電子測量與儀器第四章時域測量電子示波器1課件

1、第四章 時域測量電子示波器4.1 電子示波器概述4.2 波形顯示技術4.3 示波器的組成和原理4.4 高速與取樣示波器4.5 記憶示波器儀器科學與工程系4.6 數字存儲示波器第1頁，共72頁。廠商: Agilent （HP）， Tektronix， RIGOL第2頁，共72頁。第3頁，共72頁。4.1 電子示波器概述 電子示波器是一種用屏幕(包括熒光屏、液晶屏)顯示電量隨時間變化過程的電子測量儀器。它可直觀地顯示被測信號的波形。一、電子示波器的主要用途： 觀測電信號波形 測量電壓電流的幅度、頻率、時間、相位等 顯示電子網絡的頻率特性 顯示電子器件的伏安特性 附加功能: 頻譜分析, 信號加減運算

2、等第4頁，共72頁。二、電子示波器的基本特點： 能顯示信號波形，可測量瞬時值，具有直觀性。 輸入阻抗高，對被測信號影響小。測量靈敏度高，并有較強的過載能力。 工作頻帶寬，速度快，便于觀察高速變化的波形及細節(jié)。 在示波器的熒光屏上可描繪出任意兩個電壓或電流量的函數關系，有時還帶有頻譜分析功能。第5頁，共72頁。三、電子示波器的分類： 按技術原理分：模擬式、數字式 按性能分： 通用示波器(雙蹤示波器與雙線示波器) 高速示波器和取樣示波器 記憶示波器與存儲示波器 數字存儲示波器第6頁，共72頁。四、示波器的組成： 三大部分：Y通道、X通道、顯示屏Y通道X通道X1X2Y1Y2顯示屏信號第7頁，共72頁

3、。4.2 波形顯示技術一、示波管(CRT Cathode Ray Tube )亮 度 聚 焦 輔助聚焦6.3V F電子槍熒光屏偏轉系統真空玻璃管后加速極-1kV0V+15kV3部分組成：電子槍、偏轉系統、熒光屏第8頁，共72頁。、電子槍燈絲F 采用交流低壓，加熱陰極陰極K 表面涂有逸出功小的材料(BaO)，溫度升高，發(fā)射電子第一柵極G1 電位低于陰極，套于陰極之外，對電子形成排斥力，使電子朝軸向運動，形成交叉點，可控制電子流轟擊熒光屏的能量，可調節(jié)示波器的亮度。（Z軸）第二柵極G2 第一陽極A1 第二陽極A2 第三陽極A3 位于熒光屏附近，高壓，電子加速。先偏轉后加速，可減小對電子偏轉的影響。

4、構成電子透鏡，使電子束向軸線聚攏，形成很細的電子束。第9頁，共72頁。2、偏轉系統 偏轉分為靜電偏轉和磁偏轉。 偏轉系統由水平偏轉板X(X1、X2)和垂直偏轉板Y(Y1、Y2)這兩對相互垂直的偏轉板組成。 在偏轉板間加上電壓，電子束在電場的作用下偏轉。 偏轉距離與電場強弱有關。 電子束最終的運動情況取決于水平方向和垂直方向電壓的合成作用。第10頁，共72頁。 為了顯示信號波形，通常X方向加一線性鋸齒波掃描電壓，在Y方向加信號輸入電壓。所形成的電子束在屏幕上按時間沿水平方向展開，形成一條曲線。 只有掃描電壓頻率與被觀察信號的頻率成倍數關系時，波形才能穩(wěn)定。Y放大鋸齒波掃描電壓X1X2Y1Y2信號

5、輸入第11頁，共72頁。3、熒光屏 在熒光屏的玻璃殼內側涂上熒光粉，就形成了熒光屏，它不是導電體。當電子束轟擊熒光粉時，激發(fā)產生熒光形成亮點。 不同成份的熒光粉，發(fā)光的顏包不盡相同，一般示波器選用人眼最為敏感的黃綠色。余輝時間：熒光粉從電子激發(fā)停止時的瞬間亮度下降到該亮度的10所經過的時間稱為余輝時間。熒光粉的成份不同，余輝時間也不同。 長余輝(100ms1s)，慢掃描示波器 中余輝(1ms100ms)，普通示波器 短余輝(10us10ms)第12頁，共72頁。二、液晶顯示(LCD) (平板顯示) 液晶(Liquid Crystal)是一種介于液體和固體之間(有時稱為第四態(tài))，具有規(guī)則分子排列

