[工學(xué)]時(shí)域測(cè)量part課件

1、art1第六章 時(shí)域測(cè)量第六章 時(shí)域測(cè)量本章要點(diǎn)： 示波器的功用、分類、組成和波形顯示原理 通用示波器的組成原理、特性與應(yīng)用 取樣技術(shù)在示波器中的應(yīng)用 數(shù)字示波器的組成原理、信號(hào)采集處理技術(shù)、特性與功能本章開始將介紹幾種圖示式儀器，從三個(gè)方面去進(jìn)行研究，即時(shí)域(Time Domain)反映的幅度U與時(shí)間T的關(guān)系(如示波器)、頻域(Frequency Domain)反映的幅度U與頻率F的關(guān)系(如頻譜儀)及調(diào)制域(Modulation Domain)。下面將分三章介紹三種圖示式儀器：時(shí)域示波器、頻域頻譜儀和數(shù)據(jù)域邏輯分析儀。 T圖6.1 調(diào)頻波頻譜圖FU調(diào)制域頻域時(shí)域概述 在電子測(cè)量中，通常希望直

2、觀地看到電信號(hào)隨時(shí)間變化的圖形，時(shí)域波形測(cè)量技術(shù)及電子示波器就是實(shí)現(xiàn)人們這種愿望的。示波器不但可將電信號(hào)作為時(shí)間的函數(shù)顯示在屏幕上，更廣義地講，示波器是一種能夠反映任何兩個(gè)參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的XY坐標(biāo)圖形的顯示儀器，只要把兩個(gè)有關(guān)系的變量轉(zhuǎn)化為電參數(shù)，分別加至X、Y通道，就可以在熒光屏上顯示這兩個(gè)變量之間的關(guān)系。如頻譜儀和邏輯分析儀都可以看成為廣義示波器。因此，示波測(cè)量技術(shù)是一類重要的基本測(cè)量技術(shù)。示波器是時(shí)域分析的最典型、最常用的儀器。6.1.1 示波器的功用1. 示波器是一種基本的、應(yīng)用最廣泛的時(shí)域測(cè)量?jī)x器。2. 是一種全息儀器。示波器能讓人們觀察到信號(hào)波形的全貌，能測(cè)量信號(hào)的幅度、頻率、周期等

3、基本參量，能測(cè)量脈沖信號(hào)的脈寬、占空比、上升（下降）時(shí)間、上沖、振鈴等參數(shù)，還能測(cè)量?jī)蓚€(gè)信號(hào)的時(shí)間和相位關(guān)系。這些功能是其它電子儀器難以勝任的。 3. 示波器從早期的定性觀測(cè)，已發(fā)展到可以進(jìn)行精確測(cè)量。4. 示波器是其它圖式儀器的基礎(chǔ)。對(duì)掃頻儀、頻譜儀、邏輯分析儀以及醫(yī)用B超等各種圖示儀器就容易理解了。6.1.2 示波器的分類一、當(dāng)前常用的示波器從技術(shù)原理上可分為： （1）模擬式通用示波器（采用單束示波管實(shí)現(xiàn)顯示，當(dāng)前 最通用的示波器）。 （2）數(shù)字式數(shù)字存儲(chǔ)示波器（采用A/D、DSP等技術(shù)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字化示波器）。（1）中、低檔示波器，帶寬在60MHz以下。 （2）高檔示波器，帶寬在60MHz以

4、上，大多在300MHz以下。 更高檔的有1GHz2GHz以上。 從性能上，按示波器的帶寬可分為： 1、模擬示波器（信號(hào)頻率一般在200MHz以下）通用示波器：采用單束示波管，根據(jù)能在熒光屏上顯示出的信號(hào)數(shù)目，可分為單蹤、雙蹤和多蹤示波器。多束示波器：又稱多線示波器。它采用多束示波管，熒光屏上顯示的每個(gè)波形都由單獨(dú)的電子束掃描產(chǎn)生，能同時(shí)觀測(cè)、比較兩個(gè)以上的波形。取樣示波器：采用時(shí)域采樣技術(shù)將高頻周期信號(hào)轉(zhuǎn)換為低頻離散時(shí)間信號(hào)顯示，從而可以用較低頻率的示波器測(cè)量高頻信號(hào)。記憶示波器：采用具有記憶功能的示波管，能實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的存儲(chǔ)、記憶和反復(fù)顯示，特別適宜觀測(cè)單次瞬變信號(hào)。專用示波器：能夠滿足特殊

