第3章示波測(cè)試和測(cè)量技術(shù)ppt課件

1、u3.1 示波測(cè)試的基本理論u3.2 模擬示波器u3.3 數(shù)字存儲(chǔ)示波器 u3.4 示波器的應(yīng)用 4u示波器的功用、分類、組成和波形顯示原理u通用示波器的組成原理、特性與應(yīng)用u取樣技術(shù)在示波器中的應(yīng)用u數(shù)字示波器的組成原理、信號(hào)采集處理技術(shù)、特性與功能u示波器：u利用熒光屏顯示電量隨時(shí)間變化過(guò)程的電子測(cè)量?jī)x器。u示波器可以測(cè)量很多電參數(shù)。u電壓、電流、功率、頻率、周期、相位、脈沖寬度、脈沖上升及下降時(shí)間等。u如果配上相應(yīng)的傳感器,示波器可以測(cè)量非電量u溫度、壓力、振動(dòng)、密度、聲、光、熱、磁效應(yīng)等。u示波器對(duì)電信號(hào)的分析是按時(shí)域法進(jìn)行的,研究信號(hào)的瞬間幅度與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系,具有捕獲顯示及分析時(shí)域

2、波形的功能u具有良好的直觀性,能顯示波形,能測(cè)量信號(hào)瞬時(shí)值。u靈敏度高,顯示速度快,工作頻帶寬,可方便觀察瞬變信號(hào)細(xì)節(jié)。u輸入阻抗高(M級(jí)),對(duì)被測(cè)電路影響小,這對(duì)測(cè)量精度是很重要的。u是一種信號(hào)比較器,可顯示、分析任意兩個(gè)量之間的函數(shù)關(guān)系。u通用示波器：采用單束示波管u可對(duì)信號(hào)進(jìn)行定性觀察和定量測(cè)量。u取樣示波器：采用取樣技術(shù)將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為低頻信號(hào)后再借助通用示波器的原理進(jìn)行顯示測(cè)量 u存儲(chǔ)示波器：可對(duì)信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)并進(jìn)行顯示和測(cè)量u記憶示波器：采用具有存儲(chǔ)能力的示波管；u存儲(chǔ)示波器：借助計(jì)算機(jī)技術(shù)和大規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的存儲(chǔ)。u多束示波器：采用多束示波管u能在屏幕同時(shí)觀察和測(cè)量多個(gè)信號(hào)

3、波形 u特種示波器：滿足特種需要的示波器u當(dāng)前常用的示波器從技術(shù)原理上可分為：u模擬式通用示波器(采用單束示波管實(shí)現(xiàn)顯示,當(dāng)前最通用的示波器)。 u數(shù)字式數(shù)字存儲(chǔ)示波器(采用A/D、DSP等技術(shù)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字化示波器)。u從性能上,按示波器的帶寬可分為： u中、低檔示波器,帶寬在60MHz以下。u高檔示波器,帶寬在60MHz以上,大多在300MHz以下。 更高檔的有1GHz2GHz以上。 u3050年代：通用示波器的誕生和實(shí)用化u58年帶寬達(dá)100MHz；57年研究成記憶示波器, 59年生產(chǎn)出取樣示波器。u60年代：示波器技術(shù)進(jìn)一步得到提高，u通用示波器的帶寬69年躍至300MHz。u取樣示波器的

4、帶寬達(dá)到了18GHz。u70年代以后：u71年帶寬500MHz ,79年達(dá)到1GHz。u74年就發(fā)表了帶微處理器的示波器,開(kāi)辟了示波器微機(jī)化的發(fā)展方向,示波器開(kāi)始具備對(duì)信號(hào)的數(shù)字存儲(chǔ)功能uY(垂直)通道u對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行不失真的線性放大,以保證示波器的測(cè)量靈敏度。uX(水平)通道u產(chǎn)生與被測(cè)信號(hào)相適應(yīng)的掃描鋸齒波u主機(jī)u陰極射線示波管(CRT)u將電信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信號(hào)并在熒光屏上顯示u示波管：u電子槍： 發(fā)射電子并形成很細(xì)的高速電子束u偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)：決定電子束怎樣偏轉(zhuǎn)(X Y兩對(duì)偏轉(zhuǎn)板)u熒光屏： 在偏轉(zhuǎn)后的電子射線轟擊下發(fā)光,從而顯示出外加電信號(hào)的波形HeaterCathodeGridFluores