6、的有機化合物。 液晶加電或受熱后會呈透明的液體狀態(tài)，斷電或冷卻后會出現結晶顆粒的渾濁固體狀態(tài)。 可視偏轉角 RiCi (c) 欠補償 RC RiCi 最佳補償 過補償 欠補償匹配使得失真最小.第26頁，共72頁。有源探頭：無源探頭具有分壓作用，不宜用來測量微小的信號。有源探頭采用結型場效應構成源極跟隨器，具有較低的噪聲和較大的過載能力。適宜用來探測頻率較高的微弱信號。電流探頭：變換器。跟隨器放大器+E到示波器輸入10M歐了解第27頁，共72頁。2、輸入耦合方式 DC、AC轉換開關，直流耦合，交流耦合。3、輸入衰減器觀察幅度較大的信號時，必須接入衰減器。對衰減器的要求：輸入阻抗高；線性：同時在示

7、波器的整個通頻帶內衰減的分壓比均勻不變。因下級輸入和引線分布電容影響，單純電阻分壓不能達到要求，引入阻容補償分壓器。第28頁，共72頁。輸入R1R2C1C2CKACDCRiCiR1、R2分壓電阻(R2包括下一級的輸入電阻)C2下一級的輸入電容和分布電容，C1補償電容。調節(jié)C1，當滿足關系式C1R1C2R2時，分壓比K0在整個通頻帶內是均勻的， 它被表示為(無畸變傳輸)通常用一個開關換接不同的R2C2來改變衰減量。第29頁，共72頁。第30頁，共72頁。4、阻抗變換器阻抗變換器由RLC網絡或射極跟隨器構成。 高輸入阻抗：使得示波器對外呈現高輸入阻抗， 低輸出阻抗：易與低阻延遲線相匹配5、延遲線

8、由于掃描觸發(fā)關系，為了正確顯示波形，必須將接入Y通道的被測信號進行一定的延遲，以便與水平系統的掃描電壓在時間上相匹配。通常延遲時間在50200ns之間，這個延遲準確性要求不高，但延遲應穩(wěn)定，否則會導致圖像的水平漂移和晃動。(螺旋平衡式延遲電纜、LC延時網絡)第31頁，共72頁。要求：在工作頻帶內， 無失真 產生穩(wěn)定的延時。 在帶寬較窄的示波器里，一般采用多節(jié)LC網絡作延遲線；在帶寬較寬(大于15MHz時)，則采用平衡螺旋線作延遲線。無論采用哪種延遲線，其特性阻抗均在幾百歐姆以下，延遲線的前邊必須用低輸出阻抗的電路作驅動級，延遲線的后級用低輸入阻抗的電路作緩沖器。在示波器的實際電路中，還要接入各

9、種補償電路，以補償延遲線及安裝過程中引起的失真。第32頁，共72頁。6、放大器 被測信號經探頭檢測引入示波器后，微弱的信號必須通過放大器放大后加到示波器的垂直偏轉板，使電子束有足夠大的偏轉能量。 放大器要考慮兩個因素： 放大倍數：調節(jié)放大倍數，可調節(jié)靈敏度。 帶寬：具有足夠低的低頻截止頻率和足夠高的高頻截止頻率。fL受耦合電容和旁路電容影響，增大這些電容或采用直流耦合。 fH受晶體管放大倍數和晶體管輸出端分布電容影響。第33頁，共72頁。為擴大通頻帶寬度必須采用下列措施： 選用截止頻率高的器件，盡量減小負載電容和分布電容，并選取小的集電極電阻。 電路中引入強的負反饋，如放大器開環(huán)增益為K0，反

