1、電氣測量技術第四章第1頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五2第四章電子式電測儀表4.1 概述4.1 概述4.2 原理4.3 應用4.4 注意事項back第2頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五4.1 概述第四章電子式電測儀表對于一個電信號，可以用它的瞬時幅值隨時間的變化情況來表示，例如，用各種電子示波器對電信號的波形及表征它的各種參數進行測試的方法，稱為時域分析方法。電子示波器又稱陰極射線示波器或電子射線示波器，是可觀察時域電壓信號波形或兩時域電壓信號間函數關系的快速顯示儀器。電子示波器雖然只能測量電壓波形，但可以通過變換電路，實現對電流、功率等其他

2、電量的測量，也可以通過傳感器，測量機械、物理、醫學等各種非電量，還可以用來作為比較儀器的指示儀器，所以示波器有相當廣泛的應用范圍。 第3頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五44.1 概述第四章電子式電測儀表模擬示波器 第4頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五54.1 概述第四章電子式電測儀表數字存儲示波器 第5頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五示波器的類型： 通用型、多束型、記憶存儲型、特殊型、智能型、取樣型、數字存儲型 示波器的基本結構： 示波管（電子槍、偏轉板、熒光屏） 電壓放大器（帶衰減器的X和Y軸放大器） 延遲線 掃描

3、電路（時基發生器） 觸發電路 電源4.1 概述第四章電子式電測儀表back第6頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五74.2 原理第四章電子式電測儀表電子示波器是利用被測電壓控制示波管中的電子束，通過電子束的偏轉反映被測信號的變化。由電子束轟擊在熒光屏上而激發出亮光，亮光連成的軌跡就代表了被測信號的波形。第7頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五84.2 原理第四章電子式電測儀表示波管簡稱CRT，它是一種利用高速電子沖擊熒光屏使它發光的顯示器件。示波管由電子槍、偏轉系統和熒光屏三個部分組成，整個結構密封在一個喇叭狀的抽成真空的玻璃殼中。就其用途而言，它是

4、把電信號變成光信號的轉換器。 第8頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五9垂直偏轉 電子式電測儀表垂直+水平偏轉第四章電子式電測儀表4.2.1 示波管第9頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五10 電子式電測儀表連續掃描掃描電壓周期不等于被測信號周期的整數倍時第四章電子式電測儀表4.2.2 掃描方式第10頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五11 電子式電測儀表觸發掃描延遲線：將被測信號延遲至掃描電壓產生后再送到垂直偏轉板上，以保證在屏幕上顯示完整的被測信號波形。第四章電子式電測儀表4.2.2 掃描方式第11頁，共75頁，2022年，

5、5月20日，23點52分，星期五12 電子式電測儀表雙蹤顯示 交替法：用掃描鋸齒波信號控制S1、S2 斷續法：用一個固定頻率的方波，讓S1、S2自行交替接通第四章電子式電測儀表4.2.3 雙蹤顯示雙蹤顯示的電子開關一般用雙束示波管或用單束示波管外加電子開關實現。 第12頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五13 電子式電測儀表雙蹤顯示第四章電子式電測儀表4.2.3 雙蹤顯示 交替法：用掃描鋸齒波信號控制S1、S2 斷續法：用一個固定頻率的方波，讓S1、S2自行交替接通第13頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五14多通道顯示模式交替 斷續第四章電子式電測

6、儀表4.2.3 雙蹤顯示第14頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五15第四章電子式電測儀表4.2.4 其他 放大器作用 靈敏度選擇開關(“V/DIV”或“VOLTS/DIV”) 掃描速度控制(“T/DIV”或“SEC/DIV”) 示波器電源（高壓部分和低壓兩部分 ） 第15頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五16第四章電子式電測儀表4.2.5 性能指標（1）頻率響應范圍(頻帶寬度) 頻率響應范圍是指被測信號在屏幕上顯示圖像幅度的下降（衰減）小于分貝（dB）的頻率區域，即上限頻率與下限頻率之差。由于示波器的fH fL，所以頻率范圍可以用fH表征。示波器

