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第四章电子示波器 4 1电子示波器概述 一 概念 电子示波器简称 示波器 是一种用来直接显示电信号波形随时间变化过程的电子仪器 能够将人眼无法直接观察到的电信号以波形的形式显示在示波器的屏幕上 它的用途极为广泛 可以用来观察信号波形 信号的幅度 频率 时间 相位等等 还可以用来测量电路网络的频率特性和伏安特性 二 基本特点 1 输入阻抗高 对被测信号影响小 有较强的过载能力 测量灵敏度高 2 可显示信号波形 测量信号瞬时值 3 工作速度快 频带宽 便于观察高速变化的信号 4 可显示任意两个信号的电压或电流的函数关系 故可作为信号的X Y记录仪 三 电子示波器的分类 按示波器的性能和结构特点进行分类 1 通用示波器 采用单束示波管 是一种宽频带的示波器 常用的是双踪示波器 使用的极为广泛 可以对一般电信号进行定性和定量的分析 2 多束示波器 采用多束示波管 通过电子开关进行切换 观察两个以上的波形 比较两个以上的信号很方便 3 取样示波器 便于观察和测量高频信号 4 记忆示波器 采用记忆示波管实现信息的存储 5 特种示波器 具有特殊的功能用途 例如 矢量示波器 高压示波器 心电图示波器等 6 数字存储示波器 能够将捕促到的信号进行A D转换 写入存储器 需要读出时 经过D A转换还原成模拟信号 在示波器上显示出来 7 逻辑示波器 逻辑分析仪 4 2电子示波器的基本原理 一 组成 如图4 1所示 它由示波管 CRT 垂直偏转系统 Y通道 水平偏转系统 X通道 同步控制系统 以及辉度控制电路 电源系统等几部分组成 图4 1电子示波器的基本组成框图 二 基本工作原理 由电子枪产生的高速电子束轰击荧光屏的相应部位产生荧光 而偏转系统则能使电子束产生偏转 从而改变荧光屏上光点的位置 显示被测信号的波形 三 示波管 结构 电子枪 偏转系统 荧光屏三个部分 图4 2示波管的结构图 1 电子枪 1 作用 发射电子并形成很细的高速电子束 2 结构 它是由灯丝 F 阴极 K 栅极 G1 前加速极 G2 第一阳极 A1 第二阳极 A2 组成 灯丝的作用是加热阴极 加热后的阴极发射电子 2 偏转系统偏转系统是由两对位置互相垂直的偏转板组成 靠近电子枪的一对是垂直偏转板 另一对是水平偏转板 电子束靠偏转板上加的电场发生偏转 3 荧光屏荧光屏是荧光粉涂在玻璃屏的内表壁而制成 荧光屏的发光颜色通常有绿色 黄色 兰色和白色 电子束轰击荧光粉时发出的荧光并不会立刻消失 而是要延续一段时间 这种现象称为余辉 按余辉持续的时间长短 示波管分为短余辉 中余辉和长余辉管三种 四 波形显示原理 Y偏转板 加被测信号 X偏转板 加扫描电压信号 设为理想状态 1 设Ux Uy 0 则光点在垂直和水平方向都不偏转 出现在荧光屏的中心位置 2 设Ux 0 Uy Umsin t 由于X偏转板不加电压 光点在水平方向是不偏移的 则光点只在荧光屏的垂直方向来回移动 出现一条垂直线段 3 设Ux kt Uy 0 由于Y偏转板不加电压 光点在垂直方向是不移动的 则光点在荧光屏的水平方向上来回移动 出现的是一条水平线段 由上三种情况可看出 a X偏转板上所加电压控制电子的水平运动 b Y偏转板上所加电压控制电子的垂直运动 c 电子位移长度取决于所加电压的大小 4 设Y偏转板加正弦波信号电压Uy Umsin t X偏转板加锯齿波电压Ux kt 且有Tx Ty荧光屏显示的是被测信号随时间变化的稳定波形 5 设Y偏转板加正弦波信号电压Uy Umsin t X偏转板加锯齿波电压Ux kt 且有Tx 2Ty荧光屏显示的是被测信号随时间变化的稳定波形 6 