10、饋系數為F，則加負反饋后，高頻截止頻率擴展為原來的(1+K0F)倍。 在電路中用電抗元件(電容或電感)加以補償，使放大器截止頻率高一些，使總的頻率響應在高頻端有所提升。第34頁，共72頁。放大器的形式： 單端輸入放大器： 差動放大器(推挽放大器)：信號在接入放大器時變換成差動信號進行放大。優(yōu)點是：抑制干擾，改善因環(huán)境溫度、電源電壓、晶體管參數等變化引起的漂移。第35頁，共72頁。B、X通道 X通道即水平偏轉通道，其作用是產生一個與時間呈線性關系的電壓，并加到示波管的X偏轉板上去，使電子射線沿水平方向線性地偏移，形成時間基線。 隨時間線性增長的掃描電壓加在水平偏轉板上，屏幕電子束即能由左向右隨時

11、間作水平掃描，這種掃描稱為線性時基掃描。 其它還有圓掃描、對數掃描等不作介紹。 掃描方式：連續(xù)掃描，觸發(fā)掃描第36頁，共72頁。示波器的X通道包括三部分: 時基發(fā)生器是水平通道的核心，它產生線性度好、頻率穩(wěn)定；幅度相等的鋸齒波電壓；水平放大器用來放大鋸齒電壓波，產生對稱的鋸齒波輸至水平偏轉板；觸發(fā)電路控制時基的掃描閘門，以實現與被測信號的嚴格同步。觸發(fā)方式選擇脈沖整形電路掃 描閘 門掃 描發(fā)生器水 平放大器釋 抑電 路 觸發(fā)電路 時基發(fā)生器 水平放大器第37頁，共72頁。1、時基發(fā)生器(掃描發(fā)生器環(huán)) 時基發(fā)生器由掃描門、積分器、電壓比較器和釋抑電路組成。 掃描門積分器RhChD-E+ERpT

12、b穩(wěn)定度比較和釋抑Ub1E0第38頁，共72頁。掃描門電路是一個典型的施密特電路，它是雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，當觸發(fā)脈沖在t1時刻到來，電路翻轉，輸出高電平，使得掃描電壓發(fā)生器開始工作。積分器為密勒積分器，它能產生高線性度的鋸齒波電壓。當開關K斷開時，電源電壓E通過電阻只對電容C充電，產生負向鋸齒波Uo，此電壓一路送至水平放大器，另一路送入時基發(fā)生器的電壓比較器。積分器的兩個穩(wěn)態(tài)相當于開關K的斷開和閉合，開關K閉合時，電容C迅速放電，使Uo迅速回升，形成掃描回程電壓。第39頁，共72頁。密勒積分器電壓比較器和釋抑電路用于保證產生穩(wěn)定的掃描信號，不會由于脈沖而產生“誤”翻轉。第40頁，共72頁。比較、釋

13、抑電路保證回掃結束后才開始下一次的觸發(fā)掃描.回掃時不會被誤觸發(fā)又開始一次新的掃描. 正程無影響t1-掃描開始tp- Ch開始充電，t2-掃描結束,Ch開始放電回掃時間tbCh放電時間th等待時間tw關系：thtb 掃描門積分器RhChD-E+ERpTb穩(wěn)定度比較和釋抑Ub1E0+Et1t2t3t4t5tfthtb掃描電壓t1第二次掃描E0E0-E1-E2第41頁，共72頁。 觸發(fā)電路包括觸發(fā)源選擇、觸發(fā)信號耦合方式選擇、觸發(fā)方式和觸發(fā)整形電路。 (1) 觸發(fā)源 觸發(fā)信號有三種來源： 內觸發(fā)。內觸發(fā)信號來自于示波器內的Y通道觸發(fā)放大器，它位于延遲線前。當需要利用被測信號觸發(fā)掃描發(fā)生器時，采用這種

