第3章+电子示波器.ppt

第3章电子示波器,3.1概述3.2示波管波形显示原理3.3通用示波器3.4取样示波器3.5数字存储示波器3.6示波器的基本测量技术本章小结,3.1概述,3.1.1电子示波器的功用3.1.2电子示波器的特点与分类,3.1.1电子示波器的功用,电子示波器又称示波器。它是利用电子示波管显示被测信号波形的一种电子测量仪器。“百闻不如一见”，示波器能够把人类肉眼无法直接观测的电信号，转换成人类肉眼可以看见的波形，并显示于屏幕上，以便于对信号进行直观的、定性的、定量的观测，它所提供的直观的视觉效果是其他仪器无法替代的。示波器是一种广泛应用的电子测量仪器，普遍地应用于国防、科研、学校以及工业、农业、商业等各个领域。随着电子技术的不断发展，现在的示波器除了用来观测信号波形外，还可以测量信号的电压、周期、频率、相位、调幅系数等；把它与传感器结合，还能对温度、压力、密度、声、光、磁效应等各种非电量进行测量。,3.1.2电子示波器的特点与分类,1电子示波器的特点作为通用的电子测量仪器，电子示波器具有如下特点：具有良好的直观性，既可用于显示信号波形，又可用来测量信号的瞬时值；灵敏度高、工作频率范围宽、速度快，给观测瞬变信号的细节带来很大方便；输入阻抗高，其值都在兆欧级，所以对被测电路的影响很小；是一种良好的信号比较器，可显示和分析任意两个量之间的函数关系。,2电子示波器的分类电子示波器的种类和型号繁多，根据其用途和特点的不同，大致可分为以下几大类：通用电子示波器。包括简易示波器、慢扫描示波器、多线示波器和双踪示波器。取样示波器。根据取样原理将高频信号转换为中频或低频信号，然后以断续亮点显示其波形。存储示波器。包括存储式CRT和数字存储示波器两类。数字智能化示波器。电视示波器。逻辑示波器。,3.2示波管波形显示原理,3.2.1示波管的组成结构3.2.2波形显示原理,3.2.1示波管的组成结构,示波管是示波器最重要的部件，其基本组成可分为电子枪、偏转系统、荧光屏三个部分。整个装置被密封在抽成真空的玻璃管内。就其用途而言，它是把电信号转换成光信号的器件。普通电子示波管的结构示意图如图3-1所示。,图3-1静电偏转式电子示波管结构示意图,1电子枪电子枪的作用是发射电子，并把它加速和汇聚成很细的高速电子束来轰击荧光屏发光。它由灯丝（F）、阴极（K）、第一栅极（G1）、第二栅极（G2）、第一阳极（A1）、第二阳极（A2）和第三阳极（A3）组成。各组成部分的作用如下。灯丝F：在交流低压下，使钨丝发热，用于加热阴极。阴极K：是一个表面涂有氧化钡的金属圆筒，在灯丝加热作用下，温度升高，就能发射电子。第一栅极G1：是一个端面带有圆孔（电子可以通过）的无底圆筒，套于阴极之外。其电位低于阴极K的电位，可以抑制所通过电子流的大小，即控制电子流轰击荧光屏能量的大小，调节电位器RP1可以调节示波器的亮度，电位器RP1就是示波器面板上的辉度旋钮。,第二栅极G2：电位与第二阳极A2相等，使得电子束具有较大的近轴性和速度，故又叫前加速极；另外，G2将G1和A2隔开，以减少亮度调节（G1）与聚焦调节（A2）的相互影响。第一阳极A1：是一个短圆筒，口径较大，不阻挡电子，主要与第二阳极A2构成一个电子透镜，对电子束起聚焦作用。电子透镜的原理与光学透镜相似，是通过改变电位来改变电场分布的，使电场等位面的曲率改变，从而改变电子流的方向，达到聚焦目的。第二阳极A2：是一个更大的圆筒，与A1同轴，电压较高，与A1构成电子透镜。RP2与RP3分别被称为聚焦电位器和辅助聚焦电位器。第三阳极A3：位于荧光屏附近，具有上万伏的高压，用于对电子束加速，使电子束有较大的能量轰击荧光屏，故又称为后加速极。,2偏转系统示波管的偏转系统位于第二阳极A2与第三阳极A3之间，由两对相互垂直的偏转板组成。通常，将靠近第二阳极A2的一对偏转板称为垂直偏转板（也叫Y偏转板），而另一对偏转板则称为水平偏转板（也叫X偏转板）。