示波器测试技术讲稿.ppt
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1、关于示波器测试技关于示波器测试技术术第一页,讲稿共九十五页哦l示波测试技术示波测试技术可将电信号作为时间的函数显示在屏幕上,能把两个有关系的变量转化为电参数,在荧光屏上显示这两个变量之间的关系。示波器还可以直接观测一个脉冲信号的前后沿、脉宽、上冲、下冲等参数,同时,示波测试还是多种电量和非电量测试中的基本技术。l示波器是时域分析的最典型仪器,也是当前电子测量领域中,品种最多、数量最大、最常用的一种仪器;示波测试技术成为一种最灵活、多用的综合性技术。第二页,讲稿共九十五页哦1通用示波器:采用单束示波管,有单踪型 和多踪型,能定性、定量地观测信号。2多束示波器:采用多束示波管。3取样示波器:将高频
2、信号转换为低频传号4记忆、存储示波器:具有记忆、存储被观 测信号的功能。5特种示波器:满足特殊用途,也叫专用示 波器。第三页,讲稿共九十五页哦1频带宽度BW:指Y通道的工作频率范围,即Y通道输入信号上、下限频率之差。l现代示波器的下限频率都已延伸至0 Hz,因而示波器的频带宽度可用上限频率来表示。通常要求:BW3fmax l 式中fmax为被测信号的最高频率。第四页,讲稿共九十五页哦l频带宽度BW与上升时间tr之间一般有确定的内在关系,即BW tr=0.35第五页,讲稿共九十五页哦l示波器可以分辨的最小信号幅度和输入信号的动态范围。l一般用V/cm、V/div、mV/cm、mV/div表示。3
3、输入阻抗l指在示波器输入端规定的直流电阻值和并联电容值,一般用 M/pF表示。第六页,讲稿共九十五页哦l也称扫描时间因数,是指光点水平移动的速度 一般用cm/s、div/s表示。说明示波器能观察的时间和频率的范围。时基因数:扫描速度的倒数,单位t/cm、t/div。5同步(或触发)电压指波形稳定的最小输入电压。第七页,讲稿共九十五页哦l示波器的测试过程ViVx-VxVy-VyY轴偏转系统X轴偏转系统图8.1示波器结构的框图 第八页,讲稿共九十五页哦lY轴偏转系统将输入的被测交流信号放大;X轴偏转系统提供一个与时间成线性关系的锯齿波电压;两组电压同时加到示波管的偏转板上,示波管中的电子束在偏转电
4、压的作用下运动,在屏幕上形成与被测信号一致的波形。第九页,讲稿共九十五页哦阴极射线示波管阴极射线示波管l简称示波管,用符号CRT表示。l作用:是把电信号转换为光信号而加以显示。l构造:与电视机显像管相同,主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三大部分组成,三大部分均封装在密闭呈真空的玻璃壳内。第十页,讲稿共九十五页哦FKG1G2A1A2Y2X2Y1X1电子枪偏转系统荧光屏图8.2示波管结构示意图第十一页,讲稿共九十五页哦阴 极 K发第 一 阳 极 A1射电 子 枪聚焦灯 丝 FRP1辉 度RP2聚 焦辅 助 聚 焦RP3第 二 阳 极 A2Y1Y2偏 转 板偏 转 板X2X1偏 转 系 统荧光屏第十二
5、页,讲稿共九十五页哦1电子枪电子枪作用:是发射电子并形成聚束的高速电子流。作用:是发射电子并形成聚束的高速电子流。l组成:主要由灯丝F、阴极K、控制栅极G、第一阳极A1、第二阳极A2和后加速阳极A3组成。l灯丝F通电后加热阴极。l阴极K在灯丝的加热下,发射出大量的电子.l栅极G呈圆桶状,中间开孔。控制通过电子 束的数量,实现辉度调节。l第一阳极A1、第二阳极A2对电子束实现加 速和聚焦。第十三页,讲稿共九十五页哦l组成:Y偏转板水平放置,控制电子束在 垂直方向产生位移。lX偏转板垂直放置,控制电子束在水平方 向产生位移。l线性偏转特性:电子束在垂直和水平方向的偏转距离分别与加在偏转板上的电压大
6、小成正比。即:y=hyuylx=hxux=hxkt=hxt (ux=kt)第十四页,讲稿共九十五页哦l当示波管制成后,L、b、S均为常数,第二阳极的电压Va也基本不变,所以Y方向的偏转距离y正比于偏转板上的电压 Vy。l在一定范围内,荧光屏上光点偏移的距离与偏转板上所加电压成正比,这是用示波管观测波形的理论根据。yyVhy第十五页,讲稿共九十五页哦l式中,hy比例系数,称为示波管的偏转因数,单位为cm/V,l其倒数Dy=1/hy,称为示波管的垂直灵敏度,单位为V/cm。yyVhy第十六页,讲稿共九十五页哦l荧光屏为圆形曲面或矩形平面,其内壁涂有荧光物质,形成荧光膜。l当荧光物质受到电子枪发射的