14、方式。 外觸發(fā)。用外接信號觸發(fā)掃描，該信號由觸發(fā)“輸入”端接入。 電源觸發(fā)。來自50Hz交流電源(經變壓器)產生的觸發(fā)脈沖，用于觀察與交流電源頻率有時間關系的信號。如電源紋波電壓、電源干擾等。2、觸發(fā)電路第42頁，共72頁。(2) 觸發(fā)耦合方式 為了適應不同的信號頻率，示波器設有四種觸發(fā)耦合方式。 DC-直流耦合：用于觀察直流或緩慢變化的信號。 AC-交流耦合：觸發(fā)信號經電容C1接入，用于觀察由低頻到較高頻率的信號。 AC-低頻抑制：觸發(fā)信號經電容C1及C2接入，電容量減小，阻抗較大，用于抑制2kHz以下的低頻成分。例如觀測有低頻干擾(50Hz噪聲)的信號時，用這一種耦合方式較合適，可以避免波

15、形晃動。 HF-高頻耦合：觸發(fā)信號經電容C1及C3接入，電容量較小，用于觀測大于5MHz的信號。第43頁，共72頁。第44頁，共72頁。(2) 觸發(fā)方式和觸發(fā)整形 示波器的觸發(fā)方式通常有常態(tài)、自動和高頻三種方式，這三種方式控制觸發(fā)整形電路，產生不同形式的掃描觸發(fā)信號，形成不同的掃描電壓。 常態(tài)觸發(fā)方式(single)/單次觸發(fā) 常態(tài)觸發(fā)方式是將觸發(fā)信號輸入整形電路，經整形得到足以觸發(fā)掃描電壓電路的觸發(fā)脈沖。它的觸發(fā)極性(觸發(fā)沿)和觸發(fā)電平是可調節(jié)的。 不足之處：在沒有輸入信號或觸發(fā)電平不適當時，就沒有觸發(fā)脈沖輸出，因而也無掃描基線。第45頁，共72頁。自動觸發(fā)方式(sequence) 自動觸發(fā)

16、方式時，整形電路為一射極定時的自激振蕩器，振蕩器的固有頻率由電路時間參數決定，該自激多諧振蕩器的輸出經變換后去驅動掃描電壓發(fā)生器。所以，在無被測信號輸入時仍有掃描。 高頻觸發(fā)方式 高頻觸發(fā)方式原理同自動觸發(fā)方式，不同點是射極定時電容變小，自激振蕩頻率較高，當用高頻觸發(fā)信號去與它同步時，同步分頻比不需太高。使同步較為穩(wěn)定。高頻觸發(fā)方式常用于觀測高頻信號。觸發(fā)整形：觸發(fā)電平與觸發(fā)極性選擇3、水平放大器(與放大器類似) (放大倍數帶寬)第46頁，共72頁。C、校正器(標準信號源，方波)校正器是示波器內設的標準，用來校準或檢驗示波器X軸和Y軸標尺的刻度。一般示波器設有兩個校正器，分別是整幅度校正器和掃

17、速校正器。 幅度校正器產生幅度穩(wěn)定不變并經過校正的電壓(一般為方波)用于校正Y通道靈敏度。通過微調旋鈕進行校正調節(jié)。 掃速校正器產生頻率固定而穩(wěn)定的信號，用于校正x軸時間標度，或用來檢驗掃描因數是否正確。第47頁，共72頁。校正源第48頁，共72頁。四、雙線和雙蹤示波器 雙蹤和雙線示波器都可在一個示波管熒光屏上同時顯示出兩個信號波形。便于比較、觀察、測量和分析。雙蹤示波器雙線示波器第49頁，共72頁。1、雙蹤示波器 雙蹤示波器也稱雙跡示波器，它的垂直偏轉通道由A和B兩個通道組成。兩個通道的輸出信號在電子開關控制下，交替通過主通道加于示波管的同一對垂直偏轉板。掃描方式： 1. A 2. B 3.