设Y偏转板加正弦波信号电压Uy Umsin t X偏转板加锯齿波电压Ux kt 且有Tx 3 2Ty荧光屏显示的是被测信号随时间变化的不稳定波形 由此可见 当扫描电压的周期是被观测信号周期的整数倍时 即Tx nTy n为正整数 每次扫描的起点都对应在被测信号的同一相位点上 这就使得扫描的后一个周期描绘的波形与前一周期完全一样 每次扫描显示的波形重叠在一起 在荧光屏上可得到清晰而稳定的波形 当理想扫描电压的周期Tx nTy n为正整数 时 波形稳定 且显示n个被测信号波形 当此关系不成立时 波形显示不稳定 一般情况下 当扫描电压的周期Ts nTy n为正整数 时 波形稳定 且显示n个被测信号波形 逆程消隐 此即 同步 原理 五 示波器的主要技术性能 1 频率响应 频带宽度 BW 示波器的频率响应就是其Y轴系统工作频率范围 或指Y放大器带宽 通常以 3dB处 即相对放大量下降到0 707时的频率范围表示 宽带示波器的频率响应低端常常从零开始 频带越宽 高频特性越好 2 偏转灵敏度Dy示波器输入电压与亮点Y方向偏移量的比值称为偏转灵敏度 也称为偏转因数 单位mV div 度 div 指荧光屏刻度1大格 1div 1cm 偏转因数数值可表示灵敏度 数值越小灵敏度越高 每一种示波器有一个最高灵敏度 一般示波器最高灵敏度对应于5mV div或10mV div 当Y系统接入不同衰减器时偏转因数值改变 3 输入阻抗输入阻抗是指示波器输入端对地的电阻Ri和分布电容Ci的并联阻抗 输入阻抗越大 示波器对被测电路的影响就越小 所以要求输入电阻Ri大而输入电容Ci小 输入电容Ci在频率越高时 对被测电路的影响越大 4 最大输入电压 DC AC的峰值 这个电压是由元件与材料的耐压性所决定的 示波器的输入信号电压不得超过此值 否则将造成示波器损坏 5 垂直方式 CH1 CH2 ADD DUAL四种工作方式 前两种是单踪显示 第四种是双踪显示 第三种是叠加 6 扫描速度示波器屏幕上光点的水平扫描速度的高低可用扫描速度 时基因数 扫描频率等指标来描述 扫描速度就是光点水平移动的速度 其单位是cm s或div s 度 秒 扫描速度的倒数称为时基因数SS 它表示光点水平移动单位长度 cm或div 所需的时间 扫描频率表示水平扫描的锯齿波的频率 一般示波器在X方向扫描频率可由t cm或t div分档开关进行调节 此开关标注的是时基因数 为了观察缓慢变化的信号 则要求示波器具有较低的扫描速度 因此 示波器的扫描频率范围越宽越好 7 扫描方式 单扫描 交替扫描 单扫描是指只有一个扫描电压 显示的波形水平方向每格所代表的时间长度只有一个 但交替扫描时 有一个低速扫描和一个高速扫描 两个扫描各描绘出一个波形 8 触发方式 自动 常态 9 触发源 内 外 CH1 电源 10 X Y工作方式 1 工作方式 CHI输入是X轴信号 CH2输入是Y轴信号 2 X轴带宽 DC 500KHZ 由于此项限制 CH1输入信号的频率不易超过此值 3 相位差 由于X轴与Y轴两通道存在固有相位差 当测量两通道信号的相位差时 应考虑其影响 电子示波器的选择 1 根据被测信号选择合适的示波器1 根据要同时显示的信号数量 选择单踪或双踪示波器2 当定性分析观察信号的波形 并且是频率不高的正弦波 这时可选用普通示波器 3 当分析观察被测信号的幅度或时间 信号为脉冲波或频率较高的正弦波 这时可选择宽带示波器 4 当分析观察频率高于100MHz的周期脉冲信号 可选用取样示波器 5 当希望将波形存贮起来以便事后进行分析研究 可选用具有记忆功能的记忆示波器 六 电子示波器的选择 2 根据示波器的性能选择合适的示波器频带宽度和上升的时间 一般要求频带宽度大于被测信号最高频率的3倍 