5、cent screenAnodeX-platesY-plates示波管屬于電真空器件,又稱為陰極射線管(CRT)。u電子槍的作用是發(fā)射電子并形成強(qiáng)度可控制的很細(xì)的電子束。它由以下幾部分組成： u燈絲F在交流低壓(如6.3V)下使鎢絲燒熱,用于加熱陰極u陰極K是一個(gè)表面涂有氧化鋇的金屬 u第一柵極G1調(diào)節(jié)G1的電位可以調(diào)節(jié)示波器的亮度,常置于示波器面板上供使用。 u第二柵極G2隔離開(kāi)G1和A1,以減小亮度調(diào)節(jié)與聚焦調(diào)節(jié)的相互影響。u第一陽(yáng)極A1與第二陽(yáng)極A2構(gòu)成一個(gè)電子透鏡,對(duì)電子束起聚焦作用。u第二陽(yáng)極A2是個(gè)更大的同軸圓筒,其上電壓較高,它主要與A1構(gòu)成電子透鏡。 u第三陽(yáng)極A3具有上萬(wàn)伏的

6、高壓,用于對(duì)電子束加速,故也稱后加速陽(yáng)極。 u偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)u靜電偏轉(zhuǎn)光點(diǎn)法u用干示波器u磁偏轉(zhuǎn) 光柵法u用于電視機(jī)、計(jì)算機(jī)顯示器及示波器。u熒光屏u在示波管正面內(nèi)壁涂上一層熒光物質(zhì),熒光物質(zhì)將高速電子的轟擊動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?產(chǎn)生亮點(diǎn)。 u當(dāng)電子束從熒光屏上移去后,光點(diǎn)仍能在屏上保持一定的時(shí)間才消失。從電子束移去到光點(diǎn)亮度下降為原始值的10所延續(xù)的時(shí)間稱為余輝時(shí)間uX、Y偏轉(zhuǎn)板上都不加電壓：u光點(diǎn)在熒光屏的中心位置uY上高,電子束受正電壓吸引向上移動(dòng)；uX右高,電子束受正電壓吸引向右移動(dòng)；uY: uy =Umsintu X: ux = 0uY: uy = 0u X: ux = UmsintuY: uy

7、 = Umsint uX: ux = Umsintu波形u電信號(hào)的時(shí)間波形,實(shí)際上就是它的瞬時(shí)值與時(shí)間在直角坐標(biāo)系統(tǒng)中的函數(shù)圖像。u示波器：u垂直坐標(biāo)y正比于輸入信號(hào)瞬時(shí)值u水平坐標(biāo)x正比于時(shí)間u 水平方向需用一個(gè)電壓模擬時(shí)間 uY偏轉(zhuǎn)板加正弦波信號(hào)電壓uX偏轉(zhuǎn)板加鋸齒波電壓u熒光屏上將顯示出被測(cè)信號(hào)隨時(shí)間變化的一個(gè)周期的波形曲線。 u掃描：光點(diǎn)在x軸上反復(fù)移動(dòng)u時(shí)基(時(shí)間基準(zhǔn))：熒光屏上代表時(shí)間的水平亮線u掃描電壓ux：u隨時(shí)間線性變化的電壓ux = ktu鋸齒波 u時(shí)間可以無(wú)限延續(xù),實(shí)際線性變化信號(hào)幅度不可能無(wú)限增長(zhǎng),且屏幕尺寸有限u直線掃描電壓,只能使光點(diǎn)在屏幕上自左至右掃一次u波形u對(duì)

