1 / 191

学习情境 2.1: 使用示波器测试波形参数

学习情境 2.1: 使用示波器测试波形参数. 1 ：示波器基本知识 要点 1 ：显示信号的必要性. 电子示波器简称 “ 示波器 ” ，是一种用来直接观察电量随时间变化过程的仪器。随着电子科学技术地不断发展，示波器除了能对电信号作 定性的观察 外，还能用来进行一些 定量的测定 。 例如：能够用它进行各种电信号的电压、频率、相位、周期等电量的测量。. 提问： 1) ．信号的基本概念是什么？ 2) ．波形的基本概念是什么？ 3) ．周期、频率、相位的基本概念是什么？. 一、示波器基本知识 1. 显示信号的必要性.

heller
Download Presentation

学习情境 2.1: 使用示波器测试波形参数

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 学习情境2.1:使用示波器测试波形参数

  2. 1：示波器基本知识要点1：显示信号的必要性 • 电子示波器简称“示波器”，是一种用来直接观察电量随时间变化过程的仪器。随着电子科学技术地不断发展，示波器除了能对电信号作定性的观察外，还能用来进行一些定量的测定。 • 例如：能够用它进行各种电信号的电压、频率、相位、周期等电量的测量。

  3. 提问：1)．信号的基本概念是什么？ • 2)．波形的基本概念是什么？ • 3)．周期、频率、相位的基本概念是什么？

  4. 一、示波器基本知识1.显示信号的必要性 • 此外，在许多尖端设备和仪器中，例如：雷达、频谱分析仪、时域反射计、时域网络分析仪等，示波器已成为必备的组成部分。 • 示波器是一种用来显示某一输入信号与时间关系的快速X-Y记录器。为了完成X-Y高速记录器的功能，示波器必须具有许多相应的电子部件。

  5. 一、示波器基本知识2.示波器的分类 • 按结构来分，有便携式、台式和架式； • 按观察显示时间来分，有实时示波器和非实时示波器； • 按使用的示波管来分，有单线式、双线式、多线式示波器、记忆示波器、行波示波器； • 按功能来分，有通用示波器、宽带示波器、存储示波器、取样示波器、电视示波器、逻辑示波器等。

  6. 一、示波器基本知识3.示波器的发展和现状 • 示波器作为信号波形显示的仪器，其发展可从1878英国W.克鲁克斯发现阴极射线并使之偏转算起，已有100多年历史。 • 从示波器的技术进程来说，在近60年中大致可分为三个阶段：

  7. 一、示波器基本知识3.示波器的发展和现状 • （1）20世纪30~50年代 • 通用示波器的诞生和实用化并且品种缤纷的阶段。通用示波器的带宽达到了100MHZ，出现了记忆示波器和取样示波器。 • （2） 20世纪60年代 • 示波器技术进一步提高，通用示波器的带宽达到了150 MHZ，到1969年又达到了300 MHZ，同时取样示波器的带宽也达到了18G HZ。

  8. 一、示波器基本知识3.示波器的发展和现状 • （3） 20世纪70年代以后 • 1971年示波器的带宽提高到500 MHZ，1979年又达到了 1G HZ，创造了通用示波器的带宽高峰。 • 1974年就发表了带微处理器的示波器，开辟了示波器微机化的发展方向，且开始具备对信号的数字存储功能。 • 1983年带宽为50KHZ的数字存储示波器（简写为DSO）问世。

  9. 一、示波器基本知识3.示波器的发展和现状 • 经过20多年的努力，数字存储示波器的性能有了很大提高。现在，数字存储示波器无论在技术指标还是在发展方向上都优于模拟示波器，并且有代替模拟示波器的趋势。 • 本学习情境对这两类示波器进行讨论。

  10. 二、 示波管原理 • 示波器将电信号波形转换成人眼能直接观察的图像，是通过其核心部件示波管来实现的。 • 示波管是电子示波器的显示器件，也是示波器的心脏。近来，许多新型的光显示器件有了很大的发展，例如：电发光阵、砷化镓二极管固态光发射阵、液晶离子器件等。 • 目前，电子射线管（CRT）仍然是示波器的重要显示器件。

  11. 二、 示波管原理 • 示波管按不同方法分类，可分为许多类型。 • 例如，按电子射线偏转方法不同，分为磁偏转型和静电偏转型，后者为目前示波器的常用显示器件； • 按射线数目又分为：单线、双线和多线显示管。 • 按显示余辉时间长短分为：标准余辉、存储型和可变余辉等。