上升时间应小于脉冲上升时间的1 3 垂直偏转灵敏度 如果是弱信号 应该选择具有较高偏转灵敏度的示波器 反之 可以用较低灵敏度的示波器 应选用输入阻抗较高的示波器 4 3 通用示波器的组成与控制键 1 通用示波器的基本组成 图4 14通用示波器的组成方框图 如图所示 通用示波器是由主机 垂直通道 Y通道 水平通道 X通道 三大部分组成 其中Y通道的作用是放大 或衰减 被测信号 X通道的主要作用是产生锯齿波扫描电压 而主机部分包含有显示波形的核心部件 示波管 低压电源 向整机中各单元电路提供所需的直流电压 高压电源 给示波管供电 校准信号发生器 在示波器自检时 提供一个校准信号 等电路 2 主机部分的主要控制键 主机部分中的控制键数目不多 主要控制键有辉度和聚焦两个 辉度 用来调节波形的亮度 调节原理 调节示波管的控制极的电压 从而使电子束的电子密度改变 密度大时亮度提高 反之亮度降低 聚焦 用来调节波形的清晰度 调节原理 调节示波管的聚焦极的电压 以改变电子透镜的聚焦点的位置 当焦点正好落在荧光屏上时 波形的清晰度最高 3 垂直通道及控制键 1 垂直通道的组成 图4 16垂直通道的组成 其中 开关S和衰减器即图4 14中的Y输入电路 Y放大器分为前置放大器和后置放大器 之间插入延迟线 前置放大器将不平衡输入信号变换为平衡输出信号 并且由此处分出一路信号送到X通道作内触发信号 可见 垂直通道主要由衰减器和放大器组成 其作用是放大 或衰减 被测信号 再将其送到Y偏转板 因为最终从屏幕上看到的波形 是由当前加在Y偏转板上的电信号来决定的 而被测信号需经过Y通道的全部电路 才能到达Y偏转板 故而Y通道的控制键可以实现如下的控制 决定Y输入信号能否送到Y偏转板 决定信号中的直流分量能否送到Y偏转板 决定送到Y偏转板的信号幅度大小 决定Y偏转板的附加直流电压大小 这些控制作用 分别体现在下面列举的控制键中 2 垂直通道的主要控制键 耦合方式 转换信号的输入耦合方式 它有AC DC三个档位 见上图中的开关S DC档位时 Y通道是一个直流放大器 此时被测信号中的直流分量 可改变屏上波形的垂直位置 AC档位时 由于耦合电容C的存在 Y通道变成一个交流放大器 此时被测信号中的直流分量不影响屏上波形的垂直位置 即接地 此时Y通道放大器的输入端被接地 而Y输入插座上的被测信号被隔断 偏转因数 调节示波器的垂直偏转灵敏度 它其实是一个多档位的衰减器 采取步进方式变更衰减量 当衰减量增大时 Y通道的总增益降低 屏上波形的幅度 波形的高度 减小 反之 幅度增大 偏转因数的档位 明确指示了垂直偏转灵敏度之值 垂直微调 垂直偏转灵敏度的微调 电路中 通常采用调整负反馈量的方法 来调节放大器的增益 调节垂直微调时 屏上波形的幅度可连续变化 但不能明确指示垂直偏转灵敏度的大小 垂直移位 调整屏上波形的垂直位置 电路中 采用改变Y偏转板上附加直流电压的大小来实现 垂直移位有相当大的调整范围 一般宜置于中间位置 探极 是连接被测电路与示波器的测试线 常用的是无源探极 目前示波器所用探极常带有开关 有 1 10两个档位 在 10档位时 衰减比为10 1 输入电阻为10M 在 1档位时 无衰减 输入电阻为1M 两个档位不仅输入阻抗不同 而且带宽也不同 在 10档位时 可达满带宽 在 1档位时 带宽在10MHz以下 因此 应优先选用 10档位 特别是测量高频信号时 垂直方式 选择Y通道的工作方式 在双踪示波器中才有此控制键 在早期生产的示波器中 该键是一个多档位的开关 目前生产的示波器 常用一组 CH1 CH2 ADD 按键开关来控制 通过组合可有四种工作方式 按下CH1 屏幕上仅显示通道1的信号波形 按下CH2 