8、掃描電壓要求：u周期性：u線性：u同步性：u當(dāng)fx = fy Tx = Ty ,第2周期光點(diǎn)移動(dòng)軌跡與前一周期重合；u當(dāng)fy =2 fx Tx = 2 Ty ,第3 4周期光點(diǎn)移動(dòng)軌跡與前1 2周期重合。u推論： fy =n fx (n為正整數(shù)),波形穩(wěn)定u同步： fy =n fx ， Tx = n Tyu如果Tx n Ty ,即不滿足同步條件,顯示的圖像不穩(wěn)定u掃描種類：u直線掃描：u連續(xù)掃描u觸發(fā)掃描u圓掃描u螺旋掃描 u連續(xù)掃描uTx= tf + tbutf ：掃描正程 tb ：掃描回程u理想情況：tb = 0 u為觀測(cè)連續(xù)信號(hào),掃描電壓是連續(xù)的,稱為連續(xù)掃描u當(dāng)觀測(cè)脈沖過(guò)程時(shí),往往感到

9、連續(xù)掃描不再適應(yīng),特別是研究脈沖持續(xù)時(shí)間與重復(fù)周期之比,即占空比t0Ty很小的脈沖過(guò)程時(shí),問(wèn)題就更為突出u觸發(fā)掃描 u Tx= tf + tb + twu只有在被測(cè)脈沖到來(lái)時(shí)才掃描一次u掃描發(fā)生器平時(shí)處于等待工作狀態(tài),只有送入觸發(fā)脈沖時(shí)才產(chǎn)生一個(gè)掃描電壓 u一般選擇 Tx t0u實(shí)際工作時(shí)回掃是需要一定時(shí)間的,這對(duì)顯示波形產(chǎn)生了一定的影響。 u為使回掃產(chǎn)生的波形不在熒光屏上顯示,可以設(shè)法在掃描正程期間使電子槍發(fā)射更多的電子,即給示波器增輝 u增輝：在掃描正程期間給第一柵極G1加正脈沖u 陰極K 加負(fù)脈沖 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

10、轉(zhuǎn)板至Y偏轉(zhuǎn)板校準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器低壓電源高壓電源電源至各電路正高壓負(fù)高壓X輸入校準(zhǔn)信號(hào)輸出u示波器對(duì)Y通道的基本要求是：u以足夠高的輸入阻抗將被測(cè)信號(hào)以很小的失真對(duì)稱地傳輸?shù)結(jié)偏轉(zhuǎn)板上u有足夠?qū)挼姆群皖l率測(cè)量范圍。u為了與X通道配合,Y通道應(yīng)有一定的延遲。 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(zhuǎn)板至Y偏轉(zhuǎn)板校準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器低壓電源高壓電源電源至各電路正高壓負(fù)高壓X輸入校準(zhǔn)信號(hào)輸出u輸入電路u探極u耦合方式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)u衰減器u阻抗變換器u被測(cè)信號(hào)送入Y通道前,先通過(guò)探極(探頭)進(jìn)入示波器。u使用探極的目的：u提高示波器的輸入阻抗u擴(kuò)展帶寬,減小失真

11、。u衰減器作用是把檢測(cè)信號(hào)很寬的幅度變化范圍壓縮,保證放大器正常工作u一般用阻容補(bǔ)償分壓電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。222111222212111CRjRCRjRCRjRZZZK212RRRKu當(dāng)R1 C1 = R2 C2 最佳補(bǔ)償vivoR1R2C1C2最佳補(bǔ)償過(guò)補(bǔ)償欠補(bǔ)償Z1Z2u具有觸發(fā)功能的示波器,由于掃描信號(hào)是由被測(cè)信號(hào)的前沿啟動(dòng)的,因此掃描開(kāi)始時(shí)刻總比被測(cè)信號(hào)到來(lái)的時(shí)刻要遲一些。u若被測(cè)信號(hào)前沿較短，則可能出現(xiàn)被測(cè)信號(hào)過(guò)去td之后才開(kāi)始掃描。u為完整顯示信號(hào)波形的前沿,在Y通道中加延遲線,對(duì)被測(cè)信號(hào)延時(shí)。uY放大器u前置放大器和后置放大器,均采用差分放大器u作用：使示波器具有觀測(cè)微弱信號(hào)的能力uY