18、 交替 4. 斷續(xù) 5. A+B 第50頁，共72頁。2、雙線示波器 雙線示波器采用雙線示波管構成。雙線示波管在一個玻璃殼內裝有兩個完全獨立的電子槍和偏轉系統，每個電子槍發(fā)出的電子束經加速聚焦后，通過“自己”的偏轉系統射于熒光屏上，相當于把兩個示波管封裝在一個玻璃殼內公用一個熒光屏，因而可以同時觀察兩個相互獨立的信號波形。 多數雙線示波器共用一個時基發(fā)生器。第51頁，共72頁。五、示波器的應用電壓測量時間測量頻率測量相位測量第52頁，共72頁。4.4 高速與取樣示波器 通用示波器對高頻率信號會產生畸變，產生畸變的原因主要有：L、C：示波器偏轉板電容C與引線電感L的影響。當測量高頻信號時，偏轉板

19、電容C與引線電感L構成的諧振回路，將使階躍信號產生畸變，在上升沿處，形成過阻尼、臨界阻尼或 阻尼振蕩(欠阻尼)三種情況。過阻尼使得上升沿變壞。欠阻尼情況，在上升沿頂部疊加振蕩信號。第53頁，共72頁。減小L： 減小引線長度。減小C：增大偏轉極板間的距離，(但偏轉靈敏度降低)。 (電場強度梯度變小)第54頁，共72頁。電子渡越時間的影響：當電子束通過偏轉板時，偏轉板上的電壓不變，那么電子束的偏轉量正比于偏轉電壓。普通示波管中電子通過偏轉板的時間，即電子渡越時間為110ns量級，如果顯示波形周期或脈寬比它大得多，則可以認為在波形顯示期間，偏轉板上的電壓不變。但是，當顯示高頻信號，即顯示ns級脈沖或

20、幾百兆赫的正弦波時，則因電子通過偏轉板期間偏轉板上電壓會有明顯變化，所顯示的波形會有很大失真。對于正弦波會使得波形振幅變小，且引入相位差；對于脈沖波形，表現為上升沿下降沿均變慢，甚至畸變?yōu)槿切尾ǖ?5頁，共72頁。Y偏轉放大器帶寬不足。放大器高頻截止頻率不夠高，對于高頻信號將產生前后沿失真。掃描速度不夠快。當顯示高頻信號時，要有足夠快的掃描速度。例如，要求光跡在5ns時間內掃過10cm長的距離，掃描速度為0.5nscm，普通示波器無法達到。亮度不夠。對于高速脈沖，例如寬為5ns的脈沖，掃出一個波形的時間僅5ns，即使重復頻率為每秒1000次，圖形亮度仍很低。第56頁，共72頁。一、高速示波器

21、 高速示波器要顯示ns、ps級的脈沖或微波信號，它不同于普通示波器的關鍵是示波管、 Y放大器和時基發(fā)生器。 1、示波管 高速示波器采用專用示波管。高速示波管的偏轉系統接線要短(從管旁引出)，偏轉板間距離d要大，以使分布電容小，加速電壓要高，以減小電子渡越時間，因而偏轉靈敏度將很低。為了保證示波器的靈敏度，通常要求Y軸放大器必須有更大的放大倍數。在要求更高速度時，采用行波示波管。第57頁，共72頁。 2、放大器 Y放大器是寬帶放大器，目前集成電路放大器帶寬可達1000MHz以上。 3、時基發(fā)生器 高速示波器的時基發(fā)生器掃描期間的掃描速度很高，因而掃描電容充放電電流很大。第58頁，共72頁。二、取

22、樣示波器 將高頻(一般為1GHz以上)的重復性的周期信號，經過取樣(取樣速率可調節(jié))，變換成低頻的重復性的周期信號，再運用通用示波器的原理進行顯示和觀測的示波器稱為取樣示波器。第59頁，共72頁。 前面介紹的示波器都是“實時信號”顯示的示波器，而取樣示波器則經過頻率轉換，是一種“非實時取樣”的示波器。這種非實時取樣技術把一個高頻或超高頻的信號經過跨周期的取樣，形成一個波形和相位完全相同、幅度相等或成某種嚴格比例的低頻(或中頻)信號。對低頻信號的測量，要比對高頻或超高頻信號的測量在技術上成熟得多，測量精度也易于得到保證。 “取樣裝置+加普通示波器=取樣示波器”，取樣裝置可將頻率上限擴展到十幾GH

