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示波器在电子技术领域中，电信号波形的观察和测量是一项很重要的内容，而示波器就是完成这个任务的一种很好的测试仪器。示波器可以用来研究信号瞬时幅度随时间的变化关系，也可以用来测量脉冲的幅值、上升时间等过渡特性。借助于各种转换器还可以用来观测各种非电量，如温度、压力、流量、生物信号等变化过程。实际上，示波器不仅是一种时域测量仪器，也是频域测量仪器的重要组成部分。电子示波器的种类是多种多样的，分类方法也各不相同。按所用示波管不同可分为单线示波器、多踪示波器、记忆示波器等；按其功能不同可分为通用示波器、多用示波器、高压示波器等。首先讨论通用示波器。电子示波器是最常用的电子仪器之一，它具有以下一些特点：（1）能显示信号波形，并可测量出瞬时值；(2) 测量灵敏度高，具有较强的过载能力；(3) 输入阻抗高，对被测系统的影响小；（4）工作频带宽，速度快，便于观察瞬变现象的细节；(5) 示波器是一种快速X- Y描绘器，可以在荧光屏上描绘出任何两个量的函数关系曲线.一电子示波器显示波形的原理1示波管示波管亦称为阴极射线管，是示波器的核心部件。普通示波管的基本结构如图2-2-1所示。它包括三部分：电子枪、偏转系统和荧光屏。这三部分都密封在玻璃壳内，成为一个真空器件。其作用是把电信号变成发光的图形。1) 电子枪电子枪的任务是发射电子并形成很细的高速电子束。电子枪由灯丝F,阴极K,控制栅极G,预加速阳极A3、聚焦阳极A2和加速阳极A1组成。灯丝用于加热阴极，使阴极发射电子。其密度受相对于阴极为负电位（约-30V -50V)的控制栅极控制。显然，调节电位器RPI（即“辉度”调节旋钮）能改变栅极对阴极的电位差，也就控制了射向荧光屏的电子流密度，从而改变亮点的辉度。如果用外加信号控制栅、阴极间电压，则可使亮点辉度随信号强、弱而变化，这种工作方式称为辉度调制，可形成三维显示。阳级A1，A2, A3都是一个与阴极同轴的金属圆筒，通常三个阳极的电位（A3与A1等电位）均比阴极高得多（大约几百伏至一千多伏），而A3, A,阳极电位（大于1千伏）又高于凡阳极。由于各电极电位不同，便产生了图3-2-2所示的电力线分布情况。它对电子束的作用，就像光学透镜（这里称为电子透镜）那样，调节RP2（即聚焦调节旋钮）能改变A2与凡、Al之间的电场分布情况，直接影响电子束在荧光屏上的汇聚。调节RP3（即面板或仪器后板上的“辅助聚焦”）可以补偿偏转板电位变化时对聚焦性能的影响，使光点在荧光屏中心及四周尽可能成为细小的亮点。图2-2-1 示波管结构及其供电电路示意图图2-2-2 示波管的电子束聚焦2) 偏转系统偏转系统由两对互相垂直的偏转板组成，其作用是用偏转板所加电压控制电子束在垂直方向和水平方向的偏转。靠电子枪的一对垂直（Y轴）偏转板，可控制电子束沿垂直方向上、下运动；后一对水平（X轴）偏转板，则用来控制电子束沿水平方向左右运动。电子束在荧光屏上偏转的距离Y(或X)，分别与加在偏转板上的电压UY（或Ux)成正比，以Y偏转板为例，在垂直方向的偏转距离为：Y=hYUY式中hY称为Y轴偏转因数。偏转因数的倒数SY1/hY（V/cm）称为Y偏转板的偏转灵敏度，它表示亮点在荧光屏上偏转l cm所需偏转电压UY的峰峰值。同样，水平偏转板也有偏转灵敏度SxUx/X（V/cm）在实际电路中，通过电位器RP4、RP5（即“Y轴位移”、“X轴位移”）来调节亮点的上、下和左、右位置。若在两对偏转板上同时加上直流电压，则光点将按电场的合力方向偏移。理论分析证明，降低A1, A3的电位，有利于提高偏转灵敏度，但亮点辉度会减弱。为此，在荧光屏与偏转系统之间设置后加速阳极A4，其上有l0KV15kV以上高压，这样就提高了电子打在荧光屏上的速度，从而增加亮点辉度。3）荧光屏荧光屏是在玻璃壳内壁涂上荧光粉而制成的。