shù)為示波管的Y軸偏轉(zhuǎn)因數(shù)。偏轉(zhuǎn)靈敏度越大，示波管越靈敏。為提高Y軸偏轉(zhuǎn)靈敏度，可在偏轉(zhuǎn)板至熒光屏之間加一個后加速陽極A3。,l為偏轉(zhuǎn)板的長度；S為偏轉(zhuǎn)板中心到屏幕中心的距離；b為偏轉(zhuǎn)板間距；Va為陽極A2上的電壓。,3熒光屏,熒光屏將電信號變?yōu)楣庑盘枺鞘静ü艿牟ㄐ物@示部分。在使用示波器時，應(yīng)避免電子束長時間的停留在熒光屏的一個位置，否則將使熒光屏受損。因此在示波器開啟后不使用的時間內(nèi)，可將“輝度”調(diào)暗。當(dāng)電子束停止轟擊熒光屏?xí)r，光點(diǎn)仍能保持一定的時間，這種現(xiàn)象稱為“余輝效應(yīng)”。,7.2.2波形顯示的基本原理,1顯示隨時間變化的圖形（1）Ux、Uy為固定電壓時，有下面四種情況：,光點(diǎn)出現(xiàn)在熒光屏的中心位置。,光點(diǎn)僅在垂直方向偏移：Uy為正電壓時，光點(diǎn)從熒光屏的中心往垂直方向上移；Uy為負(fù)電壓時，光點(diǎn)從熒光屏的中心往垂直方向下移。,光點(diǎn)僅在水平方向偏移：Ux為正電壓時，光點(diǎn)從熒光屏的中心往水平方向右移；Ux為負(fù)電壓時，光點(diǎn)從熒光屏的中心往水平方向左移。,當(dāng)兩對偏轉(zhuǎn)板上同時加固定的正電壓時，光點(diǎn)位置應(yīng)為兩電壓的矢量合成。,（2）X、Y偏轉(zhuǎn)板上分別加變化電壓，有下面兩種情況：,僅在垂直偏轉(zhuǎn)板的兩板間加正弦變化的電壓，則光點(diǎn)只在熒光屏的垂直方向來回移動，出現(xiàn)一條垂直線段。,僅在水平偏轉(zhuǎn)板的兩板間加鋸齒電壓，則光點(diǎn)只在熒光屏的水平方向來回移動，出現(xiàn)一條水平線段。,（3）Y偏轉(zhuǎn)板加正弦波信號電壓，X偏轉(zhuǎn)板加鋸齒波電壓，熒光屏上將顯示出被測信號隨時間變化的一個周期的波形曲線。,2顯示任意兩個變量之間的關(guān)系示波器兩個偏轉(zhuǎn)板上都加正弦電壓時顯示的圖形稱為李沙育（Lissajous）圖形，這種圖形在相位和頻率測量中常會用到。,若兩信號的初相相同，且在X、Y方向的偏轉(zhuǎn)距離相同，在熒光屏上畫出一條與水平軸呈45度角的直線。,若兩信號的初相相差90度，且在X、Y方向的偏轉(zhuǎn)距離相同，在熒光屏上畫出的圖形為圓。,3掃描的概念如果在X偏轉(zhuǎn)板上加一個隨時間線形變化的電壓，垂直偏轉(zhuǎn)板不加電壓，那么光點(diǎn)在水平方向的偏移距離為，比例系數(shù)Sx稱為示波管的X軸偏轉(zhuǎn)靈敏度。光點(diǎn)在鋸齒波作用下掃動的過程稱為“掃描”，能實(shí)現(xiàn)掃描的鋸齒波電壓稱為掃描電壓，光點(diǎn)自左向右的連續(xù)掃動稱為“掃描正程”，自熒光屏的右端迅速返回左端起掃點(diǎn)的過程稱為“掃描逆程”。,4同步的概念,如果掃描電壓周期Tx與被測電壓周期Ty保持Tx=nTy的關(guān)系，則稱掃描電壓與被測電壓“同步”。,7.3通用示波器,7.3.1通用示波器的組成(示波管、垂直通道和水平通道),7.3.2通用示波器的垂直通道1輸入電路：包括衰減器和輸入選擇開關(guān)。