电子测量与仪器-第四章-时域测量-电子示波器1.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,*,第四章 时域测量电子示波器,4.1,电子示波器概述,4.2,波形显示技术,4.3 示波器的组成和原理,4.4,高速与取样示波器,4.5,记忆示波器,仪器科学与工程系,4.6,数字存储示波器,厂商:Agilent,（HP），,Tek,tronix，,RIGOL,4.1,电子示波器概述,电子示波器,是一种用屏幕,(,包括荧光屏、液晶屏,),显示电量随时间变化过程的电子测量仪器。它可直观地显示被测信号的波形。,一、电子示波器的主要,用途,：,观测电信号波形,测量电压电流的幅度、频率、时间、相位等,显示电子网络的频率特性,显示电子器件的伏安特性,附加功能:频谱分析,信号加减运算等,二、电子示波器的,基本特点,：,能显示信号波形，可测量瞬时值，具有直观性。,输入阻抗高，对被测信号影响小。测量灵敏度高，并有较强的过载能力。,工作频带宽，速度快，便于观察高速变化的波形及细节。,在示波器的荧光屏上可描绘出任意两个电压或电流量的函数关系，有时还带有频谱分析功能。,三、电子示波器的,分类,：,按技术原理分：模拟式、数字式,按性能分：,通用示波器,(,双踪示波器与双线示波器,),高速示波器和取样示波器,记忆示波器与存储示波器,数字存储示波器,、电子枪,灯丝F,采用交流低压，加热阴极,阴极K,表面涂有逸出功小的材料(BaO)，温度升高，发射电子,第一栅极G1,电位低于阴极，套于阴极之外，对电子形成排斥力，使电子朝轴向运动，形成交叉点，可控制电子流轰击荧光屏的能量，可调节示波器的亮度。（Z轴）,第二栅极G2,第一阳极A1,第二阳极A2,第三阳极A3,位于荧光屏附近，高压，电子加速。先偏转后加速，可减小对电子偏转的影响。,构成电子透镜，使电子束向轴线聚拢，形成很细的电子束。,2、偏转系统,偏转分为静电偏转和,磁偏转,。,偏转系统由,水平偏转板X,(X1、X2)和,垂直偏转板Y,(Y1、Y2)这两对相互垂直的偏转板组成。,在偏转板间加上电压，电子束在电场的作用下偏转。,偏转距离与电场强弱有关。,电子束最终的运动情况取决于水平方向和垂直方向电压的合成作用。,为了显示信号波形，通常,X方向,加一线性锯齿波扫描电压，在,Y方向,加信号输入电压。所形成的电子束在屏幕上按时间沿水平方向展开，形成一条曲线。,只有扫描电压频率与被观察信号的频率成倍数关系时，波形才能稳定。,Y放大,锯齿波扫描电压,X1,X2,Y1,Y2,信号,输入,3、荧光屏,在荧光屏的玻璃壳内侧涂上荧光粉，就形成了荧光屏，它不是导电体。当电子束轰击荧光粉时，激发产生荧光形成亮点。,不同成份的荧光粉，发光的颜包不尽相同，一般示波器选用人眼最为敏感的,黄绿色,。,余辉时间,：荧光粉从电子激发停止时的瞬间亮度下降到该亮度的10所经过的时间称为余辉时间。荧光粉的成份不同，余辉时间也不同。,长余辉(100ms1s)，慢扫描示波器,中余辉(1ms100ms)，普通示波器,短余辉(10us10ms),二、液晶显示,(,LCD,)(平板显示),液晶,(,Liquid Crystal,)是一种介于液体和固体之间(有时称为第四态)，具有规则分子排列的有机化合物。,液晶加电或受热后会呈透明的液体状态，断电或冷却后会出现结晶颗粒的浑浊固体状态。,可视偏转角,R,i,C,i,(c)欠补偿,RC R,i,C,i,最佳补偿,过补偿,欠补偿,匹配使得失真最小.,有源探头：,无源探头具有分压作用，不宜用来测量微小的信号。