電子測量技術(shù)第五章

第五章示波測試和測量技術(shù)5-1概述一、示波器的特點(diǎn)1、直接觀測和真實(shí)顯示被測波形。可顯示脈沖信號的前后沿、脈寬、上升下降時(shí)間。2、是時(shí)域測試典型儀器，能檢測信號波形是否正常，有無失真以及相關(guān)關(guān)系。3、X-Y圖示儀。

4、是多種電量和非電量測試和測量中的基本測試儀器。通過描繪被研究的信號隨時(shí)間的變化，可用于調(diào)試電子電路、維修儀器設(shè)備。是構(gòu)成其他兩個(gè)測試領(lǐng)域的儀器設(shè)備的基礎(chǔ)。二、示波器的分類模擬數(shù)字示波器模擬示波器數(shù)字示波器三、主要技術(shù)特點(diǎn)1、通頻帶fB、上升時(shí)間tr2、偏轉(zhuǎn)靈敏度Sy：3、掃描速度：單位為cm/S或div/S4、輸入阻抗：為f的函數(shù)，等效為RC電路F：燈絲K：陰極G1：柵極A1：第一陽極A2：第二陽極G2：第二柵極5-2示波測試的基本原理一陰極射線示波管（CRT）組成：電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、熒光屏1、電子槍（INTENSITY）（FOCUS）（AUXFOCUS）下面分析電子穿越加速場和減速場V1V2〈V1V2〉加速場減速場2、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)組成：X1、X2、Y1、Y2作用：確定任一瞬間光點(diǎn)在熒光屏的坐標(biāo)以Y板為例A2Vy+-bLVaSyY方向的偏轉(zhuǎn)距離同理，可討論X偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的位移引入PDA系統(tǒng)（先偏轉(zhuǎn)后加速系統(tǒng)）為使示波器靈敏度高，采用PDA系統(tǒng)PDA系統(tǒng)：降低第二陽極的電壓，在偏轉(zhuǎn)板與熒光屏之間，在內(nèi)壁石墨導(dǎo)電層開幾個(gè)環(huán)狀的間隙，加10——15KV的高壓，逐漸加速，避免影響偏轉(zhuǎn)分類：分段式和螺旋式比較：普通示波器：采用PDA：≤0.5mm/V5—6mm/V3、熒光屏鋁膜熒光物質(zhì)玻璃鋁膜的作用：散熱吸收二次電子和負(fù)離子反射作用1）結(jié)構(gòu)2）余輝時(shí)間：從電子束移去到光點(diǎn)亮度下降到原始值的10%的時(shí)間分為：極短余輝、短余輝、中余輝、長余輝、極長余輝連續(xù)移動的軌跡？余輝和人眼的惰性二圖像顯示原理偏轉(zhuǎn)原理：靜電場力或磁場力顯示信號的類型：

A顯示隨時(shí)間變化的信號B顯示任意兩個(gè)變量的關(guān)系1、顯示隨時(shí)間變化的信號（1）Ux、Uy為固定電壓時(shí)，(a)

Vx=Vy=0

(b)Vx=0，Vy=常量

(c)Vx=常量，Vy=0(d)Vx=常量，Vy=常量

Ux0123401324Ux-Uxt僅在X偏轉(zhuǎn)板加鋸齒波信號

，則熒光屏出現(xiàn)一條水平亮線。（2）Ux、Uy為變化電壓時(shí)（時(shí)基亮線）若在Y垂直偏轉(zhuǎn)板的加正弦變化的電壓Uy0123401324Uy-Uyt熒光屏出現(xiàn)一條垂直亮線若Y偏轉(zhuǎn)板加正弦波電壓，X偏轉(zhuǎn)板加鋸齒波電壓Uy0123401324Uy-Uyt0UxtUx-Ux熒光屏上將顯示出被測信號隨時(shí)間變化的波形總結(jié)：要顯示隨時(shí)間變化的信號，將被觀測信號加到Y(jié)軸，而X軸加掃描電壓（1）、掃描幾個(gè)概念：掃描、掃描電壓、掃描正程、掃描回程掃描：光點(diǎn)在鋸齒波作用下掃動的過程掃描電壓：能實(shí)現(xiàn)掃描的鋸齒波電壓掃描正程：光點(diǎn)自左向右的連續(xù)掃動的過程掃描逆程：光點(diǎn)自熒光屏的右端迅速返回左端起掃點(diǎn)的過程2、一些概念其中Tx：掃描電壓的周期Ty：被測信號的周期例：若n=2，即Tn=2Ts，見圖3-4（2）同步目的：波形穩(wěn)定（a）Tx=nTy(n為正整數(shù))如果保持Tx=nTy的關(guān)系，則稱掃描電壓與被測電壓“同步”。

