第6章时域测量

第六章时域测量本章要点：·示波器的功用、分类、组成和波形显示原理·通用示波器的组成原理、特性与应用·取样技术在示波器中的应用·数字示波器的组成原理、信号采集处理技术、特性与功能本章开始将介绍几种图示式仪器，从三个方面去进行研究，即时域(TimeDomain)反映的幅度U与时间T的关系(如示波器)、频域(FrequencyDomain)反映的幅度U与频率F的关系(如频谱仪)及调制域(ModulationDomain)。下面将分三章介绍三种图示式仪器：时域——示波器、频域——频谱仪和数据域——逻辑分析仪。T图6.1调频波频谱图FU调制域频域时域6.1时域测量引论6.1.1示波器的功用1.示波器是一种基本的、应用最广泛的时域测量仪器。2.是一种全息仪器。示波器能让人们观察到信号波形的全貌，能测量信号的幅度、频率、周期等基本参量，能测量脉冲信号的脉宽、占空比、上升（下降）时间、上冲、振铃等参数，还能测量两个信号的时间和相位关系。这些功能是其它电子仪器难以胜任的。3.示波器从早期的定性观测，已发展到可以进行精确测量。4.示波器是其它图式仪器的基础。对扫频仪、频谱仪、逻辑分析仪以及医用B超等各种图示仪器就容易理解了。6.1.2示波器的分类从1947年世界上第一台示波器诞生至今经历了数十年的发展进步，已出现了多种多样的示波器。大致情况如下：技术原理上分为：模拟示波器和数字示波器。也有厂家将模拟示波器称第一代示波器，而数字示波器按技术进步情况已分为二、三、四代了。按显示屏可分为：阴极射线示波管（CRT）、液品屏（TFT）及荧光屏（VFD）。按显示原理分为：光点扫描、光栅扫描和矩阵像素点显示等。按带宽分档情况：模拟示波器60MHz以下为低档，300MHz以上算高档，最高带宽只做到1~2GHz水平。数字示波器500MHz以下为低档，500~2GHz为中档，2GHz以上为高档。当今数字示波器虽已占主导地位，但模拟示波器是数字示波器的基础，许多基本原理、术语、技术指标和应用方法都是在模拟示波器的基础上发展起来的，有些领域还在应用模拟示波器及其相关的技术产品，因此开始还得先介绍模拟示波器，然后重点讨论数字示波器。6.1.3示波器的组成Y（垂直）通道：由探头、衰减器、前置放大器、延迟线和输出放大器组成，实质上是个多级宽频带、高增益放大器，主要对被测信号进行不失真的线性放大，以保证示波器的测量灵敏度。X（水平）通道：由触发电路、时基发生器和水平输出放大器组成，主要产生与被测信号相适应的扫描锯齿波。显示屏：主要由阴极射线管组成，常以CRT(CathodeRayTube)表示，通常称为示波管。当前以光点和光栅方式作显示屏的主要采用示波管。另外，平板显示屏是后起之秀，发展很快，尤其是液晶显示屏（LCD）已经应用于示波器了。Y(垂直)通道X(水平)通道电源图6.2示波器的基本组成显示屏显示屏的种类当前用于示波器的主要是：示波管、TFT液晶屏及荧光屏VFD。本节着重介绍当前应用最广的示波管和TFT液晶屏。示波管CRT静电偏转：光点轨迹显示---用于示波器、雷达距离显示器、医疗仪器磁场偏转：光栅增辉显示---用于电视机、医疗仪器、雷达环显等被动发光：液晶屏LCD+背光板--数字三用表等小型电子仪器平板显示FPD主动发光液晶屏TFT---示波器、计算机显示器、电视机显示器等荧光屏VFD---示波器、家电产品的显示屏等离子PDP---电视机显示屏发光二极管LED---数字仪表、大型广告显示屏场致发射FED---成品率低，尚处商品化研发中电致发光EL板---仪表数显、广告装饰显示屏的种类6.2.示波管及波形显示原理示波管属于电真空器件，又称为阴极射线管（CRT）。KG1G2A1A2Y2X2F~6.3V0VX1亮度Ug1辅助聚焦后加速极A3＋15KV电子枪偏转系统荧光屏Y1真空玻璃管图6.3阴极射线示波管Z轴兰色：电力线红色：等位面6.2.1示波管1.电子枪电子枪的作用是发射电子并形成强度可控制的很细的电子束。