12、通道的增益uSR-8：Symax =10mV/div=12.5mV/cmu Sv =68V/cmmaxyvSSK 560/5 .12/7cmVcmVKu示波器的Y通道必須由多級(jí)放大器組成u對(duì)Y放大器的主要要求是：u頻帶寬度f(wàn)足夠?qū)挘?fH越高越好 u fL=0u上升時(shí)間tr足夠小u穩(wěn)定的增益u對(duì)稱的輸出電路u較高的輸入阻抗u作用：u使電子束作水平偏轉(zhuǎn)u給示波管提供增輝脈沖u組成 觸 發(fā) 源選 擇觸 發(fā) 耦 合方 式 選 擇放 大 整 形電 路掃 描閘 門掃 描 電 壓發(fā) 生 器水 平放 大 器比 較 和釋 抑 電 路觸 發(fā) 信 號(hào)觸 發(fā) 電 路掃 描發(fā) 生 器 環(huán)至 X偏 轉(zhuǎn) 板u觸發(fā)電路的作

13、用是為掃描信號(hào)發(fā)生器提供符合要求的觸發(fā)脈沖。u它把觸發(fā)信號(hào)變換為具有陡峭前沿,與被測(cè)信號(hào)同步的觸發(fā)脈沖u觸發(fā)電路組成：u觸發(fā)源選擇u觸發(fā)的耦合方式選擇u觸發(fā)方式選擇u觸發(fā)極性選擇u觸發(fā)電平選擇u觸發(fā)放大整形電路等 u觸發(fā)極性選擇和觸發(fā)電平調(diào)節(jié)(a) 正電平、正極性(b) 正電平、負(fù)極性(c) 負(fù)電平、負(fù)極性(d) 負(fù)電平、正極性u(píng)作用:產(chǎn)生符合要求的鋸齒電壓。u組成:掃描閘門、掃描電壓發(fā)生器、電壓比較器、u 釋抑電路 掃描閘門掃描鋸齒波發(fā)生器比較和釋抑電路+E至X放大器+E“穩(wěn)定度”調(diào)節(jié)比較電平觸發(fā)脈沖輸入“增輝”脈沖u掃描閘門施密特觸發(fā)器(滯后特性)u當(dāng)觸發(fā)脈沖在到來(lái)時(shí),觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，輸出的高

14、低電平,作為掃描發(fā)生器的控制信號(hào)門控信號(hào)u掃描發(fā)生器受時(shí)基閘門控制u密勒積分器u當(dāng)K斷開(kāi)時(shí),電源E通過(guò)電阻R對(duì)電容C充電,輸出負(fù)向鋸齒波掃描電壓隊(duì)。u此電壓一路送X放大器,另一路送時(shí)基電路的電壓比較器u輸出電壓U0為u當(dāng)K閉合時(shí),電容C放電,使U0迅速上升,回到掃描的起點(diǎn)。 tRCEEdtRCUt001u電壓比較器u將掃描電壓U0與參考電壓Ur進(jìn)行比較,當(dāng)U0Ur時(shí),電壓比較器輸出電壓隨U0而下降,給釋抑電路的電容器充電。u釋抑電路u在掃描回程期間電容C以較慢的速度放電u保證每次掃描都在同一起始電平上開(kāi)始。E1E0E2Er來(lái) 自 比 較 電 路的 參 考 電 平（ 比 較 電 平 ）掃 描 發(fā)