23、z。1969年HP公司試制的1811A型取樣示波器頻寬為18GHz。第60頁，共72頁。1、非實時取樣原理 非實時取樣保持電路原理圖。圖中K為取樣脈沖p(t)所控制的電子開關，也叫取樣門。在脈沖持續(xù)期tw相當于開關K閉合，在脈沖間歇期T0相當于開關K斷開。 開關K閉合時，取樣電路的輸出us(t)=ui(t)，由于脈沖寬度tw很窄，可以認為在此期間ui(t)的電壓幅度是不變的。us(t)是寬度與脈沖寬度tw相同的離散取樣信號. 在脈沖間歇期期間，開關K斷開，輸入信號ui(t)不能通過開關，則us(t)輸出信號幅度為0，這樣通過取樣脈沖的作用，將連續(xù)的輸入信號ui(t)，變成了離散的信號us(t)

24、。第61頁，共72頁。取樣門及取樣脈沖第62頁，共72頁。非實時取樣過程第63頁，共72頁。2、取樣示波器組成 取樣示波器組成框圖。 被測信號通過取樣門后，變成窄脈沖信號，經放大后，送入延長電路，形成信號包絡。Y通道由取樣門、放大電路及延長電路組成，延長電路中有保持電容及直流放大器，以便將窄脈沖取樣信號 展寬，得到量化的包絡信號。 為了在屏幕上顯示出由不連續(xù)的亮點構成的取樣信號波形，必須采用與取樣信號同步的階梯波掃描電壓。 波形對應關系圖。第64頁，共72頁。取樣示波器組成框圖第65頁，共72頁。顯示過程在量化信號(a)與階梯掃描信號(b)共同作用下，就可在熒光屏上顯示出被測高頻信號的波形如圖

25、(c)，當取樣點足夠密時， 即圖(c)中亮點足夠密時，該波形便能無失真地表現被測高頻波形。(兩個通道加的都是階梯波，Y階梯電壓值對應取樣值，X階梯電壓值與時間成正比。)第66頁，共72頁。 取樣示波器的X通道中的時基單元，除了產生階梯波電壓外，還產生與掃描電壓同步的t延遲脈沖，用以同步取樣門及延長門脈沖發(fā)生器，使整個系統協調地工作。 取樣示波器是一種非實時取樣過程，它只能觀測重復信號，對非重復的高頻信號或單次信號，只能用高速示波器進行觀測。第67頁，共72頁。4.5 記憶示波器(了解) 記憶示波器，又稱為模擬存貯示波器，它的記憶功能是由記憶示波管完成的。利用具有記憶能力的材料制成的示波管結合相

26、應的電子線路，就形成了記憶示波器。 記憶示波管可分為可變余輝存貯方式和快速轉移存貯方式兩種示波管，它們都是將記憶信號存貯于示波管的柵網上，需要顯示時，將它顯示出來。 第68頁，共72頁。柵網式記憶示波管結構示意圖第69頁，共72頁。 記錄波形的過程：首先清除柵網，如同先將黑板擦干凈一樣，然后控制向柵網寫入信號波形，保存該波形，最后，顯示該波形。 由于數字技術的迅猛發(fā)展，數字存貯示波器的出現，使得記憶示波器的發(fā)展受到一定的影響，數字存儲示波器 逐漸取代了記憶示波器。第70頁，共72頁。樹立質量法制觀念、提高全員質量意識。8月-228月-22Friday, August 5, 2022人生得意須盡

27、歡，莫使金樽空對月。06:34:5206:34:5206:348/5/2022 6:34:52 AM安全象只弓，不拉它就松，要想保安全，常把弓弦繃。8月-2206:34:5206:34Aug-2205-Aug-22加強交通建設管理，確保工程建設質量。06:34:5206:34:5206:34Friday, August 5, 2022安全在于心細，事故出在麻痹。8月-228月-2206:34:5206:34:52August 5, 2022踏實肯干，努力奮斗。2022年8月5日6:34 上午8月-228月-22追求至善憑技術開拓市場，憑管理增創(chuàng)效益，憑服務樹立形象。05 八月 20226:34:52 上午06:34:528月-22嚴格把控質量關，讓生產更加有保障。八月 226:34 上午8月-2206:34August 5, 2022作業(yè)標準記得牢，駕輕就熟除煩惱。2022/8/5 6:34:5206:34:5205 August 2022