它在受到电子轰击后，将其功能转化成光能，形成亮点。当电子束随信号偏转时，这个亮点的移动轨迹就形成信号的波形。由于荧光粉的成分各异，所以发光的颜色及其余辉时间也因此不同。人们通常都选用对人眼最敏感的黄、绿、蓝三种颜色。从激发停止瞬间亮度到下降为该亮度的10所经过的时间称为余辉时间。10slms为短余辉，1ms0.1s为中余辉，0 .1s1s为长余辉。通用示波器一般选用中余辉，慢扫描示波器则使用长余辉。值得指出的是，高能电子束轰击荧光屏时，它的动能只有一部分转为光能，而大部分转为热能。所以不应当使亮点长时间停留在一处，以免荧光粉损坏而形成斑点。二.波形显示原理1 电子束在UY与UX作用下的运动电子束在荧光屏上的位置取决于同时加在垂直和水平偏转板上的电压。1） 当示波管两对偏转板上不加任何信号（UY=UX=0)时，则光点出现在荧光屏的中心位置，不产生任何偏转。2） 垂直偏转板上加电压。UYUmsint，而水平偏转上加的电压UX0，则光点仅在垂直方向随UY变化而偏转。光点的轨迹为一垂直线，其长度正比于Uy的峰峰值，如图2-2-3所示。反之，UY =0，UX= Umsint，则荧光屏上显示一条水平线。 图2-2-3 UX0, UYUmsint时荧光屏上显示一条垂直线3） 如UYUX= Umsint，则电子束同时受两对偏转板电场力的作用，光点沿X轴、Y轴合成方向运动，其轨迹为一斜线，如图2-2-4所示。图2-2-4 UYUX= Umsint时荧光屏上显示一条斜线4）若UYUmsint，而在X偏转板上加上一个与Uy周期相同Tx二TY的理想锯齿波电压UX，则在荧光屏上可真实地显示Uy的波形，如图2-2-5所示图2-2-5 UYUmsint，UX为理想锯齿波电压，在荧光屏上Uy的波形由图2-2-5可见，在X轴偏转板上加上理想的锯齿波电压UX，其正程（从0点到4点）则为零。这样使荧光屏的X轴就转换成了时间轴。因此，当UY0，仅在X轴加上理想的锯齿波电压，将在荧光屏上显示一条水平线（这个过程称为扫描）；而当UYUmsint，UXKt时，则有UYUmsint/K荧光屏上亮点的轨迹正好是一条与Uy相同的正弦曲线。2同步概念前面讨论的是TXTY的情况。如果TX2TY，则可以在荧光屏上观察到两个周期的信号电压波形，如图2-2-6所示。如果波形重复出现，而且完全重叠，就可以看到一个稳定的图像。图2-2-6 TX2TY荧光屏上Uy的波形如果TX不为Ty整数倍情况，荧光屏显示的波形如何呢？例如在TX7 T Y /8时，荧光屏上显示的波形好像向右跑动一样。同理，当Tx=9 T Y /8时，则波形向左跑动。显然，这种显示不利于观测。由此可见，为了在荧光屏上获得稳定的图像，TX（包括正程与回程）与TY必须成整数倍关系，即TX=nTy（n为正整数），以保证每次扫描的起始点都对应信号电压UY的相同相位点上，这种过程称为“同步”。示波器中，通常利用被测信号UY（或用与UY相关的其他信号）去控制扫描电压发生器的振荡周期，以迫使TXnTY。3 连续扫描与触发扫描1） 连续扫描。连续扫描是扫描电压为周期性锯齿波电压。其特点是，即使没有外加信号，在荧光屏上也能显示一条时基线。前面介绍过的扫描即为连续扫描。2） 触发扫描。触发扫描的特点是，只有在外加输入信号（称为触发信号）的作用下，扫描发生器才工作，荧光屏上才有时基线；反之，无触发信号，荧光屏上只显示一个亮点。触发扫描不仅可用于观察连续信号波形，而且适用于观测脉冲信号波形，特别是持续时间与重复周期比( t p/ T y)很小的脉冲波。例如，观测一个脉宽tp10s,周期TY500s的窄脉冲信号，若采用连续扫描，则可能采用两种方法处理：使扫描电压周期Tx等于被测信号周期TY。设时基线长度X=10cm，则脉冲波形在水平方向所占宽度Xil 0cm t p/ T Y0. 