第4章电子示波器.ppt

4.1概述,电子示波器简称示波器。它是一种用荧光屏显示电量随时间变化过程的电子测量仪器。它能把人的肉眼无法直接观察的电信号，转换成人眼能够看到的波形，具体显示在示波屏幕上，以便对电信号进行定性和定量观测，其它非电物理量亦可经转换成为电量使用示波器进行观测，因此示波器是一种广泛应用的电子测量仪器，它普遍地应用于国防、科研、学校以及工、农、商业等各个领域。,电子示波器的基本特点是：能显示信号波形，可测量瞬时值，具有直观性。输入阻抗高，对被测信号影响小。工作频带宽，速度快，便于观察高速变化的波形的细节。在示波器的荧光屏上可描绘出任意两个电压或电流量的函数关系，故可作为比较信号用的高速XY记录仪。,由于示波器的上述特点，电子示波器除直接用于电量测试外，也可配以其他设备组成综合测量仪器。电子示波器的主要用途是：观测电信号波形。测量电压电流的幅度、频率、时间、相位等电量参数。显示电子网络的频率特性。显示电子器件的伏安特性。,4.2示波管,一、电子枪，电子枪由灯丝(h)、阴极(K)、栅极(G1)、前加速极(G2)、第一阳极(A1)和第二阳极(A2)组成。灯丝h用于对阴极K加热，加热后的阴极发射电子。栅极G1电位比阴极K低，对电子形成排斥力，使电子朝轴向运动，形成交叉点F1，并且只有初速较高的电子能够穿过栅极奔向荧光屏，初速较低的电子则返回阴极，被阴极吸收。,示波管及电子束控制电路,二、偏转系统,偏转系统工作原理图,偏转系统工作原理图,三、荧光屏在荧光屏的玻壳内侧涂上荧光粉，就形成了荧光屏，它不是导电体。当电子束轰击荧光粉时，激发产生荧光形成亮点。不同成份的荧光粉，发光的颜包不尽相同，一般示波器选用人眼最为敏感的黄绿色。荧光粉从电子激发停止时的瞬间亮度下降到该亮度的10所经过的时间称为余辉时间。荧光粉的成份不同，余辉时间也不同，为适应不同需要，将余辉时间分成为长余辉(100msIs)、中余辉(1ms100ms)和短余辉()的不同规格。普通示波器需采用中余辉示波管，而慢扫描示波器则采用长余辉示波管。,4.3电子示波器的组成结构,一、电子示波器结构框图,示波器组成框图及波形关系图,二、示波器的主要技术性能为了正确选择和使用示波器，须了解以下六项最重要的性能指标。1频率响应(频带宽度)示波器最重要的工作特性就是频率响应fh，也叫带宽。这是指垂直偏转通道(Y方向放大器)对正弦波的幅频响应下降到中心频率的0.707(-3dB)的频率范围。,2偏转灵敏度(S)单位输入信号电压引起光点在荧光屏上偏转的距离H称为偏转灵敏度S：,则,3扫描频率示波器屏幕上光点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。,扫描速度越高，表示示波器能够展开高频信号或窄脉冲信号波形的能力越强。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。,4输入阻抗输入阻抗是指示波器输入端对地的电阻只i和分布电容乱的并联阻抗。在观测信号波形时，把示波器输入探头接到被测电路的观察点，输入阻抗越大，示波器对被测电路的影响就越小，所以要求输入电阻只：大而输入电容乱小。输入电容乱在频率越高时，对被测电路的影响越大。以SBMl0型多用示波器为例，垂直偏转通道的输入电阻Ri1M，电容Ci27pF。,5示波器的瞬态响应示波器的瞬态响应就是示波器的垂直系统电路在方波脉冲输入信号作用下的过渡特性。,6扫描方式示波器中的扫描电压锯齿波是一种线性时间基线。线性时基扫描可分成连续扫描和触发扫描两种方式。,为了测量信号间的时间关系，只有单路扫描信号是不够的，因此在扩展功能的双踪或双线示波器中，发展了多种形式的双时基扫描，主要有：延迟扫描、混合扫描、交替扫描等。