屏幕上仅显示通道2的信号波形 同时按下CH1 CH2按键 屏幕上同时显示通道1和通道2两个信号的波形 此时为双踪显示 DUAL 按下ADD 屏幕上显示通道1信号和通道2信号的叠加波形 关于此方式开关与双踪显示的工作原理 将在4 3节中叙述 3 水平通道及控制键 1 水平通道的组成 见图4 17 2 X放大器中的控制键 水平移位 调整屏上波形的水平位置 电路中 采用改变X偏转板上附加直流电压的大小来实现 水平移位的调整范围较小 一般也应置于中间位置 扫描格式 示波器除可显示电信号的波形外 还可显示X Y图形 此控制键是这种扫描格式的转换开关 一般情况下 此开关处在波形显示位置 X偏转板上所加信号是锯齿波扫描电压 当此开关处在X Y显示位置时 X偏转板上所加信号是X外接信号 而Y偏转板上所加是Y信号 所以显示图形是Y X的函数曲线 3 扫描电路中的控制键 扫描电路的典型组成是由扫描闸门电路 锯齿波发生器 比较释抑电路构成一个环 扫描电路中的控制键 时间因数 调节扫描速度 电路中是用改变时间电阻R和时间电容C的方法 去改变锯齿波的斜率 即改变扫描的正程时间Ts 从而调节扫描的速度 该键采用步进调节 扫描微调 扫描速度的微调 电路中是改变电容的充电电压 使锯齿波的斜率变化 从而调节扫描的速度 该键采用电位器进行连续调节 稳定度 调节触发灵敏度 电路中是调整扫描闸门的静态输入电平 该键是一个不常调整的控制键 只是在触发扫描方式时 出现不触发或同步不易的情况下 需调此键 触发源 选择触发信号源 该转换开关主要为内 外两挡 在 内 档位时 触发信号来自Y通道的前置放大器 此时除被测信号外 示波器无需外接触发信号 在 外 档位时 需由外触发输入插座引入外部触发信号 此档位用于被测信号为复杂信号且同步不易之时 有的示波器另设有CH2 电源档位 CH2 档位是双踪示波器所特设的 主要用在观测两个信号的相位差时 用CH2的信号作触发信号 其原因见4 3节 电源 档位则是以市电信号作触发信号 用于观测与市电相关的信号波形 触发方式 选择触发方式 触发方式主要有自动 20Hz 常态两种 YB4340型示波器还设有TV H TV V两挡 这是为观察电视信号中的行信号与场信号而专门设置的 需要说明的是 常态即触发扫描 而自动在无信号输入时是连续扫描 有信号输入时转变为触发扫描 目前生产的示波器都采用这两种扫描方式 触发电平 选择触发点的电平 用触发信号的瞬时电平与直流比较电平进行比较 在二者相等时刻产生触发脉冲 再用此触发脉冲去启动扫描 故显示的波形之起点即是该触发点 比较电平的可选择范围较大 常可超过触发信号之峰点电平 4 触发电路中的控制键 触发极性 选择触发点的切线斜率 触发点位于触发信号的上升沿时 称为 极性 位于下降沿时 称为 极性 由触发极性与电平来确保触发点的唯一性 因此在观测正弦波等连续信号时 极性所置位置可 可 而在观测脉冲信号时 应酌情选择 以观测正弦波为例 触发电平和极性对显示波形的影响如图4 20 a 所示 若观测脉冲波时 触发极性应根据需观测的脉冲的正负来选定 若需观测正脉冲 触发极性应置于 若是负脉冲 极性应置于 如图4 20 b 所示 4 3示波器的多波形显示 实际工作中常常需要同时观测两个或两个以上的波形 即多波形显示 实现多波形显示的方法有两种 一种是采用多束示波管 又称为多线示波管 制成的多束示波器 多束示波管内装有两个或两个以上的电子枪 每个电子枪能同时发出一束电子束 每一电子束都有各自独立的Y偏转板 有的还有独立的多个扫描系统 多束示波器制造困难 成本高 性能有待提高 较少使用 另一种方法是采用单束示波管制成的多踪示波器 单束示波管内只有一个电子枪 示波管内只有一套Y偏转板 