第2章 时域测量02.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,2,章 时域测量,-2,(,示波测试技术,),2.2,模拟示波器,2.1,概述,2.2.2,示波器显示波形的原理,2.2.3,示波管及直流供电系统,2.2.1,模拟示波器的基本构成,2.2.4,垂直系统,2.5,水平放大系统,2.3,示波器的交替和断续显示,2.2.3,示波管及直流供电系统,高压发生器产生的负高压,(-1200v),加至,2,脚使阴极为极低负电位；,经,R2,R3,RP1,分压加至,5,脚进行聚焦控制；,RP3,低压送至,9,脚进行辅助聚焦控制；,RP01,调节电压加至,4,脚改善聚焦和几何图形畸变；,RP02,调整电压加至,6,脚校正几何图形；,RP03,调整电压加至,13,脚改变栅网电压，消除二次电子,使屏幕清晰；,偏转线圈了,L1,其感应电压由,RP04,调整可使图像旋转,使水平扫描光迹平行水平轴；,调节,RP4,改变栅极偏压改变辉度起始点；,RP2,改变示波管屏幕亮暗度。,正高压,+4800v,加至后加速极，电子获得能量，高速轰击荧光屏，显示增亮,2.2.4,垂直系统,示波器既要能观测小信号（,mV,数量级），又要能观测大信号（几十,几百伏），而示波管的垂直偏转灵敏度一般为,410V/cm,；需要设置垂直系统（,y,轴放大器），通过放大或衰减，显示大范围的被测信号。,垂直系统主要由输入电路、前置放大器、延迟线和后置放大器等组成。,包括衰减器和跟随器,由几级宽带放大器组成,以使被测信号比扫描电压延迟到达示波管的垂直偏转板,进一步放大信号，提供满足,y,轴频率特性和输出幅度的偏转电压,2.2.4,垂直系统,耦合方式,S1,接法：,DC,：信号直接通过,AC,：信号经,C1,耦合，隔离直流和变化慢的,GND,：信号通路断开,C1,预充电，当转拔到,AC,时，不会发生光迹短时间内大幅度偏移。,2,衰减器,当输入电压,u1,为低频信号时,C6,C7,不起作用，衰减比取决于电阻比。,当,u1,为高频信号时,衰减比为,10,倍衰减电路,调整,C6,使得,R9C6=R11C7,，使衰减比与信号频率无关，称为最佳补偿，上例中,C6=R11C7/R9=100k*22/900k,2.4pF,。,上图中调节,C6,还有与探极线的阻抗匹配作用。,当,y,轴输入端上的接探极线时，也要保证整机的频率特性。为了避免因连接导线的寄生参数影响而产生谐振，因此当交流正弦信号频率大于,1MHz,或测试脉冲信号时，均需用探极线连接，其等效电路如下,例：如上图，已知输入阻抗,Ri=1M,Ci=33pF,，为了得到最佳补偿，在,R1=9.1,M,时，有,C1=Ri*Ci/R1,=1M*33/9.1M,3.6 pF,3,混合阻抗变换电路,VT1,，,VT2,，,VT3,组成源极,-,射极跟随器，获得高阻输入,Ri,1M,，低阻输出,R0,AT1,，,AT2,为高阻衰减可以为阻容分立元件,R19,为低阻衰减,防止热漂移,被测信号经,R3,和,R5,分压网络送,A1,的反向端，由,R46,，,RP2,和,R48,分压反馈到,A1,的同相端经,A1,比较放大，其输出改变恒流管,VT3,的导通电平，对,VT1,的源极进行误差修正，维持,VT2,输出高度稳定,低输出电阻的计算,R0=(R46+RP2+R48)/R19/r,be2,/(1+,2,),r,be2,/(1+,2,),当,r,be2,=1k,，,=100,则,R0=10,恰与低阻分压器,R19,系列匹配。,4,前置放大器,将单端输入信号变成双端对称输出信号,她的增益要求不高，但频带宽度要比整体的频响指标宽；,实现控制功能,增益微调，增益扩展，变换极性和垂直位移,通常采用共发共基差分放大电路，由,VT1,VT2,VT3,VT4,四只管子组成，输入单端信号经,VT1,VT2,两管对称倒相放大，受控制后由,VT3,VT4,输出。