模拟示波器显示波形的原理.ppt

电子测量与仪表（,Electronic Measurement and Instruments）,西南科技大学,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5章,时域测量,电子测量与仪表,1,第5章时域测量,信号以,连续时间,为自变量的函数,以,f,为自变量，,P,或能量为因变量的函数,以,离散时间,或事件出现的次序为自变量，,把状态值为因变量的函数关系。,例：,脉冲发生器、函发、,示波器,、计数器,例：,频谱仪，,布尔和冯诺依曼,奠定了数学基础,例：,逻辑分析仪，,麦克斯韦和傅立叶,奠定了数学基础,频域,数据域,时域,第5章时域测量,在电子技术领域里，各种电信号多为,时间的函数,。对于非周期性的、变化复杂的信号无法用简单的几个参数去描述它们。最好的办法是使用示波器去观察测量和研究各种时域信号。示波器不仅能,定性观察,电信号的,动态过程,，还可以,定量地测量,表征电信号特性的所有,电参数,。示波器除了测量电量之外，通过各种传感器还可以测量,非电量,。,第5章时域测量,示波器,复现电信号,时变,规律，是用途广泛的综合性仪器。,1、,示波器可,代替,一大堆仪表。理由是：,基本电信号,V,、,I,、,P,等都表现为幅度的大小；,基本电参数,T,、,f,、,以及调制特性、失真情况等都是时变规律。,2、,示波器是,唯一,可选仪器（对某些参数）。如：阻尼振荡，脉冲的上冲、下冲、上升、下降，重合等。,t,V,O,第5章时域测量,示波器,复现电信号,时变,规律，是用途广泛的综合性仪器。,1、,示波器可,代替,一大堆仪表。理由是：,基本电信号,V,、,I,、,P,等都表现为幅度的大小；,基本电参数,T,、,f,、,以及调制特性、失真情况等都是时变规律。,2、,示波器是,唯一,可选仪器（对某些参数）。如：,阻尼振荡，脉冲的上冲、下冲、上升、下降，重合等。,3、,配合有关电路,组成,测试系统。如：,晶体管特性图示仪，阻抗、频率、网络测试仪等。,第5章时域测量,5.1 示波器的分类,5.2 模拟示波器,5.3 多波形显示,5.4 取样示波器,5.5 数字存储示波器,5.6 示波器的应用,第5章时域测量,重点：,模拟示波器,模拟示波器的基本构成,模拟示波器显示波形的原理,示波器的应用,难点：,模拟示波器显示波形的原理,第5章时域测量,示波器的,应用,：,电信号的时域测量,非电信号（如,温度、压力,等）的变化测量,示波器的,特点,：,速度快，工作频率宽，可测,高速脉冲,电子束惯性小,灵敏度高，可观察,微弱信号,变化,配有高增益放大器,过载能力强,非指针指示,输入阻抗高,5.1 示波器的分类,数字示波器,模拟示波器,模拟示波器,多束示波器,取样示波器,记忆示波器,专用示波器,实时取样,随机取样,顺序取样,A/D，D/A,中低档,B,100MHz,5.2 模拟示波器,5.2.1,模拟示波器的基本构成,5.2.2,示波器显示波形的原理,5.2.3,垂直系统,5.2.4,水平系统,5.2.1 模拟示波器的基本构成,由五部分构成。,5.2.1 模拟示波器的基本构成,示波管,信号波形显示,，将电信号转换为光信号。,5.2.1 模拟示波器的基本构成,垂直系统（Y通道）,使示波管荧光屏上光点的位置在垂直（Y）方向上线性地反映被测信号幅度。,5.2.1 模拟示波器的基本构成,水平系统（X通道）,产生与被测信号相适应的扫描锯齿波，控制,荧光屏上光点的位置在水平（X）方向上由左向右循环移动，或在水平（X）方向上线性地反映X输入信号幅度。,5.2.1 模拟示波器的基本构成,Z轴电路,增辉,：将闸门信号放大，使显示的波形正程加亮，,回扫光迹消隐,。,调辉,：加外调制信号或时标信号，使屏幕显示波形的亮度发生相应地变化。,5.2.1 模拟示波器的基本构成,电源与校准源,电源,：为其他电路提供高、低压工作电源，其中高压提供给示波管。,校准源,：产生幅度和频率准确的方波，作为仪器的校准信号。,5.2.2 示波器显示波形的原理,由电子枪、偏转系统、荧光屏组成,密封在玻璃壳内，形成大型的电真空器件,用途：电信号,光信号,1.