（1）衰減器,最佳補(bǔ)償條件：,過補(bǔ)償：,欠補(bǔ)償：,改變分壓比的開關(guān)為示波器的垂直靈敏度粗調(diào)開關(guān)，在面板上用“V/cm”標(biāo)記。,（2）輸入耦合方式輸入耦合方式設(shè)有AC、GND、DC三檔選擇開關(guān)。觀察交流信號時，置“AC”檔。確定零電壓時，置“GND”檔。觀測頻率很低的信號或帶有直流分量的交流信號時，置“DC”檔。,2前置放大器前置放大器將信號適當(dāng)放大，從中取出內(nèi)觸發(fā)信號，并具有靈敏度微調(diào)、校正、Y軸移位、極性反轉(zhuǎn)等控制作用。Y前置放大器大都采用差分放大電路，輸出一對平衡的交流電壓。若在差分電路的輸入端輸入不同的直流電位，相應(yīng)的Y偏轉(zhuǎn)板上的直流電位和波形在Y方向的位置也會改變。可通過調(diào)節(jié)“Y軸位移”旋鈕，調(diào)節(jié)直流電位以改變被測波形在屏幕上的位置。,3延遲線觸發(fā)掃描時，掃描的開始時間總是滯后于被觀測脈沖一段時間，這樣，脈沖的上升過程就無法被完整地顯示出來。,左圖為沒有延遲線時屏幕上顯示的脈沖。,3延遲線（續(xù)）延遲線的作用就是把加到垂直偏轉(zhuǎn)板上的脈沖信號延遲一段時間，以保證在屏幕上掃描出包括上升時間在內(nèi)的脈沖全過程。延遲線的輸入級需采用低輸出阻抗電路驅(qū)動，而輸出級則采用低輸入阻抗的緩沖器。,4Y輸出放大器Y輸出放大器是將延遲線傳來的被測信號放大到足夠的幅度，用以驅(qū)動示波管的垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，使電子束獲得Y方向的滿偏轉(zhuǎn)。Y輸出放大器應(yīng)具有穩(wěn)定的增益、較高的輸入阻抗、足夠?qū)挼念l帶、較小的諧波失真。Y輸出放大器大都采用推挽式放大器，有利于提高共模抑制比。可采用改變負(fù)反饋的方法改變放大器的增益（面板上的“5”或“10”開關(guān)）。,7.3.3通用示波器的水平通道,水平通道主要任務(wù)：是產(chǎn)生隨時間線性變化的掃描電壓，再放大到足夠的幅度，然后輸出到水平偏轉(zhuǎn)板，使光點(diǎn)在熒光屏的水平方向達(dá)到滿偏轉(zhuǎn)。包括：觸發(fā)電路、掃描電路和水平放大器等部分。,1觸發(fā)電路(P263圖7-16)（1）觸發(fā)源選擇內(nèi)觸發(fā)（INT）：將Y前置放大器輸出（延遲線前的被測信號）作為觸發(fā)信號，適用于觀測被測信號。外觸發(fā)（EXT）：用外接的、與被測信號有嚴(yán)格同步關(guān)系的信號作為觸發(fā)源，用于比較兩個信號的同步關(guān)系。電源觸發(fā)（LINE）：用50Hz的工頻正弦信號作為觸發(fā)源，適用于觀測與50Hz交流有同步關(guān)系的信號。,（2）觸發(fā)耦合方式“DC”直流耦合：用于接入直流或緩慢變化的觸發(fā)信號?！癆C”交流耦合：用于觀察從低頻到較高頻率的信號?！癆C低頻抑制”耦合：用于觀察含有低頻干擾的信號?！癏FREJ”高頻抑制耦合：用于抑制高頻成分的耦合。