第6章时域测量07981

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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。
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
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。
最为常见的为TFT-LCD(Thin Film Transistor LCD
薄膜晶体管液晶显示器)。 绿(G)荧光粉 红(R)荧光粉 绿(G)可见光 蓝(B)荧光粉 玻璃板 透明电极(公用) 液晶体 透明电极
图6.12 光栅显示的扫描过程
光栅显示是三维(X、Y、Z)坐标显示。X、Y偏转只用于决 定光点在屏幕上的位置,而Z轴电路(见示波管第一栅极)则 用于控制光点显示的强弱亮暗,这是由被测信号控制的。
6.4 通用示波器
6.4.1 通用示波器的组成
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。
6.3 波形显示原理
6.3.1 显示随时间变化的图形
1.光点扫描显示原理 光点位置控制: (示波管荧光屏)
++++
-
.
+ +
-
+
-
+
----
光点在合力作用下移动
0 0
Y1
u1y
1
0 2 3 4t
24
Ts
3
Y2
(a)
ux X1
Tn
X2
0
t
(b)
2.信号与扫描电压的同步
Y1
uy
0
1 2
4
t
3
uy
Ts
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. 不同荧光材料余辉时间不一样:
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
ttTd
图6.25 延时线的作用
4.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。
增益增加5倍,这便于观测微弱信号。
6.4.3 示波器的X(水平)通道
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.(见前第19张幻灯稿:示波器组成框图)
A 触发脉冲
B
扫描门
C
扫描电压
AB C
图6.19 通用示波器的主要组成框图
1.触发电路 作用----为扫描门提供触发脉冲
图6.26 触发电路及其在面板上的对应开关
Y2
图6.6 扫描过程
1 0 24
3
X1
ux
X2
ux
4
3
0
2
t
0 1 Tn
若显示两个正弦波怎么办?
uy
1,9
5
0
2 1
46 35
8 10
79 t
210 412 6 0,8
8
Ts
3
7
同步:
Tn/TS=n N=1,2,…
波形稳定
11
ux
2
2
Tn
34 5
34 5
6
6
7
7
8
9
10
t
图6.7 扫描电压与被测信号同步
Y(垂直) 通道
显示屏
X(水平) 通道
电源
图6.2 示波器的基本组成
6.2 显示屏
显示屏的种类
示波管CRT 平板显示FPD
静电偏转:光点轨迹显示 磁场偏转:光栅增辉显示显示
被动发光:液晶屏LCD+背光板
液晶屏TFT
荧光屏VFD
主动发光
等离子PDP 发光二极管LED 电致发光EL板 场致发射FED
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。
2)耦合
c AC
. DC
地 50 Ω
1MΩ
1MΩ
1M 100k
20p 7~30pf
10k
1k
100Ω 50 Ω
1KHz 10K 100K 1M 10M 100M f
2.输入衰减器 对于直流或低频情况:
uo R2 ui R1 R2
对于高频情况
uo Z2 ui Z1 Z2
R1 ui
R2
1)无源电压探头
探头 20pF
示波器 180pF
图6.20 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
分压比:10︰1 扩展示波器的量程上限
附加一个RLC阻抗匹配网络,把工作频率上限提高到了300 MHz以上。
图6.22 带有阻抗匹配时的无源探头 图6.23 源极跟随器式探头的基本电路
6.2.1 示波管(CRT)
示波管属于电真空器件,又称为阴极射线管(CRT)。
电子枪
偏转系统
荧光屏
G1 K ~6.3V F
亮度 Ug1
Z

G2 A1 A2
Y2
X2
Y1
X1
0V 辅助聚焦
真空玻璃管 +15KV A3
后加速极
图6.3 阴极射线示波管
兰色:电力线
红色:等位面
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:
谱仪)及调制域(Modulation Domain)。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。
F
频域
调制域
U
时域
T
图6.1 调频波频谱图
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。
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。
S
屏幕
A2
电子束
Y
y
Ls 2bUa
Uy
hyUy
U Ua y
L
图6.4 电子束的偏转
y Ls 2bUa
Uy
hyUy
比例系数称为示波管的偏转
因数,单位为cm/V,它的倒
利用这种特点就可以把示波器变为一个X—Y 图示仪。
1.李萨如图形:校准频率指示 2.逻辑分析仪:0、1显示 3.矢量示波器:色坐标
EV
EU
长度:饱和度 角度:色调
※6.3.3 光栅显示原理
光栅显示主要用于电视机和计算机的显示器,通常都是采用 磁偏转方式的显像管。 1.光栅显示的原理与实现 电子束先要在行、场(即X、Y)扫描的配合下,从左到右、 从上到下扫出略有倾斜的水平亮线,这些亮线合成为光栅, 如图6.12所示(示意图)。
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
6.1 时域测量引论
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(Time Domain)反映的幅度U与时间T的关系(如示波器)、 频域(Frequency Domain)反映的幅度U与频率F的关系(如频
小于10μs的为极短余辉;
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 平板显示技术(只简介TFT-LCD )
液晶(Liquid Crystal)介于液态与固态之间,具有规则性分子
背光灯源
图6. 6 液晶显示器的一个像素结构原理图
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。
图6.7 液晶平板显示器的结构示意图
图6.8 液晶平板显示器的等效电路示意图
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。
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
当前常用的示波器从技术原理上可分为:
(1)模拟式——通用示波器(采用单束示波管实现显示,当前 最通用的示波器)。
(2)数字式——数字存储示波器(采用A/D、DSP等技术实现 的数字化示波器)。
从性能上,按示波器的带宽可分为:
(1)中、低档示波器,带宽在60MHz以下。 (2)高档示波器,带宽在60MHz以上,大多在300MHz以下。
更高档的有1GHz~2GHz以上。
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。
C1 C2 uo
图6.24 输入衰减器原理示意图
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=R2C2
R1C1>R2C2
R1C1<R2C2
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。
通常把Y放大器分成前置放大器和输出放大器两部分。
U
宽频带、高增益差分放大
f
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” 使增益大大降低拉回基线
倍率-----若把“倍率”置于“×5”,则负反馈减小,
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。
图6.19 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)与耦合
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
无源电压探头 分类 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。
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。
A
B
示波器窗口
A
C
D
现代示波器中设计了 “自动触发电路”, 使触发点能自动地保 持在最佳的触发电平 的位置。
(a) 正极性、正电平 (b) 负极性、正电平 (c) 正极性、负电平 (b) 负极性、负电平
3.连续扫描和触发扫描
uy 1µS
Ts
t
ux
1mS
Tn
t
ux
ux Tn
999
t
t
图6.9 连续扫描和触发扫描的比较
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。
6.3.2 显示两个变量之间的关系
Ux和Uy配合起来,即能够画出任意的波形。
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 (Cathode Ray Tube) 表示,通常称Байду номын сангаас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。
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