7、高速电子束轰击时就能产生荧光亮点,亮点的亮度取决于电子束中电子的数目、密度和速度。l余辉时间:当电子束从荧光屏上移去后,光点仍能在屏上保持一定的时间才消失。从电子束移去到光点亮度下降为原始值的10%,所延续的时间。l荧光屏余辉时间的长短随着各种荧光物质的不同而不同,一般可分为:l极短余辉、短余辉、中余辉、长余辉、极长余辉。第十七页,讲稿共九十五页哦l 在电子枪中,电子运动经过聚焦形成电子束,电子束通过垂直或水平偏转板打到荧光屏上产生亮点,亮点在荧光屏上垂直或水平方向偏转的距离,正比于加在垂直或水平偏转板上的电压,即亮点在屏幕上移动的轨迹,是加到偏转板上的电压信号的波形。示波器显示图形或波形的原
8、理就是基于电子与电场之间的相互作用原理进行的。第十八页,讲稿共九十五页哦图(a)Vx=Vy=0 (b)Vx=0,Vy=常量 (c)Vx=常量,Vy=0 (d)Vx=常量,Vy=常量 图8.4固定电压与光点偏移的关系图两对偏转板上不加任何电压,则光点在屏的中心;X偏转板不加电压,Y偏转板加一个固定电压,则光点在垂直方向偏移;Y偏转板不加电压,X偏转板加一个固定电压,则光点在垂直水平偏移;两对偏转板上加固定电压,则光点位置应由两电压的矢量合成;第十九页,讲稿共九十五页哦(a)Y偏转板加正弦波信号 (b)X偏转板加锯齿波信号 图8.5可变电压与光点偏移的关系图+Vx-VxtTn0234Vx1+VyT
9、St0234Vy10-Vy234102341第二十页,讲稿共九十五页哦lY偏转板加被测正弦电压uy=Umsint,X偏转板加锯齿波电压ux=kt,则电子束在两个电压的同时作用下,在垂直方向和水平方向同时产生位移,屏上将显示被测信号随时间变化的波形曲线。第二十一页,讲稿共九十五页哦lXY图示仪显示图形前,先把两个变量转换成与之成比例的两个电压,分别加到X,Y转板上,屏幕上任一瞬间光点的位置都是由偏转板上两个电压的瞬时值决定。由于荧光屏有余辉时间和人眼有残留效应,从屏上可以看到全部光点构成的曲线,它反映了两个变量之间的关系。第二十二页,讲稿共九十五页哦l分析:两对偏转板上均加正弦信号电压,如果这两
10、个信号初相相同,则可在荧光屏上画出一条直线;若X、Y方向的偏转距离相同,这条直线与水平轴呈45,如图(a)所示。如果这两个信号初相相差90,则在荧光屏上画出一个正椭圆;若X、Y方向的偏转距离相同,则在荧光屏上画出一个圆,如图(b)所示。第二十三页,讲稿共九十五页哦李沙育(李沙育(Lissajous)图形:示波器两个偏转板上)图形:示波器两个偏转板上都加正弦信号电压时显示的图形。都加正弦信号电压时显示的图形。l在测量频率和相位时常会用到,此时示波器变为一个XY图示仪。1t1301234Uy02 340,2,4UXt(a)01234210312Uy34t0,4Uxt(b)第二十四页,讲稿共九十五页
11、哦lY偏转板不加电压,X偏转板加一个随时间线性变化的电压,即锯齿波电压ux=kt,则光点在水平方向做匀速运动,出现一条水平线段,光点在水平方向的偏移距离为 x=hxux=hxkt=hxt,l这样,X方向偏转距离的变化就反映了时间的变化,此时光点水平移动形成的水平亮线称为“时间基线”。第二十五页,讲稿共九十五页哦l扫描电压:随时间线性变化的电压,即锯齿波电压。l扫描:光点在锯齿波作用下扫动的过程。l扫描正程:光点自左向右的连续扫动过程。l扫描逆程(扫描回程):光点自右迅速返回左端起扫点的过程。l理想锯齿波电压:扫描逆程时间为0。第二十六页,讲稿共九十五页哦l在X偏转板上加的随时间而线性变化的电压
12、,为锯齿波电压。当锯齿波电压达到最大值时,屏上的光点亦达到最大偏转,然后锯齿波电压迅速返回起始点,光点也迅速返回屏幕最左端,再重复前面的变化。光点在锯齿波作用下扫动的过程称为扫描,能实现扫描的锯齿波电压叫扫描电压,光点自左向右的连续扫动称为“扫描正程”,光点自屏的右端迅速返回起扫点的过程称为“扫描逆程”。第二十七页,讲稿共九十五页哦l一般的,如果扫描电压周期与被测电压保持 (n为正整数)l则称扫描电压与被测电压“同步”。l屏上显示稳定的波形,即每次扫描都有同一个起点,扫描的运动轨迹完全重合。yxnTT 第二十八页,讲稿共九十五页哦123456789105tUyTs1,90,82 10 4 12