,（3）掃描觸發(fā)方式選擇（TRIGMODE）常態(tài)（NORM）觸發(fā)方式：指有觸發(fā)源信號并產(chǎn)生了有效的觸發(fā)脈沖時，熒光屏上才有掃描線。自動（AUTO）觸發(fā)方式：有連續(xù)掃描鋸齒波電壓輸出，熒光屏上總能顯示掃描線。電視（TV）觸發(fā)方式：是在原有放大、整形電路基礎(chǔ)上插入電視同步分離電路實(shí)現(xiàn)的，以便對電視信號（如行、場同步信號）進(jìn)行監(jiān)測與電視設(shè)備維修。,（4）觸發(fā)極性選擇和觸發(fā)電平調(diào)節(jié)觸發(fā)極性和觸發(fā)電平?jīng)Q定觸發(fā)脈沖產(chǎn)生的時刻，并決定被顯示信號的起始點(diǎn)。觸發(fā)極性是指觸發(fā)點(diǎn)位于觸發(fā)源信號的上升沿還是下降沿。觸發(fā)電平是指觸發(fā)脈沖到來時所對應(yīng)的觸發(fā)放大器輸出電壓的瞬時值。,（5）放大整形電路放大整形電路的作用是對觸發(fā)信號進(jìn)行放大、整形，以滿足觸發(fā)信號的要求。整形電路的基本形式是電壓比較器，當(dāng)輸入的觸發(fā)源信號與通過“觸發(fā)極性”和“觸發(fā)電平”選擇的信號之差達(dá)到某一設(shè)定值時，比較電路翻轉(zhuǎn)，輸出矩形波，然后經(jīng)過微分整形，變成觸發(fā)脈沖。,2掃描發(fā)生器環(huán)掃描發(fā)生器環(huán)又叫時基電路，常由積分器、掃描閘門及比較釋抑電路組成,用來產(chǎn)生線性良好的鋸齒波。,閘門電路產(chǎn)生快速上升或下降的閘門信號，閘門信號啟動掃描發(fā)生器工作，產(chǎn)生鋸齒波電壓，同時把閘門信號送到增輝電路，以便在掃描正程加亮掃描的光跡。釋抑電路起到了穩(wěn)定掃描鋸齒波的形成、防止干擾和誤觸發(fā)的作用，確保每次掃描都在觸發(fā)源信號的同樣的起始電平上開始以獲得穩(wěn)定的圖象。,（1）掃描方式選擇連續(xù)掃描：沒有觸發(fā)脈沖信號，仍會產(chǎn)生門控信號，啟動掃描。觸發(fā)掃描：要有觸發(fā)脈沖信號，才會產(chǎn)生門控信號，啟動掃描。（2）掃描閘門作用：1）控制積分器掃描。2）起正程加亮作用。3）使雙蹤示波器工作于交替狀態(tài)。,掃描門實(shí)現(xiàn)電路常用的閘門電路有雙穩(wěn)態(tài)、施密特觸發(fā)器和隧道二極管整形電路。右圖為施密特觸發(fā)器構(gòu)成的閘門電路。,（3）積分器輸入信號是從掃描門來的矩形脈沖，輸出信號為理想的線性矩形脈沖。密勒（Miller）積分器是通用示波器中應(yīng)用最廣的一種積分電路。,積分器產(chǎn)生的鋸齒波電壓被送入X放大器中放大，再加至水平偏轉(zhuǎn)板。熒光屏上單位長度所代表的時間為示波器的掃描速度（t/cm），x：光跡在水平方向偏轉(zhuǎn)的距離；t：偏轉(zhuǎn)x距離所對應(yīng)的時間。在示波器中通常改變R或C值作為“掃描速度”粗調(diào)，用改變E值作為“掃描速度”微調(diào)。,（4）比較和釋抑電路在比較電路中，輸入電壓與預(yù)置的參考電平進(jìn)行比較，當(dāng)輸入電壓等于預(yù)置的參考電平時，輸出端電位產(chǎn)生跳變，并把它作為控制信號輸出。它決定掃描的終止時刻。