多踪示波器是利用Y通道上增设的电子开关控制被测信号轮流快速地接入Y偏转板而显示出多个波形的 即采用了时分复用技术 这一技术充分利用了电子开关的高速变换特性和人眼的视觉惰性 比较常用的是双踪示波器 即能够显示两个波形的多踪示波器 本节只讨论双踪示波器的多波形显示原理 即双踪显示原理 4 3 1双踪显示原理电子开关又称为通道变换器 基本工作原理如图4 18 a 所示 其输入端接前置放大器 S1 S8为模拟电子开关 电子开关有 信道1 信道2 叠加 交替 和 断续 五种工作状态 1 信道1 CH1 开关S1 S2 S7 S8断开 开关S3 S4 S5 S6闭合 CH1输入的信号送到输出端 而信道2 CH2 输入的信号不能到达输出端 只能显示CH1输入的信号 2 信道2开关S3 S4 S5 S6断开 开关S1 S2 S7 S8闭合 CH2输入的信号送到输出端 而CH1输入的信号不能到达输出端 只能显示CH2输入的信号 3 叠加开关S1 S2 S5 S6断开 开关S3 S4 S7 S8闭合 CH1和CH2输入的两路信号均送到输出端 并在负载中互相叠加 显示叠加 ADD 后的波形 当CH2输入的信号未倒相时 实 现求和 CH1 CH2 当CH2输入的信号被倒相后 实现求差 CH1 CH2 4 交替交替 ALT 状态时 开关S3 S4 S5 S6和S1 S2 S7 S8断开或闭合的状态受时基闸门脉冲的控制 并且每间隔一个扫描周期变换一次状态 使得CH1和CH2输入的信号轮流接通 轮流显示 只要轮流显示的间隔时间较短 就可交替显示出两个信号的波形 设CH1 CH2的输入分别为梯形波 三角波信号 示波器显示的波形如图4 18 b 所示 交替方式适于观测高频信号 这是因为被测信号频率较低时 所需扫描电压的周期长 即交替显示同一信号的间隔时间长 当间隔时间接近或超过人眼视觉暂留时间时 显示波形会产生闪烁 不便于观测 5 断续断续 CHOP 状态时 在每一次扫描过程中 开关S3 S4 S5 S6和S1 S2 S7 S8的断开或闭合受电子开关内断续器 自激多谐振荡器 产生的高频振荡信号 如200kHz的方波 的控制 快速轮流接通两个输入信号 从而显示出每个被测信号的某一段 以后各次扫描重复以上过程 这样显示出的波形是由许多线段组成的 只要开关变换频率很快 水平扫速又较慢 这些线段就很短 看起来显示的波形好象是连续的 如图4 18 c 所示 断续方式时 断续器还产生 断续 消隐信号 以对信号变换过程中产生的扫描线进行消隐 断续方式适于观测频率较低的信号 这是因为 被测信号频率较高时 所需扫描电压的周期短 亦即电子束水平移动速 度快 但显示每一线段的时间是相等 断续器频率不变 的 这样显示出的波形的断续感比较明显 不便于观测 另外 当被测信号频率很高时 要求断续器的振荡频率也很高 但断续器的频率一般是不可调的 因此 断续方式不适于观测高频信号 4 3 2双扫描显示原理 1 局部波形的展开双扫描就是在X通道中有两个时基电路 一个低速主扫描 称为A扫描 另一个是高速扫描 称为B扫描 2 双扫描显示的工作方式 具有双扫描功能的示波器 水平工作方式常有以下几种 1 B加亮A扫描 2 A延迟B扫描 3 A B交替扫描 4 4波形参数的测量 4 4 1测量前的自检 示波器在使用中应遵照基本操作要领进行操作 这样既能保障仪器的安全延长使用寿命 又能快速获得所需波形 主要有以下两方面的几点要求 注意事项 1 亮度不宜过亮 避免显示不动的光点 2 输入电压不得超过400V 操作技巧 1 触发方式尽量使用 自动 2 零电平线置于水平中心刻度线上 1 聚焦的检查与调整 2 示波器的自检 4 4 2电压的测量 1 直流电压的测量 1 