時域測量課件

1、第六章 時域測量本章要點： 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，從三個方面去進行研究，即時域(Time Domain)反映的幅度U與時間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)。本章介紹一種重要的圖示式儀器示波器。T圖6.1 調(diào)頻波的3域圖FU調(diào)制域頻域時域6.1 時域測量引論6.1.1 示波器的功用1. 示波器是一種基本的、應(yīng)用最廣泛的時域測量儀

2、器。2. 是一種全息儀器。示波器能讓人們觀察到信號波形的全貌，能測量信號的幅度、頻率、周期等基本參量，能測量脈沖信號的脈寬、占空比、上升（下降）時間、上沖、振鈴等參數(shù)，還能測量兩個信號的時間和相位關(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，已發(fā)展到可以進行精確測量。4. 示波器是其它圖示式儀器的基礎(chǔ)。對掃頻儀、頻譜儀、邏輯分析儀等儀器容易理解。6.1.2 示波器的分類技術(shù)原理上分為：模擬示波器和數(shù)字示波器。也有廠家將模擬示波器稱第一代示波器，而數(shù)字示波器按技術(shù)進步情況已分為二、三、四代了。按顯示屏可分為：陰極射線示波管（CRT）、液晶屏（TFT）及熒光屏（VFD）按

3、顯示原理分為：光點掃描、光柵掃描和矩陣像素點顯示等按帶寬分檔情況：模擬示波器60MHz以下為低檔，300MHz以上算高檔，最高帶寬只做到12GHz水平；數(shù)字示波器500MHz以下為低檔，5002GHz為中檔，2GHz以上為高檔。 當(dāng)今數(shù)字示波器雖已占主導(dǎo)地位，但模擬示波器是數(shù)字示波器的基礎(chǔ)，許多基本原理、術(shù)語、技術(shù)指標(biāo)和應(yīng)用方法都是在模擬示波器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，有些領(lǐng)域還在應(yīng)用模擬示波器及其相關(guān)的技術(shù)產(chǎn)品，因此開始還得先介紹模擬示波器，然后重點討論數(shù)字示波器。6.1.3 示波器的組成 示波器主要由Y(垂直）通道、X（水平）通道和顯示屏三大部分組成：Y（垂直）通道：由探頭、衰減器、前置放大器、

4、延遲線和輸出放大器組成，主要對被測信號進行不失真的線性放大，以保證示波器的測量靈敏度。X（水平）通道：由觸發(fā)電路、時基發(fā)生器和水平輸出放大器組成，主要產(chǎn)生與被測信號相適應(yīng)的掃描鋸齒波。顯示屏：種類很多，有示波管（主要由陰極射線管組成，常以CRT ，Cathode Ray Tube表示）、液晶屏TFT及熒光屏VFD等。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顯示屏的種類 當(dāng)前用于示波器的主要是：示波管、TFT液晶屏及熒光屏VFD。本節(jié)著重介紹當(dāng)前應(yīng)用最廣的示波管和TFT液晶屏。 示波管CRT靜電偏轉(zhuǎn)：光點軌跡顯示-用于示波器、雷達距離顯示器、醫(yī)療儀器磁場偏轉(zhuǎn)：光柵增輝

5、顯示-用于電視機、醫(yī)療儀器、雷達環(huán)顯等被動發(fā)光：液晶屏LCD+背光板-數(shù)字三用表等小型電子儀器平板顯示FPD主動發(fā)光液晶屏TFT-示波器、計算機顯示器、電視機顯示器等熒光屏VFD-示波器、家電產(chǎn)品的顯示屏等離子PDP-電視機顯示屏發(fā)光二極管LED-數(shù)字儀表、大型廣告顯示屏場致發(fā)射FED-成品率低，尚處商品化研發(fā)中電致發(fā)光EL板-儀表數(shù)顯、廣告裝飾顯示屏的 種類6.2. 示波管及波形顯示原理 示波管屬于電真空器件，又稱為陰極射線管（CRT）,分三部分。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

6、極射線示波管Z軸蘭色：電力線紅色：等位面6.2.1 示波管1. 電子槍電子槍的作用是發(fā)射電子并形成強度可控制的很細的電子束。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 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。5.第一陽極A1與第二陽極A2構(gòu)成一個電子透鏡，對電子束起聚焦作用。 6.第二陽極A2是個更