2cm,即图像被“挤成”一条竖线，难以看清被测波形细节，如图2-2-8(a）所示。使扫描电压周期TX等于被测信号UY的脉宽tp，如图2-2-8(b)所示。这时波形虽可以展开，但荧光屏上的脉冲部分暗淡，而图像底部横线却非常明亮（被测信号uY原无此横线）。上述说明，用连续扫描来显示窄脉冲波形是不合适的。采用图2-2-8(c）所示触发扫描，便能有效地解决上述问题。由图可见，图中只有AB段有扫描，而BC段停扫。取扫描周期Tx等于或稍大于被测信号脉宽tp，它既可以将波形展开，又没有底部横线。同时如采取在扫描期间给示波管栅极施加一个与扫描电压Ux底部同宽的正脉冲增加辉度的措施，则可解决波形加亮问题。图2-2-8 连续扫描与触发扫描观测窄脉冲信号三示波器的工作原理前面讨论了示波管的结构以及用它将被测电信号转换为可见波形的原理。但示波管只是示波器的一部分，若要实现各种功能，还必须配有相应电路。1电子示波器的基本组成示波器的种类很多，但无论何种类型都包含有如图2-2-9所示的六大部分。Y放大器和X放大器用于放大信号电压，以提高偏转灵敏度。扫描发生器用于产生锯齿波电压一时基信号，经X放大器加到示波管（CRT）的水平偏转板，使电子束形成水平扫描。当不需要扫描时，例如要观测Y输入和X输入两个信号的函数关系，这时可将开关SZ转换到X输入端，放大X轴输入信号。触发同步电路的作用是使波形稳定。S,为触发源选择开关，当由被测信号实现同步时，S1置“内”处，当需外接同步信号时，S1置“外”处。图2-2-9 电子示波器的基本组成2 Y通道的组成及工作原理1) Y通道的组成通用示波器的Y通道（示波器的垂直系统）由输入电路、前、后置放大电路和延迟线等组成，如图2-2-10所示。Y通道是被测信号的主要通道，要求通带、增益及输入阻抗等指标尽量高些。图2-2-10 Y通道的组成2)输入电路Y通道的输入电路如图2-2-11所示，它由探头、藕合方式选择开关S、步进衰减电路（衰减器）和阻抗变换倒相电路等组成。图2-2-11 Y通道输入电路 步进衰减电路。通常示波器面板上的Y轴灵敏度粗调控制开关就是一个步进衰减器。它的作用是，在测量幅度较大的信号时，先衰减再输入，使荧光屏上波形不致于过大而失真。 探头。探头的作用是，用于直接探测被测信号，提高示波器的输入阻抗、减少波形失真及展宽示波器的使用频带等。图2-2-12所示为一无源探头，它由RC元件组成，经电缆与示波器Y轴输入端相接后，又构成了衰减电路。图中Ri、Ci分别为示波器的输入电阻和电容。探头的衰减比由电阻决定，一般为10倍。图2-2-12 探头线电路调整探头内的电容C1使R1 C1=Ri Ci，可得最佳补偿。当探头输入一标准方波，调整C1，在荧光屏上观察到的不同补偿时的波形，如图2-2-13所示。显然，图（a)最理想。图2-2-13 荧光屏上观察到的不同补偿时的波形 藕合方式与阻抗变换倒相电路。图2-2-11中开关S的作用是对藕合方式进行选择。当置“AC”位置时，Uy的直流成分被电容隔离，荧光屏上显示的是交流成分；置“DC”时，输入信号的所有成分都被显示；置“”时，可将荧光屏上的水平亮线作为零电平基准线，以便测量直流电压。阻抗变换倒相电路一般由两级差动放大电路组成。在示波器中采用这种电路，可将Y通道的下限频率扩展到直流，同时可克服直流放大器中零漂的影响。3) 延迟线当采用内触发时，扫描电压是由Y通道被测信号“y去启动扫描发生器后产生的。因为扫描电路须有一定的“触发电平”OF值才能启动，这样从接受触发信号到开始扫描有一段延迟时间勺1，因而造成开始扫描时间滞后于被测信号u；的起始时间，如图2-2-14所示。若考虑触发信号启动扫描电路经X放大器至水平偏转板，这个时间滞后还要大些。图2-2-14 延迟线作用这样，若不采用延迟措施，在荧光屏上显示的uy波形就缺少起始部分（图2-2-14的OA段）。如用被测信号去触发扫描电路，同时又将uy延迟后再送Y偏转板，就可以解决此矛盾。