它由以下几部分组成：1.灯丝F——在交流低压(如6.3V)下使钨丝烧热,用于加热阴极。2.阴极K——是一个表面涂有氧化钡（其逸出功小，内部自由电子容易逸出）的金属3.第一栅极G1——调节G1的电位可以调节示波器的亮度，常置于示波器面板上供使用。当控制信号加于G1，其亮度可随之改变，则可以传递信息，称为示波器的Z轴电路。4.第二栅极G2——隔离开G1和A1，以减小亮度调节与聚焦调节的相互影响。5.第一阳极A1——与第二阳极A2构成一个电子透镜，对电子束起聚焦作用。6.第二阳极A2——是个更大的同轴圆筒，其上电压较高，它主要与A1构成电子透镜。7.第三阳极A3——具有上万伏的高压，用于对电子束加速，故也称后加速阳极。2.偏转系统1．静电偏转---光点法----用干示波器2..磁偏转-----光栅法----用于电视机、计算机显示器及示波器。2yyyaLsyUhUbU图6.4电子束的偏转LSYUyUa屏幕电子束A22yyyaLsyUhUbU比例系数称为示波管的偏转因数，单位为cm/V，它的倒数Dy＝1／hy称为示波管的偏转灵敏度，单位为V/cm。偏转灵敏度是示波管的重要参数。3.荧光屏在示波管正面内壁涂上一层荧光物质，荧光物质将高速电子的轰击动能转变为光能，产生亮点。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％，所延续的时间称为余辉时间．小于10μs的为极短余辉；不同荧光材料余辉时间不一样：10μs～1ms为短余辉（通常是蓝色，便于摄影感光）；1ms～0.1s为中余辉（通常为绿色，眼睛不易疲劳）；0.1s～1s为长余辉（通常是黄色）；大于1s为极长余辉（通常是黄色）。6.2.2示波管波形显示原理1.光点扫描显示原理光点位置控制：(示波管荧光屏)uyY1Y212340t13024(a)(b)tX2X100uxTsTn++++--------++++光点在合力作用下移动.2.信号与扫描电压的同步uy12340tTsuxuyuxX1X2Y1Y212340t0Tn12340图6.5扫描过程uyTsTnt0135791086420,81,9537210412681tux25791233445667108图6.6扫描电压与被测信号同步同步：Tn/TS=nN=1，2，…波形稳定若显示两个正弦波怎么办？3.连续扫描和触发扫描连续扫描：一开机就有扫描线，来信号同步后波形才稳定。触发扫描：一开机没有扫描线，来信号触发后波形才稳定。TsttttuyuxuxuxTnTn图6.8连续扫描和触发扫描的比较1mS1µS9996.3平板显示技术（只简介TFT-LCD）最为常见的为TFT-LCD（ThinFilmTransistorLCD薄膜晶体管液晶显示器）。图6.9液晶显示器的一个像素结构原理图红(R)荧光粉绿(G)荧光粉绿(G)可见光蓝(B)荧光粉玻璃板透明电极(公用)透明电极液晶体背光灯源液晶(LiquidCrystal)介于液态与固态之间，具有规则性分子排列的有机化合物，加电或受热后会呈透明的液体状态，断电或冷却后则会出现结晶颗粒的混浊固体状态。图6.10液晶平板显示器的结构示意图图6.11液晶平板显示器的等效电路示意图LCD平板显示器是矩阵式结构，每一个交叉点就是一个像素行（X）驱动信号由扫描电路产生；列（Y）驱动信号则是将要显示的信号经过数字化以后写入数据存储器，而后再读出用于显示。6.4模拟示波器6.4.1模拟示波器的组成通用示波器是指示波器中应用最广泛的一种，它通常泛指采用单束示波管、除取样示波器及专用或特殊示波器以外的各种示波器。图6.12通用示波器的主要组成框图6.4.2示波器的Y(垂直)通道示波器的Y通道的任务是将被观测的信号尽量不失真地加到示波管Y偏转板上。1.探头（探极）作用提高输入阻抗作用减小外界干扰提高可测测电压幅度分类无源电压探头有源电压探头有源电流探头注意：探头不能张冠李戴，必须配对使用。