示波管,(CRT-Cathode Ray Tube，阴极射线管),的结构,电子枪,栅极G,1,阴极K,灯丝F,偏转系统,第一阳极A,1,第二阳极A,2,Y,1,Y,2,X,1,X,2,后加速极A,3,荧光屏,偏转板,辅助聚焦,聚焦,辉度,+,RP,1,RP,2,RP,3,前加速极G,2,发射电子并形成很细的高速电子束,灯丝,F,、阴极,K,、栅极,G,1,、前加速极,G,2,、第一阳极,A,1,、第二阳极,A,2,灯丝,F,加热,阴极,K,，,K,产生,电子束,负电位栅极,G,1,控制,电子束的强弱,辉度,调节,A,1,、,A,2,构成电子束的,聚焦,A,1,聚焦调节,A,2,辅助聚焦调节,(1),电子枪,作用：,组成：,原理：,5.2.2 示波器显示波形的原理,1.示波管（CRT）的结构,栅极G,1,阴极K,第一阳极A,1,第二阳极A,2,荧光屏,前加速极G,2,电子束在电子枪内的运动轨迹：,(1),电子枪,为增加聚焦效果：,G,2,加隔板，,截获偏离轴线远的电子,A,2,中心有一个小孔，,利于聚束,5.2.2 示波器显示波形的原理,1.示波管（CRT）的结构,(2),偏转系统,垂直偏转板水平偏转板,外加电压在偏转板之间形成,电场,；使电子束打向荧光屏上的某个坐标位置。,Y偏转板置于靠近电子枪的部位，而X偏转板则更靠近荧光屏。为了示波器有,较高的灵敏度,。,组成：,放置：,原理：,5.2.2 示波器显示波形的原理,1.示波管（CRT）的结构,(2),偏转系统,以垂直偏转板为例,偏转板距离,y,与偏转电压,U,y,的关系：,板长,板间距,偏转灵敏度,V/cm,提高灵敏度措施：,增大,S,，,垂直偏转置于水平偏转左边（,远离荧光屏,）,减小,U,A2,，,增加后加速（PDA）系统,加屏蔽层，,消除偏转板间交叉干扰及外界电磁场作用,5.2.2 示波器显示波形的原理,1.示波管（CRT）的结构,板屏距,(3)荧光屏,余辉时间,光点亮度下降为最大值的10的时间,荧光粉,将电信号 光信号,大部分转化成热能，少部分转化成光能。因此：,不能长时间停,在一处，否则易损坏荧光粉而形成斑点。,铝膜,短余辉10s,1ms,中余辉1ms,0.1s,长余辉0.1s,1s,一般示波器,高频信号,超低频信号,5.2.2 示波器显示波形的原理,1.示波管（CRT）的结构,1m,位于荧光屏内侧,A、,U,x,=,U,y,=0,A、,U,x,=,U,y,=0,A、,U,x,=,U,y,=0,2.示波管波形显示原理,(1)显示随时间变化的波形,U,x,、,U,y,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,A,、,U,x,=,U,y,=0,B,、,U,x,=0，,U,y,=常量,光点仅在,垂直,方向偏移。,U,y,0，,上,移；,U,y,0，,右,移；,U,x,R,2,C,2,过补偿：,R,1,C,1,t,T,），从而保证屏幕上显示处被测信号的全过程。,5.2.3 垂直系统,触发点,输入信号,扫描电压,显示波形,输入信号,延迟后,扫描,起点,t,T,t,d,四、后置放大器,目的：,要求：,电路：,将经延迟线的被测信号放大到,足够的幅度,，以驱动垂直偏转系统，使电子束获得Y方向的满偏转。,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,采用,推挽式放大器,，有利于提高共模抑制比,5.2.3 垂直系统,形成、控制并放大锯齿波扫描电压，以在屏幕上显示稳定、准确的波形。,1、作用,5.2.5 水平系统,2、组成,一、触发电路,1、作用,为扫描电路提供一定幅度和宽度的正触发脉冲,2、组成,放大、整形,电路,内,外,电源,C,1,C,3,AC,TV,HF REJ,DC,常态,自动,单次,触发电平调节,至扫描,发生器环,触发脉,冲输出,S,1,S,2,S,4,+,-,S,3,极性反,转电路,触发源,选择,触发耦合方式选择,触发极,选择性,触发方式选择,电视同步分离电路,5.2.4 水平系统,将Y前置放大器输出（延迟线前的被测信号）作为触发信号，适用于观测被测信号。,用外接的、与被测信号有严格同步关系的信号作为触发源，用于比较两个信号的同步关系。,用,50Hz,的工频正弦信号作为触发源，适用于观测与,50Hz,交流有同步关系的信号。,一、触发电路,（1）触发源选择,内触发（INT）,外触发（EXT）,电源触发（LINE）,5.2.4 水平系统,一、触发电路,（2）触发耦合方式,DC直流耦合,HF REJ高频抑制,电视TV,接入直流或缓慢变化的触发,AC交流耦合,观察从低频到较高频率的信号,观察抑制高频成分的交流信号,观察视频TV信号，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。