它可同时提供两路X扫描时基信号，显示两种信号波形.,4.4电子示波器的基本部件,一、垂直偏转通道(Y通道)垂直通道的任务是检测被观察的信号，并将它无失真或失真很小地传输到示波管的垂直偏转极板上。同时，为了与水平偏转系统配合工作，要将被测信号进行一定的延迟。为了完成上述任务，垂直偏转系统由输入电路、延迟线和放大器等组成。,1输入电路输入电路由探头、衰减器、阻抗变换器组成。被测信号通过垂直偏转通道加到示波管的Y偏转板上，整个输入电路可以看成一个二端网络，为了不失真地传输信号，此二端网络应是一个交直流耦合电路，通过该耦合电路后，信号再加到放大器进行放大。下面先说明输入耦合方式，再说明对于大信号必须加入衰减器的情况。,(1)输入耦合方式通频带下限不是零的示波器输入端采用电容耦合；通频带从零开始的示波器输入端放大器是直接耦合的(直流放大器)。,耦合电路和衰减器,(2)衰减器a、背景：由于经常需要观察幅度较小的电压波形，示波器的灵敏度设计得较高，但当需要观察幅度较大的信号时，就必须接入衰减器。b、要求：输入阻抗高，同时在示波器的整个通频带内衰减的分压比均匀不变。c、措施：采用阻容补偿分压器。因为在下一级的输入及引线都存在分布电容，这个分布电容的存在，对于被测信号高频分量有严重的衰减，造成信号的高频分量的失真(脉冲上升时间变慢)。,R1、R2为分压电阻(R2包括下一级的输入电阻)，C2为下一级的输入电容和分布电容，C1为补偿电容。调节C1，当满足关系式C1R1C2R2时，分压比K0在整个通频带内是均匀的，它被表示为,这样的分压器做成的衰减器就可以无畸变地传输窄脉冲信号，仅仅是信号幅度降为原幅度的1K0。,(3)探头,2阻抗变换器阻抗变换器一般可由射极跟随器构成。射极跟随器的高输入阻抗使得示波器对外呈现高输入阻抗，射极跟随器的低输出阻抗容易与后接的低阻延迟线相匹配，亦可于发射极接一个电位器，以便微调所显示波形的幅度。,3延迟线为了正确显示波形，必须将接入y通道的被测信号进行一定的延迟，以便与水平系统的扫描电压在时间上相匹配。通常延迟时间在50200ns之间，这个延迟准确性要求不高，但延迟应稳定，否则会导致图像的水平漂移和晃动。,4垂直偏转放大器被测信号经探头检测引入示波器后，微弱的信号必须通过放大器放大后加到示波器的垂直偏转板，使电子束有足够大的偏转能量。,垂直偏转放大器设计中要考虑的因素，除了放大器应具有足够大的信号放大倍数外，还要放大器应具有足够的带宽，通常采取措施有：选用截止频率高的器件，尽量减小负载电容和分布电容，并选取小的集电极电阻；电路中引入强的负反馈；在电路中用电抗元件(电容或电感)加以补偿，使放大器截止频率高一些。,为扩大通频带宽度必须采用下列措施：（1）选用截止频率高的器件，尽量减小负载电容和分布电容，并选取小的集电极电阻；（2）电路中引入强的负反馈，如放大器开环增益为K0，反馈系数为F，则加负反馈后，高频截止频率扩展为原来的(1+K0F)倍；（3）在电路中用电抗元件(电容或电感)加以补偿，使放大器截止频率高一些；（4）若要求更高的带宽，如大于1GHz，则可采用取样的方法把观察信号“减慢”，然后再用带宽较窄的放大器放大，这就是取样示波器。,二、水平偏转通道(X通道)水平偏转通道即X通道，其作用是产生一个与时间呈线性关系的电压，并加到示波管的x偏转板上去，使电子射线沿水平方向线性地作水平扫描，称为线性时基扫描。1扫描分类线性时基扫描方式可分为连续扫描方式和触发扫描两类。,(1)连续扫描（同步）,(2)触发扫描,2水平通道组成框图,3.时基发生器,密勒积分电路,4触发电路触发电路包括触发源选择、触发信号耦合方式选择、触发信号放大；触发整形电路。