  12. 二、 示波管原理

  13. 二、 示波管原理1．电子枪 • 电子枪由灯丝（Ｆ）、阴极（Ｋ）、控制栅极（Ｇ）、第一阳极（Ａ１）、第二阳极（Ａ２）和后加速极（Ａ３）组成。其作用是发射电子并形成很细的高速电子束，撞击荧光屏而发光。 • 灯丝用于加热阴极，阴极提供热电子发射所产生的电子。 • 控制栅极则用来控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变荧光屏亮点的辉度。

  14. 二、 示波管原理1．电子枪 • 调节电位器R1改变栅、阴极之间的电位差，即可达到此目的，故R1在面板上的旋钮标以“辉度”。 • 第一阳极和第二阳极对电子束有加速作用，同时和控制栅极构成一个对电子束的控制系统，起聚焦作用。 • 调节R5可以改变第一阳极的电位，调节R7可以改变第二阳极的电位，适当调节

  15. 二、 示波管原理1．电子枪 • R5( “聚焦”)和R7( “辅助聚焦”) ，可使电子束恰好在荧光屏上会聚成细小的点，保证显示波形的清晰度。 • 调节“辉度”时会使聚焦受到影响，示波管的“辉度”与“聚焦” 两者经常要配合调节。 • 后加速极A3位于荧光屏与偏转板之间，其作用是对电子束作进一步加速，增加光迹辉度。

  16. 二、 示波管原理2．偏转系统 • 示波管中，在第二阳极的后面，由两对相互垂直的偏转板组成偏转系统，Y轴偏转板在前（靠近第二阳极），X轴偏转板在后。两对偏转板各自形成静电场，分别控制电子束在垂直方向和水平方向的偏转。 • 电子束在偏转电场作用下的运动规律可用下图来分析，其在屏幕上偏转的距离y可由下式来表示。

  17. 二、 示波管原理2．偏转系统

  18. 二、 示波管原理2．偏转系统 • 垂直偏转因数的定义： • 通常，我们称Sy的倒数Dy(= 1/Sy)为示波管Y轴偏转因数，单位为V/cm。 • 它表示光点在Y轴方向偏转1cm所需加在Y轴偏转板上的电压值（峰-峰值）。

  19. 二、 示波管原理3. 荧光屏 • 示波管的屏幕是在它的管面内壁涂上一层磷光质来形成的。 • 由磷光物质组成的荧光膜在受到高速电子轰击后，将电子的动能转化为光能，形成光点，并出现余辉时间。 • 从电子束停止作用到光点亮度下降到其原始值的10％所延续的时间

  20. 二、 示波管原理3. 荧光屏 • 利用荧光屏的余辉，当电子束随信号电压偏转时，才能看到由光点的移动轨迹而形成的整个信号波形。 • 示波管按余辉时间可分为： • 短余辉（小于1ms）示波管，观察高速信号； • 中余辉（1~100ms ）示波管，用于通用的示波器； • 长余辉（大于100ms）示波管。观察低速信号。

  21. 二、 示波管原理3. 荧光屏 • 当高速电子束轰击荧光屏时，其动能除转变为光外，也将产生热。过密的电子束长时间集中于屏幕同一点时，由于过热会减弱磷光质的发光效率，严重时可能把屏幕上的这一点烧成一个黑斑。 • 在使用示波器时不应当使亮点长时间停留于一个位置。 • 荧光屏中间平整部分称为有效面积。使用示波器，应尽量使波形映现在有效面积内。

  22. 三、波形显示原理1.电子束的运动 • 示波器能用来观测信号波形是基于示波管的线性偏转特性，即电子束的偏转距离正比于加到偏转板上的电压大小。 • 电子束沿水平和垂直方向上的运动是相互独立的，打在荧光屏上亮点的位置取决于两副偏转板上的电压。 • 当两副偏转板上不加任何信号（或分别为等电位）时，亮点则处于荧光屏的中心位置。

  23. 当只有Y轴偏转板上加一个随时间作周期性变化的被测电压，则电子束沿垂直方向运动，其轨迹为一条垂线。当只有Y轴偏转板上加一个随时间作周期性变化的被测电压，则电子束沿垂直方向运动，其轨迹为一条垂线。 若只在X轴偏转板上加一个周期性电压，则电子束运动轨迹为一条水平线。 三、波形显示原理1.电子束的运动