15、 生器 輸 出 Vo上 觸 發(fā) 電 平下 觸 發(fā) 電 平通 過(guò) “ 穩(wěn) 定 度” 調(diào) 節(jié) 的 靜 態(tài)工 作 電 平 E0觸 發(fā) 脈 沖12345抑 制 期回 掃 期開(kāi) 始 下 一次 掃 描跟 隨 Vo6釋 放閘 門 輸 出疊 加 后 的閘 門 輸 入u多束顯示和多蹤顯示是同時(shí)顯示幾個(gè)信號(hào)波形的基本方法u多束顯示u優(yōu)點(diǎn)：能夠觀察同時(shí)出現(xiàn)的瞬變信號(hào)。u多束示波管內(nèi)裝有幾個(gè)獨(dú)立電子槍，能同時(shí)發(fā)射多束電子；或把同一陰極發(fā)射出來(lái)的電子分割為幾束電子束。u用多束示波管制成的示波器稱為多束示波器或多線示波器u多蹤示波器：u采用單束示波管,在它的Y偏轉(zhuǎn)板上輪流接入幾個(gè)被測(cè)信號(hào),按時(shí)間分割原理制成的示波器u優(yōu)點(diǎn)

16、：性能高、價(jià)格低u缺點(diǎn)：不能觀測(cè)同時(shí)出現(xiàn)的瞬變信號(hào)，u組成：與普通示波器類似u兩個(gè)Y通道 + 一個(gè)通道轉(zhuǎn)換器電子開(kāi)關(guān)）Y1輸入電路Y1前置放大器Y1門電路電子開(kāi)關(guān)延遲線Y后置放大器Y2輸入電路Y2前置放大器Y2門電路至Y偏轉(zhuǎn)板Y1輸入Y2輸入控制信號(hào)u雙蹤示波器設(shè)有“A”“B”“A+B”“交替和“斷續(xù)五種工作狀態(tài)。u“A”：uS1S2S7S8 斷開(kāi), S3S4S5S6接通，u YA信號(hào)送Y偏轉(zhuǎn)板u“B”：uS1S2S7S8接通, S3S4S5S6斷開(kāi)，u YB信號(hào)送Y偏轉(zhuǎn)板u“AB”：uS1S2S5S6斷開(kāi), S3S4S7S8接通，u 兩路信號(hào)均傳到輸出端,并在負(fù)載中互相疊加 u上述三種狀態(tài)均

17、為單蹤顯示,為顯示雙蹤,需高速控制YA與YB的接通與斷開(kāi),實(shí)現(xiàn)兩信號(hào)的輪流顯示u在實(shí)際電路中,用晶體二、三極管代替機(jī)械開(kāi)關(guān)K1 K8,稱為電子開(kāi)關(guān),其開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速率可達(dá)幾百kHzu電子開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換控制方式 u交替u斷續(xù) 交替方式不適于顯示重復(fù)頻率很低的信號(hào) u特點(diǎn)：fk = fx 顯示波形連續(xù)u第一次掃描接通YA信號(hào),第二次掃描接通YB信號(hào),如此反復(fù),并在屏幕上輪流顯示出兩個(gè)信號(hào)波形u控制電子開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)信號(hào)由時(shí)基電路提供。uy1uy2uxu特點(diǎn)： fk fxu在每一次掃描正程中,高速輪流接通兩個(gè)輸入信號(hào), 顯示出來(lái)的波形是由許多線段組成。 u當(dāng)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換頻率很高時(shí),這些線段很短,看上去就好像是連續(xù)的波形。u斷續(xù)方式只適合于觀測(cè)低頻信號(hào)u雙掃描示波器有兩個(gè)獨(dú)立的觸發(fā)和掃描電路,特別適用于在觀察一個(gè)脈沖序列的同時(shí),仔細(xì)觀察其中一個(gè)或部分脈