儀器儀表時域測量方法

第5章

時域測量第5章時域測量

—信號以連續(xù)時間為自變量的函數(shù)—以f為自變量，P或能量為因變量的函數(shù)—以離散時間或事件出現(xiàn)的次序為自變量，把狀態(tài)值為因變量的函數(shù)關(guān)系。例：脈沖發(fā)生器、函發(fā)、示波器、計數(shù)器例：頻譜儀，布爾和馮諾依曼奠定了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)例：邏輯分析儀，麥克斯韋和傅立葉奠定了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)頻域數(shù)據(jù)域時域第5章時域測量

5.1示波器的分類5.2通用示波器*5.3多波形顯示5.4取樣示波器5.5示波器的應(yīng)用*第5章時域測量重點：通用示波器通用示波器的基本構(gòu)成通用示波器顯示波形的原理示波器的應(yīng)用測頻、測相位難點：通用示波器顯示波形的原理第5章時域測量示波器的應(yīng)用：示波器的特點：電信號的時域測量非電信號（如T、壓力、a等）的變化測量速度快，工作頻率寬，可測高速脈沖靈敏度高，可觀察微弱信號變化過載能力強輸入阻抗高—電子束慣性小—非指針指示—配有高增益放大器—對被測電路影響小5.1示波器的分類數(shù)字示波器模擬示波器通用示波器*多束示波器取樣示波器記憶示波器專用示波器實時取樣

隨機取樣順序取樣A/D，D/A中低檔B<100MHz高檔B>100MHz—測量高頻周期信號—例：高靈敏度示波器—測量瞬變的單次信號5.2通用示波器通用示波器的基本構(gòu)成示波器顯示波形的原理垂直系統(tǒng)水平系統(tǒng)通用示波器的基本構(gòu)成Y軸輸入外X軸輸入外觸發(fā)輸入示波管垂直系統(tǒng)（Y通道）水平系統(tǒng)（X通道）主機（顯示＋電源）示波器顯示波形的原理一、示波管的結(jié)構(gòu)(CRT-CathodeRayTube)示波器顯示波形的原理一、示波管的結(jié)構(gòu)①由電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、熒光屏組成②這個密封在玻璃殼內(nèi)，形成大型的電真空器件③用途：電信號光信號示波器顯示波形的原理一、示波管的結(jié)構(gòu)發(fā)射電子并形成很細的高速電子束燈絲F、陰極K、柵極G、前加速極G2、第一陽極A1、第二陽極A2A、燈絲F加熱產(chǎn)生電子束B、負電位柵極G控制電子束的強弱—輝度調(diào)節(jié)C、G2、A1、A2構(gòu)成電子束的聚焦—A1聚焦調(diào)節(jié)

—A2輔助聚焦調(diào)節(jié)1、電子槍①作用：②組成：③原理：示波器顯示波形的原理一、示波管的結(jié)構(gòu)電子束在電子槍內(nèi)的運動軌跡：1、電子槍為增加聚焦效果：①G2加隔板，截獲偏離軸線遠的電子②A2中心有一個小孔，利于聚束示波器顯示波形的原理一、示波管的結(jié)構(gòu)2、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)垂直偏轉(zhuǎn)板＋水平偏轉(zhuǎn)板外加電壓在偏轉(zhuǎn)板之間形成電場；使電子束打向熒光屏上的某個坐標位置。Y偏轉(zhuǎn)板置于靠近A2的部位，而X偏轉(zhuǎn)板在Y的右邊。為了示波器有較高的靈敏度。

①組成：②放置：③原理：示波器顯示波形的原理一、示波管的結(jié)構(gòu)(CRT-CathodeRayTube)示波器顯示波形的原理一、示波管的結(jié)構(gòu)2、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)—以垂直偏轉(zhuǎn)板為例示波器顯示波形的原理一、示波管的結(jié)構(gòu)2、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)—以垂直偏轉(zhuǎn)板為例偏轉(zhuǎn)板距離y與偏轉(zhuǎn)電壓Uy的關(guān)系：板長板屏距板間距偏轉(zhuǎn)靈敏度V/cm提高靈敏度措施：①增大L，垂直偏轉(zhuǎn)置于水平偏轉(zhuǎn)左邊②減小UA2，增加先偏轉(zhuǎn)后加速系統(tǒng)（PDA）P157③加屏蔽層，消除偏轉(zhuǎn)板間交叉干擾及外界電磁場作用示波器顯示波形的原理一、示波管的結(jié)構(gòu)3、熒光屏②余輝時間—光點亮度下降為最大值10％持續(xù)的時間①熒光粉—將電信號光信號