,晶体管,VT5,是恒流管，可以提高放大电路的共模抑制能力；,开关管,S2,改变共发电路发射极间耦合电阻大小，使扩展增益*,5,，,RP3,为校准*,5,时的增益；,R3,R4,RP4,组成电路放大后的信号分流电路，调节,RP4,就可以改变负载,R47,R48,上的电压，达到增益微调的目的；,RP5,校准增益*,1,；,开关,S3,，改变垂直放大信号的“,+”,，“,-”,极性；,调节,RP6,，改变上的电流大小，达到显示垂直信号位移的目的,RP1,是使共发电路输出电平平衡；,RP2,和,C11,对放大电路起频率响应补偿作用。,5,垂直通道极性转换电路,S,置“,+”,：,R61,接,-12 V,VD2,3,6,7,导通，信号顺向通过，而另一,R45,接,+12V,，,VD1,4,5,8,截止，没有信号通过，这时，,y2,通道信号是正极性；,反之，,S,置“,-”,，,y2,通道信号是正极性。,6,垂直通道开关转换电路（电子开关）,y1,单踪显示：,S1,接地电平，,IC4A,的,R,端为高态“,1”,，在输出端,Q,产生高态“,1”,，,被测信号通过,y1,通道放大器，,y2,通道被阻断；,y2,单踪显示：,R,接地电平，,IC4A,的,S,端为高态“,1”,，在输出端,Q,产生高态“,1”,，,被测信号通过,y2,通道放大器，,y1,通道被阻断；,_,Y1+Y2,显示：,R,S,分别被,VD1,，,2,控制在低,态“,0”,，,IC4A,的输出端,Q,Q,产生高态“,1”,，,被测信号,y1,和,y2,相加，通过放大器显示；,7,延迟线功能及驱动放大器,水平锯齿波信号起始点与触发信号间有一段延迟时间，为了观测前沿就必须在,y,轴放大器中插入延迟线，使被测信号的起点与扫描信号起点同步。,对延迟线的要求：延迟时间应足够长和稳定以补偿,x,通道扫描电路启动时间的延迟。,图,a.,扫描是从,td1,开始,图,b.,当,uy,达到,A,点，其,uA,大于触发电平,Uf,时扫描电压,ux,由,0,开始增加，此时，荧光屏上不能显示信号的起始部分（,OA,段）如图,c,对称螺旋延迟电缆,串臂是螺旋线的电感，并臂是螺旋线与外部导体间的分布电容,单位时间的延时时间为,:,t1=(LC),若示波器延时电缆为,2,米，每米约延时,50ns,总延时为,100ns,。,延迟线的特性阻抗：在双端平衡传输时一般不超过几百欧，所以在输入端要用低输出阻抗驱动，终端用低输出阻抗电路缓冲,.,1/2,共发共基型延迟线驱动缓冲电路,VT1,VT2,构成差分共发射极放大器，驱动延迟线,YC1,，电阻,R2,R3,是延迟线终端匹配电阻,;,VT3,VT4,构成共基极电路，其输入阻抗极低，起着缓冲隔离延迟线驱动放大器负载分布电容影响，保证高频特性良好匹配作用。,针对,VT1,和,VT2,为了能驱动大电容，及高频增益低的特点，采用串联电容,C26,的方法补偿,8,垂直系统主放大电路（,Y,末级放大器）,根据,Y,通道输出级的作用，其主要工作特性：,输出电压,为保证,y,轴偏转灵敏度，,y,末极增益要足够高才能获得所需输出电压,动态范围,保证图像没有明显失真,非线性失真,确保屏幕上的信号波形没有畸变,上升时间和频带宽度,保证输出极的上升时间,tr0=0.9tr,耦合方式,输出放大器与,y,偏转系统的耦合方式有直接耦合与电容耦合两种,2.2.5,水平放大系统,1.,扫描电路的组成（,X,通道）,主要任务是形成、控制、放大锯齿波电压；,核心部分：扫描闸门扫描发生器及释抑电路组成的闭环；,X,轴放大器：放大锯齿波电压和按固定比例扩展扫描电压的幅度，并变成对称输出接至,x,轴偏转板。,2.,扫描闸门电路,闸门电路，其主要作用是将,VT11,的输入信号变换成正向矩形脉冲，控制锯齿波的起始点和终止点,VT11,Vt12,组成射极耦合型（施密特）触发器，,VT11,的基极由电位器,RP1,取得预置电平，记为,Eoo,；,静态时：,VT12,饱和导通，,VT11,截止，输出,uo,为低电平，当有出发信号,ui,输入并使得,ub11,大于施密特触发器上限电平,E1,时，触发器翻转，此时,VT11,导通，,VT12,截止输出,uo,高电平；,另外，由,VT1,的集电极经,C8,输出负向矩形脉冲送至增辉电路；,Uh,为回差电压（约,10v,）,uo,在,t1,时刻跳变是由于触发信号作用的结果；,t2,时刻跳变是由“