釋抑電路在掃描逆程開始后，關(guān)閉或抑制掃描閘門，使“抑制”期間掃描電路不再受到同極性觸發(fā)脈沖的觸發(fā)。,比較和釋抑電路（工作波形）,3水平放大器其基本作用是選擇X軸信號，并將其放大到足以使光點(diǎn)在水平方向達(dá)到滿偏的程度。X放大器的輸入端置于“內(nèi)”時，X放大器放大掃描信號；置于“外”時，水平放大器放大由面板上X輸入端直接輸入的信號。,7.3.4通用示波器的其他電路,1高、低壓電源分別用于示波器的高、中壓和直流供電。2Z軸的增輝與調(diào)輝增輝：將閘門信號放大，使顯示的波形正程加亮。調(diào)輝：加外調(diào)制信號或時標(biāo)信號，使屏幕顯示的波形發(fā)生相應(yīng)地變化。3校準(zhǔn)信號發(fā)生器可產(chǎn)生幅度和頻率準(zhǔn)確的基準(zhǔn)方波信號，為儀器本身提供校準(zhǔn)信號源。,7.3.5示波器的多波形顯示,1多線示波利用多槍電子管來實(shí)現(xiàn)的。測試時各通道、各波形之間產(chǎn)生的交叉干擾可以減少或消除，可獲得較高的測量準(zhǔn)確度。2多蹤示波在單線示波的基礎(chǔ)上增加了電子開關(guān)，利用分時復(fù)用的原理，分別把多個垂直通道的信號輪流接到Y(jié)偏轉(zhuǎn)板上，最終實(shí)現(xiàn)多個波形的同時顯示。,2多蹤示波“Y1”通道（CH1）、“Y2”通道（CH2）和疊加方式（CH1+CH2）都只顯示一個波形。,交替方式（ALT）：適合于觀察高頻信號。,斷續(xù)方式（CHOP）：適用于被測信號頻率較低的情況。,7.6示波器的基本測試技術(shù),7.6.1示波器的選用（1）根據(jù)要顯示的信號數(shù)量，選擇單蹤或雙蹤示波器。（2）根據(jù)被測信號的頻率特點(diǎn)選擇。（3）根據(jù)被測信號的重現(xiàn)方式選擇。（4）根據(jù)被測信號是否含有交直流成分選擇。（5）根據(jù)被測信號的測試重點(diǎn)選擇。,7.6.2示波器的正確使用,使用注意事項（1）檢查電源電壓。（2）通電預(yù)熱后再調(diào)整各旋鈕，同時注意各旋鈕應(yīng)先大致旋在中間位置。（3）亮度不宜開得過高，且亮點(diǎn)不宜長期停留在固定位置，不觀測波形時，應(yīng)該將輝度調(diào)暗。（4）輸入信號電壓的幅度應(yīng)控制在示波器的最大允許輸入電壓范圍內(nèi)。,2通用示波器的主要技術(shù)性能（1）Y軸通道包括偏轉(zhuǎn)靈敏度、頻帶寬度、輸入阻抗、最大輸入電壓、工作方式及Y通道延遲時間等。（2）X軸通道包括時基因數(shù)、工作方式、觸發(fā)方式、耦合方式及外觸發(fā)最大輸入電壓等。（3）主機(jī)包括顯示尺寸、后加速陽極電壓、校準(zhǔn)信號等。,3通用示波器的面板示意圖,3通用示波器的面板示意圖（1）CH1（X）通道1：垂直輸入端。（2）CH2（Y）通道2：垂直輸入端。（3）VOLTS/DIV輸入衰減器。（4）VERTMODE：垂直方式選擇開關(guān)。（5）SOURCE觸發(fā)源選擇開關(guān)。（6）COUPLING觸發(fā)信號耦合方式開關(guān)。（7）TIME/DIV掃描時間選擇開關(guān)。（8）SWEEPMODE掃描方式選擇開關(guān)。