在两组偏转板上加上电压后，会各自形成电场，分别用于控制电子束在垂直方向和水平方向上的偏转。示波管中X偏转板和Y偏转板均由两块相互平行的金属板构成。每对偏转板上，两板之间电压差的变化必将影响所通过的电子束的运动轨迹。两块Y偏转板之间电压差的变化会影响电子束在垂直方向上位置，而X偏转板之间电压差的变化会影响电子束在水平方向上的位置，当两对偏转板的电压差均为零时，电子束打在荧光屏的正中。,图3-2电子束的偏转,其偏转距离y可表示为ySyUy（3-1）式中，Sy为示波管的Y轴偏转灵敏度(cm/V或div/V)；Uy为加于Y轴偏转板上的电压（V）。,3荧光屏在示波管前端平面玻璃的内壁上，喷上一层或几层荧光粉就构成了荧光屏。当电子束轰击荧光屏内壁时，荧光粉将电子束的动能转化为光能，形成亮点。当电子束随信号电压偏转时，该亮点移动的轨迹就形成了信号的波形。通常，当电子束停止轰击荧光屏时，光点并不会立刻消失，而是要延续一段时间，这种现象被称为余辉效应。正是由于荧光物质具有一定的余辉，同时人眼对所观察到的图像有一定的“视觉残留”效应，尽管电子束每一瞬间只能轰击荧光屏上一个点并使其发光，但我们却能看到光点在荧光屏上移动的轨迹，而光点移动的轨迹即再现了外加电压的波形。,3.2.2波形显示原理,1随时间变化的图形电子束进入偏转系统后，会同时受到X、Y两对偏转板间电场的控制，设X和Y偏转板之间的电压分别为Ux和Uy，它们对电子束的控制作用有如下几种情况。）Ux、Uy为固定电压的情况,(a)UxUy(b)Ux0、Uy常量(c)Ux常量、Uy(d)Ux常量、Uy常量图3-3水平和垂直偏转板上加固定电压时显示为一个光点,2）X、Y偏转板上分别加变化电压（1）设ux0，uyUmsint。如图3-4(a)所示。（2）设uxkt，uy0。如图3-4(b)所示。,(a)垂直偏转板上加正弦波电压(b)水平偏转板上加锯齿波电压图3-4垂直偏转板和水平偏转板上分别加变化电压,3）Y偏转板加正弦波电压uyUmsint，X偏转板加锯齿波电压uxkt。荧光屏上将显示出被测信号随时间变化的一个周期的波形曲线，如图3-5所示。,图3-5垂直偏转板和水平偏转板上同时加变化电压,2显示任意两个变量之间的关系在示波管中，电子束同时受X和Y两个偏转板的作用。若两信号都为正弦波，且两信号的初相相同，则可在荧光屏上画出一条直线，若两信号在X、Y方向的偏转距离相同，这条直线与水平轴呈450角，如图所示。,(a)ux和uy同频同相图3-6示波器显示的李沙育图形,(b)ux和uy同频，相位相差900图3-6示波器显示的李沙育图形,3扫描的概念如前所述，如果在X偏转板上加一个锯齿波电压uxkt，垂直偏转板不加电压，那么光点在X方向作匀速运动，光点在水平方向的偏移距离为（3-2）这样，X方向偏转距离的变化就反映了时间的变化。此时光点水平移动形成水平亮线称为“时间基线”。当锯齿波电压达到最大值时，荧光屏上的光点也达到最大偏转，然后锯齿波迅速返回起始点，光点也迅速返回屏幕最左端，再重复前面的变化。光点在锯齿波作用下扫动的过程称为“扫描”，能实现扫描的锯齿波电压称为扫描电压，光点自左向右的连续扫描称为“扫描正程”，光点自荧光屏的右端迅速返回左端起扫点的过程称为“扫描回程（逆程）”。理想锯齿波扫描回程时间为零。,4同步的概念若要在荧光屏上显示稳定的波形，就要求每个扫描周期所显示的信号波形在荧光屏上完全重合，即波形形状相同，并有同一个起点。,(a)同步(b)不同步图3-7扫描电压与被测电压的同步情况,5连续扫描和触发扫描扫描正程紧跟着回程，回程结束又开始新的正程，扫描是不间断的，这种扫描方式称为连续扫描。,图3-8连续扫描和触发扫描方式下对脉冲波形的观测,6扫描过程的增辉图3-9所示，实线是扫描正程显示的波形，虚线表示回扫轨迹。虚线的出现会影响我们对波形的观测，是我们不希望得到的。为了使回扫轨迹不在荧光屏上显示，可以设法在扫描正程期间，使电子枪发射更多的电子，即给示波器增辉。