释抑电路”来的信号作用的结果,3.,密勒扫描电路,该电路由,VT15,，,VT17,VT18,VT20,组成，用以产生高线性度的锯齿波,输入方波,输出锯齿波,定时电路,放大电路,(1),定时电路,时基电阻,Rt,、电容,Ct,与射极跟随开关,VT15,构成定时电路,工作原理：晶体管,VT,截止时，电源电压,E,通过电阻,R,对电容,C,充电；,VT,饱和导通时，,C,迅速放电，分别形成锯齿波正程（,T1,时间）和回程（,T2,时间）,T0,是休止时间,电容电压,当,t=T1,时,为了提高电压线性度，一般用电压波形开始的急剧上升部分作为扫描电压（斜坡电压）。若,T1,远远小于,RC,时,带入上式得,即：,这是锯齿波电压的平均变化率。,这个电压送入,x,轴放大电路。考虑电子束水平方向上的最大偏转长度,xm,、示波管,x,轴偏转板灵敏度,Sx,及,x,轴放大系数,Ax,经代换得扫描速度,对于扫描速度的相对变化用扫描非线性系数来表示：,充电电流,最终求得的线性系数,由此可见，锯齿波幅度,Um,越小，线性度越好,(2),密勒积分电路,利用反馈的方法实现对时基电容,Ct,恒流充电，从而改善锯齿波电压线性度。,a,图为积分运算放大器，将阶跃输入电压转换为线性斜坡电压，设,A,点为虚地,阶跃电压幅值,E,，则,式中,Ic=E/R,当,E,为正值时，,uo,为负向锯齿波,当,E,为负值时，,uo,为正向锯齿波,从式子 中可知当,uo=|Um|,时,t=T1,等效电容,C=,（,1+A,）,C,，当输入电阻远大于,R,时，锯齿波线性度为：,与前面相比，减小了（,1+A,）倍，从而改善锯齿波的线性度。,4.,释抑电路,释抑电路与扫描闸门电路和密勒积分器构成一个闭合的扫描发生器环。,到达,PNP,三极管,VT,基极的电压有两个分量：,1.RP2,引入的交流负向锯齿电压,uo,；,2.RP2,加上的直流电压,+E,。这两个分量共同影响,VT,管的基极电压,u,B,。,当,VT,导通时,Ch,被充电并跟随,uB,的变化,当,VT,截止时，,Ch,通过,Rh,缓慢放电。,Ch,两端的电压为释抑电路的输出电压，并送入闸门电路输入端,稳定电路,（,1,）释抑电路的工作过程,触发扫描状态下释抑电路的波形图,t1t1,段电压不够负，,+E,起主导作用，,VT,管截止释抑电路不起作用；,t1,时刻，负向电压达到,Ur,时，,Ur,起主导作用，基极电压,uB,变负，,VT,管导通，,Ch,的电压跟随负向锯齿波趋向更负；,t2,时刻，,ch,上的电压达到,下限触发电平,E2,，,闸门电路状态翻转，正扫描结束；,t2t3,（,tb,）时刻完成回扫时间，,th,为释抑电容放电时间，为防止回扫未结束就被触发必须满足,tb,小于,th,，这样,t2t4,（,th,）时刻不会被触发，我们称为“抑”，而,t4,时刻后接受下一个脉冲重新触发，我们成为“释”,（,2,）,RP1,（稳定度）的作用,当,Ch,上的电压不够负时，二极管,VD,导通，电源,-E,经,RP1,分压送至扫描闸门的输入端保证扫描状态不变。,因此这里的,RP1,阻值的大小起到控制负向锯齿电压起始电平,E2,的作用。,当,Ch,上的电压较负时，二极管,VD,截止，隔离经,RP1,分压的负压，使释抑电路的功能得以正常发挥。,5.,增辉电路,扫描器增辉：利用增辉电路产生一个与扫描周期相等的正向脉冲，加到示波管的栅极，以增加电子束的密度。,回扫期和休止期消隐：给栅极以较负的电位，以降低亮点辉度并不显示回扫痕迹,.,增辉电路是一种高速的开关放大电路，为了加快增辉脉冲的前后沿陡度，电,路中用隧道二极管进行整形。,（,1,）隧道二极管的特性,峰点,谷点,P,点,V,点的一段曲线电压,u,增加但电流,i,减小，呈现负阻特性,（,2,）隧道二极管双稳态电路,特性曲线,选择偏压,E,电阻,R,是负载线交于特性曲线的,A,B,C,三点,设起始点在,A,点，处于低电平,U1,如果电路作业,产生的电流为,i,，当,i,为正时，等效负载减小，负载线上移，工作点经,P,迅速跳到,F,点,若,i,消失，则至,C,点（得到高电平），形成一个稳定态；,当,i,为负向变化时，负载线下移，工作点经,C,迅速跳到,H,点,若,i,消失，又回到初始稳定态（,A,点），波形如（,c,）；,（,3,）增辉电路,VDT,是隧道二极管，,VT2,是高频管，组成开关放大器，,闸门来的负向矩形脉冲，经,C8,和,R23,微分后，产生具有正负变化的,i,。