,5.2.4 水平系统,一、触发电路,（3）触发方式选择,自动,单次,有连续扫描锯齿波电压输出，荧光屏上总能显示扫描线。,常态,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。,自动和常态均不用，按下“复位”按钮，扫描一次。,5.2.4 水平系统,一、触发电路,（4）触发极性和触发电平,触发极性,触发电平,指触发脉冲到来时所对应的触发放大器输出电压的瞬时值。,触发点位于触发信号的,上升,沿,-,触发点位于触发信号的,下降,沿,二者共同决定触发脉冲产生的时刻，并决定被显示信号的,起始点,。,总体作用：,5.2.4 水平系统,一、触发电路,（4）触发极性和触发电平,(a)正电平、正极性,(b)正电平、负极性,(c)负电平、负极性,(d)负电平、正极性,5.2.4 水平系统,二、扫描发生器环,至X放大器,稳定度,调节,比较电平,触发脉,冲输入,扫描闸门,积分器,比较释抑电路,增辉脉冲,+,E,+,E,5.2.4 水平系统,二、扫描发生器环,1、扫描闸门,产生快速上升或下降的闸门信号,作用：,目的：,控制正程增辉,控制积分器扫描,使双踪示波器工作于交替状态,5.2.4 水平系统,5.2.4 水平系统,二、扫描发生器环,2、密勒积分器,产生线性变化的锯齿波电压,作用：,组成：,来自扫,描闸门,-,+,R,C,+,E,扫描锯齿波输出,V,o,t,t,3、比较和释抑电路,作用：,控制扫描信号的始终点，使电路产生等幅扫描。,5.2.4 水平系统,二、扫描发生器环,在比较电路中，输入电压与预置的参考电平进行比较，当输入电压等于预置的参考电平时，输出端电位产生跳变，并把它作为控制信号输出。,它决定扫描的终止时刻。,释抑电路在扫描逆程开始后，关闭或抑制扫描闸门，使“抑制”期间扫描电路不再受到同极性触发脉冲的触发。,每次扫描都开始在同样的起始电平上。,3、比较和释抑电路,5.2.4 水平系统,二、扫描发生器环,上触发电平,E,1,下触发电平,E,2,闸门输入,闸门输出,比较电平,U,r,扫描电压,E,0,多个电子枪和偏转系统,单线，通过电子开关控制,多线显示,多踪显示,多扫描显示,X系统有两个扫描电路,特点：,实时显示，准确度高；工艺复杂、成本高,特点：,非实时显示；要求低、应用广泛,特点：,非实时显示，显示脉冲的某一细节变化,5.3 多波形显示,一、组成,二、显示波形的原理,单波形,Y1、Y2、Y1Y2,双波形,Y1和Y2同时显示,5.3.1 多踪显示,Y,1,输入电路,Y,1,前置放大器,Y,1,门电路,电子,开关,延迟线,Y后置,放大器,门电路,至Y,偏转板,Y,1,输入,控制信号,Y,2,输入电路,Y,2,前置放大器,Y,2,Y,2,输入,u,y1,u,y2,u,x,二、显示波形的原理,交替显示方式,断续显示方式,双波形,高频测量，非实时,低频测量，准实时,1、交替显示方式,电子开关受,扫描频率,控制,5.3.1 多踪显示,u,y1,u,y2,u,x,二、显示波形的原理,2、断续显示方式,电子开关受,自激振荡,控制,5.3.1 多踪显示,前置放大,延长线,Y后置放大,A触发,A扫描,电子开关,X放大,电压比较,B触发,选择门,Y线光迹,分离电路,+,-,B扫描,R,P,Y输入,A增辉,B增辉,一、组成,1,2,3,4,二、作用,观察由不同幅度、形状组成脉冲中任一脉冲细节变化,5.3.2 双扫描显示,一、原理,二、应用,周期、高频信号,5.4 取样示波器,经放大和延长电路后的信号,t,t,输入信号,取样脉冲,取样信号,显示波形,T,D,t,T,D,t,1,2,3,4,5,2,D,t,3,D,t,4,D,t,数字储存示波器（,Digital Storage OscilloscopeDSO,），先将输入的,模拟,信号经,A,/,D,变换为,数字,信号，,存储,在存储器,RAM,中；需要,显示,时，读出RAM中的,数据,，通过,D,/,A,恢复为模拟量，显示在屏幕上。,信号处理与显示功能独立,。,数字储存示波器的,性能指标,，主要取决于,A,/,D、D,/,A,和,RAM,。,5.5 数字存储示波器,1.数字存储示波器的基本组成,5.5 数字存储示波器,5.5 数字存储示波器,2.