【正文】 現(xiàn)代電子測量技術 趙志斌 電力系電信教研室 信號波形測量 第 7章 信號波形測量 概述 CRT顯示原理 通用示波器 取樣示波器 波形存儲及顯示技術 示波器的基本測試技術 概述 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行處理和顯示。 ? 2 數(shù)字示波器 —— 對信號進行數(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，實現(xiàn)模擬信號的存儲、記憶和反復顯示。 ? 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時取樣、隨機取樣和順序取樣三大類。 主要技術指標 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的關系可近似表示為 [ ] , [ ] 10[ ] [ ]rrt s t nsBW M Hz BW M Hz? ? ? ?或 主要技術指標 ?2．掃描速度 掃描速度是指熒光屏上單位時間內(nèi)光點水平移動的距離，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 μs 、 ms或 s，在示波器的面板上，通常按 “ 5”的順序分成很多檔。 主要技術指標 ?3．偏轉因素 偏轉因素指在輸入信號作用下，光點在熒光屏上的垂直（ 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”）。 偏轉因素表示了示波器 Y通道的放大 /衰減能力。 偏轉因素的倒數(shù)稱為 “ （偏轉）靈敏度 ” 。 主要技術指標 ?4．輸入阻抗 當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。 CRT顯示原理 CRT CRT主要由電子槍、偏轉系統(tǒng)和熒光屏三部分組成，基本結構如下圖所示。 FKG1G2 A1 A2Y 偏轉板X 偏轉板輝度聚焦輔助聚焦+EE熒光屏電子槍偏轉系統(tǒng)熒光屏1 電子槍 ? 電子槍的作用是發(fā)射電子并形成很細的高速電子束，它由燈絲 F、陰極 K、柵極 G1和 G2和陽極 A A2組成。 ? 通過調(diào)節(jié) G1對 K的負電位可控制電子束的強弱，從而調(diào)節(jié)光點的亮度，即進行 “ 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 ” 。 1 電子槍 ? 電子束聚焦的原理是，電子從陰極 K發(fā)射，經(jīng) G G AA2聚焦和加速后進入偏轉系統(tǒng)。 ? 電子在電子槍中的運動軌跡如下圖所示。 KG1G2A1A22 偏轉系統(tǒng) ? 示波管的偏轉系統(tǒng)由兩對相互垂直的平行金屬板組成，分別稱為垂直偏轉板和水平偏轉板 。 ? 當有外加電壓作用時，偏轉板之間形成電場；在偏轉電場作用下，電子束打向由 X、 Y偏轉板共同決定的熒光屏上的某個坐標位置。 ? 為了示波器有較高的測量靈敏度， Y偏轉板置于靠近電子槍的部位，而 X偏轉板在 Y的右邊。 2 偏轉系統(tǒng) ?電子束在偏轉電場作用下的偏轉距離與外加偏轉電壓成正比： ?示波管的 Y軸偏轉靈敏度（單位為 cm/V）： 其倒數(shù)為示波管的 Y軸偏轉因數(shù)。偏轉靈敏度越大，示波管越靈敏。 ?為提高 Y軸偏轉靈敏度，可在偏轉板至熒光屏之間加一個后加速陽極 A3。 2 yalSyVbV?l為偏轉板的長度； S為偏轉板中心到屏幕中心的距離； b為偏轉板間距； Va為陽極 A2上的電壓。 2y alSSbV?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。 ? 當電子束停止轟擊熒光屏時，光點仍能保持一定的時間，這種現(xiàn)象稱為 “ 余輝效應 ” 。 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： (a) U x = 0 、U y =0光點出現(xiàn)在熒光屏的中心位置。 (b) Ux= 0 、Uy= 常量光點僅在垂直方向偏移 ： Uy為正電壓時，光點從熒光屏的中心往垂直方向上移； Uy為負電壓時，光點從熒光屏的中心往垂直方向下移。 波形顯示的基本原理 1．顯示隨時間變化的圖形（續(xù)） (c) Ux= 常量、Uy=0光點僅在水平方向偏移 ： Ux為正電壓時，光點從熒光屏的中心往水平方向右移； Ux為負電壓時，光點從熒光屏的中心往水平方向左移。 (d) Ux= 常量、Uy= 常量當兩對偏轉板上同時加固定的正電壓時，光點位置應為兩電壓的矢量合成。 波形顯示的基本原理 1．