（b）Tx≠nTy(n為正整數(shù))，即不滿足同步關(guān)系時(shí)顯示的波形不穩(wěn)定（3）、掃描的分類

Ts被測脈沖連續(xù)掃描Tn=Tst

TntTn連續(xù)掃描Tn=t觸發(fā)掃描tvy**連續(xù)掃描的特點(diǎn)：1、掃描發(fā)生器連續(xù)工作；2、無輸入信號時(shí)顯示一條時(shí)基線；**觸發(fā)掃描的特點(diǎn)：1、被測脈沖到來時(shí)掃描一次；2、平時(shí)為等待掃描狀態(tài)；3、主要用于觀測占空比很小的脈沖，掃描電壓持續(xù)時(shí)間的選擇應(yīng)等于或稍大于脈沖底寬。在有的示波器上，會有一個(gè)按鈕來進(jìn)行選擇。（4）增輝實(shí)際掃描回程需要時(shí)間，即解決措施：增輝----在掃描正程期間使電子槍發(fā)射更多的電子3、顯示兩個(gè)任意波形的關(guān)系若X、Y板分別加任意信號，圖形由兩信號共同決定X-Y圖示儀a、同振幅同頻同相：b、同振幅、同頻、相位差為90度如：兩個(gè)偏轉(zhuǎn)板上都加正弦電壓時(shí)顯示李沙育(Lissajous)圖形一、模擬示波器的基本組成示波管、垂直通道、水平通道5-3、通用示波器Y軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)X軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)Y輸入示波管X輸入Y輸入Y輸入電路Y前置放大器延遲線Y后置放大器增輝電路高壓電源低壓電源X放大電路掃描電路觸發(fā)電路校準(zhǔn)信號發(fā)生器外觸發(fā)輸入X輸入校準(zhǔn)信號輸出正高壓負(fù)高壓

（1）輸入耦合方式：AC、GND、DC三檔置“AC”時(shí)，輸入信號經(jīng)電容耦合到衰減器上，只有交流分量可通過，適于觀察交流信號。置“GND”時(shí)，用于確定零電平，即不需要斷開被測信號，可為示波器提供接地參考電平。置“DC”時(shí)，輸入信號直接接到衰減器，用于觀測頻率很低的信號或帶有直流分量的交流信號。二、Y通道（垂直通道）1、輸入電路：包括輸入選擇開關(guān)和衰減器。

(2)、輸入衰減器最佳補(bǔ)償條件過補(bǔ)償欠補(bǔ)償改變分壓比示波器的偏轉(zhuǎn)靈敏度粗調(diào)在面板上用“V/cm”標(biāo)記2．前置放大器

作用：將信號適當(dāng)放大，從中取出內(nèi)觸發(fā)信號，并具有偏轉(zhuǎn)因數(shù)微調(diào)、校正、Y軸位移、極性反轉(zhuǎn)等控制作用。

電路：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。

“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垂直方向的位置。

3、延遲線沒有延遲線時(shí)屏幕上顯示的脈沖有延遲線時(shí)屏幕上顯示的脈沖4．Y輸出放大器作用：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)。要求：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。電路：大都采用推挽式放大器，有利于提高共模抑制比?？刹捎酶淖冐?fù)反饋的方法改變放大器的增益（面板上的倍率“×5”或“×10”開關(guān)）。三、X通道作用：(1)產(chǎn)生一個(gè)與時(shí)間成線性關(guān)系的電壓，產(chǎn)生增輝和消隱信號控制Z系統(tǒng)（2）選擇適當(dāng)?shù)耐接|發(fā)信號，保持與Y輸入同步（3）放大掃描電壓或外接電壓組成：掃描發(fā)生器環(huán)、觸發(fā)電路、X放大器觸發(fā)電路觸發(fā)耦合方式選擇