7、的頻率范圍越寬，其應用范圍越廣。 （2）掃描速度(時基因素) 掃描速度即光點移動的速度，其單位是DIV/s(格/秒)或cm/s。被測信號頻率不同時，掃描速度也應不同。掃描速度越高，示波器能夠展開高頻信號或窄脈沖信號波形的能力越強，相反，對緩慢變化的信號，則要求以相應的低速掃描。所以，示波器的掃描速度范圍越寬越好。 第16頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五17第四章電子式電測儀表4.2.5 性能指標（3）輸入阻抗 示波器的輸入阻抗用輸入端測得的直流電阻值Ri和電容Ci的并聯電路來等效。Ri越大，Ci越小，輸入阻抗越大，示波器對被測信號的影響越小。 （4）偏轉靈敏度 偏轉靈

8、敏度指熒光屏上偏轉單位長度所對應無衰減被測信號峰峰值的大小，體現示波器觀測微弱信號的能力。其值越小，偏轉靈敏度越高，示波器觀測微弱信號的能力越強。一般示波器的偏轉靈敏度為每厘米幾毫伏。 第17頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五18第四章電子式電測儀表4.2.5 性能指標（5）時域響應指標(瞬態響應) 示波器的電子電路在方波脈沖作用下的響應特性，主要用上升時間tr、下降時間tf 、上沖S0、下沖Sn、預沖Sp、下垂 等參數表示。 標準矩形方波的示波器顯示圖形第18頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五19第四章電子式電測儀表4.3 示波器的應用電壓的測

9、量時間的測量頻率的測量兩個同頻率信號的相位差測量兩個不同頻率信號的測量X-Y方式的應用電視信號的測量第19頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五20第四章電子式電測儀表4.3.1 電壓的測量 測量電壓時，把通道靈敏度選擇開關（VOCIS/DIV）的微調位置以順時針方向旋至滿度的校準位置，這樣可以按“VOLTS/DIV”的指示值直接計算被測信號的電壓幅值。 交流電壓的測量 第20頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五21第四章電子式電測儀表4.3.1 電壓的測量先將Y軸耦合方式開關置“GND”位置，調節Y軸移位使掃描基線在一個合適的位置，再將耦合開關置“D

10、C”位置。直流電壓的測量 “VOLTS/DIV”的指示值為0.5則Vp-p=0.53.7=1.85V。 第21頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五22第四章電子式電測儀表4.3.2 時間的測量時間間隔的測量 對某信號的周期或該信號任意兩點間時間的測量，可在波形獲得穩定同步后，根據該信號周期或需測量的兩點間在水平方向的距離乘以掃描速率開關（SEC/DIV）的指示值獲得。第22頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五23第四章電子式電測儀表4.3.2 時間的測量上升時間的測量 當需要觀察該信號的某一細節（如快跳信號的上升或下降時間）時，可將“SEC/DIV”

11、開關的擴展旋鈕拉出，使顯示的距離在水平方向得到5倍的擴展，調節X軸位移，使波形處于方便觀察的位置，此時測得的時間值應除以5。 第23頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五24第四章電子式電測儀表4.3.3 相位的測量直接測量法第24頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五25第四章電子式電測儀表4.3.3 相位的測量李薩育圖形法第25頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五26第四章電子式電測儀表4.3.4 頻率的測量對于重復信號的頻率測量，可先測出該信號的周期，再根據公式計算出頻率。若被測信號的頻率較高，即使將“SEC/DIV”開關已調

12、至最快檔，屏幕中顯示的波形仍然較密，為了提高測量精度，可根據X軸方向10格內顯示的周期數用下式計算頻率頻率測量的另一種方法是李薩育圖形法，即在示波器的X軸加可調標準頻率信號，在Y軸加被測信號。反復調節標準信號的頻率和幅值，使示波器顯示穩定的圓形或橢圓形，則標準信號的頻率值即為被測信號頻率。 第26頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五27第四章電子式電測儀表4.3.5 兩個不同頻率信號的測量 當需要同時測量兩個不同頻率信號時，應將垂直方式開關置交替（ALT）位置，并將觸發源選擇開關通道1（CH1）、通道2（CH2）兩個按鍵同時按入，調節電平可使波形獲得同步。 使用該方式工作

13、時，應注意以下兩點：1因為該方式僅限于在“垂直方式”為“交替”時使用，因此被測信號的頻率不宜太低，否則會出現兩個通道的交替閃爍現象；2當其中一個通道無信號輸入時，將不能獲得穩定同步。 第27頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五28第四章電子式電測儀表4.3.6 X-Y方式的應用 在某些特殊場合，X軸的光跡偏轉需由外來信號控制，或需要X軸也作為被測信號的輸入通道，如：外接掃描信號，李薩育圖形的觀察或作為其它設備的顯示裝置等，都需要用到該方式。 X-Y方式的操作步驟為： 將“SEC/DIV”開關逆時針方向旋至“X-Y”位置，由通道1輸入插座（CH1 OR X）端口輸入X軸信號