5、用途的示波器。如矢量示波器、心電示波器、電視示波器、邏輯示波器等。2。數(shù)字示波器（DSO:Digital Storage Oscilloscope）數(shù)字示波器將輸入信號(hào)數(shù)字化（即時(shí)域取樣和幅值量化）后，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器再重建波形顯示。它具有記憶、存儲(chǔ)被觀察信號(hào)功能，可用來觀測(cè)和比較單次過程和非周期現(xiàn)象、低頻和慢速信號(hào)。根據(jù)取樣方式不同，數(shù)字示波器可分為：實(shí)時(shí)取樣、隨機(jī)取樣和順序取樣三大類。由于模擬電路的帶寬限制，100MHz以上的示波器，以數(shù)字示波器為主。二、主要技術(shù)指標(biāo)1。頻帶寬度BW和上升時(shí)間tr頻帶寬度BW:一般指Y通道的頻帶寬度，為Y通道輸入信號(hào)的上、下限頻率。下限頻率一般為0Hz，故以

6、信號(hào)上限頻率為其帶寬。上升時(shí)間tr：是與帶寬相關(guān)的參數(shù)，表示由于示波器Y通道的頻帶寬度的限制，當(dāng)輸入一個(gè)理想階躍信號(hào)（上升時(shí)間為0）時(shí)，顯示波形的上升沿從10%上升到90%所需時(shí)間。它反映了示波器Y通道跟蹤輸入信號(hào)變化的能力：2。掃描速度 掃描速度：指熒光屏上單位時(shí)間內(nèi)光點(diǎn)水平移動(dòng)的距離，單位為“cm/s”。由于熒光屏上通常以1cm間隔做坐標(biāo)線刻度，1cm稱為“1格”(用div表示)，故掃描速度的單位也為“1div/s”。 時(shí)基因數(shù)：掃描速度的倒數(shù)稱為時(shí)基因數(shù)，表示單位距離代表的時(shí)間，單位為“s/cm”或“ms/div”。在示波器面板上有此參數(shù)的旋鈕，用以展開高頻信號(hào)的時(shí)間軸。同時(shí)設(shè)有微調(diào)和擴(kuò)

7、展旋鈕。3。偏轉(zhuǎn)因數(shù)偏轉(zhuǎn)因數(shù)：指在輸入信號(hào)作用下，光點(diǎn)在熒光屏上垂直（Y）方向移動(dòng)1cm（即1div）所需的電壓值，單位為“V/cm”、”mV/cm”、（或“V/div”、”mV/div”）。示波器面板上也有其旋鈕和微調(diào)旋鈕。偏轉(zhuǎn)靈敏度：偏轉(zhuǎn)因數(shù)的倒數(shù)稱為靈敏度。4。輸入阻抗 當(dāng)被測(cè)信號(hào)接入示波器時(shí)，其輸入阻抗形成被測(cè)信號(hào)的等效負(fù)載。當(dāng)輸入直流信號(hào)時(shí)，輸入阻抗表現(xiàn)為輸入電阻，一般為1M；當(dāng)輸入為交流信號(hào)時(shí)，輸入阻抗用輸入電阻和輸入電容Ci的并聯(lián)表示，Ci一般在33pF左右，當(dāng)使用有源探頭時(shí)，Ri=10M ，Ci10pF。5。輸入方式指輸入的耦合方式。一般有直流（DC）、交流（AC）和接地（GN

8、D）三種。 直流方式：即直接耦合方式，輸入信號(hào)的所有成分都加到示波器上。 交流方式：通過隔直電容去掉直流和低頻分量，僅將交流分量加到示波器。 接地方式：斷開輸入信號(hào)，將Y通道接地。常用來在測(cè)量信號(hào)幅度時(shí)確定零電平位置。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(hào)來源。一般有內(nèi)觸發(fā)（INT）、外觸發(fā)（EXT）、電源觸發(fā)（LINE）。 內(nèi)觸發(fā)：用輸入信號(hào)產(chǎn)生同步觸發(fā)信號(hào)。 外觸發(fā)：由外部輸入信號(hào)產(chǎn)生同步觸發(fā)信號(hào)，通常此信號(hào)與被測(cè)信號(hào)具有某種時(shí)間同步關(guān)系。 電源觸發(fā)：即利用50Hz工頻電源產(chǎn)生同步觸發(fā)信號(hào)。6.1.3 示波器的組成 Y（垂直）通道：由探頭、衰減器、前置放大器、延遲線和輸