否则300MHz带宽的示波器可能不到50MHz的效果。1)无源电压探头20pF示波器180pF探头图6.13通用示波器探极原理图输入电阻：1MΩ→10MΩ输入电容：180pF→18pF展宽了频带：50MHz左右若附加RLC匹配网络能扩展到300MHz图中电阻9M和1M构成分压比：10︰1扩展示波器的量程上限2)有源探头图6.15源极跟随器式探头的基本电路现代示波器带宽已达几十GHz，相应要求探头必须也要宽频带，无源探头已无法满足。图6.15是采用源极跟随器的有源探头的简单示例，实际好的宽带探头结构较复杂，售价千元以上。2.耦合耦合与衰减器cACDC50Ω1MΩ1MΩ地20p7~30pf.100Ω1k10k100k1Mf1KHz10K100K1M10M100M10M50ΩAC：交流耦合，电容C隔直流，只能通过交流信号DC：直接耦合，信号中保留直流成分与信号源不匹配时带宽衰减很快当与50Ω信号源匹配时可扩展带宽衰减器图6.17输入衰减器原理示意图uiuoC1C2R1R2对于直流或低频情况：212oiuRuRR对于高频情况212oiuZuZZ当满足R1C1=R2C2能在很宽频率范围得到最佳补偿，使信号不失真。R1C1=R2C2R1C1R2C2R1C1R2C2示波器的衰减器实际上由一系列RC分压器组成，改变分压比即可改变示波器的偏转灵敏度。这个改变分压比的开关即为示波器灵敏度粗调开关，在面板上常用V/cm加标记。通常示波器的灵敏度都是按1、2、5步进，例如，10mV/cm~20V/cm分11档。3.延迟线td=100ns~200ns延迟电缆或LC延迟网络图6.18延时线的作用tTtd4.Y放大器Y放大器使示波器具有观测微弱信号的能力。Y放大器应该有稳定的增益、较高的输入阻抗、足够宽的频带和对称输出的输出级。通常把Y放大器分成前置放大器和输出放大器两部分。fU宽频带、高增益差分放大示波器售价主要决定带宽主要按钮：垂直（Y）位移-----调Y放大器直流电位，使水平基线上下移动。寻迹-----有时Y增益过大,基线跑出屏幕,按“寻迹”倍率-----若把“倍率”置于“×5”,则负反馈减小，使增益大大降低拉回基线增益增加5倍，这便于观测微弱信号。图6.12通用示波器的主要组成框图示波器的X通道主要由扫描发生器环、触发电路和X放大器组成．（见图6.12：示波器组成框图）6.4.3示波器的X(水平)通道ABCABC触发脉冲扫描门扫描电压比较和释抑电路（比较器、RC或单稳）触发电路（比较整形）扫描门（双稳电路）锯齿波（积分器）X放大器（高电压）外内AY通道BCDTP+E+E-ECVD稳定度ChRh-+扫描发生器环X输入E0EZ轴图6.19X通道的组成框图在X通道中“扫描环”是关键，特进一步展开画出，但这仅是最简单的原理示意图1.触发电路作用----为扫描门提供触发脉冲触发电路及其在面板上的对应开关现通过一个简单实例讲其组成原理触发源选择触发耦合方式触发极性和电平选择1)触发源选择“内”触发：利用从Y通道来的被测信号作触发信号，这是最常用的情况；“外”触发：是用外接信号作触发信号，但触发信号的周期应与被测信号有一定的关系，外触发常用在被测信号不适宜作触发信号或比较两个信号时间关系的情况。“电源触发”：在观测与电源有关的信号时，可选“电源”触发，以便于与电源同步。2)触发耦合方式“DC”直接耦合：用于直流或缓慢变化的信号进行触发时；“AC”交流耦合：若用交流信号触发，置AC方式，这时电容C1（约0.47μF）起隔直作用；“低频抑制”：利用C1、C2（约0.01μF）串联后的电容，抑制信号中大约2kHz以下的低频成分，主要目的是滤除信号中的低频干扰；“HF”高频耦合：利用C1和更小的C3（约1000pF）串联后只允许通过频率很高的波3)触发电平与触发极性选择其作用是让使用者可以选定在被测信号波形的某一点上产生触发脉冲，也就是可以自由选定从信号的某一点开始观测。示波器窗口现代示波器中设计了“自动触发电路”，使触发点能