大部分轉(zhuǎn)化成熱能，少部分轉(zhuǎn)化成光能。因此：不能長時間停在一處，否則易損壞熒光粉而形成斑點。③鋁膜—位于熒光屏內(nèi)側(cè)短余輝—10us∽1ms中余輝—1ms∽0.1s長余輝—0.1s∽1s——一般示波器——高頻信號——超低頻信號示波器顯示波形的原理二、示波管波形顯示原理1、顯示隨時間變化的波形Ux、Uy為固定電壓時，有下面四種情況：光點出現(xiàn)在熒光屏的中心位置

A、Ux＝Uy＝0B、Ux＝0,Uy=常量光點僅在垂直方向偏移示波器顯示波形的原理二、示波管波形顯示原理1、顯示隨時間變化的波形D、Ux＝常量,Uy=常量C、Ux＝常量,Uy=0光點僅在水平方向偏移光點在象限內(nèi)，為兩者的矢量合成示波器顯示波形的原理二、示波管波形顯示原理2、掃描的概念A(yù)、Ux＝0,Uy為正弦波電壓UyUyt0123402413示波器顯示波形的原理二、示波管波形顯示原理B、Uy=0,Ux為鋸齒波電壓01324UxUxt0t01234Ux掃描：Ux為周期鋸齒波電壓（掃描電壓），在屏幕上顯示一條水平亮線（時間基線），這過程稱掃描。2、掃描的概念示波器顯示波形的原理二、示波管波形顯示原理2、掃描的概念C、Ux為鋸齒波電壓，Uy為正弦波電壓（設(shè)Tx＝Ty）01324UxUxUyUy01234UyUxttn=2TxTy示波器顯示波形的原理二、示波管波形顯示原理3、同步的概念設(shè)Tx＝2Ty示波器顯示波形的原理二、示波管波形顯示原理3、同步的概念設(shè)Tx＝5Ty/40123467810911TxUxt0123455678910TyUyt01234567910波形一直往左跑－不同步同步—Tx＝nTy示波器顯示波形的原理二、示波管波形顯示原理4、掃描過程的增輝（設(shè)Tx＝2Ty）01234678tUxtTxUyTy0123456785501234678正程增輝—使波形不出現(xiàn)回掃線示波器顯示波形的原理二、示波管波形顯示原理5、連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描連續(xù)掃描—鋸齒波電壓連續(xù)的掃描觸發(fā)掃描—只在信號來時才觸發(fā)，而平時無觸發(fā)的掃描。應(yīng)用：占空比小的脈沖信號例：TsT＝Tstt難以觀察脈沖細節(jié)a.連續(xù)掃描示波器顯示波形的原理二、示波管波形顯示原理5、連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描例：ttTs脈沖展寬，但太暗而時間基線太亮b.連續(xù)掃描tTs掃描等待示波器顯示波形的原理二、示波管波形顯示原理5、連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描例：能較好觀察脈沖c.觸發(fā)掃描觸發(fā)掃描—信號來時觸發(fā)，而平時無觸發(fā)。示波器顯示波形的原理二、示波管波形顯示原理6、X－Y方式波形顯示01234UyUxtt（1）Ux與Uy都為正弦波，且同相示波器顯示波形的原理二、示波管波形顯示原理6、X－Y方式波形顯示（2）Ux與Uy都為正弦波，不同相，設(shè)相位差90o01234024UyUxtt若峰值不同，則為橢圓示波器顯示波形的原理二、示波管波形顯示原理7、主要的性能指標（1）頻帶寬度BW和上升時間tr

一般指Y通道的頻帶寬度。反映可觀測信號的最高頻率，越大越好。

表示示波器Y通道隨輸入信號快速變化的能力。反映脈沖信號的最小寬度，越小越好。兩者關(guān)系：頻帶寬度BW——上升時間tr——示波器顯示波形的原理二、示波管波形顯示原理7、主要的性能指標（2）偏轉(zhuǎn)靈敏度