有源探头采用结型场效应构成源极跟随器，具有较低的噪声和较大的过载能力。适宜用来探测频率较高的微弱信号。,电流探头：,变换器。,跟随器,放大器,+E,到示波器,输入,10M欧,了解,2、输入耦合方式,DC、AC转换开关，直流耦合，交流耦合。,3、输入衰减器,观察幅度较大的信号时，必须接入衰减器。,对衰减器的要求：,输入阻抗高；,线性：同时在示波器的整个通频带内衰减的分压比均匀不变。,因下级输入和引线分布电容影响，单纯电阻分压不能达到要求，引入阻容补偿分压器。,输入,R,1,R,2,C,1,C,2,C,K,AC,DC,R,i,C,i,R,1,、,R,2,分压电阻,(,R,2,包括下一级的输入电阻),C,2,下一级的输入电容和分布电容，,C,1,补偿电容。,调节,C,1,，当满足关系式,C,1,R,1,C,2,R,2,时，分压比,K,0,在整个通频带内是均匀的，它被表示为,(无畸变传输),通常用一个开关换接不同的,R,2,C,2,来改变衰减量。,4、阻抗变换器,阻抗变换器由,RLC网络,或,射极跟随器,构成。,高输入阻抗：使得示波器对外呈现高输入阻抗，,低输出阻抗：易与低阻延迟线相匹配,5、延迟线,由于扫描触发关系，为了正确显示波形，必须将接入Y通道的被测信号进行一定的延迟，以便与水平系统的扫描电压在时间上相匹配。通常延迟时间在,50200ns,之间，这个延迟准确性要求不高，但延迟应稳定，否则会导致图像的水平漂移和晃动。,(螺旋平衡式延迟电缆、LC延时网络),要求：,在工作频带内，,无失真,产生稳定的,延时。,在带宽较窄的示波器里，一般采用多节,LC,网络,作延迟线；在带宽较宽(大于15MHz时)，则采用,平衡螺旋线,作延迟线。,无论采用哪种延迟线，其特性阻抗均在几百欧姆以下，延迟线的前边必须用低输出阻抗的电路作驱动级，延迟线的后级用低输入阻抗的电路作缓冲器。在示波器的实际电路中，还要接入各种补偿电路，以补偿延迟线及安装过程中引起的失真。,6、放大器,被测信号经探头检测引入示波器后，微弱的信号必须通过放大器放大后加到示波器的垂直偏转板，使电子束有足够大的偏转能量。,放大器要考虑两个因素：,放大倍数,：,调节放大倍数，可调节灵敏度。,带宽,：具有足够低的低频截止频率和足够高的高频截止频率。,f,L,受耦合电容和旁路电容影响，增大这些电容或采用直流耦合。,f,H,受晶体管放大倍数和晶体管输出端分布电容影响。,为扩大通频带宽度必须采用下列措施：,选用截止频率高的器件，尽量减小负载电容和分布电容，并选取小的集电极电阻。,电路中引入强的负反馈，如放大器开环增益为,K,0,，反馈系数为,F,，则加负反馈后，高频截止频率扩展为原来的(1+,K,0,F,)倍。,在电路中用电抗元件(电容或电感)加以补偿，使放大器截止频率高一些，使总的频率响应在高频端有所提升。,放大器的形式：,单端输入放大器：,差动放大器,(,推挽放大器,),：信号在接入放大器时变换成差动信号进行放大。优点是：抑制干扰，改善因环境温度、电源电压、晶体管参数等变化引起的漂移。,B、X通道,X通道即水平偏转通道，其作用是产生一个与时间呈线性关系的电压，并加到示波管的X偏转板上去，使电子射线沿水平方向线性地偏移，形成时间基线。,随时间线性增长的扫描电压加在水平偏转板上，屏幕电子束即能由左向右随时间作水平扫描，这种扫描称为,线性时基扫描,。,其它还有圆扫描、对数扫描等不作介绍。,扫描方式：,连续扫描，触发扫描,示波器的X通道包括三部分:,时基发生器是水平通道的核心，它产生,线性度好,、,频率稳定,；幅度相等的锯齿波电压；水平放大器用来放大锯齿电压波，产生对称的锯齿波输至水平偏转板；触发电路控制时基的扫描闸门，以实现与被测信号的严格同步。