数字存储示波器的基本原理,DSO,处于,存储工作模式,时，其工作过程一般分为,存储,和,显示,两个阶段。,存储工作阶段,：将,模拟,信号经,A,/,D,转换成,数字,化信号，在,逻辑控制,电路的控制下依次写入到存储器,RAM,中。,显示工作阶段,：将,数字,信号从,RAM,中读出，经,D,/,A,转换成模拟信号，经垂直放大器放大加到,CRT,的,Y,偏转板,。,同时,，,CPU,的,读地址计数脉冲,加至,D,/,A,转换器，得到一个阶梯波,扫描,电压，驱动,CRT,的,X,偏转板,。,5.5 数字存储示波器,3.主要技术指标,最高取样速率,f,s,单位时间,内的,最高取样次数,，由,A,/,D,的转换速率,决定,。,存储容量,获取,波形,的,取样点数,，用存储单元数来表示。也称为,记录长度,。,分辨力,量化,的最小单元。包括,垂直,分辨率（电压分辨率）和,水平,分辨率（时间分辨率）,。,准确度,通过,游标,来测量，准确度可达,1%,。,扫描时间因数,存储带宽,分,单次,存储带宽和,重复,存储带宽。,X-Y,存储带宽,X,、,Y,通道相同,，,与,重复,存储带宽相同。,5.5 数字存储示波器,4.数字存储示波器的功能特点,触发点位置可任意设定,观测,单次,信号尤为方便。,滚动方式,左右,、,右左,和,静止,。,峰值检测功能,可显示高频信号波形的,包络,。,累计峰值检测功能,平均功能,可将湮没在,噪声,中的,微弱,信号检测出来。,屏幕读出功能,可显示,仪器,和,信号,的有关,参数,。,游标测量功能,可测量波形,任意两点,的电压和时间间隔；,屏幕,直读,显示,测量数据，减小,人为误差,。,5.5 数字存储示波器,4.数字存储示波器的功能特点,存储波形的缩放,软件,技术，方便观测波形,细节,具有记录输出功能,菜单功能,简化,硬件,面板,。,接口功能,输出数据供,打印,和进一步,处理,；进行,遥控,和构成,自动测试,系统,。,5.5 数字存储示波器,5.数字存储示波器与模拟(通用)示波器的比较,信号,可分为两大类：,周期性,重复信号,非周期、单次,或,随机,信号,5.5 数字存储示波器,5.数字存储示波器与模拟（通用）示波器的比较,与,模拟,示波器相比，,数字储存,示波器有以下优点：,具有存储触发前信息的功能,：可,捕获,和,显示,故障发生前的信号，便于检测分析。,长久保存波形，观测低速信号无闪烁：,采用,RAM,，可,慢写快读,；有些示波器外部电源中断后仍能保存数据。,数据处理功能强：,快速傅里叶变换,等。,存储波形与实时波形同屏同时显示：,便于,比较,。,精确度高：,利用,微处理器,及,软件,技术的强大功能，,光标,测量和,自动,测量。,5.5.1 电压的测量,5.5.2 时间的测量,5.5.3 相位的测量,5.5.4 频率的测量,5.5 示波器的应用,一、,直流,电压的测量,垂直偏转灵敏度,被测电压离零电平的高度,探头衰减系数,注意：,通过,DC,耦合确定零电平线,5.5.1 电压的测量,一、,直流,电压的测量,垂直偏转灵敏度,被测电压离零电平的高度,探头衰减系数,注意：,通过,DC耦合,确定零电平线,5.5.1 电压的测量,AC耦合,滤除直流信号,二、,交流,所测时间宽度,扫描速度,X,轴扩展系数,应用：,可测周期、脉宽、时间间隔等,5.5.2 时间的测量,一、双迹法,d,T,5.5.3 相位的测量,二、李萨如图形法,设,2,x,0,0,2,x,m,m,2,y,0,2,y,m,则：,5.5.3 相位的测量,二、李萨如图形法,步骤：,2,x,0,0,2,x,m,m,2,y,0,2,y,m,信号输入后，用XY方式观察,CH1和CH2先接地，确定坐标,记下,x,0,、,x,m,、,y,0,、,y,m,Note：,坐标定后，,垂直位移,不可再动,利用公式：,或,5.5.3 相位的测量,一、李萨如图形法,N,H,N,V,原理：,水平线与图形的切点个数,垂直线与图形的切点个数,5.5.4 频率的测量,二、虚线法,原理：,先用,已知,f,的信号显示在屏幕上，将,被测信号,f,x,加到Z轴，形成断续图，观察断点个数,m,可得,f,x,：,5.5.4 频率的测量,三、环形法,原理：,先用,已知,f,的信号经过相移加到X、Y通道形成圆形，将,被测信号,f,x,加到Z轴，形成断续环形图，观察断点个数,m,可得,f,x,：,5.5.4 频率的测量,