顯示隨時間變化的圖形（續(xù)） （ 2） X、 Y偏轉板上分別加變化電壓，有下面兩種情況： Uy012340132 4UyUyt僅在垂直偏轉板的兩板間加正弦變化的電壓，則光點只在熒光屏的垂直方向來回移動，出現(xiàn)一條垂直線段。 波形顯示的基本原理 1．顯示隨時間變化的圖形（續(xù)） Ux012340 1324UxUxt僅在水平偏轉板的兩板間加鋸齒電壓，則光點只在熒光屏的水平方向來回移動，出現(xiàn)一條水平線段。 波形顯示的基本原理 1．顯示隨時間變化的圖形（續(xù)） （ 3） Y偏轉板加 正弦波信號電壓， X偏轉板加鋸齒波 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。 Uy01234 01324UyUyt0UxtUxUx 波形顯示的基本原理 2．顯示任意兩個變量之間的關系 示波器兩個偏轉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。 t01234 01234uytux01234若兩信號的初相相同，且在X、 Y方向的偏轉距離相同，在熒光屏上畫出一條與水平軸呈 45度角的直線 。 波形顯示的基本原理 2．顯示任意兩個變量之間的關系（續(xù)） t012340 1234uytux01234024若兩信號的初相相差 90度，且在 X、 Y方向的偏轉距離相同，在熒光屏上畫出的圖形為圓 。 波形顯示的基本原理 3．掃描的概念 ? 如果在 X偏轉板上加一個隨時間線形變化的電壓，垂直偏轉板不加電壓，那么光點在水平方向的偏移距離為 ，比例系數(shù) Sx稱為示波管的 X軸偏轉靈敏度。 ? 光點在鋸齒波作用下掃動的過程稱為 “ 掃描 ” ，能實現(xiàn)掃描的鋸齒波電壓稱為掃描電壓，光點自左向右的連續(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的過程稱為 “ 掃描逆程 ” 。 [ / ]xxx S k t h t c m s? ? ? 波形顯示的基本原理 4．同步的概念 （ 1） Tx=nTy(n為正整數(shù) )：熒光屏上將穩(wěn)定顯示 n個周期的被測信號波形。 uyTyTxuxttn=2 如果掃描電壓周期 Tx與被測電壓周期 Ty保持 Tx=nTy的關系，則稱掃描電壓與被測電壓 “ 同步 ” 。 波形顯示的基本原理 4．同步的概念（續(xù)） （ 2） Tx≠nT y(n為正 整數(shù) )，即不滿足同 步關系時，顯示的 波形不穩(wěn)定。 t01 5(6)234 789 012345678uytuxTy54xyTT ?1011109 11 波形顯示的基本原理 5．連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描 ? 掃描電壓是連續(xù)的方式稱為連續(xù)掃描。 ? 當欲觀測脈沖信號，尤其是占空比很小的脈沖時，采用連續(xù)掃描存在一些問題：選擇掃描周期等于脈沖重復周期時，難以看清脈沖波形的細節(jié)。 TsT=Tstt(a) 被測脈沖(b) 連續(xù)掃描，且T=T s?不能觀測到脈沖細節(jié) 波形顯示的基本原理 5．連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描（續(xù)） ? 選擇掃描周期等于脈沖底寬 時， 觀測者不易觀察波形，而且掃描的同步很難實現(xiàn)。 Tstt(a)被測脈沖(c)連續(xù)掃描，且T=??T= ?脈沖得到展寬，但波形顯示暗，而時基線太亮 波形顯示的基本原理 5．連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描（續(xù)） ? 觸發(fā)掃描時，使掃描脈沖只在被測脈沖到來時才掃描一次；沒有被測脈沖時，掃描發(fā)生器處于等待工作狀態(tài)。 Tstt(a) 被測脈沖?(d) 觸發(fā)掃描掃描 等待能較好地觀測脈沖 波形顯示的基本原理 6．掃描過程的增輝 為了使回掃產(chǎn)生的 波形不在熒光屏上顯示， 可以設法在掃描正程 期間，給示波器增輝。 若不增輝將產(chǎn)生如圖的回掃線 t01 5234 678012345678uytuxTyTx=2Ty 通用示波器 通用示波器的組成 Y 輸入電路Y 前置放大器觸發(fā)電路延遲線Y 后置放大器水平放大器掃描發(fā)生器Y 輸入外觸發(fā)內(nèi)外至X偏轉板至Y偏轉板校準信號發(fā)生器低壓電源 高壓電源電源至各電路正高壓負高壓X 輸入校準信號輸出 通用示波器 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。 （ 1）衰減器 vivoR1R2C1C2最佳補償過補償欠補償Z1Z2最佳補償條件 ： 2211