,触发方式选择,脉冲整形电路,扫 描闸 门,扫 描发生器,水 平放大器,释 抑电 路,触发电路 时基发生器 水平放大器,1、时基发生器,(,扫描发生器环,),时基发生器由扫描门、积分器、电压比较器和释抑电路组成。,扫描门,积分器,R,h,C,h,D,-E,+E,R,p,T,b,稳定度,比较和释抑,U,b1,E,0,扫描门,电路是一个典型的施密特电路，它是双稳态触发电路，当触发脉冲在,t,1时刻到来，电路翻转，输出高电平，使得扫描电压发生器开始工作。,积分器,为密勒积分器，它能产生高线性度的锯齿波电压。当开关,K,断开时，电源电压,E,通过电阻只对电容C充电，产生负向锯齿波U,o,，此电压一路送至水平放大器，另一路送入时基发生器的电压比较器。积分器的两个稳态相当于开关,K,的断开和闭合，开关,K,闭合时，电容C迅速放电，使U,o,迅速回升，形成扫描回程电压。,密勒积分器,电压比较器,和,释抑电路,用于保证产生稳定的扫描信号，不会由于脉冲而产生“,误,”翻转。,比较、释抑电路,保证回扫结束后才开始下一次的触发扫描,.,回扫时不会被误触发又开始一次新的扫描.正程无影响,t,1,-扫描开始,t,p,-C,h,开始充电，,t,2,-扫描结束,C,h,开始放电,回扫时间t,b,C,h,放电时间t,h,等待时间t,w,关系：t,h,t,b,扫描门,积分器,R,h,C,h,D,-E,+E,R,p,T,b,稳定度,比较和释抑,U,b1,E,0,+E,t1,t2,t3,t4,t5,t,f,t,h,t,b,扫描电压,t1,第二次扫描,E0,E0,-E1,-E2,触发电路包括触发源选择、触发信号耦合方式选择、触发方式和触发整形电路。,(1)触发源,触发信号有三种来源：,内触发。内触发信号来自于示波器内的Y通道触发放大器，它位于延迟线前。当需要利用被测信号触发扫描发生器时，采用这种方式。,外触发。用外接信号触发扫描，该信号由触发“输入”端接入。,电源触发。来自50Hz交流电源(经变压器)产生的触发脉冲，用于观察与交流电源频率有时间关系的信号。如电源纹波电压、电源干扰等。,2、触发电路,(2)触发耦合方式,为了适应不同的信号频率，示波器设有四种触发耦合方式。,DC-直流耦合：用于观察直流或缓慢变化的信号。,AC-交流耦合：触发信号经电容,C,1,接入，用于观察由低频到较高频率的信号。,AC-低频抑制：触发信号经电容,C,1及,C,2接入，电容量减小，阻抗较大，用于抑制2kHz以下的低频成分。例如观测有低频干扰(50Hz噪声)的信号时，用这一种耦合方式较合适，可以避免波形晃动。,HF-高频耦合：触发信号经电容C1及C3接入，电容量较小，用于观测大于5MHz的信号。,(2)触发方式和触发整形,示波器的,触发方式,通常有常态、自动和高频三种方式，这三种方式控制触发整形电路，产生不同形式的扫描触发信号，形成不同的扫描电压。,常态触发方式,(,single,)/单次触发,常态触发方式是将触发信号输入整形电路，经整形得到足以触发扫描电压电路的触发脉冲。它的触发极性,(,触发沿,),和触发电平是可调节的。,不足之处：在没有输入信号或触发电平不适当时，就没有触发脉冲输出，因而也无扫描基线。,自动触发方式,(,sequence,),自动触发方式时，整形电路为一射极定时的自激振荡器，振荡器的固有频率由电路时间参数决定，该自激多谐振荡器的输出经变换后去驱动扫描电压发生器。所以，在无被测信号输入时仍有扫描。