14、，其偏轉靈敏度仍然按該通道的“VOLTS/DIV”開關指示值讀取，但該方式的X軸靈敏度擴展則是水平擴展5鍵來控制。 第28頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五29第四章電子式電測儀表4.3.6 X-Y方式的應用李薩育法（橢圓法）測量相位差第29頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五30熒光屏上的光點不能調得太亮，并且不能長時間停留在屏上，以免損壞熒光屏使用示波器應輕輕旋動各旋鈕，當旋鈕擰不動時不可強拉硬轉，否則將損壞儀器4.4 注意事項 第四章電子式電測儀表back實驗過程中，光點強度不能太高，短時間不使用時，應將輝度關掉第30頁，共75頁，2022年

15、，5月20日，23點52分，星期五314.5 取樣示波器 第四章電子式電測儀表back一、實時示波器 無論是連續掃描還是觸發掃描，都是在被測信號可經歷的實際時間內顯示信號波形，即測量時間（一個掃描正程）與被測信號的實際持續時間相等。故稱實時測量方法，與此相應這種示波器叫“實時示波器”。二、實時示波器的缺點 實時示波器的上限工作頻率直接受下列因素的限制1、受到示波管上限工作頻率的限制。2、受Y通道放大器帶寬的限制。3、受時基電路掃描速度的限制 。（掃速必須與信號速度相當）三、取樣示波器 利用取樣技術把高頻重復信號變成低頻離散信號加以非實時顯示。第31頁，共75頁，2022年，5月20日，23點5

16、2分，星期五P(t)t1234512345(a)(b)4.5.1 取樣原理 第四章電子式電測儀表back（一）取樣廣義：對連續波形離散的采集樣本，從而用離散信號代替連續波形。取樣：利用采樣門把連續時間信號變成離散時間信號原理：采用取樣技術，把高頻、快速的重復信號變換成低頻信號， 再通過類似于通用示波器的方法，將變換后的信號顯示出來。實時取樣：第32頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五334.5.1 取樣原理 第四章電子式電測儀表back有信號無信號實時取樣的特點是： 取樣一個波形所得脈沖列的持續時間(b)等于輸入信號實際經歷 的時間(a) 。 脈沖 越窄越好 因此實時取樣

17、不能解決通用示波器的頻帶不夠的問題第33頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五344.5.1 取樣原理 第四章電子式電測儀表back量化取樣電壓非實時取樣：取樣電壓是由多個波形上取到的；并非實際經歷時間非實時取樣：第34頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五354.5.2 取樣電路 第四章電子式電測儀表back1.取樣原理取樣保持器的基本原理 第35頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五364.5.2 取樣電路 第四章電子式電測儀表back電路反饋取樣門取樣門脈沖平滑調整延長門脈沖至Y放大器延長門A2=12.閉環取樣電路第36頁，共7

18、5頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五374.5.2 取樣電路 第四章電子式電測儀表back 取樣脈沖與被測信號第一次相遇點是信號的起始點，在 時刻進行第一次取樣，第二次取樣在 進行。兩次可以相隔mT個周期，每一次比前一次延遲 。（m-兩個取樣脈沖之間被測信號周期數） 取樣后的取樣電壓雖然也是一串脈沖列，但這串脈沖列的持續時間卻大大拉長了，兩個脈沖之間的時間間隔變為 。由于包絡波形所需時間拉長（相對掃速降低），就有可能用一般低頻示波器顯示。 由于顯示一個信號包絡所需時間（測量時間）遠大于被測信號實際所經歷的時間，所以是非實時取樣。（二）顯示信號的合成過程如何顯示離散波形？需給X、Y

19、偏轉板加什么樣的電壓？第37頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五384.5.2 取樣電路 第四章電子式電測儀表取樣電壓合成波形兩點間X,Y偏轉板都應加階梯電壓：X：電壓與時間成正比 Y： 量化階梯電壓 第38頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五394.5.3 取樣示波器基本組成 第四章電子式電測儀表取樣門延長電路Y放取樣門脈沖發生器延長門脈沖發生器觸發放大分頻快斜波發生器比較器階梯波發生器X放延遲脈沖abcdefgY通道的作用：把輸入信號變成量化取樣電壓X通道的作用：產生每隔 上升一級的階梯波及步進延遲脈沖取樣密度經脈沖形成電路等效掃速輸入第39頁，