9、出放大器組成，實(shí)質(zhì)上是個(gè)多級(jí)寬頻帶、高增益放大器，主要對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行不失真的線性放大，以保證示波器的測(cè)量靈敏度。X（水平）通道：由觸發(fā)電路、時(shí)基發(fā)生器和水平輸出放大器組成，主要產(chǎn)生與被測(cè)信號(hào)相適應(yīng)的掃描鋸齒波。顯示屏：主要由陰極射線管組成，常以CRT (Cathode Ray Tube)表示，通常稱為示波管。當(dāng)前以光點(diǎn)和光柵方式作顯示屏的主要采用示波管。另外，平板顯示屏是后起之秀，發(fā)展很快，尤其是液晶顯示屏（LCD）已經(jīng)應(yīng)用于示波器了。 Y (垂直)通 道X (水平)通 道電源圖6.2 示波器的基本組成顯示屏6.2 示波管（CRT） 示波管屬于電真空器件，又稱為陰極射線管（CRT）。KG1G2

10、A1A2Y2X2F6.3V-1KV0VX1亮度Ug1聚焦UA1輔助聚焦后加速極A315KV電子槍偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)熒光屏Y1真空玻璃管圖6.3 陰極射線示波管Z軸目前示波器的顯示器有陰極射線管（CRT）和平板顯示器（LCD）兩大類。CRT主要由電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三部分組成，他們被密封在真空的玻璃管內(nèi)。F：燈絲，K：陰極，G：柵極，A：陽極。6.2.1 電子槍電子槍的作用是發(fā)射電子并形成強(qiáng)度可控制的很細(xì)的電子束。它由以下幾部分組成： 1.燈絲F在交流低壓(如6.3V)下使鎢絲燒熱,用于加熱陰極。2.陰極K是一個(gè)表面涂有氧化鋇（其逸出功小，內(nèi)部自由電子容易逸出）的金屬 KG1G2A1A2Y2X2F6.

11、3V-1KV0VX1亮度Ug1聚焦UA1輔助聚焦后加速極A315KV電子槍偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)熒光屏Y1真空玻璃管圖6.3 陰極射線示波管陰極發(fā)射電子：當(dāng)電流流過燈絲后對(duì)陰極加熱，使涂有氧化物的陰極產(chǎn)生大量電子，在后續(xù)電場(chǎng)的作用下加速運(yùn)動(dòng)，去轟擊熒光屏發(fā)光。亮度控制：陰極與第一、第二陽極（A1、A2）之間為控制柵極（G1、G2），G1呈圓筒狀，包圍著陰極，只在面向熒光屏的方向開一個(gè)小孔讓電子通過。柵極的作用：通過調(diào)節(jié)G1對(duì)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“輝度”控制。聚焦與加速：當(dāng)電子離開柵極小孔時(shí)，相互排斥而發(fā)散。通過第一陽極A1使電子會(huì)聚，通過第二陽極A2使電子加速。G2與A2具有

12、相等的電位，只要調(diào)節(jié)A1的電位，即可調(diào)節(jié)G1與A1、A1與A2之間的電位，實(shí)現(xiàn)聚焦。3.第一柵極G1調(diào)節(jié)G1的電位可以調(diào)節(jié)示波器的亮度，常置于示波器面板上供使用。 當(dāng)控制信號(hào)加于G1，其亮度可隨之改變，則可以傳遞信息，稱為示波器的Z軸電路。4.第二柵極G2隔離開G1和A1，以減小亮度調(diào)節(jié)與聚焦調(diào)節(jié)的相互影響。KG1G2A1A2Y2X2F6.3V-1KV0VX1亮度Ug1聚焦UA1輔助聚焦后加速極A315KV電子槍偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)熒光屏Y1真空玻璃管圖6.3 陰極射線示波管5.第一陽極A1與第二陽極A2構(gòu)成一個(gè)電子透鏡，對(duì)電子束起聚焦作用。 6.第二陽極A2是個(gè)更大的同軸圓筒，其上電壓較高，它主要與A1

13、構(gòu)成電子透鏡。 7.第三陽極A3具有上萬伏的高壓，用于對(duì)電子束加速，故也稱后加速陽極。 KG1G2A1A2Y2X2F6.3V-1KV0VX1亮度Ug1聚焦UA1輔助聚焦后加速極A315KV電子槍偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)熒光屏Y1真空玻璃管圖6.3 陰極射線示波管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(dòng)軌跡如下圖所示。 電子從陰極K發(fā)射，經(jīng)G1、G2、A1、A2進(jìn)入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。其電位關(guān)系為：VG1VG1、VA1VA1。電子穿過加速場(chǎng)時(shí)得到會(huì)聚并加速，穿過減速場(chǎng)時(shí)將發(fā)散并減速。6.2.2 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)1靜電偏轉(zhuǎn)-光點(diǎn)法-用于示波器2.磁偏轉(zhuǎn)-光柵法-用

