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第3章 示波测试和测量技术,*3.1 示波测试的基本原理 *3.2 模拟示波器 3.3 示波器的取样 3.4 示波器的多波形显示(补充) 3.5 数字存储示波器 *3.6 示波器的使用, 示波器的波形显示原理, 模拟示波器的使用,本章重点:,1. 示波器是一种基本的、应用最广泛的时域测量仪器。,2. 示波器是一种全息仪器。示波器能让人们观察到信号波形的全貌,能测量信号的幅度、频率、周期等基本参量,能测量脉冲信号的脉宽、占空比、上升(下降)时间、上冲、振铃等参数,还能测量两个信号的时间和相位关系。这些功能是其它电子仪器难以胜任的。,3. 示波器从早期的定性观测,已发展到可以进行精确测量。,4. 示波器是其它图式仪器的基础。对扫频仪、频谱仪、逻辑 分析仪以及医用B超等各种图示仪器就容易理解了。,示波器概述,3.1 示波测试的基本原理,3.1.1 CRT CRT主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成,基本结构如下图所示。,3.1.1 示波管(CRT),示波管属于电真空器件,又称为阴极射线管(CRT)。,1 电子枪,电子枪的作用是发射电子并形成强度可控制的很细的电子束。 它由以下几部分组成:,1.灯丝F在交流低压(如6.3V)下使钨丝烧热,用于加热阴极。,2.阴极K是一个表面涂有氧化钡(其逸出功小,内部自由电子容易逸出) 的金属,3.第一栅极G1调节G1的电位可以调节示波器的亮度,即进行“辉度”调节,常置于示波器面板上供使用。,当控制信号加于G1,其亮度可随之改变,则可以传递信息,称为示波器的 Z轴电路。,4.第二栅极G2隔离开G1和A1,以减小亮度调节与聚焦调节的相互影响。,5.第一阳极A1与第二阳极A2构成一个电子透镜,对电子束起聚焦作用。,6.第二阳极A2是个更大的同轴圆筒,其上电压较高,它主要与A1构成 电子透镜。调节A2电位的旋钮称为“辅助聚焦”。,7.第三阳极A3具有上万伏的高压,用于对电子束加速,故也称后加速 阳极。,1 电子枪(续),电子束聚焦的原理是,电子从阴极K发射,经G1、G2、A1、A2聚焦和加速后进入偏转系统。 电子在电子枪中的运动轨迹如下图所示。,2 偏转系统,示波管的偏转系统由两对相互垂直的平行金属板组成,分别称为垂直偏转板和水平偏转板 。 当有外加电压作用时,偏转板之间形成电场;在偏转电场作用下,电子束打向由X、Y偏转板共同决定的荧光屏上的某个坐标位置。 为了示波器有较高的测量灵敏度,Y偏转板置于靠近电子枪的部位,而X偏转板在Y的右边。,2 偏转系统,2 偏转系统,电子束在偏转电场作用下的偏转距离与外加偏转电压成正比: 示波管的Y轴偏转因数(单位为cm/V): 其倒数为示波管的Y轴偏转灵敏度(单位是V/cm)。偏转灵敏度越小,示波管越灵敏。 为提高Y轴偏转灵敏度,一般在偏转板至荧光屏之间加一个后加速阳极A3 (PDA,先偏转后加速系统) 。 X轴偏转系统原理和Y轴偏转系统类似,L为偏转板的长度;s为偏转板中心到屏幕中心的距离;b为偏转板间距;Va为阳极A2上的电压。,在一定范围内,荧光屏上光点的偏移距离与偏转板上所加电压成正比,这是用示波管观测波形的理论依据。,3 荧光屏,荧光屏将电信号变为光信号,以显示波形。 在使用示波器时,应避免电子束长时间的停留在荧光屏的一个位置,否则将使荧光屏受损。因此在示波器开启后不使用的时间内,应将“辉度”调暗。 当电子束停止轰击荧光屏时,光点仍能保持一定的时间,这种现象称为“余辉效应”。 由于“余辉效应”和人眼“视觉残留”效应,使我们能够看到动态波形。(电子束每一瞬间都只击中荧光屏上的一个点),荧光屏,在示波管正面内壁涂上一层荧光物质,荧光物质将高速电子的 轰击动能转变为光能,产生亮点。