20、共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五404.5.3 取樣示波器基本組成 第四章電子式電測儀表23二者比較產生( e)1()g分頻取樣門脈沖量化取樣電壓第40頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五414.5.3 取樣示波器 第四章電子式電測儀表back取樣脈沖周期取樣次數所需取樣時間第41頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五424.5.4 取樣示波器的主要參數 第四章電子式電測儀表back取樣示波器的幾個主要參數（一）取樣示波器的帶寬： 數十GHz 頻率限制主要在取樣門，fh與采樣脈沖寬度成反比。 (二) 取樣密度-屏上水平軸上單位長度

21、內所包含的取樣點數目。 用每cm的光點數表示（三）等效掃速 等效于被測信號經過了 時間與水平方向展寬的距離L之比。第42頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五取樣示波器是非實時取樣取樣示波器的X軸具有雙重任務， 產生掃描階梯電壓； 控制Y通道產生量化電壓掃描信號是階梯式變化的（非線性）。只能測量重復頻率較高的信號。 434.5.4 取樣示波器第四章電子式電測儀表back取樣示波器與通用示波器的主要差別：第43頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五 波形顯示示波器類別簡單重復信號復雜動態重復信號定時測量非重復單次信號觸發功能預觸發示波器帶寬數據處理穩定信號

22、變化信號異常信息緩變信號隨機毛刺快沿信號模擬示波器CRT顯示技術好好差差差差好差不能邊沿不能低不能DSO示波器等效采樣技術好差差好差好差好差多種能高能DSO示波器實時采樣技術好好好好好好差好好多種能高能444.6 數字存儲示波器 第四章電子式電測儀表back數字存儲示波器與模擬示波器的比較：第44頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五454.6 數字存儲示波器 第四章電子式電測儀表back典型數字示波器原理框圖 1.數字存儲示波器的基本組成第45頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五464.6.1 信號采集技術第四章電子式電測儀表back1.采樣方式實時

23、采樣：所有采樣點是示波器一次觸發而獲得。第46頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五隨機采樣 多點隨機采樣 474.6.1 信號采集技術第四章電子式電測儀表back1.采樣方式等效時間采樣：隨機采樣第47頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五484.6.1 信號采集技術第四章電子式電測儀表back1.采樣方式等效時間采樣：順序采樣 對較低頻率信號采用實時采樣技術，對較高頻率信號采用等效時間采樣技術。第48頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五49信號采集技術第四章電子式電測儀表back2.采樣速率即數字化速率，通常可用3種方式描述：采

24、樣次數，表示成單位時間內采樣的次數；采樣頻率信息率，表示為單位時間存儲多少位(bit)的數據。采樣速率受存儲容量(記錄長度)的限制，為防止采樣存儲器的溢出，在不同的掃描速率時，要求采樣速率具有對應關系第49頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五50信號采集技術第四章電子式電測儀表back3.采樣器件兩路組合采樣原理 并聯比較式A/D轉換器 多個A/D交叉復用，以成倍提高采樣速率第50頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五51信號采集技術第四章電子式電測儀表back3.采樣器件 CCDA/D技術 CCDA/D組合采集原理 先高速模擬存儲，再進行慢速A/D數

25、字化處理 第51頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五52信號采集技術第四章電子式電測儀表back4.采樣存儲器采樣存儲器的環形結構各存儲單元按串行方式依次尋址，且首尾相接，每次采樣的數據按順序依次存儲。第52頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五53信號采集技術第四章電子式電測儀表back5.觸發方式State1：無信號輸入（可見水平線）；State2：一通道輸入方波，儀器未觸發，觀察到晃動的波形；State3：“按下快門” （選擇上升沿觸發，將觸發電平調整到波形內） ，將儀器觸發；State4：信號穩定顯示，獲取穩定的圖像，并可以保存。正確理解觸發的

26、概念第53頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五54信號采集技術第四章電子式電測儀表back5.觸發方式數字示波器的觸發可看作是從存儲器中選取信號的一個標志。延遲觸發第54頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五55信號采集技術第四章電子式電測儀表back5.觸發方式邊沿觸發觸發原理：在輸入信號邊沿的觸發閾值上觸發觸發信號觸發電平觸發靈敏度輸出差分對第55頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五56信號采集技術第四章電子式電測儀表back5.觸發方式脈寬觸發觸發原理：根據脈沖的寬度來確定觸發時刻觸發信號觸發電平觸發靈敏度輸出差分對輸出差分