测量原理示波器测量直流电压的原理是利用被测电压在屏幕上呈现一条直线 该直线偏离时间基线 零电平线 的高度与被测电压的大小成正比的关系进行的 被测直流电压值为 式中 A0为被测直流信号线的电压偏离零电平线的高度 格数 Dy为示波器的偏转因数的标称值 2 测量方法1 首先应将示波器的垂直偏转灵敏度微调旋钮置于校准位置 CAL 2 将待测信号送至示波器的垂直输入端 3 确定零电平线 将示波器的输入耦合开关置于 GND 位置 调节垂直位移旋钮 将荧光屏上的扫描基线 零电平线 移到荧光屏的中央位置 4 确定直流电压的极性 调整垂直灵敏度开关到适当位置 将示波器的输入耦合开关拨向 DC 档 观察此时水平亮线的偏转方向 若位于前面确定的零电平线上 则被测直流电压为正极性 若向下偏转 则为负极性 5 读出被测直流电压偏离零电平线的距离A0 6 根据公式计算被测直流电压值 2 交流电压的测量 1 测量原理使用示波器测量交流电压的最大优点是可以直接观测到波形的形状 还可显示其频率和相位 但是 只能测量交流电压的峰 峰值 被测交流电压值VPP 峰 峰值 为VPP Dy A式中 A为被测交流电压波峰和波谷的高度或任意两点间的高度 格数 Dy为示波器的垂直灵敏度 2 测量方法方法一 1 首先应将示波器的垂直偏转灵敏度微调旋钮置于校准位置 CAL 2 将待测信号送至示波器的垂直输入端 3 将示波器的输入耦合开关置于 AC 位置 4 调节扫描速度 使显示的波形稳定 5 调节垂直灵敏度开关 使荧光屏上显示的波形适当 记录Dy值 6 读出被测交流电压波峰和波谷的高度或任意两点间的高度A 7 根据式上计算被测交流电压的峰 峰值 方法二 1 耦合方式先放在 位 调定零电平线的位置 2 再转至 DC 位 屏幕显示如图3 34 读出零点平线与远端峰点之格数AP 则UPP UDC DYAP读取零点平线与平均电平线之格数A0 则直流分量则按式4 4计算 4 4 3 时间的测量和频率的测量 1 测量周期和频率 1 测量原理对于周期性信号 周期和频率互为倒数 只要测出其中一个量 另一个参量可通过公式求出 被测交流信号的周期T为T SSB式中 SS是时间因数的标称值 B一个周期的格数 2 测量方法1 首先将示波器的扫描速度微调旋钮置于 校准 CAL 位置 2 将待测信号送至示波器的垂直输入端 3 将示波器的输入耦合开关置于 AC 位置 4 调节扫描速度开关 使显示的波形稳定 并记录值 5 读出被测交流信号的一个周期在荧光屏水平方向所占的距离B 6 根据上式计算被测交流信号的周期 2 脉宽 前后沿时间的测量适当选择偏转因数以及触发极性 使屏幕上显示出完整的脉冲头 如图4 36 读出0 5UM两点的格数C 则脉宽TP SSC UO1的相位超前UO2 4 4 4 相位差的测量利用RC移相网络形成两路频率相同相位不同的信号 如下图连接测试电路 1 双踪法示波器的垂直方式选择 交替 ALT 或 断续 CHOP 双踪显示方式 为显示出原信号中的相位差 触发源选择相位超前的信号从屏幕上读出两个波形相邻的同相点间的格数C 和波形一周的格数B 波形如下 计算公式 2 单踪法先将A信号接到示波器的输入端 调整时间因数和垂直 水平移位 使显示波形如图4 48中虚线所示 然后把A信号改接到触发输入端 并将B信号接到示波器输入端 调整垂直移位 使显示波形如图4 38中实线所示 按图中所示读出两波形的零相位点ec间的格数C和cd间的格数B 则相位差仍按式4 9计算 4 4 5测量调幅系数示波器还可以用来测量调频系数和调幅系数 在此仅讨论调幅系数的测量 调幅系数的测量方法有直线扫描法 梯形图法和椭圆法等三种 1 直线扫描法直线扫描法测量调幅系数时 将被测信号加到示波器Y轴输入端 