这样，相对来说扫描正程电子枪发射的电子远远多于扫描回程，观测者看到的就只有扫描正程显示的波形。利用扫描正程期间的增辉还可以保护荧光屏。这是因为在被测脉冲出现的扫描期间，由于增辉脉冲的作用，显示波形较亮，便于观测；而在等待的扫描期间，即波形为一个光点的情况下，由于没有增辉脉冲，光点很暗，避免了较亮的光点长久集中于一点对荧光屏造成损伤。因此，对扫描正程的增辉相当于是对扫描回程的“消隐”。,图3-9扫描回程对波形的影响,3.3通用示波器,3.3.1通用示波器的组成3.3.2示波器的垂直通道3.3.3示波器的水平通道3.3.4示波器的多波形显示技术3.3.5通用示波器的主要技术指标3.3.6YB4320型双踪示波器,3.3.1通用示波器的组成,通用示波器主要由示波管（CRT）、水平通道（X通道）、垂直通道（Y通道）三部分组成，其结构如图3-10所示。此外，还包括CRT和仪器电路工作时所需的各种电源。通常，通用示波器中还附有校准信号发生器，产生频率和幅度非常稳定的校准信号（如1KHz、0.5V的方波），用于示波器的校准，也可用其直接或间接地与被测信号进行比较，确定被测信号中任意两点间的电压或时间关系。,图3-10通用示波器的组成框图,3.3.2示波器的垂直通道,示波器垂直通道的主要作用是，将被测信号尽可能不失真地加到示波器的Y偏转板上；通常包括探头（探极）、输入衰减器、Y前置放大器、延迟线、Y后置放大器等部分。由于示波管的垂直偏转灵敏度是固定的，为扩大测量的幅度范围，通常在垂直通道上设置衰减器和放大器，以便于把大小不一的信号幅度变换到适合于示波器观测的数值。同时，示波器的垂直偏转因数Dy也因此而扩大了调节范围。垂直通道性能的好坏将直接影响到被测信号观测结果的精确度。,1探头（探极）作用是便于直接在被测源上探测信号和提高示波器的输入阻抗，如图3-11所示。,图3-11分压式无源探头电路,若被测信号的源阻抗和电缆的特性阻抗不匹配，那么信号在电缆中就会因多次反射而产生较为严重的失真。为了减小这种失真，可以采用特制的大损耗电缆，这种电缆的芯线具有较高的电阻率，通常称这种高阻电缆为R电缆。使用时，R电缆配上适当的接头和探针，就组成传输系数为1的直通无源探头。,R电缆实际上是一种分布式电阻-电容网络，其分布电容数值在2030pF/m，它与示波器的输入电容一起组成一个RC低通滤波器，使得探头的频率上限很难超过15MHz。通常，采用电容补偿的方法来提高无源探头的工作频率，这样，就组成了分压式无源探头电路，如图3-11所示。探头补偿的三种情况如图3-12所示。,(a)最佳补偿(b)过补偿(c)欠补偿图3-12示波器探头补偿情况,分压无源探头不仅可以扩展示波器的使用频率宽度，而且还具有分压作用，可以扩展示波器的量程上限。其分压比常见的有101和1001两种。图3-11所示为101探头，输入阻抗约为10M电阻与515pF电容的并联。,图3-13探极各部件说明,2输入衰减器输入衰减器的作用有两个：一是对输入信号进行衰减，以保证显示屏上所显示的信号不会因其幅度过大而失真；二是进行频率补偿。其电路通常由RC电路组成，如图3-14所示。,图3-14输入衰减器示意图,3前置放大器前置放大器的作用是将信号适当放大，从中取出内触发信号，并具有灵敏度微调、校正、Y轴位移、极性反转等控制作用。由于前置放大器往往要对微弱信号进行放大，所以常常采用多级放大电路。放大电路的放大倍数约为几十倍到几百倍，信号频率范围的下限也达到直流；因此，前置放大器大都采用差分放大器，它输出一对平衡的交流电压。这样，即使被测信号的幅度改变，偏转的基线电位也保持不变。若在差分电路的输入端输入不同的电位，差分电路两个输出端的直流电位会改变，相应的Y偏转板上的直流电位和波形在垂直方向上的位置也会发生变化。利用这一原理，可通过调节直流电位（示波器面板上的“Y轴位移”旋钮），改变被测波形在屏幕上的位置，以便于定位和测量。