27、信號計數脈沖（10ns）20ns觸發信號第56頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五57信號采集技術第四章電子式電測儀表back5.觸發方式脈寬觸發適合信號：方波、脈沖信號等 邊沿觸發 脈寬觸發第57頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五58信號采集技術第四章電子式電測儀表back5.觸發方式斜率觸發觸發原理：依據信號的上升/下降時間來判斷觸發信號觸發電平1觸發靈敏度輸出差分對輸出差分信號計數脈沖（10ns）70ns觸發信號觸發電平2第58頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五59信號采集技術第四章電子式電測儀表back5.觸發方式斜

28、率觸發適合信號：三角波、鋸齒波等 邊沿觸發 斜率觸發第59頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五60信號采集技術第四章電子式電測儀表back5.觸發方式碼型觸發適合信號：數字信號第60頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五61信號采集技術第四章電子式電測儀表back5.觸發方式耦合耦合可以分為通道耦合和觸發耦合。通道耦合包括直流、交流。觸發耦合包括直流、交流、高頻抑制、低頻抑制。第61頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五62信號采集技術第四章電子式電測儀表back5.觸發方式耦合交流耦合是只通過信號交流成分，阻止直流成分相當于高通濾

29、波。當信號包括直流和交流成分時，而實際只關心交流成分時，就選擇交流耦合。直流耦合則是通過信號的全部成分。當觀察直流信號或者低頻信號時，必須選擇直流耦合。信號包括直流和交流低頻信號交流耦合第62頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五63信號采集技術第四章電子式電測儀表back5.觸發方式耦合高頻抑制和低頻抑制應用于觸發中，主要目的是為了使觸發能夠穩定。高頻抑制是抑制150KHz以上的頻率信號，當信號中包含高頻噪聲使觸發不穩定時，可以使用高頻抑制。低頻抑制是抑制8KHz以下信號。第63頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五64波形顯示技術第四章電子式電測儀表

30、back1.點顯示方式視覺混淆示意圖 第64頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五65波形顯示技術第四章電子式電測儀表back2.數據點插入技術用數據點插入技術可以解決視覺錯誤問題，主要有兩種插入方法，即線性插入和曲線插入。 第65頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五66控制系統第四章電子式電測儀表back 數字存儲示波器的控制系統需要完成數據采集、數據處理、顯示、人機控制等功能，用一個微處理器很難及時完成這些任務，因此現代數字存儲示波器出現多CPU系統。 通常一個CPU為主CPU，具有相應的存儲器(ROM、RAM )、輸入輸出接口(I/O )和外設(

31、鍵盤、顯示器等)，執行管理整個儀器的軟件；其余CPU為從CPU，在主CPU管理下完成一部分工作，如數據采集CPU、數據處理CPU、通信管理CPU等。第66頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五67性能指標第四章電子式電測儀表back(1) 最高采樣速率(2) 存儲帶寬BW(a) 重復帶寬 (等效帶寬)(b) 單次帶寬 (有效存儲帶寬)N每格的采樣點數；t/DIV掃描速率fsmax最高采樣速率；k每周期采樣點數即單位時間內采樣次數，也稱數字化速率，用每秒完成的A/D轉換的最高次數來衡量。實時采樣速率第67頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五68性能指標第

32、四章電子式電測儀表back(3) 分辨率分辨率指示波器能分辨的最小電壓增量，即量化的最小單元。 垂直分辨率：電壓分辨率，與A/D轉換器的分辨率相對應，以每格的分級數或百分數表示； 水平分辨率：時間分辨率，由采樣速率和存儲器容量決定，以屏幕每格含多少點或用百分數表示。第68頁，共75頁，2022年，5月20日，23點52分，星期五69性能指標第四章電子式電測儀表back(4) 存儲容量存儲容量即記錄長度，由采樣存儲器的最大容量表示，數字存儲示波器常用256、512、1K、4K等容量的高速半導體存儲器。(5) 讀出速度讀出速度指將數據從存儲器中讀出的速度，常用“時間/DIV”表示，其中，“時間”為屏幕上每格對應的存儲容量讀脈沖周期。使用中