7、大的同軸圓筒，其上電壓較高，它主要與A1構(gòu)成電子透鏡。 7.第三陽極A3具有上萬伏的高壓，用于對電子束加速，故也稱后加速陽極。 2. 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)1靜電偏轉(zhuǎn)-光點法-用于示波器2. 磁偏轉(zhuǎn)-光柵法-用于電視機、計算機顯示器。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)。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能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?，產(chǎn)生亮點。 余輝時間：當(dāng)電子束從熒光屏上移去后，光點仍能在屏上保持一定的時間才消失。從電子束移去到光點亮度下降

8、為原始值的10，所延續(xù)的時間稱為余輝時間 小于10s的為極短余輝； 不同熒光材料余輝時間不一樣：10s1ms為短余輝（通常是藍色，便于攝影感光）；1ms0.1s為中余輝（通常為綠色，眼睛不易疲勞）； 0.1s1s為長余輝（通常是黃色）；大于1s為極長余輝（通常是黃色）。6.2.2示波管波形顯示原理1.光點掃描顯示原理 光點位置控制：(示波管熒光屏)uyY1Y212340t13024(a)(b)tX2X100uxTsTn+ + + +- - - - - - -+ + +光點在合力作用下移動.242.信號與掃描電壓的同步uy12340tTsuxuyuxX1X2Y1Y212340t0Tn12340圖

9、6.5 掃描過程uyTst0135791086420,81,9537210468圖6.6 掃描電壓與被測信號同步同步：Tn/TS=nn=1，2，波形穩(wěn)定若顯示兩個正弦波怎么辦？Tn1tux2579123344566710883.連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描連續(xù)掃描：掃描電壓是連續(xù)的；一開機就有掃描線，來信號同步后波形才穩(wěn)定。觸發(fā)掃描：掃描電壓只在需要的某段出現(xiàn)；一開機沒有掃描線，來信號觸發(fā)后波形才穩(wěn)定。TsttttuyuxuxuxTnTn圖6.8 連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描的比較1mS1s999s6.4 模擬示波器6.4.1 模擬示波器的組成模擬示波器是示波器中應(yīng)用最廣泛的一種，它通常泛指采用單束示波管，除取樣

10、示波器及專用示波器以外的各種示波器。 圖6.12 模擬示波器的主要組成框圖6.4.2 示波器的Y(垂直)通道示波器的Y通道的任務(wù)是將被觀測的信號盡量不失真地加到示波管Y偏轉(zhuǎn)板上。 1.探頭（探極）作用提高輸入阻抗作用減小外界干擾提高可測電壓幅度分類無源電壓探頭有源電壓探頭有源電流探頭注意：探頭不能張冠李戴，必須配對使用。否則300MHz帶寬的示波器可能不到50MHz的效果。 展寬示波器使用頻帶1)無源電壓探頭20pF示波器180pF探頭圖6.13 分壓器式無源探頭電路輸入電阻：1M10M輸入電容：180pF18pF展寬了頻帶：50MHz左右圖中電阻9M和1M構(gòu)成分壓比：101擴展示波器的量程上

11、限同軸屏蔽電纜，抑制外界干擾信號，阻抗低，適用于被測信號源阻抗和示波器阻抗都比較低的情況；2) 有源電壓探頭 圖6.15 源極跟隨器式探頭的基本電路 現(xiàn)代示波器帶寬已達幾十GHz，相應(yīng)要求探頭必須也要寬頻帶，無源探頭已無法滿足。 實際好的寬帶探頭結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，售價好幾千元以上。 適于探測高頻小信號2.輸入耦合與衰減器cACDC50K1M地20p730pf.1001k10k100k1Mf1KHz10K 100K 1M 10M 100M 10M 50 AC：交流耦合，電容C隔直流，只能通過交流信號DC：直接耦合，信號中保留交直流成分與信號源不匹配時帶寬衰減很快，當(dāng)與50信號源匹配時可擴展帶寬圖6.1

12、6 輸入耦合電路及其頻率特性1）輸入耦合2）衰減器 圖6.17 輸入衰減器原理示意圖uiuoC1C2R1R2對于直流或低頻情況： 對于高頻情況 當(dāng)滿足 R1C1=R2C2 能在很寬頻率范圍得到最佳補償，使信號不失真。 R1C1=R2C2R1C1R2C2R1C1tb（釋抑放電時間大于回掃時間）圖6.21 比較和釋抑電路的工作UPuouitptw實用中只要選定s/cm，掃描環(huán)則會自動掃出合適的時基線。（不必調(diào)Tn/TS=n同步了）a5)連續(xù)掃描狀態(tài)予置：E0E1環(huán)路自激Ch放電至E1打開閘門，掃描開始，到Up ，Ch充電，到E2掃描結(jié)束，Ch又放電。當(dāng)有信號（紅色觸發(fā)脈沖）則環(huán)路被信號所同步。6)