,余辉时间:当电子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,小于10s的为极短余辉;,不同荧光材料余辉时间不一样:,10s1ms为短余辉(通常是蓝色,便于摄影感光);,1ms0.1s为中余辉(通常为绿色,眼睛不易疲劳);,0.1s1s为长余辉(通常是黄色);,大于1s为极长余辉(通常是黄色)。,3.1.2 图像显示的基本原理,1显示随时间变化的图形 (1)Ux、Uy为固定电压时,有下面四种情况:,光点出现在荧光屏的中心位置。,光点仅在垂直方向偏移 :Uy为正电压时,光点从荧光屏的中心往垂直方向上移;Uy为负电压时,光点从荧光屏的中心往垂直方向下移。,3.1.2 图像显示的基本原理,1显示随时间变化的图形(续),光点仅在水平方向偏移 :Ux为正电压时,光点从荧光屏的中心往水平方向右移;Ux为负电压时,光点从荧光屏的中心往水平方向左移。,当两对偏转板上同时加固定的正电压时,光点位置应为两电压的矢量合成。,3.1.2 图像显示的基本原理,1显示随时间变化的图形(续) (2)X、Y偏转板上分别加变化电压,有下面两种情况:,仅在垂直偏转板的两板间加正弦变化的电压,则光点只在荧光屏的垂直方向来回移动,出现一条垂直线段。,3.1.2 图像显示的基本原理,1显示随时间变化的图形(续),仅在水平偏转板的两板间加锯齿电压(扫描电压),则光点只在荧光屏的水平方向来回移动,出现一条水平线段,称时间基线。 光点自左向右的连续扫动称扫描正程,光点自右端迅速返回起扫点称,扫描回程。,3.1.2 图像显示的基本原理,1显示随时间变化的图形(续) (3)Y偏转板加 正弦波信号电压, X偏转板加锯齿波 电压,荧光屏上 将显示出被测信 号随时间变化的 一个周期的波 形曲线。,由0、1、2、3、4各点的显示情况可以理解波形显示过程,3.1.2 图像显示的基本原理,2扫描的概念 如果在X偏转板上加一个随时间线形变化的电压,垂直偏转板不加电压,那么光点在水平方向的偏移距离为 ,比例系数Sx称为示波管的X轴偏转因数。 光点在锯齿波作用下扫动的过程称为“扫描”,能实现扫描的锯齿波电压称为扫描电压,光点自左向右的连续扫动称为“扫描正程”,自荧光屏的右端迅速返回左端起扫点的过程称为“扫描回程”。,3.1.2 图像显示的基本原理,3同步的概念 (1)Tx=nTy(n为正整数):荧光屏上将稳定显示n个周期的被测信号波形。,n=2,如果扫描电压周期Tx与被测电压周期Ty保持Tx=nTy的关系,则称扫描电压与被测电压“同步”。,3.1.2 图像显示的基本原理,3同步的概念(续) (2)TxnTy(n为正 整数),即不满足同 步关系时,显示的 波形不稳定。,3.1.2 图像显示的基本原理,4连续扫描和触发扫描 扫描电压是连续的方式称为连续扫描。 当欲观测脉冲信号,尤其是占空比很小的脉冲时,采用连续扫描存在一些问题:选择扫描周期等于脉冲重复周期时,难以看清脉冲波形的细节。,3.1.2 图像显示的基本原理,4连续扫描和触发扫描(续) 选择扫描周期等于脉冲底宽时,观测者不易观察波形,而且扫描的同步很难实现(Ts不一定是脉冲底宽的整数倍)。,3.1.2 图像显示的基本原理,4连续扫描和触发扫描(续) 触发扫描时,使扫描脉冲只在被测脉冲到来时才扫描一次;没有被测脉冲时,扫描发生器处于等待工作状态。,3.1.2 图像显示的基本原理,5扫描过程的增辉 为了使回扫产生的 波形不在荧光屏上显示, 可以设法在扫描正程 期间,给示波器增辉。,若不增辉将产生如图的回扫线,3.2 模拟示波器(通用示波器),3.2.1 通用示波器的分类和组成 通用示波器的分类: 1 模拟示波器 单束示波管 2 多束示波器 多束示波管。屏上单独显示每个独立波形,用于同时观测、比较两个以上的波形 3 取样示波器 采用非实时取样将高频信号转换为低频信号,然后显示 4 记忆、存储示波器 具有记忆、存储被观察信号功能 5 专用示波器 如:矢量示波器和逻辑示波器,3.2 模拟示波器,3.2.1 通用示波器的分类和组成 通用示波器的组成:,3.2 模拟示波器,3.2.2 通用示波器的垂直通道 1输入电路:包括衰减器和输入选择开关。 (1)衰减器:保证显示在荧光屏上的信号不因过大而失真,最佳补偿条件 :,过补偿 :,欠补偿:,改变分压比的开关为示波器的垂直灵敏度粗调开关,在面板上用“V/cm”标记。,3.2 模拟示波器,(2)输入耦合方式 输入耦合方式设有AC、GND、DC三档选择开关。 观察交流信号时,置“AC”档。 确定零电压时,置“GND”档。 观测频率很低的信号或带有直流分量的交流信号 时,置“DC”档。,3.2.2 模拟示波器的垂直通道,2前置放大器 前置放大器将信号适当放大,从中取出内触发信号,并具有灵敏度微调、校正、Y轴移位、极性反转等控制作用。 Y前置放大器大都采用差分放大电路,输出一对平衡的交流电压。若在差分电路的输入端输入不同的直流电位,相应的Y偏转板上的直流电位和波形在Y方向的位置也会改变。 可通过调节“Y轴位移”旋钮,调节直流电位以改变被测波形在屏幕上的位置。,3.2.2 模拟示波器的垂直通道,3延迟线 触发扫描时,扫描的开始时间总是滞后于被观测脉冲一段时间,这样,脉冲的上升过程就无法被完整地显示出来。,左图为没有延迟线时屏幕上显示的脉冲。,3.2.2 模拟示波器的垂直通道,3延迟线(续) 延迟线的作用就是把加到 垂直偏转板上的脉冲信号延迟 一段时间,以保证在屏幕上扫 描出包括上升时间在内的脉冲 全过程。,3.2.2 模拟示波器的垂直通道,4Y输出放大器 Y输出放大器是将延迟线传来的被测信号放大到足够的幅度,用以驱动示波管的垂直偏转系统,使电子束获得Y方向的满偏转。 Y输出放大器应具有稳定的增益、较高的输入阻抗、足够宽的频带、较小的谐波失真 。 Y输出放大器大都采用推挽式放大器,有利于提高共模抑制比。可采用改变负反馈的方法改变放大器的增益 (面板上的“5”或“10”开关,“1”可以用来“校正”以进行定量测量 )。,3.2.3 示波器的水平通道,水平通道包括触发电路、扫描器发生环和X放大器等部分,其主要任务是产生随时间线性变化的扫描电压,再放大到足够的幅度,然后输出到水平偏转板,使光点在荧光屏的水平方向达到满偏转。,3.2.3 通用示波器的水平通道,1.触发电路,作用-为扫描门提供周期与被测信号有关的触发脉冲,(1)触发源选择,“内”触发:利用从Y通道来的被测信号作触发信号,这是最 常用的情况;,“外”触发:是用外接信号作触发信号,但触发信号的周期应 与被测信号有一定的关系,外触发常用在被测信号不适宜作触 发信号或比较两个信号时间关系的情况。,“电源触发”:在观测与电源有关的信号时,可选“电源”触 发,以便于与电源同步。,(2)触发耦合方式,“DC”直接耦合:用于直流或缓慢变化的信号进行触发时;,“AC”交流耦合:若用交流信号触发,置AC方式,这时电容 C1(约0.47F)起隔直作用;,“低频抑制”:利用C1、C2(约0.01F)串联后的电容,抑 制信号中大约2kHz以下的低频成分,主要目的是滤除信号中 的低频干扰;,“HF”高频耦合:利用C1和更小的C3(约1000pF)串联后 只允许通过频率很高的信号。,3.2.3 通用示波器的水平通道,1触发电路(续) (3)扫描触发方式选择(TRIG MODE) 常态(NORM)触发方式:指有触发源信号并产生了有效的触发脉冲时,荧光屏上才有扫描线。 自动(AUTO)触发方式:有连续扫描锯齿波电压输出,荧光屏上总能显示扫描线。 电视(TV)触发方式:是在原有放大、整形电路基础上插入电视同步分离电路实现的,以便对电视信号(如行、场同步信号)进行监测与电视设备维修。,3.2.3 通用示波器的水平通道,1触发电路(续) (4)触发极性选择和触发电平调节 触发极性和触发电平决定触发脉冲产生的时刻,并决定被显示信号的起始点。 触发极性是指触发点位于触发源信号的上升沿还是下降沿。,3.2.3 通用示波器的水平通道,(4)触发极性选择和触发电平调节,
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