,4延迟线在前面介绍扫描电路时，我们了解到触发扫描发生器只有当被测信号到来时才工作，且需要达到一定的电平才开始扫描，因此，扫描的开始时间总是滞后于被观测信号一段时间（用tT表示），这样，脉冲的上升过程就无法被完整地显示出来，因为在脉冲最初一段时间里，扫描尚未开始。延迟线的作用是把加到垂直偏转板上的信号延迟一段时间（用td表示），使信号出现的时间滞后于扫描开始时间，以保证在屏幕上扫描出包括上升时间在内脉冲全过程。图3-15表示了延迟线的作用。对延迟线的要求是，它只起时间延迟的作用，而对输入信号的频率成分不能丢失，即不能失真。,(a)没有延迟时的情况(b)加入延迟线后的情况图3-15延迟线的作用,5后置放大器后置放大器又叫输出放大器，是Y通道的主放大器，其作用是将延迟线传来的被测信号放大到足够的幅度，用以驱动示波管的垂直偏转系统，使电子束获得Y方向的满偏转。通常要求其具有稳定的增益、较高的输入阻抗、足够宽的频带、较小的谐波失真，以使示波器不失真地再现被测信号波形。后置放大器一般采用推挽式放大器，以使加在偏转板上的电压能够对称，有利于提高共模抑制比。电路还采用一定的频率补偿电路和较强的负反馈，以使得在较宽的频率范围内增益稳定。还可以采用改变负反馈的方法变换放大器的增益，例如，很多示波器中一般设有垂直偏转因数的“5”或“10”的扩展功能（面板上的“倍率”按钮），可将放大器的放大量提高5倍或10倍，这对于观测微弱信号或信号的局部细节极为方便。,3.3.3示波器的水平通道,作用是产生随时间线性变化的扫描电压，将其放大到足够的幅度，然后输出到水平偏转板，使光点在水平方向达到满偏。X通道主要包括触发电路、扫描发生器环、水平放大器等部分。水平放大器既可用于放大扫描信号，又可用于放大直接输入的任意外接信号，因此水平放大器的输入端有内、外两个位置。1触发电路示波器的扫描有连续扫描和触发扫描两种方式。连续扫描不管有无触发信号，扫描电路在自激状态下产生扫描信号。触发扫描则只在有触发信号时扫描电路才产生扫描电压，而无触发信号时，扫描电路不产生扫描电压。,触发电路一般由触发源选择开关、耦合方式选择开关、触发电平与斜率选择器、放大整形电路等组成，如图3-16所示。,图3-16触发电路的组成框图,1）触发源的选择触发源就是触发信号的来源。首先选用它来产生触发信号，再用触发信号经由扫描发生器产生锯齿波扫描电压。触发信号有内触发、外触发和电源触发三种来源。2）触发耦合方式为了适应不同频率的被测信号，示波器设有四种触发信号耦合方式。这些方式可通过示波器面板上的耦合方式选择开关来实现，触发源与触发耦合方式的连接如图3-16所示。3）扫描触发方式选择（TRIGMODE）扫描触发方式通常有常态（NORM）、自动（AUTO）、电视（TV）三种方式。4）触发极性选择和触发电平调节,2扫描发生器环扫描发生器用来产生线性良好的锯齿波，通常用扫描发生器环来产生扫描信号。扫描发生器环又叫时基电路，通常由积分器、扫描闸门及比较释抑电路组成，如图3-18所示。,图3-18扫描发生器环的组成,3水平放大器水平放大器的基本作用是选择X轴信号，并将其放大到足以使光点在水平方向达到满偏的程度。水平放大器的输入端有“内”、“外”信号的选择。置于“内”时，水平放大器放大扫描信号；置于“外”时，水平放大器放大由面板上X输入端直接输入的信号。改变水平放大器的增益可以使光迹在水平方向得到扩展，或对扫描速度进行微调，以校准扫描速度。改变与水平放大器有关的直流电位可以使光迹产生水平位移。,3.3.4示波器的多波形显示技术,在波形测量中，常常需要同时观测几个信号。这要求在显示屏上能够同时显示多个波形，为实现这一目的，常用的方法有多线显示、多踪显示和双时基扫描显示三种。1多线显示多线显示有多个相互独立的电子束，常见的有双线示波器。其示波管内的电子枪可以产生两个电子束并配有两套X、Y偏转系统。