13、結(jié)論： E0調(diào)節(jié)觸發(fā)掃描：E1E0E2-常態(tài)連續(xù)掃描：E0E1E2-自動、低頻外觸發(fā)掃描： E0E2 -高頻掃描環(huán)的巧妙加入，通過調(diào)節(jié)E0（RW穩(wěn)定度）可使電路處于： “常態(tài)” 觸發(fā)掃描狀態(tài),無信號時無掃描線；“自動” 低頻連續(xù)掃描狀態(tài)，無信號時有掃描線；“高頻” 高頻連續(xù)掃描狀態(tài)且不管哪種掃描都能自動與被測信號同步。 說明：上面是以最簡單的電路來講述環(huán)路工作原理的，實際 電路更完善更先進。3.X放大器（見圖6.19） 1)作用：放大掃描鋸齒電壓并對稱地加至水平偏轉(zhuǎn)板2)特點：帶寬比Y通道窄，僅為Y通道的1/101/53)按鈕：水平（X）位移- X-Y工作模式- X接任意信號， 形成X-Y圖示

14、儀 X擴展-X放大器增益：5；10 圖6.23 X擴展示意圖6.4.4 示波器的多波形顯示1.多線顯示和多蹤顯示1)多線顯示兩個電子束，兩套X、Y偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，且兩個Y通道相互獨立，可以實時看到兩個瞬變信號。這種能產(chǎn)生多個電子束的示波管工藝要求較高、價格較貴。 2)多蹤顯示uAuB圖6.24 雙蹤示波器Y通道方框圖工作方式：交替：每個掃描周期接通一個通道，利用屏幕的余輝和人眼的殘留效應(yīng)顯示兩個波形；斷續(xù)：開關(guān)信號分別對兩個被測通道（信號）輪流實時接通（取樣），每個掃描周期同時顯示兩個信號波形；注意：由誰觸發(fā)？A、B各自觸發(fā)，則不便比較時間關(guān)系。A、B共一觸發(fā)，便于比較時間關(guān)系。(a) “交替”方式

15、 適合觀測高頻信號 交替描繪A、B兩路 非實時（隔周）比較 (b) “斷續(xù)”方式 適合觀測低頻信號 多次取樣，準(zhǔn)實時 ，波形非連續(xù)，可能漏掉信息uAuAuBuB2.雙時基掃描 有兩個獨立的觸發(fā)和掃描電路，適合觀測一個波形的全景和局部。 圖6.26 雙掃描示波器的組成工作方式：B加亮A；A延遲B工作 6.4.5 模擬示波器的應(yīng)用 1.通用示波器的主要技術(shù)指標(biāo) 1)帶寬、上升時間Y通道的頻帶寬度(BW)， 2)掃描速度掃描速度反映示波器在水平方向展開信號的能力。掃描速度是光點的水平移動速度，單位是s/cm，或s/div。div(格)一般為1cm。3)偏轉(zhuǎn)靈敏度偏轉(zhuǎn)靈敏度Dy反映示波器觀察微弱信號的

16、能力。單位為mV/cm或mV/div。4)輸入阻抗示波器輸入阻抗一般可等效為電阻和電容并聯(lián)。5)掃描方式 示波器掃描方式可分為連續(xù)和觸發(fā)掃描兩種，隨示波器功能發(fā)展，還出現(xiàn)了多種雙時基掃描。 6)觸發(fā)特性 為了將被測信號穩(wěn)定地顯示在屏幕上，掃描電壓必須在一定的觸發(fā)脈沖作用下產(chǎn)生。包括內(nèi)觸發(fā)、外觸發(fā)和電源觸發(fā)的選擇，以及觸發(fā)電平和極性的選擇。 2.通用示波器的選用原則選用示波器的主要依據(jù)是上述各項技術(shù)性能指標(biāo)，但最主要的是頻帶。 示波器Y通道BW=100MHztr=0.35/BW =3.5nStx=0tx=10nstr=3.5nstrx=？trx=10+3.5 ？因兩獨立變量應(yīng)均方相加則 希望有 ，則 經(jīng)誤差分析， trx/trx%圖6.28 示波器帶寬對讀出誤差的影響可得右圖關(guān)系：當(dāng)tx/tr=1時，屏幕讀數(shù)相對誤差 通常要求選用的示波器上升時間要 tx/tr=35 對于一般連續(xù)信號 BW/fh=35 這里fh是被測信號中的最高頻率分量。3.模擬示波器的基本測量方法利用示波器可以進行電壓、頻