14、于電視機(jī)、計(jì)算機(jī)顯示器及示波器。圖6.4 電子束的偏轉(zhuǎn)LSYUyUa屏幕電子束A2比例系數(shù)稱為示波管的偏轉(zhuǎn)因數(shù)，單位為cm/V，它的倒數(shù)Dy1hy稱為示波管的偏轉(zhuǎn)靈敏度，單位為V/cm。偏轉(zhuǎn)靈敏度是示波管的重要參數(shù)。6.2.3 熒光屏在示波管正面內(nèi)壁涂上一層熒光物質(zhì)，熒光物質(zhì)將高速電子的轟擊動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?，產(chǎn)生亮點(diǎn)。 余輝時(shí)間：當(dāng)電子束從熒光屏上移去后，光點(diǎn)仍能在屏上保持一定的時(shí)間才消失。從電子束移去到光點(diǎn)：亮度下降為原始值的10，所延續(xù)的時(shí)間稱為余輝時(shí)間 小于10s的為極短余輝； 不同熒光材料余輝時(shí)間不一樣：10s1ms為短余輝（通常是藍(lán)色，便于攝影感光）；1ms0.1s為中余輝（通常為綠色

15、，眼睛不易疲勞）； 0.1s1s為長(zhǎng)余輝（通常是黃色）；大于1s為極長(zhǎng)余輝（通常是黃色）。6.3波形顯示原理6.3.1 顯示隨時(shí)間變化的圖形 1.光點(diǎn)掃描顯示原理 光點(diǎn)位置控制： uyY1Y212340t13024(a)(b)tX2X100uxTsTn+ + + +- - - - - - -+ + +光點(diǎn)在合力作用下移動(dòng).2.信號(hào)與掃描電壓的同步uy12340tTsuxuyuxX1X2Y1Y212340t0Tn12340圖6.6 掃描過程uyTsTnt0135791086420,81,9537210412681tux25791233445667108圖6.7 掃描電壓與被測(cè)信號(hào)同步同步：Tn/

16、TS=nN=1，2，波形穩(wěn)定3.連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描連續(xù)掃描：一開機(jī)就有掃描線，來信號(hào)同步后波形才穩(wěn)定。觸發(fā)掃描：一開機(jī)沒有掃描線，來信號(hào)觸發(fā)后波形才穩(wěn)定。TsttttuyuxuxuxTnTn圖6.9 連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描的比較1mS1S1顯示隨時(shí)間變化的圖形（1）Ux、Uy為固定電壓時(shí)，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(shí)，光點(diǎn)從熒光屏的中心往垂直方向上移；Uy為負(fù)電壓時(shí)，光點(diǎn)從熒光屏的中心往垂直方向下移。 1顯示隨時(shí)間變化的圖形（續(xù)）光點(diǎn)僅在水平方向偏移 ：Ux為正電壓時(shí)，光點(diǎn)從熒光屏的中心往水平方向右移；Ux為負(fù)電壓時(shí)，光點(diǎn)從熒光屏的中心往水

17、平方向左移。 當(dāng)兩對(duì)偏轉(zhuǎn)板上同時(shí)加固定的正電壓時(shí)，光點(diǎn)位置應(yīng)為兩電壓的矢量合成。 7.2.2 波形顯示的基本原理1顯示隨時(shí)間變化的圖形（續(xù)）（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(dòng)，出現(xiàn)一條垂直線段。 1顯示隨時(shí)間變化的圖形（續(xù)）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(dòng)，出現(xiàn)一條水平線段。1顯示隨時(shí)間變化的圖形（續(xù)）（3）Y偏轉(zhuǎn)板加正弦波信號(hào)電壓，X偏轉(zhuǎn)板加鋸齒波電壓，熒光屏上將顯示出被測(cè)信號(hào)隨時(shí)間變化的一個(gè)周期的波形曲線。 2顯示任意兩個(gè)變量之間的關(guān)系 示波器兩個(gè)偏轉(zhuǎn)板上都加正弦

18、電壓時(shí)顯示的圖形稱為李沙育（Lissajous）圖形，這種圖形在相位和頻率測(cè)量中常會(huì)用到。 若兩信號(hào)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。 2顯示任意兩個(gè)變量之間的關(guān)系（續(xù)）若兩信號(hào)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(gè)隨時(shí)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(dòng)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(dòng)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