其中两个X偏转系统通常使用相同的扫描电压，但两个Y偏转系统常接入不同的信号，并可以单独调整灵敏度、位移、聚焦、辉度等开关或旋钮。,2多踪显示多踪示波器是在单线示波器的基础上增加电子开关而构成的。电子开关按照分时复用的原理，分别把多个垂直通道的信号轮流接到Y偏转板上，最终实现多个波形的同时显示。双踪示波器Y通道分时复用的控制原理如图3-19所示。,图3-19双踪示波器的Y通道原理框图,3双时基扫描显示双时基扫描示波器有两个独立的触发和扫描电路，其两个独立扫描电路的扫描速度可以相差很多倍。自动双扫描示波器的原理框图如图3-21所示，其工作波形如图3-22所示。,图3-21双扫描示波器的组成,图3-22双扫描示波器的工作波形,3.3.5通用示波器的主要技术指标,1带宽、上升时间Y通道的频带宽度（BW）由Y通道电路和Y偏转系统的频率响应，即由幅频特性决定。对于脉冲这类瞬变信号而言，更为重要的是通道的过渡特性，对Y通道主要是上升时间和上冲量等参数。其中，上升时间（RiseTime）是指在Y通道输入端接一个理想的阶跃信号，显示屏上显示波形从稳定幅度的10%上升到90%所需的时间，它和频带宽度有内在联系，即（3-5）式中，BW是频带宽度，单位为MHz；Trise是上升时间，单位为us。,2扫描速度扫描速度反映示波器在水平方向上展开信号的能力。在观测高速瞬变信号或高频连续信号时，荧光屏上的点必须高速水平扫描；在观测低频慢变化信号时，光点又必须进行相应的慢扫描。光点水平扫描速率的高低，可用扫描速度来描述。扫描速度是指光点的水平移动速度，单位为cm/s或div/s。通常，1div（格）即为1cm。扫描速度的倒数称为时间因数，其相当于光点移动单位长度（cm或div）所需的时间，单位为s/cm或s/div。为便于计算被测信号的时间参数，示波器通常采用时间因数标度。时间因数从低到高（扫描范围），一般按照1-2-5的顺序步进分挡（约20挡，0.2us/div1s/div），每挡内能够连续调节，以便于把所显示的波形调到适当宽度。,3垂直偏转因数垂直偏转灵敏度Sy的倒数即为垂直偏转因数Dy（Dy1/Sy），反映示波器观察微弱信号的能力。指在输入信号作用下，光点在屏幕上移动1cm或1div所需的电压值，单位为V/cm或V/div。4输入阻抗示波器的输入阻抗一般等效为电阻和电容并联。由于示波器是一种宽带仪器，通常将输入电阻和电容单独列出，在测量高频信号时要考虑电容的影响。5触发特性为了将被测信号稳定地显示在屏幕上，扫描电压必须在一定的触发脉冲作用下产生。示波器的触发特性是指触发脉冲的取得方式，通常有内触发（INT）、外触发（EXT）和电源触发（LINE）等几种方式。,3.3.6YB4320型双踪示波器,面板结构如图3-23所示。,图3-23YB4320双踪示波器面板图,3.4取样示波器,3.4.1取样的概念3.4.2取样示波器的工作原理3.4.3取样示波器的主要技术指标,3.4.1取样的概念,1取样原理取样示波器与普通示波器的主要区别在于取样示波器运用了取样技术。欲观察一个波形，可以把这个波形在示波器上连续显示，也可以在这个波形上取很多的点，把连续波形变换成离散波形，只要取样点数足够多，这些离散点也能够反映原波形的形状。这种从被测连续波形上取得一系列样点的过程就是取样，又称采样。对一个时间连续的输入信号ui(t)的取样过程如图3-24所示。,图3-24取样原理,取样过程在取样保持器中完成。取样保持器在原理上可等效为一个开关和电容的串联，在取样脉冲p(t)到来时，取样门（电子开关S）接通，输入信号ui(t)经R对C充电，充到此刻输入信号对应的瞬时值。p(t)过去后，S断开，C上电压维持不变，此时，输入信号ui(t)被采样。在周期性取样脉冲p(t)的作用下，可得到一系列的取样点，形成离散输出信号uo(t)，uo(t)称为“取样信号”。,2实时取样与非实时取样非实时取样又称等效取样，它按照一定的时间差（t）在一个周期内只取一个样点，取样持续时间为多个周期，最终由多个样点包络成原信号波形，取样原理如图3-25所示。