,P-F,VDt,和,R17,的电压值大于,VT2,的,Ube,VT2,迅速导通，输出低电平，对应回扫期；当,V-H,VT2,截止，输出高电平，对应扫描期，经,VT1,射极输出管引至示波管栅极，增加亮点辉度。,6.,同步过程,（,1,）连续扫描的同步,扫描周期是,t1t4,是被测信号周期的二倍，所以荧光屏上显示的波形为两个周期。,充电,放电,（,2,）触发扫描的同步,通过调节,RP1,电位器（稳定度）使扫描电路处于触发扫描状态。,a,）测量波形的前后沿时间或显示占空系数比较大的脉冲信号时，一定要用触发扫描。,b,）观察正弦波信号时还是用连续扫描比较方便。,（,3,）高频同步,水平电路系统的简化原理图,正向尖峰触发脉冲由,y,通道,闸门密勒积分释抑，产生等幅并线性变化的锯齿波电压，至,x,偏转板 时间基线。,2.3,示波器的交替和断续显示,主要应用特点：,（,1,）对多个既相关而又相互独立的被测信号进行研究、分析、比较；例如观测放大器、延时线的传输特性；,（,2,）较方便地实现两个信号的“和”、“差”显示；向量合成或分解；,（,3,）简化测量手续，提高测量的准确度和自动化程度。,单线示波器观测多波形：单接单显示，换线麻烦误差大；,多波形显示法：一次接好，一次观测多个波形，迅速准确。,交替和断续显示的方法：,包括多线显示、多踪显示、双扫描显示。,双踪示波器一般有五种显示方式：,y,A,、,y,B,、,y,A,+y,B,三种方式均为单踪显示；,交替和断续显示两种方式为双踪显示，由,y,轴的电子开关电路控制下完成。,1,多线示波,多线示波利用多枪电子管来实现。,2,多踪示波,多踪示波是在单线示波的基础上，增加电子开关实现多个波形的同时显示。,双踪示波器垂直系统框图,延迟线,电子,开关,Y,1,输入,Y,输入,电路,Y,前置,放大器,Y,1,门电路,Y,2,输入,Y,输入,电路,Y,前置,放大器,Y,2,门电路,Y,后置,放大器,控制信号,示波器显示方式,根据电子开关工作方式的不同，双踪示波器有,5,种显示方式。,“,Y1,”,通道（,CH1,）,接入,Y1,通道，单踪显示,Y1,的波形。,“,Y2,”,通道（,CH2,）,接入,Y2,通道，单踪显示,Y2,的波形。,叠加方式（,CH1+CH2,）,两通道同时工作，,Y1,、,Y2,通道的信号在公共通道放大器中进行代数相加后送入垂直偏转板。,Y2,通道的前置放大器内设有极性转换开关，可改变输入信号的极性，从而实现两信号的,“,和,”,或,“,差,”,的功能。,交替方式（,ALT,）,（,a,）被测信号与扫描信号,t,u,y,t,u,x,u,y,t,（,b,）荧光屏显示的波形,图,8.24,交替显示的波形,交替显示,交替显示方式：例，第一次扫描时，电子开关接通,Ya,的信号,Ua,使它显示在屏幕上，第二次扫描时，接通,Yb,的信号,Ub,再使它显示在屏幕上，,-,扫描重复，显示轮流。,在扫描频率较高（大于每秒,25,次），荧光屏余晖作用，人眼效应等，使得两个波形似乎同时显示。,当扫描频率较低时，能看到交替显示，适合测高频信号。,是“非实时显示”，可能丢失被测信号的一部分波形,电子开关的转换频率受扫描电路控制,断续方式（,CHOP,）,（,a,）被测信号与扫描信号,t,u,y,t,u,x,u,y,t,（,b,）荧光屏显示的波形,图,8.25,断续显示的波形,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,断续显示,断续显示：将两个被测信号分成很多小段轮流显示，,转换频率比被测信号的频率高很多，,间断的亮点靠的很近，看起来是连续的。,当被测信号频率较高时，断续现象明显。因此，断续显示适合测低频信号。,而断续显示方式可看成“准实时显示”,电子开关工作在自激振荡状态（不受扫描电路控制），其频率在,100Hz1000kHz.,