,高频触发方式,高频触发方式原理同自动触发方式，不同点是射极定时电容变小，,自激振荡频率较高,，当用高频触发信号去与它同步时，同步分频比不需太高。使,同步较为稳定,。高频触发方式常用于观测高频信号。,触发整形：,触发电平与触发极性选择,3、水平放大器,(,与放大器类似,),(放大倍数带宽),C、校正器,(,标准信号源，方波,),校正器是示波器内设的标准，用来校准或检验示波器X轴和Y轴标尺的刻度。,一般示波器设有两个校正器，分别是整幅度校正器和扫速校正器。,幅度校正器,产生幅度稳定不变并经过校正的电压(一般为方波)用于校正Y通道灵敏度。通过微调旋钮进行校正调节。,扫速校正器,产生频率固定而稳定的信号，用于校正x轴时间标度，或用来检验扫描因数是否正确。,校正源,四、双线和双踪示波器,双踪和双线示波器都可在一个示波管荧光屏上同时显示出两个信号波形。便于比较、观察、测量和分析。,双踪示波器,双线示波器,1、双踪示波器,双踪示波器也称双迹示波器，它的垂直偏转通道由A和B两个通道组成。两个通道的输出信号在电子开关控制下，,交替,通过主通道,加于,示波管的,同一,对垂直,偏转板,。,扫描方式：,1.A,2.B,3.交替,4.断续,5.A+B,2、双线示波器,双线示波器采用双线示波管构成。双线示波管在一个玻璃壳内装有,两个完全独立的电子枪和偏转系统,，每个电子枪发出的电子束经加速聚焦后，通过“自己”的偏转系统射于荧光屏上，相当于把两个示波管封装在一个玻璃壳内公用一个荧光屏，因而可以同时观察两个相互独立的信号波形。多数双线示波器共用一个时基发生器。,五、示波器的应用,电压测量,时间测量,频率测量,相位测量,4.4 高速与取样,示波器,通用示波器对高频率信号会产生畸变，产生畸变的原因主要有：,L、C,：示波器偏转板电容C与引线电感L的影响。当测量高频信号时，偏转板电容C与引线电感L构成的谐振回路，将使阶跃信号产生畸变，在上升沿处，形成过阻尼、临界阻尼或 阻尼振荡,(,欠阻尼,),三种情况。过阻尼使得上升沿变坏。欠阻尼情况，在上升沿顶部叠加振荡信号。,减小,L,：减小引线长度。,减小,C,：增大偏转极板间的距离，,(,但偏转灵敏度降低)。,(电场强度梯度变小),电子渡越时间的影响：,当电子束通过偏转板时，偏转板上的电压不变,，那么电子束的偏转量正比于偏转电压。普通示波管中电子通过偏转板的时间，即电子渡越时间为110ns量级，如果显示波形周期或脉宽比它大得多，则可以认为在波形显示期间，偏转板上的电压不变。但是，当显示高频信号，即显示ns级脉冲或几百兆赫的正弦波时，则因电子通过偏转板期间偏转板上电压会有明显变化，所显示的波形会有很大失真。对于正弦波会使得波形振幅变小，且引入相位差；对于脉冲波形，表现为上升沿下降沿均变慢，甚至畸变为三角形波,Y偏转放大器带宽不足。,放大器高频截止频率不够高，对于高频信号将产生前后沿失真。,扫描速度不够快。,当显示高频信号时，要有足够快的扫描速度。例如，要求光迹在5ns时间内扫过10cm长的距离，扫描速度为0.5nscm，普通示波器无法达到。,亮度不够。,对于高速脉冲，例如宽为5ns的脉冲，扫出一个波形的时间仅5ns，即使重复频率为每秒1000次，图形亮度仍很低。,一、高速示波器,高速示波器要显示ns、ps级的脉冲或微波信号，它不同于普通示波器的,关键是示波管、Y放大器和时基发生器,。,1、示波管,高速示波器采用专用示波管。高速示波管的偏转系统接线要短,(,从管旁引出,),，偏转板间距离d要大，以使分布电容小，加速电压要高，以减小电子渡越时间，因而偏转灵敏度将很低。为了保证示波器的灵敏度，通常要求Y轴放大器必须有更大的放大倍数。