,图3-25非实时取样示意图,在t1时刻，它进行第一次取样，对应于信号波形上的样点1；经过Tt后的t2时刻，进行第二次取样，取样点2，但取样脉冲相对于信号周期延迟了t；经过T2t后的t3时刻，进行第三次取样，取样点3，但取样脉冲相对于信号周期延迟了2t；依次类推，每间隔mTt在信号波形上取一个样点，而且，取样信号的幅度等于输入信号的瞬时值，宽度等于。t为步进间隔，它决定了采样点在波形各个周期上的位置，并使本次采样点的位置比上次采样点的位置推迟t时间，由于被测信号是波形完全相同的重复周期信号，因而利用具有“步进延迟”的宽度极窄的取样脉冲t，在被测信号各周期的不同相位上逐次取样，那么取样点将按顺序取遍整个信号波形，取样后的信号波形是一串脉冲序列，其包络线同样重现了原信号的波形，但因为波形包络来自于输入信号的多个周期，所经历的时间变长了，高频率的周期性输入信号变成了低频信号。,3显示信号的合成过程图3-26所示为取样点在屏幕上合成信号波形的过程。,图3-26在屏幕上由取样点合成信号波形的过程,3.4.2取样示波器的工作原理,与通用示波器类似，取样示波器也是由示波管、X通道和Y通道组成，其原理框图如图3-27所示。,图3-27取样示波器的原理框图,3.4.3取样示波器的主要技术指标,1取样示波器的带宽一般来说，一个系统的频带宽度是指系统频率特性下降3dB所对应的频率范围。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。取样示波器的频带宽度为（3-6）,2取样密度取样密度是指电路扫描时，在示波管屏幕X轴上每格显示的被测信号所对应的取样点数，常用每厘米的光点数来表示。这里结合图3-28来加以说明。,每一个步进脉冲对应于一个取样脉冲，进行一次信号取样；同时，每一个步进脉冲使水平扫描阶梯电压上升一阶，每阶产生一个光点。由于屏幕宽度是确定的，也就是X方向最大偏转电压us是确定的，那么，只要阶梯波每次上升的电压确定，屏幕上的总点数则为（3-7）若减小水平扫描阶梯电压的电压值，则水平扫描阶梯电压的台阶数增加，即取样密度变大。取样点越多，经取样后显示的波形越逼真。,图3-28取样密度与ux的关系,3等效扫描速度通用示波器的扫描速度是指单位时间内电子束在水平方向上的位移。而对取样示波器，假设信号波形由n个取样点组成，虽然在屏幕上显示n个亮点需要n(mT+)的时间，但信号实际经历的时间为，等效扫描速度为（3-8）L为扫描线长度。由于电子束扫完整个屏幕的时间与显示波形代表的时间不同，故用“等效”来予以区别。4取样频率取样频率即取样脉冲的重复频率，也就是取样门的工作频率。取样频率越高，所获取样点就越多，其包络线也就越能反映被测信号的特性。,3.5数字存储示波器,3.5.1数字存储示波器的组成原理3.5.2信号采集处理与波形显示技术3.5.3数字存储示波器的主要技术指标3.5.4DS1052E型数字存储示波器,3.5.1数字存储示波器的组成原理,1数字存储示波器的工作原理图3-29所示为以微处理器为基础的数字存储示波器，主要包括X通道、Y通道、示波管和接口部分。它在微处理器的控制下完成采样、存储、读出、显示和程控等任务，并通过数据总线、地址总线和若干控制线互相联系和交换信息。它比模拟示波器不仅增加了微处理器和控制接口，Y通道还包含数据采集和存储电路，通过它对待测信号进行采集并存储下来，最后传输给示波管进行显示，完成信号波形的测量。,图3-29典型数字存储示波器的框图,数字存储示波器的工作过程可以分为采样存储和读出显示两个过程。对数据进行采样存储时，待测信号加入到Y通道，Y通道采样电路对被测信号ui进行采样，采样结果经A/D转换器变换成数字信号，然后存入RAM。采样脉冲形成电路一方面受触发信号控制，同时也受计算机控制（直接由计算机产生对采样的控制信号，如图虚线所示），X通道在采样存储时用来控制采样脉冲的形成。