(1)触发源触发信号有三种来源：内触发。内触发信号来自于示波器内的Y通道触发放大器，它位于延迟线前。当需要利用被测信号触发扫描发生器时，采用这种方式。,外触发。用外接信号触发扫描，该信号由触发“输入”端接入。当被测信号不适于作触发信号或为了比较两个信号的时间关系等用途时，可用外触发。例如，观测微分电路输出的尖峰脉冲时，可以用产生此脉冲的矩形波电压进行触发，更便于使波形稳定。电源触发。来自50Hz交流电源(经变压器)产生的触发脉冲，用于观察与交流电源频率有时间关系的信号。例如，整流滤波的纹波电压等波形，在判断电源干扰时也可以用它。,(2)触发耦合方式为了适应不同的信号频率，示波器设有四种触发耦合方式，可用开关进行选择。“DC直流耦合。用于接入直流或缓慢变化的信号，或者频率较低并且有直流成分的信号，一般用“外”触发或连续扫描方式。“AC交流耦合。触发信号经电容C1接入，用于观察由低频到较高频率的信号，用内触发或外触发均可。使用方便，所以常用这一耦合方式。,“AC低频抑制”。触发信号经电容C1及C2接入，电容量减小，阻抗较大，用于抑制2kHz以下的低频成分。例如观测有低频干扰(50Hz噪声)的信号时，用这一种耦合方式较合适，可以避免波形晃动。“HF”高频耦合”。触发信号经电容C1及C3接入，电容量较小，用于观测大于5MHz的信号。,触发源与触发耦合方式,(3)触发方式及触发整形电路示波器的触发方式通常有常态、自动和高频三种方式，这三种方式控制触发整形电路，以便产生不同形式的扫描触发信号，由该触发信号去触发扫描电压发生器，形成不同形式的扫描电压。,常态触发方式常态触发方式是将触发信号输入整形电路，以便经整形后，输出足以触发扫描电压电路的触发脉冲。它的触发极性是可调的，上升沿触发即为正极性触发，下降沿触发即为负极性触发，另外还可调节触发电平。这种触发方式的不足点是：在没有输入信号或触发电平不适当时，就没有触发脉冲输出，因而也无扫描基线。,自动触发方式自动触发方式时，整形电路为一射极定时的自激多谐振荡器，振荡器的固有频率由电路时间参数决定，该自激多谐振荡器的输出经变换后去驱动扫描电压发生器，所以，在无被测信号输入时仍有扫描，一旦有触发信号且其频率高于自激频率时，则自激多谐振荡器由触发信号同步而形成触发扫描，一般测量均使用自动触发方式。,高频触发方式高频触发方式原理同自动触发方式，不同点是射极定时电容变小，自激振荡频率较高，当用高频触发信号去与它同步时，同步分频比不需太高。使同步较为稳定。高频触发方式常用于观测高频信号。,三、校正器校正器是示波器内设的标准，用来校准或检验示波器X轴和Y轴标尺的刻度，一般Y轴校正单位为电压，X轴校正单位为时间。当示波器X、Y轴标尺经校正后，就可根据该标尺方便地测量未知电压飞脉冲宽度信号周期等参数。一般示波器设有两个校正器，分别调整幅度和扫描速度。,1.幅度校正器幅度校正器产生幅度稳定不变并经过校正的电压(一般为方波)用于校正Y通道灵敏度。设校正器输出电压幅度为U校，把它加到Y输入端，荧光屏上显示电压波形的高度为H校，则示波器偏转灵敏度为,或偏转因数为,此时可调节r轴灵敏度旋钮，使d为整数。一般校准信号为1V，灵敏度开关置于“1”档上，波形显示为1cm，当被测信号为5cm时，则可计算出被测信号幅度为,校正器用以检验标度是否准确，每次实验前检验过后就不必每次测量都作校正。当用探头输入进行测量时，因探头衰减了10倍，示波器偏转因数应当是开关位置指示的读数的10倍，测量电压的计算也应乘以10倍。,2.扫描时间校正器扫描时间校正器产生的信号，用于校正x轴时间标度，或用来检验扫描因数是否正确。信号由示波器内设的晶体振荡器或稳定度较高的LC振荡器提供。它产生频率f固定而稳定