觸發(fā)源選擇放大整形電路掃描信號發(fā)生器比較和釋抑電路

掃描閘門掃描電壓產(chǎn)生電路X偏轉(zhuǎn)板

水平放大器1．觸發(fā)電路作用：為掃描信號發(fā)生器提供符合要求的觸發(fā)脈沖，加至掃描門。。內(nèi)觸發(fā)外觸發(fā)輸入電源觸發(fā)S1觸發(fā)源選擇C1觸發(fā)源耦合方式選擇S2DCACLFREJC2C3HFREJ觸發(fā)極性選擇觸發(fā)放大整形電路+–DCHFAC低抑內(nèi)外+–+–+–電源電平方式極性AC“極性”決定上升沿或下降沿觸發(fā)“電平”決定正半周或負(fù)半周觸發(fā)方式開關(guān)決定不同的耦合方式：AC、DC組成：方式開關(guān)、電平旋鈕、極性開關(guān)、S1開關(guān)組成。（1）觸發(fā)源選擇：一般有3種類型內(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(gè)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：一般設(shè)有4種“DC”直流耦合用于接入直流或緩慢變化的觸發(fā)信號“AC”交流耦合用于觀察從低頻到較高頻率的信號“LFREJ”低頻抑制耦合：用于觀察含有低頻干擾的信號。

“HFREJ”高頻抑制耦合：用于抑制高頻成分的耦合（4）觸發(fā)極性選擇和觸發(fā)電平調(diào)節(jié)觸發(fā)極性觸發(fā)電平指觸發(fā)點(diǎn)位于觸發(fā)源信號的上升沿還是下降沿。指觸發(fā)脈沖到來時(shí)所對應(yīng)的觸發(fā)放大器輸出電壓的瞬時(shí)值觸發(fā)極性和觸發(fā)電平?jīng)Q定觸發(fā)脈沖產(chǎn)生的時(shí)刻，并決定被顯示信號的起始點(diǎn)。（3）掃描觸發(fā)方式選擇（TRIGMODE）常態(tài)（NORM）觸發(fā)方式自動（AUTO）觸發(fā)方式電視（TV）觸發(fā)方式

（a）被測正弦信號（b）零電平正極性觸發(fā)（d）正電平負(fù)極性觸發(fā)（e）負(fù)電平負(fù)極性觸發(fā)（c）正電平正極性觸發(fā)（f）負(fù)電平正極性觸發(fā)0t023uy141432作用:對觸發(fā)信號進(jìn)行放大、整形，以滿足觸發(fā)信號的要求。（5）放大整形電路基本形式:電壓比較器2、掃描發(fā)生器環(huán)時(shí)基電路作用：產(chǎn)生掃描電壓組成：閘門電路、掃描電壓發(fā)生器、釋抑電路掃描門積分器比較和釋抑電路增輝至X放大器E（1）掃描門（時(shí)基閘門）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)。

E2E1tt0V0連續(xù)掃描時(shí)，沒有觸發(fā)信號也有門控信號輸出；觸發(fā)掃描時(shí)只有在觸發(fā)脈沖作用下才應(yīng)產(chǎn)生觸發(fā)信號。輸入端由三個(gè)方面信號控制：穩(wěn)定度——提供直流電位觸發(fā)電路——觸發(fā)脈沖釋抑電路——釋抑信號S打開V0與t成線形S閉合C放電，v0迅速上升（2）積分器：產(chǎn)生鋸齒形的掃描電壓-+Ev0RCSA來自掃描閘門t常用密勒（Miller）積分器熒光屏上單位長度所代表的時(shí)間的大小掃描速度SS=t/X改變R或C：“掃描速度”粗調(diào)改變E：“掃描速度”微調(diào)決定何時(shí)關(guān)閉掃描門，保證鋸齒波為穩(wěn)定等幅信號（3）釋抑電路作用：比較和釋抑電路（b）施密特電路及有關(guān)輸入輸出信號

比較和釋抑VTb積分器掃描門RPRh+ECh+_穩(wěn)定度-EVD+E來自釋抑電路VT1去掃描環(huán)+E穩(wěn)定度-EVD來自觸發(fā)電路VT2+EE1E0E2Er來自比較電路的參考電平（比較電平）掃描發(fā)生器輸出Vo上觸發(fā)電平下觸發(fā)電平通過“穩(wěn)定度”調(diào)節(jié)的靜態(tài)工作電平E0觸發(fā)脈沖12345抑制期回掃期開始下一次掃描跟隨Vo6釋放閘門輸出疊加后的閘門輸入E0E1E2Vrt12t1t1′t2t3t4t5穩(wěn)定度旋鈕電平E0大于上觸發(fā)電平E1----E1E0E2Vr釋抑電路充電釋抑電路放電釋抑電路充電釋抑電路放電下面討論E0對觸發(fā)方式的影響E0介于E1與E2之間脈沖到來時(shí)觸發(fā)----連續(xù)掃描觸發(fā)掃描3、X放大器作用：為X板提供對稱的推動電壓，使電子束能在水平方向滿偏與Y放大器相似通用示波器面板和主要控鍵示意圖四、示波器的多波形顯示1、多線示波器發(fā)射多個(gè)相互獨(dú)立的電子束，多槍多束或單槍多束；常用雙線示波器。缺點(diǎn)：工藝要求較高，價(jià)格較貴。2、多蹤示波器組成與普通示波器類似，增加了一個(gè)電子開關(guān)，具有多個(gè)垂直通道。電子開關(guān)的切換或轉(zhuǎn)換方式有交替和斷續(xù)兩種，屬于時(shí)間分割方式。以雙蹤為例：根據(jù)開關(guān)信號的工作方式的不同，分為5種顯示方式：①交替方式（ALT）：適合于觀察高頻信號