因此，设置延迟线的作用是将信号uy在荧光屏上出现的时刻延迟于扫描开始时刻以后，从而保证荧光屏上显示出被测信号的全过程。3X通道的组成及其主要功能X通道包括触发输入放大及整形电路、扫描电路及X轴放大电路等。它的主要任务是控制、形成和放大锯齿波电压，使荧光屏上稳定而准确地显示出被测信号的波形。其一般方框图如图2-2-15所示。在触发扫描时，扫描信号的产生受触发信号控制，只有触发信号到来，才产生扫描电压输出，所以扫描电压与被观测电压是同步的。连续扫描的工作情况与触发扫描不同，不论有无触发脉冲到来，连续扫描始终都有扫描电压输出。但为使扫描电压与被观测电压同步，扫描电压产生器输入端仍需要输入触发信号来控制。图2-2-15 X通道的组成图2-2-15中所示X轴放大器的作用是，使X轴信号放大到能使电子束在水平方向得到满侧转。当测时间函数信号（即YT工作方式）时，X放大器的输入开关置“内”，X轴信号为锯齿波扫描电压；而当要显示XY图形（即采用X- Y工作方式）时，则开关置“外”，X轴信号为示波器的外接信号电压。若调整X轴放大器的放大倍数为通常的K倍，则意味着荧光屏上同样的水平距离所代表的时间缩小到原来的1/K，通常称之为扫描扩展。四示波器在电压、相位、时间和频率测量中的应用利用电子示波器可以进行电压、时间、相位差、频率以及其他物理量的测量。1电压测量用电子示波器不仅可以测量正弦波电压，而且可以测量各种波形的电压幅值、瞬时值。更有实际意义的是，它还可以测量脉冲电压波形的上冲量、平顶降落等。因此，与普通电压表比较，电子示波器具有独特的优点。但是，由于视差和示波器固有误差等因素的影响，利用示波器进行测量也存在准确度不太高的缺点。1) 直流电压的测量要测量直流电压，所用示波器的Y通道应当采用直接藕合放大器，如果示波器的下限频率不是零，则不能用于测量直流电压。进行测量前，必须校准示波器的Y轴灵敏度，并将其微调旋钮旋至“校准”位置。测量方法如下： 将垂直输入藕合选择开关置于“”，采用自动触发扫描，使荧光屏上显示一条扫描基线，然后根据被测电压极性，调节垂直位移旋钮，使扫描基线处于某特定基准位置（作0V电压线）； 将输入藕合选择开关置于“DC”位置； 将被测信号经衰减探头（或直接）接入示波器Y轴输入端，然后再调一节Y轴灵敏度（V/cm）开关，使扫描线有较大的偏移量，如图2-2-16所示。 图2-2-16设荧光屏显示直流电压的坐标刻度为H（cm），仪器的Y轴灵敏度所指档级为SY0.2V/cm，Y轴探头衰减系数K=10（即用了10:1衰减探极），则被测直流电压为UxH（cm）Sy（V/cm）KH（cm）02V/cm 102H（V）（正电压）2) 交流电压测量一般是直接测量交流电压的峰峰值UXPP。其测量方法是，将垂直输入藕合选择开关置“AC”，根据被测信号的幅度和频率对“V/cm”开关和“t/cm”开关选择适当的档级，将被测信号通过衰减探头接入示波器Y轴输入端，然后调节触发“电平”，使波形稳定，如图2-2-17所示。图2-2-17 直接测量UXPP值设荧光屏上显示信号波形峰-峰值的坐标刻度为A（cm），仪器的Y轴灵敏度所指档级为SY=0. 1 V/cm，Y轴探头衰减系数K10，则被测信号电压的峰峰值为：U XPP01 V/cm A（cm）10A（V）对于正弦信号来说，峰峰值UXPP与有效值Ux的关系为：UXUXpp / 2A（V）23) 电压瞬时值的测量设要测量的是含有直流分量的被测信号的某特定点R的电压瞬时值UR（见图2-2-18)，则首先将垂直输入藕合选择开关置于“”，调整扫描基线位置，确定基准电平（0V）；然后将输入藕合选择开关置“DC”位置，选择适当的“V/cm”和“t/cm”挡级，将被测信号通过探头接入Y输入端，使荧光屏上显示一个或几个周期的稳定波形，如图2-2-18所示。由图算得R点的电压瞬时值为URB（cm）S