调整示波器有关开关旋钮 得到如图4 28所示的调幅波波形 测出A B长度 代入式 4 10 计算得出调幅系数 4 10 2 梯形图法梯形图法测量调幅系数时 示波器工作于X Y方式 将调幅波 调制信号分别加至示波器X Y轴输入端 在荧光屏上显示出如图所示的梯形图 测出A B长度 利用式 4 10 计算即可 3 椭圆法椭圆法是将被测已调波电压用RC移相电路移相后加至示波器X Y方式下的X Y输入端 得到如图所示的图形 测出A B长度 利用式 4 10 计算即可 扫描格式置 X Y 两个信号必须均为正弦波 1 频率测量操作 被测信号fy送入y通道 标准信号fx送入x通道 调整的频率直至出现稳定的图形 则2 相位差测量 椭圆法3 调幅系数测量 梯形法 4 4 6运用李沙育图形法的测量 4 5取样示波器 由于受到垂直放大器通频带 扫描速度 图像亮度等各种因素的影响 通用示波器一般不能观测100MHz以上的高频或超高频信号 为了观测高频信号 在普通示波器的前面加一个专门的取样装置 运用取样技术把高频信号变成波形与之相似的低频或中频信号 然后在荧光屏上以断续的亮点显示出被测信号的波形来 这样就构成了取样示波器 取样示波器可以观测吉赫兹以上的超高频信号 取样示波器与普通示波器的主要区别在于前者运用了取样技术 取样技术的实质是频率变换 基本的取样方式 又称为顺序取样 有实时取样与非实时取样两种方式 测量高频信号应采用非实时取样技术 4 5取样示波器 一 概述 1 取样的基本概念 1 取样 就是从被测波形上取得样点 取得该点的幅度值作样品 的过程 取样分为实时取样和非实时取样两种 2 实时取样 从一个信号波形中取得所有取样点 来表示一个信号波形的方法 取样脉冲的周期小于信号的周期 不能用于高频信号 3 非实时取样 从被测信号的许多相邻波形上取得样点的方法 或称为等效取样 在t t1时 取样脉冲p t 到来 取样门开关S闭合 输入信号ui t 被取样 形成离散输出信号uo t uo t 称为 取样信号 若取样脉冲宽度 很窄 则可以认为每次取样所得离散的取样信号幅度就等于该次取样瞬间输入信号的瞬时值 依次类推 可取样点若干 两个取样脉冲的时间间隔为 二 取样原理1 取样原理 在取样技术中 取样保持器是核心电路 取样保持器在原理上可等效为一个取样开关 取样门 和保持电容的串联 式中 T为被测信号的周期 t为步进延迟时间 m为两个取样脉冲之间被测信号周期的个数 图中m 1 则所得的取样信号的包络可重现原信号波形 因为波形包络所经历的时间变长了 故可用低频示波器显示 在实时取样条件下 以为取样间隔 完成一个信号周期 T 的采样需n次 即 在非实时取样时 设每m个信号周期取样一次 经过n次取样之后完成对信号的一次取样循环 那么 一次取样循环的时间t和信号周期T的关系为 即 非实时取样后得到的n个取样点形成的包络等效为原信号的一个周期 而这n个取样点来自于原信号的 mn 1 个周期 因而 取样后比原信号频率降低了 mn 1 倍 非实时采样只适用于周期性信号 2 波形重现方法 取样示波器两对偏转板上均加阶梯波 如图4 44所示 经展宽 放大的阶梯波uy t 加至Y偏转板上 每取样一次阶梯上升一级 每一级持续时间为mT t的阶梯扫描电压ux t 信号加到X偏转板上 荧光屏上得到许多单个的亮点 每个亮点的高度反映出样品信号us t 的幅度 众多亮点就构成了被测信号ui t 的波形 4 5 2取样示波器的基本组成取样示波器的组成与通用示波器类似 主要由示波管 X通道和Y通道组成 取样示波器的组成方框图如图4 45所示 由图可见 取样示波器的X通道和Y通道与通用示波器有较大区别 下面分别介绍取样示波器的Y通道和X通道 1 