13、 673UxTnt00第二十九页,讲稿共九十五页哦l如果没有同步关系,即l(n为正整数),则后一扫描周期描绘的图形与前一扫描周期的图形不重合,显示的波形是不稳定的。yxnTT第三十页,讲稿共九十五页哦01234567891010TsUxt12t012483760Uy9 50Tn第三十一页,讲稿共九十五页哦l扫描正程紧跟着逆程,逆程结束又开始新的正程,扫描是不间断的,这种扫描方式称为连续扫描。l扫描脉冲只在被测脉冲到来时才扫描一次;没有被测脉冲时,扫描发生器处于等待工作状态。这种由被测信号激发扫描发生器的间断的工作方式,称为“触发扫描方式”。第三十二页,讲稿共九十五页哦tt被 测 脉 冲连 续
14、扫 描触 发 扫 描0UyTsUxt(TsTn)TnUxTn连 续 扫 描(Tn)tUx000(a)(b)(c)(d)第三十三页,讲稿共九十五页哦l在被测脉冲出现的扫描期间,由于增辉脉冲的作用,显示波形较亮,便于观测;而在等待扫描期间,即波形为一个光点的情况下,由于没有增辉脉冲,光点很暗,避免了较亮的光点长久集中于荧光屏上一点。l方法:在扫描正程给示波管栅极加正脉冲或给阴极加负脉冲来实现。第三十四页,讲稿共九十五页哦l 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波管组成的示波器。通用示波器的工作原理是其它大多数类型示波器工作原理的基础,只要掌握通用示波器的结构、特性及使用方法,
15、就可以较容易地掌握其它类型示波器的原理与应用。第三十五页,讲稿共九十五页哦Y输入Y输入电路Y前置放大器延迟线X输入内触发电路 扫描 电路外触发输入Y后置放大器增辉电路X放大电路校准信号 发生器低压电源校准信号输出各电路高压电源正高压负高压图8.11通用示波器的组成框图 图7.15 放大器幅频特性测试连线图第三十六页,讲稿共九十五页哦l组成:主要由示波管、垂直(Y轴)通道、水平(X轴)通道三部分。校准信号发生器、高低压电源、增辉与调辉电路。第三十七页,讲稿共九十五页哦l垂直通道(Y轴通道)是对被测信号处理的主要通道,它将输入的被测信号进行衰减或线性放大,并在一定范围内保持增益稳定,最后,输出符合
16、示波管偏转要求的信号,以推动垂直偏转板,使被测信号在屏幕上显示出来。l垂直通道包括输入电路、Y前置放大器、延迟线和Y后置放大器等部分。第三十八页,讲稿共九十五页哦l主要是由衰减器和输入选择开关构成。l衰减器l衰减器由RC组成,用来衰减输入信号,以保证显示在荧光屏上的信号不致因过大而失真。l输入耦合方式l输入耦合方式设有AC、GND、DC三档选择开关。第三十九页,讲稿共九十五页哦阻 抗 变 换及 倒 相放 大 器衰减器偏 转 灵 敏 度探极Y前 置放 大 器DCACGND被 测 信 号耦 合 方 式第四十页,讲稿共九十五页哦作用:探极可以提高示波器的输入阻抗,增强抗干扰能力,扩展示波器的量程。l
17、分类:分为有源探极衰减比为1:1,适于测试高频小信号。l无源探极衰减比分为1:1、10:1,用于高频测量。l无源探极的结构如图所示:第四十一页,讲稿共九十五页哦C9 M输 入R探 极RdZiCiRi1 M示 波 器第四十二页,讲稿共九十五页哦l前置放大器将信号适当放大,并从中取出内触发信号,并具有灵敏度调节、校正、Y轴移位等控制作用。lY前置放大器大都采用差分放大电路,它输出一对平衡的交流电压,当被测信号的幅度改变时,偏转的基线电位保持不变。若在差分电路的输入端馈入不同的直流电位,差分输出电路的两个输出端直流电位会改变,对应的Y偏转板上的相对直流电位和波形在Y方向的位置也改变。即调节“Y轴位移
18、”旋钮,可以改变被测波形在屏幕上的位置。第四十三页,讲稿共九十五页哦l延迟线是一种传输线,起延迟时间的作用。l延迟线的作用就是把加到垂直偏转板的脉冲信号延迟一段时间,使信号出现的时间滞后于扫描开始时间,这样就能够保证在屏幕上可以扫出包括上升时间在内的脉冲全过程。l 对延迟线的要求是,它只对信号起延迟时间的作用,不应产生失真。l目前延迟线主要有两种,一种是采用双股螺旋平衡式延迟电缆;另一种是利用LC非线性电路的后滞作用构成的多节LC网络。第四十四页,讲稿共九十五页哦l 将延迟线传输来的被测信号放大到足够的幅度,用以驱动示波管的垂直偏转系统,使电子束获得Y方向的满偏转。l Y输出放大器大都采用推挽
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