表示了示波器Y通道的放大/衰減能力，反映示波器觀察微弱信號的能力，越小越好。與BW相矛盾定義——意義——

指在輸入信號無衰減情況下，光點在熒光屏Y方向上移動1cm（即1格）所需的電壓值，單位為“V/cm”、“mV/cm”（或“V/div”、“mV/div”）。示波器顯示波形的原理二、示波管波形顯示原理7、主要的性能指標（3）掃描速度

表示了示波器測量信號的范圍，窄脈沖和高頻需要高的掃描速度，緩慢變化信號需要低的掃描速度，因此掃描速度范圍越寬越好。定義——意義——

指在無擴展情況下，光點在熒光屏X方向上單位時間移動的距離，單位為“s/cm”或“s/div”一般范圍——0.05us/div∽0.5s/div垂直系統(tǒng)1、作用2、組成觀測mV∽幾十伏電壓，需要放大及衰減電路輸入電路前置放大器延遲線后置放大器垂直系統(tǒng)一、輸入電路包含：耦合方式＋衰減器1、耦合方式——信號直接通過——確定零電壓——隔直流及低頻，觀察交流信號問：如何測紋波電壓的幅值和平均值DCGNDACDCACGNDRiCi至衰減器S垂直系統(tǒng)一、輸入電路2、衰減器u1u2R1R2C1C2目的：測量大信號目的：電阻電容分壓器組成：R1C1＝R2C2最佳補償：R1C1>R2C2過補償：R1C1<R2C2欠補償：過補償欠補償旋鈕：示波器面板上的垂直靈敏度粗調(diào)開關(guān)（V/div）垂直系統(tǒng)二、前置放大器1、單端輸入信號變成雙端對稱輸出信號2、還具有增益擴展、微調(diào)，垂直位移，極性變換的作用電路：采用差分放大電路垂直系統(tǒng)三、延遲線1、必要性無法觀察完整波形觸發(fā)點輸入信號掃描電壓顯示波形掃描起點tT垂直系統(tǒng)三、延遲線2、作用

將被測信號在偏轉(zhuǎn)板上出現(xiàn)的時刻滯后于掃描開始的時刻（td>tT

），從而保證屏幕上顯示處被測信號的全過程。觸發(fā)點輸入信號掃描電壓顯示波形輸入信號延遲后掃描起點tTtd垂直系統(tǒng)四、后置放大器目的：要求：電路：將經(jīng)延遲線的被測信號放大到足夠的幅度，以驅(qū)動垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，使電子束獲得Y方向的滿偏轉(zhuǎn)。具有穩(wěn)定的增益、較高的輸入阻抗、足夠?qū)挼念l帶、較小的諧波失真。采用推挽式放大器，有利于提高共模抑制比水平系統(tǒng)1、作用2、組成

形成、控制并放大鋸齒波掃描電壓，以在屏幕上顯示穩(wěn)定、準確的波形。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)信號觸發(fā)電路掃描發(fā)生器環(huán)至X偏轉(zhuǎn)板掃描電路水平系統(tǒng)一、觸發(fā)電路1、作用

為掃描電路提供一定幅度和寬度的正觸發(fā)脈沖2、組成放大、整形電路內(nèi)外電源C1C3ACTVHFREJDC常態(tài)自動單次觸發(fā)電平調(diào)節(jié)至掃描發(fā)生器環(huán)觸發(fā)脈沖輸出S1S2S4+-S3極性反轉(zhuǎn)電路觸發(fā)源選擇觸發(fā)耦合方式選擇觸發(fā)極性選擇觸發(fā)方式選擇電視同步分離電路水平系統(tǒng)一、觸發(fā)電路（1）觸發(fā)源選擇內(nèi)觸發(fā)（INT）外觸發(fā)（EXT）電源觸發(fā)（LINE）