取样示波器的Y通道如图4 45所示 Y通道由取样门 取样脉冲发生器 放大器 展宽电路 展宽脉冲发生器等组成 取样门 放大器 展宽电路组成取样电路 取样脉冲发生器和展宽脉冲发生器在水平通道输出的步进延迟脉冲的触发下 产生取样脉冲和展宽脉冲 从图中可见 被测信号进入取样门 在步进延迟的取样脉冲作用下被取样 得到一串取样信号脉冲列 取样信号脉冲的幅度小 宽度窄 需经放大 展宽后得到阶梯波信号 再经Y放大器放大 送至垂直偏转板 取样示波器的Y通道完成波形取样 并将取样信号展宽 得到与被测波形相当的量化取样电压 这个量化取样电压的频率 远远低于原信号的频率 图4 45取样示波器的基本组成 2 取样示波器的X通道如图4 45所示 X通道由触发脉冲发生器 步进与水平扫描电路等组成 而后者又由快斜波发生器 阶梯波发生器和比较器组成 从图中可见 触发信号可由机外引入 也可内触发 通常被测信号需先分频 再送至触发脉冲发生器产生触发信号 该信号送至步进脉冲发生器产生步进脉冲 并送至Y通道 控制取样脉冲发生器和展宽脉冲发生器的工作 同时 在步进延迟脉冲的作用下 水平扫描电路产生一个线性上升的阶梯波电压 经X放大器放大后送至水平偏转板 取样示波器的X通道主要用来产生每隔mT t上升一级的阶梯波 此外还产生 t步进延迟脉冲 这个线性上升的阶梯波电压就是扫描电压 它与量化取样电压共同作用 使屏幕上的光点以跳变的方式 描绘出被测信号的波形 4 5 3取样示波器的主要参数 1 取样示波器的带宽对取样门的要求是元件的高频特性要足够好 取样脉冲本身要足够窄 当取样门所用元件工作频率足够高时 取样门的最高工作频率与取样脉冲底边的宽度 成反比 可见 取样示波器的频带宽度与取样脉冲底边的宽度成反比 目前已做到18GHZ 2 取样密度取样密度是指电路扫描时 在示波器屏幕X轴上显示的被测信号每格所对应的取样点数 常用每厘米的光点数来表示 取样密度越大 重现波形的亮点越多 应当合理的选择取样密度 3 等效扫速等效扫速定义为被测信号经历时间与水平方向展宽的距离比 在通用示波器中扫描速度为荧光屏每厘米代表的时间 t cm 在取样示波器中 虽然在屏幕上显示n个亮点需要n mT t 的时间 但它等效于被测信号经过了n t的时间 4 扫描延迟时间扫描延迟时间是指第一个步进脉冲相对于第一个触发脉冲所延迟的时间 改变延迟时间可以改变显示波形的起始点 4 6数字存储示波器 具有记忆存储功能的示波器包括模拟存储示波器 TSO TubeStorageOsilloscope 和数字存储示波器 DSO DigitalStorageOsilloscope 两种 前者利用记忆示波管进行存储 已很少使用 后者利用数字存储技术进行存储 使用比较普遍 本节重点介绍数字存储示波器的工作原理及工作方式 4 6 1数字存储示波器的原理1 数字存储示波器的主要组成实时取样的数字存储示波器的主要组成如图4 46所示 有控制 取样存储 读出显示三大部分 它们通过数据总线 地址总线 控制线互相联系与交换信息 2 数字存储示波器的取样和存储过程取样存储部分的工作过程如图4 47所示 3 数字存储示波器的读出和显示过程读出显示部分的工作过程如图4 48所示 4 数字存储示波器的特点数字存储示波器具有一系列的特点 主要特点如下 使用字符显示测量结果 用面板上的调节旋纽控制光标的位置 在屏幕上直接用字符显示光标处的测量值 因此可避免人工读数的误差 可以长期存储波形 如果将参考波形存入一个通道 另一通道用来观测需检查的信号 便能方便地进行波形比较 对于单次瞬变信号或缓慢变化的信号 只要设置好触发源和取样速度 就能自动捕捉并存入存储器 便于在需要时观测 可以进行预延迟 当采用预延迟时 不仅能观察到触发