  24. 三、波形显示原理2. 扫描电压 • 当扫描电压达到最大值时，亮点即达最大偏转，然后从该点返回到起始点。 • 若扫描电压重复变化，在屏幕上就显示一条亮线，这个过程称为“扫描”。 • 亮点由左边起始点到达最右端的过程称为“扫描正程”；

  25. 三、波形显示原理2. 扫描电压 • 而电子束迅速返回扫描起始点的过程称为“扫描回程”或“扫描逆程”。 • 理想锯齿波的回程时间是零。

  26. 三、波形显示原理2. 扫描电压

  27. 三、波形显示原理3．同步 • 如果是Tx=2Ty，则在荧光屏上显示如下图的波形。 • 由于波形多次 重复出现，而且 重叠在一起，所 以可观察到一 个稳定的图像。

  28. 三、波形显示原理3．同步 • 如果Tx不是Ty的整数倍，有什么结果呢？ 第二个扫描周期到来时，亮点从5跳到6，第二个正弦波从6跳到11……如此，波形向左移。

  29. 三、波形显示原理3．同步 • 稳定显示一个波形的条件 • 第一，待测信号为频率稳定的周期性信号。 • 第二， 扫描电压为频率稳定的锯齿波电压。 • 第三， Tx=nTy （n为正整数）。 • 满足这三个条件称为同步，它依靠同步电路进行自动调节。

  30. 三、波形显示原理3．同步 • 同步的三种方式： • 用待测信号去控制扫描频率称为内同步。 • 用50Hz市电去控制扫描频率称为电源同步，显然，此时待测信号频率应与电源有关。 • 用与有关的第三个信号去控制称为外同步。

  31. 频带宽度BW由Y通道的电路和示波管Y偏转系统的频率响应，即幅频特性来决定，如右图。频带宽度BW由Y通道的电路和示波管Y偏转系统的频率响应，即幅频特性来决定，如右图。 屏上显示的图象高度对于中心频率时的高度下降3dB所对应的信号的下限频率ƒ1到上限频率ƒ2的宽度称为Y通道的频带宽度。 四、示波器的主要工作特性1.Y通道的频带宽度

  32. 上升时间tr是表示Y通道的过渡特性的重要参数。上升时间tr是表示Y通道的过渡特性的重要参数。 即显示波形从稳定幅度的10%上升到90 %所需的时间。 对于阻容耦合放大器，有ƒ2·tr≈0.35 示波器的Y通道一般采用多级RC放大器，可用ƒ2·tr≈0.35来估计频带宽度与上升时间的关系。 四、示波器的主要工作特性2.Y通道的上升时间

  33. 四、示波器的主要工作特性2.Y通道的上升时间 • 为了无失真地显示信号波形，Y通道的上升时间tr应该远小于被测信号本身的上升时间trs。 • 示波器屏幕上所显示的波形的上升时间trd可由下式计算

  34. 四、示波器的主要工作特性3 .扫描速度、时基因数和扫描时间 • 扫描速度是光点水平移动的速度，其单位为cm/s或div/s(格/秒)等。 • 扫描速度的倒数称为时基因数，它相应于光点水平移动单位长度(cm或div)所需的时间，单位为s/cm或s/div等。 • 扫描时间是光点从屏幕左端到右端扫描一次所需的时间。

  35. 四、示波器的主要工作特性3 .扫描速度、时基因数和扫描时间 • 扫描频率，在扫描回程很短时，扫描频率近似等于扫描时间的倒数。 • 示波器的扫描速度必须与Y通道的频带宽度相适应。 • 当输入最高频率时，被测信号的一个周期至少应能占据1~2格宽度； • 当输入最低频率时，信号波形至少应能显示一个完整的周期。

  36. 四、示波器的主要工作特性3 .扫描速度、时基因数和扫描时间 • 时基因数从最低速到最高速，一般按1-2-5顺序步进分档(约20档)，每档连续调节，把显示图象调到适当宽度，每档时基因数的误差小于10 %。