——將Y前置放大器輸出（延遲線前的被測信號）作為觸發(fā)信號，適用于觀測被測信號。

——用外接的、與被測信號有嚴格同步關(guān)系的信號作為觸發(fā)源，用于比較兩個信號的同步關(guān)系。

——用50Hz的工頻正弦信號作為觸發(fā)源，適用于觀測與50Hz交流有同步關(guān)系的信號。水平系統(tǒng)一、觸發(fā)電路（2）觸發(fā)耦合方式DC直流耦合HFREJ高頻抑制電視TV

——接入直流或緩慢變化的觸發(fā)AC交流耦合——觀察從低頻到較高頻率的信號——觀察抑制高頻成分的交流信號

——觀察視頻TV信號，以便對電視信號（如行、場同步信號）進行監(jiān)測與電視設(shè)備維修。水平系統(tǒng)一、觸發(fā)電路（3）觸發(fā)方式選擇自動單次——有連續(xù)掃描鋸齒波電壓輸出，熒光屏上總能顯示掃描線。常態(tài)——指有觸發(fā)源信號并產(chǎn)生了有效的觸發(fā)脈沖時，熒光屏上才有掃描線?！詣雍统B(tài)均不用，按下“復(fù)位”按鈕，掃描一次。水平系統(tǒng)一、觸發(fā)電路（4）觸發(fā)極性和觸發(fā)電平觸發(fā)極性觸發(fā)電平——指觸發(fā)脈沖到來時所對應(yīng)的觸發(fā)放大器輸出電壓的瞬時值。＋——觸發(fā)點位于觸發(fā)信號的上升沿-——觸發(fā)點位于觸發(fā)信號的下降沿——二者共同決定觸發(fā)脈沖產(chǎn)生的時刻，并決定被顯示信號的起始點?？傮w作用：水平系統(tǒng)一、觸發(fā)電路（4）觸發(fā)極性和觸發(fā)電平(a)正電平、正極性(b)正電平、負極性(c)負電平、負極性(d)負電平、正極性水平系統(tǒng)二、掃描發(fā)生器環(huán)至X放大器穩(wěn)定度調(diào)節(jié)比較電平觸發(fā)脈沖輸入掃描閘門積分器比較釋抑電路增輝脈沖+E+E水平系統(tǒng)二、掃描發(fā)生器環(huán)1、掃描閘門產(chǎn)生快速上升或下降的閘門信號作用：目的：②控制正程增輝①控制積分器掃描③使雙蹤示波器工作于交替狀態(tài),P183水平系統(tǒng)二、掃描發(fā)生器環(huán)2、密勒積分器產(chǎn)生線性變化的鋸齒波電壓作用：組成：來自掃描閘門-+RC+E掃描鋸齒波輸出Vott掃描速度粗調(diào)掃描速度微調(diào)水平系統(tǒng)二、掃描發(fā)生器環(huán)3、比較和釋抑電路觸發(fā)脈沖Ch充電Ch放電上觸發(fā)電平E1下觸發(fā)電平E2閘門輸入閘門輸出比較電平Ur掃描電壓E0作用：控制掃描信號的始終點抑釋釋抑電路放電常數(shù)明顯大于積分電容放電。5.3多波形顯示——多個電子槍和偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)——單束，通過電子開關(guān)控制多束顯示多蹤顯示多掃描顯示——X系統(tǒng)有兩個掃描電路特點：實時顯示，準確度高；工藝復(fù)雜、成本高特點：非實時顯示；要求低、應(yīng)用廣泛特點：非實時顯示，顯示脈沖的某一細節(jié)變化多蹤顯示Y1輸入電路Y1前置放大器Y1門電路電子開關(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輸入控制信號一、組成二、顯示波形的原理單波形——Y1、Y2、Y1±Y2雙波形——Y1和Y2同時顯示uy1uy2ux多蹤顯示二、顯示波形的原理交替顯示方式斷續(xù)顯示方式雙波形——高頻測量，非實時——低頻測量，準實時1、交替顯示方式——電子開關(guān)受掃描頻率控制多蹤顯示二、顯示波形的原理2、斷續(xù)顯示方式——電子開關(guān)受自激振蕩控制uy1uy2ux前置放大延長線Y后置放大A觸發(fā)A掃描電子開關(guān)X放大電壓比較B觸發(fā)選擇門Y線光跡分離電路+-B掃描RPY輸入A增輝B增輝雙掃描顯示