在要求更高速度时，采用行波示波管。,2、放大器,Y放大器是宽带放大器，目前集成电路放大器带宽可达1000MHz以上。,3、时基发生器,高速示波器的时基发生器扫描期间的扫描速度很高，因而扫描电容充放电电流很大。,二、取样示波器,将高频(一般为1GHz以上)的重复性的,周期信号,，经过取样(取样速率可调节)，变换成低频的重复性的周期信号，再运用通用示波器的原理进行显示和观测的示波器称为,取样示波器,。,前面介绍的示波器都是“,实时信号,”显示的示波器，而取样示波器则经过频率转换，是一种“,非实时取样,”的示波器。这种非实时取样技术把一个高频或超高频的信号经过,跨周期的取样,，形成一个波形和相位完全相同、幅度相等或成某种严格比例的低频(或中频)信号。对低频信号的测量，要比对高频或超高频信号的测量在技术上成熟得多，测量精度也易于得到保证。,“取样装置+加普通示波器=取样示波器”，取样装置可将频率上限扩展到十几GHz。1969年HP公司试制的1811A型,取样示波器频宽为18GHz,。,1、非实时取样原理,非实时取样保持电路原理图。图中K为取样脉冲,p,(,t,)所控制的电子开关，也叫取样门。在脉冲持续期,t,w,相当于开关K闭合，在脉冲间歇期,T,0,相当于开关K断开。,开关K闭合时，取样电路的输出,u,s,(,t,),=u,i,(,t,)，由于脉冲宽度,t,w,很窄，可以认为在此期间,u,i,(,t,)的电压幅度是不变的。,u,s,(,t,)是宽度与脉冲宽度,t,w,相同的离散取样信号.,在脉冲间歇期期间，开关K断开，输入信号,u,i,(,t,)不能通过开关，则,u,s,(,t,)输出信号幅度为0，这样通过取样脉冲的作用，将连续的输入信号,u,i,(,t,)，变成了离散的信号,u,s,(,t,)。,取样门及取样脉冲,非实时取样过程,2、取样示波器组成,取样示波器组成框图。,被测信号通过取样门后，变成窄脉冲信号，经放大后，送入延长电路，形成信号包络。Y通道由取样门、放大电路及延长电路组成，延长电路中有保持电容及直流放大器，以便将窄脉冲取样信号 展宽，得到量化的包络信号。,为了在屏幕上显示出由不连续的亮点构成的取样信号波形，必须采用与取样信号同步的,阶梯波扫描电压,。,波形对应关系图。,取样示波器组成框图,显示过程,在量化信号(a)与阶梯扫描信号(b)共同作用下，就可在荧光屏上显示出被测高频信号的波形如图(c)，当取样点足够密时，即图(c)中亮点足够密时，该波形便能无失真地表现被测高频波形。,(两个通道加的都是阶梯波，Y阶梯电压值对应取样值，X阶梯电压值与时间成正比。),取样示波器的X通道中的时基单元，除了产生阶梯波电压外，还产生与扫描电压同步的,t,延迟脉冲，用以同步取样门及延长门脉冲发生器，使整个系统协调地工作。,取样示波器是一种非实时取样过程，它只能,观测重复信号,，对非重复的高频信号或单次信号，只能用高速示波器进行观测。,4.5 记忆,示波器(了解),记忆示波器，,又称为模拟存贮示波器，它的记忆功能是由记忆示波管完成的。利用,具有记忆能力的材料,制成的示波管结合相应的电子线路，就形成了记忆示波器。,记忆示波管,可分为可变余辉存贮方式和快速转移存贮方式两种示波管，它们都是将记忆信号存贮于示波管的栅网上，需要显示时，将它显示出来。,栅网式记忆示波管结构示意图,记录波形的过程,：首先清除栅网，如同先将黑板擦干净一样，然后控制向栅网写入信号波形，保存该波形，最后，显示该波形。,由于数字技术的迅猛发展，数字存贮示波器的出现，使得记忆示波器的发展受到一定的影响，,数字存储示波器,逐渐取代了记忆示波器。,