（a）被測信號與掃描信號tuytuxuyt（b）熒光屏顯示的波形交替顯示的波形②斷續(xù)方式（CHOP）：適用于被測信號頻率較低的情況。（a）被測信號與掃描信號tuytuxuyt（b）熒光屏顯示的波形斷續(xù)顯示的波形1234567891011③“Y1”通道（CH1）④“Y2”通道（CH2）

⑤疊加方式（CH1+CH2）Y1Y2Y1+Y25-4高速和取樣示波器一般示波器觀察高頻快速信號發(fā)生失真，原因：①示波器偏轉(zhuǎn)板電容C與引線電感L的影響。②電子渡越時(shí)間的影響。③Y偏轉(zhuǎn)放大器帶寬不足④掃描速度不夠快。⑤亮度不夠。一、高速示波器高速示波器要顯示ns、ps級的脈沖或微波信號，它不同于普通示波器，其關(guān)鍵是示波管、Y放大器和時(shí)基發(fā)生器。二取樣示波器1、取樣：就是從被測波形上取得樣點(diǎn)的過程。分類：實(shí)時(shí)取樣與非實(shí)時(shí)取樣(1)實(shí)時(shí)取樣（2）非實(shí)時(shí)取樣特點(diǎn)：并不是在一個(gè)信號波形內(nèi)完成全部取樣過程，而是分別取若干信號波形的不同位置取樣脈沖的周期核心電路取樣保持器示意圖兩個(gè)取樣脈沖的時(shí)間間隔為 ，由于波形包絡(luò)所經(jīng)歷的時(shí)間變長了，故可用低頻示波器顯示較高頻率的信號。2、顯示信號的合成過程一系列不連續(xù)光點(diǎn)構(gòu)成Y板：對應(yīng)信號取樣值的階梯波X板：電壓值等距離跳變的階梯波輸入信號Y放大器輸出tmTtD2tD3tD4tDsTmTt=+D12345tX放大器輸出（掃描階梯波電壓）3、取樣示波器的基本組成取樣門放大電路延長門取樣門脈沖信號源延長門脈沖信號源時(shí)基單元取樣脈沖△t步進(jìn)延遲脈沖mT+△tmT同步信號輸入信號圖4.34取樣示波器組成框圖取樣電路延長電路Y通道X通道取樣示波器與通用示波器的差別：（1）X通道作用不同（2）通用示波器：每觸發(fā)一次，產(chǎn)生一個(gè)完整的掃描電壓。取樣示波器：每觸發(fā)一次，只獲取一個(gè)取樣信號停留再觸發(fā)，故其掃描電壓為階梯式的，即非線形。（3）取樣示波器適用于觀測f較高的周期信號1、取樣密度：表示水平方向單位長度內(nèi)的亮點(diǎn)個(gè)數(shù)。(…/cm)當(dāng)熒光屏的有效寬度和X方向的偏轉(zhuǎn)靈敏度(mv/div)確定，則X方向的最大偏轉(zhuǎn)電壓Vs確定。VxtVs固定屏上總點(diǎn)數(shù)：只要確定n確定(…/cm)4、取樣示波器的主要指標(biāo)除通用示波器的性能指標(biāo)以外的特有參數(shù)。非實(shí)時(shí)取樣中n點(diǎn)實(shí)時(shí)取樣中n點(diǎn)通用示波器取樣示波器快斜波斜率,可調(diào)整kF來調(diào)整Ses3、取樣示波器的帶寬τ為取樣脈沖底寬2、等效掃描KGA1A2G11G12G21G22K1K2收集極存儲介質(zhì)存儲柵網(wǎng)熒光屏YX寫入電子槍偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)讀出電子槍記憶與顯示記錄系統(tǒng)泛射系統(tǒng)5-5記憶示波器和存儲示波器模擬記憶示波器是利用記憶示波管的波形記憶（存儲）特性實(shí)現(xiàn)波形較長時(shí)間的存儲，其核心是記憶示波管一、記憶示波器二、數(shù)字存儲示波器1、組成原理圖5-32數(shù)字存儲示波器基本框圖(1)．A/D和D/A變換器A/D變換器將模擬量進(jìn)行數(shù)字化。即取樣、量化和編碼。D/A變換器用于產(chǎn)生階梯波。