（9）EXTTRIG和EXTHOR外觸發(fā)和外水平共用輸入端。（10）LEVELHOLDOFF觸發(fā)電平和釋抑時間雙重控制旋鈕。（11）X-Y方式。,4探頭的正確使用常見探頭為低電容高電阻探頭：,低電容探頭的應(yīng)用使輸入阻抗大大提高，特別是輸入電容大大減小。但是，將使示波器的靈敏度有所下降。探頭和示波器是配套使用的，不能互換，否則將會導(dǎo)致分壓比誤差增加或高頻補(bǔ)償不當(dāng)。低電容高電阻探頭的校正方法是以良好的方波電壓通過探頭加到示波器，微調(diào)電容C以達(dá)到出現(xiàn)良好的方波。,7.6.3用示波器測量電壓,1直流電壓的測量（1）測量原理利用被測電壓在屏幕上呈現(xiàn)的直線偏離時間基線（零電平線）的高度與被測電壓的大小成正比的關(guān)系進(jìn)行的。為被測直流電壓值，h為被測直流信號線的電壓偏離零電平線的高度；為示波器的垂直靈敏度，k為探頭衰減系數(shù)。,（2）測量方法1）將示波器的垂直偏轉(zhuǎn)靈敏度微調(diào)旋鈕置于校準(zhǔn)位置（CAL）。2）將待測信號送至示波器的垂直輸入端。3）確定零電平線。4）將示波器的輸入耦合開關(guān)撥向“DC”檔，確定直流電壓的極性。5）讀出被測直流電壓偏離零電平線的距離h。6）計算被測直流電壓值。,例7-1示波器測直流電壓及垂直靈敏度開關(guān)示意圖如圖所示，h=4cm、Dy=0.5V/cm、若k=10：1，求被測直流電壓值。,(V),2交流電壓的測量（1）測量原理為被測交流電壓值（峰-峰值）；h為被測交流電壓波峰和波谷的高度或任意兩點(diǎn)間的高度；為示波器的垂直靈敏度；為探頭衰減系數(shù)。（2）測量方法垂直偏轉(zhuǎn)靈敏度微調(diào)旋鈕置于校準(zhǔn)位置；接入待測信號；輸入耦合開關(guān)置于“AC”；調(diào)節(jié)掃描速度使波形穩(wěn)定顯示；調(diào)節(jié)垂直靈敏度開關(guān)；讀出被測交流電壓波峰和波谷的高度；計算被測交流電壓的峰-峰值。,例7-2示波器正弦電壓如圖所示，h=8cm、Dy=1V/cm、若K=1:1，求被測正弦信號的峰-峰值和有效值。正弦信號的峰-峰值為正弦信號的有效值為,V,7.6.4用示波器測量時間和頻率,1測量周期和頻率（1）測量原理被測交流信號的周期（x為被測交流信號的一個周期在熒光屏水平方向所占距離；為示波器的掃描速度；為X軸擴(kuò)展倍率。周期的倒數(shù)即為頻率。,（2）周期和頻率測量方法1）將示波器的掃描速度微調(diào)旋鈕置于“校準(zhǔn)”位置。2）將待測信號送至示波器的垂直輸入端。3）將示波器的輸入耦合開關(guān)置于“AC”位置。4）調(diào)節(jié)掃描速度開關(guān)，記錄值。5）讀出被測交流信號的一個周期在熒光屏水平方向所占的距離x。6）計算被測交流信號的周期。,例7-3熒光屏上的波形如圖所示，信號一周期7cm，掃描速度開關(guān)置于“10ms/cm”位置，掃描擴(kuò)展置于“拉出10”位置，求被測信號的周期。,ms,2測量時間間隔（1）測量同一信號中任意兩點(diǎn)A與B的時間間隔的測量方法如下圖。A與B的時間間隔（為A與B的時間間隔在熒光屏水平方向所占距離，為示波器的