  37. 四、示波器的主要工作特性4.偏转灵敏度和偏转因数四、示波器的主要工作特性4.偏转灵敏度和偏转因数 • 在单位输入信号的作用下，光点在屏幕垂直方向上的偏移距离称为示波器的偏转灵敏度。 • 偏转灵敏度的倒数称为偏转因数Dy，其单位为V/cm,mV/cm,或V/div,mV/div。 • 偏转因数Dy即表示电子束在垂直方向上偏移单位距离所需的电压值。

  38. 四、示波器的主要工作特性4.偏转灵敏度和偏转因数四、示波器的主要工作特性4.偏转灵敏度和偏转因数 • 偏转因数的调节范围是表征示波器量程的重要指标。 • 偏转因数按1-2-5步进连续调节，分档极数不少于9档，故偏转因数从最低速到最高速，一般按1-2-5顺序步进分档，每档连续调节，每档误差小于10 %。

  39. 四、示波器的主要工作特性5.输入阻抗 • 定义：示波器输入接线端对被测信号源呈现的阻抗。 • 示波器的输入阻抗一般可等效为电阻和电容的并联，如SBM-10型多用示波器的输入阻抗为1MΩ∥27pF。 • 由于频率越高，输入电容的影响越严重，为与高频电路的低阻抗相匹配，宽带示波器有低阻输入端，一般为50Ω。

  40. 四、示波器的主要工作特性6.输入方式 • 被测信号从示波器的输入接线端至Y通道输入电路的连接方式。 • 根据不同需要，被测信号送入Y通道可以有两种方式，直流(DC)和交流(AC)耦合方式。 隔去被测源中的直流或慢变化分量，抑制工频干扰，以便测量高频交流和快速瞬变信号。缺点是限制了示波器的实际下限频率；当测量周期很长的脉冲信号时，会使波形失真。 信号中所有频率分量均能通过。

  41. 四、示波器的主要工作特性7.扫描方式 • 线性时基扫描可分为连续扫描和触发扫 描两类。 • 连续扫描波形如图，没有等待时间，适合观测连续信号。但观察脉冲信号时，不能观测细节部分

  42. 四、示波器的主要工作特性7.扫描方式 • 触发扫描波形如图，只有在信号的激励下才开始扫描。 • 完成一次扫描后，处于等待状态，等第二个触发信号到来再进行第二次扫描，适宜观察占空系数小的脉冲信号。

  43. 五、通用示波器组成 • 通用示波器是示波器中应用最广泛的一种。它通常泛指采用单束示极管的、除取样示波器及专用或特殊示波器以外的各种示波器。 • 虽然通用示波器的种类繁多，但其组成部分都应包括下图所示的三个组成部分。

  44. 五、通用示波器组成

  45. 五、通用示波器组成 • 1. Y轴系统（垂直系统）：由衰减器、放大器及延迟线等组成。 • 其主要作用是放大被测信号电压，使之达到适当幅度，以驱动电子束作垂直偏转。 • 2. X轴系统（水平系统）：由触发整形电路、扫描发生器及X放大器组成。 • 其作用是产生扫描锯齿波并加以放大，以驱动电子束进行水平扫描；触发整形电路则保证荧光屏上显示的波形稳定。

  46. 五、通用示波器组成 • 3. 主机系统：主要包括示波管、增辉电路、电源和校准信号发生器。 • 增辉电路的作用是在扫描正程使光迹加亮，而在扫描回程使光迹消隐。 • 电源电路将交流市电变换成多种高、低压电源，以满足示波管及其他电路工作需要。 • 校准信号发生器则提供峰峰值1V、频率为1KHz的标准方波信号，用作校准示波器的有关性能指标。

  47. 六、示波器的垂直通道1.Y通道的作用和要求 • 是被测信号的传输通道。 • 用示波器观测信号时，欲使荧光屏显示的波形尽量接近被测信号本身具有的波形，则要求Y系统必须准确地再现输入信号。 • Y通道探测被测信号，并对它进行不失真的衰减和放大，还要具有倒相作用，以便将被测信号对称地加到Y偏转板，提供电子束在Y方向发生偏转时所需电压。

  48. 六、示波器的垂直通道1.Y通道的作用和要求 • 和X轴系统相配合，Y轴系统还具有延时功能，并能向X通道提供内触发源。基本组成如下：

  49. 六、示波器的垂直通道2.Y通道输入电路 • 输入电路：引入被测信号，为前置放大器提供良好的工作条件。 • 并在输入信号与前置放大器之间起阻抗变换、电压变换的作用。输入电路的组成如图

More Related