(2)．存儲器

高速大容量存儲器。(3)．控制系統(tǒng)主要包括時(shí)基控制電路、存儲控制電路和功能控制電路。數(shù)字存儲示波器在控制系統(tǒng)的管理下完成各種測量任務(wù)，控制系統(tǒng)的核心是微處理器。（1）波形的采樣/存儲與波形的顯示是獨(dú)立的。因而可以無閃爍地觀測極慢變化信號；對于觀測極快信號來說，數(shù)字存儲示波器可采用低速顯示。（2）能長時(shí)間地保存信號。便于觀察單次出現(xiàn)的瞬變信號。（3）先進(jìn)的觸發(fā)功能。不僅能顯示觸發(fā)后的信號，而且能顯示觸發(fā)前的信號。2、數(shù)字存儲示波器的特點(diǎn)（4）測量準(zhǔn)確度高。采用了晶振和高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器。（5）很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。內(nèi)含微處理器，能自動實(shí)現(xiàn)多種波形參數(shù)的測量與顯示；還具有自檢與自校等多種自動操作功能。（6）外部數(shù)據(jù)通信接口。可以很方便地將存儲的數(shù)據(jù)送到計(jì)算機(jī)或其他的外部設(shè)備，進(jìn)行更復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算和分析處理。（1）最高取樣速率指單位時(shí)間內(nèi)取樣的次數(shù)，用每秒鐘完成的A/D轉(zhuǎn)換的最高次數(shù)來衡量。實(shí)時(shí)取樣速率 （N為每格的取樣數(shù)；t/div為掃描一格所用的時(shí)間即掃描時(shí)間因數(shù)）。（2）存儲帶寬(B)與取樣速率密切相關(guān)。3、數(shù)字存儲示波器的主要技術(shù)指標(biāo)（3）分辨率包括垂直分辨率（電壓分辨率）和水平分辨率（時(shí)間分辨率）。垂直分辨率與A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率相對應(yīng)，常以屏幕每格的分級數(shù)(級／div)或百分?jǐn)?shù)來表示。水平分辨率由存儲器的容量決定，常以屏幕每格含多少個(gè)取樣點(diǎn)或用百分?jǐn)?shù)來表示。（4）存儲容量由采集存儲器（主存儲器）的最大存儲容量來表示。5-6、示波器的使用一、示波器的選用運(yùn)用示波器對V、f、T等測量，應(yīng)考慮：1、根據(jù)被測信號的特點(diǎn)。低頻——普通、簡易示波器同時(shí)觀測比較兩個(gè)信號：雙蹤或雙線2、根據(jù)被測信號的頻率通常：目的：使高頻成分不衰減。（顯示細(xì)節(jié)部分）3、根據(jù)示波器的上升時(shí)間tR來選擇(單位：）要求：示波器對階躍信號的上升時(shí)間被測信號的上升時(shí)間例：信號上升時(shí)間/示波器對信號的上升時(shí)間測量誤差

1/141%3/15.2%5/12%10/10.5%結(jié)論:示波器帶寬越寬，上升時(shí)間越短，測量誤差越小。4、由示波器的Y軸靈敏度來選擇（對微弱信號尤為重要）如：測量一正弦選用：5、由示波器的Ss：10S/cm--1nS/cm觀察窄脈沖或高頻信號，要求Ss高（即Ss的數(shù)?。┒?、使用注意事項(xiàng)（1）檢查電源電壓。（2）通電預(yù)熱后再調(diào)整各旋鈕，同時(shí)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(shí)，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)。

vivoRRiCCiZ1Z2C0輸入探頭示波器最佳補(bǔ)償過補(bǔ)償欠補(bǔ)償顯示波形注意事項(xiàng)：

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

校正方法: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。三、探頭的正確使用常見探頭為低電容高電阻探頭（a）補(bǔ)償合適的波形（b）欠補(bǔ)償?shù)牟ㄐ尾煌a(bǔ)償時(shí)的波形圖（c）過補(bǔ)償?shù)牟ㄐ嗡摹y量實(shí)例1、電壓的測量（Y系統(tǒng)）直接法為例直流交流a.垂直靈敏度微調(diào)置于校準(zhǔn)（CAL）b.輸入信號c.耦合開關(guān)置于“