在读出显示时，X通道只负责产生阶梯扫描信号，数字存储示波器在CPU的控制下读出存储在RAM中的数字化信号并重新恢复成模拟信号，由CRT显示。这时，X通道产生的阶梯扫描电压把被测信号波形在水平方向展开。数字存储示波器的采样存储和读出显示两个过程是相对独立的，他们既可以在测量某待测信号时实时完成，也可以在测量后将已存储在示波器中的待测信号单独显示出来。,图3-30采样和存储过程图3-31读出和显示过程,2数字存储示波器的组成原理图3-32就是较为典型的HP54600的组成原理，其主要包括模拟通道部分、数据采集与存储部分、时基与触发部分、CPU与接口部分、显示部分和电源部分等。,图3-32HP54600数字存储示波器的组成原理,3.5.2信号采集处理与波形显示技术,1数字存储示波器的取样与存储电路1）高速A/D电路A/D变换电路有很多，宽带数字示波器中的高速A/D转换器主要有并行比较式和并串比较式两类。并行比较式A/D转换器采用直接比较原理，如图3-33所示。,图3-33并行比较式A/D原理框图,图3-34所示为位A/D转换为例说明其组成结构。电路主要由两片位并行比较式A/D、位D/A转换器、减法放大器及其他电路组成。,图3-34并串比较式A/D原理框图,）降速处理电路（1）CCD器件和A/D相结合,图3-35借助CCD器件采集高速信号,（2）多通道组合在多通道示波器中，每一个通道均具有信号采集、存储的功能。如果只对一个被测信号进行采集，可把其他通道的采集能力均用于这个通道，称为多通道组合采集。,(a)原理框图,(b)采样与存储波形图图3-362通道组合采集原理图,（3）分路存储在存储速度不够高的情况下也可以将高速采集的数据用分路的方式变为低速数据进行存储，例如可分为路甚至路RAM，如图3-37所示。,图3-37高速数据的分路存储,2采样方式,(a)采样过程示意,(b)重建的波形图3-38非实时随机采样,3波形显示技术（1）点显示技术在屏幕上以有间隔的点的形式将被获取的信号波形显示出来。能够做到正确显示的前提是必须有足够多的点来重新构成信号波形。考虑到有效存储问题，一般要求为每个信号周期显示2025个点。采用点显示可以实现用较少的点构成一个波形。（2）数据点插入技术在波形显示技术中，常常使用插入器将一些数据补充给仪器，插在所有相邻的采样点之间。实际应用的主要有线性插入和曲线插入两种方式。,3.5.3数字存储示波器的主要技术指标,1最高取样速率最高取样速率是指单位时间内取样的次数，也称为数字化速率，用每秒钟完成的A/D转换的最高次数来衡量，常以频率fs来表示。取样速率越高，反映示波器捕捉高频或快速信号的能力越强。取样频率主要由A/D转换速率决定。2上升时间其定义与通用示波器相同，是指在Y通道输入端接一个理想的阶跃信号，显示屏上显示波形从稳定幅度的10%上升到90%所需的时间，它和频带宽度有内在联系。,3分辨率分辨率是指示波器能够分辨的最小电压增量，即量化的最小单元。它包括垂直分辨率（电压分辨率）和水平分辨率（时间分辨率）。垂直分辨率与A/D转换器的分辨率相对应，常以屏幕每格的分级数（级/div）或百分比来表示。4存储容量存储容量又称为记录长度，它由采集存储器的最大容量来表示，常以字为单位。数字存储示波器常采用256、512、1K、4K等容量的高速半导体存储器。5读出速度读出速度是指将数据从存储器中读出的速度，常采用“时间/div”来表示。其中，时间屏幕上每格内对应的存储容量读脉冲的周期。,3.5.4DS1052E型数字存储示波器,1面板及控制键作用说明,图3-39DS1052E型数字示波器的面板图,图3-40显示界面说明图,3.6示波器的基本测量技术,3.6.1电压测量3.6.2时间和频率的测量3.6.3相位差的测量3.6.4脉冲信号参数的测量,3.6.1电压测量,1直流电压测量测量步骤如下：（1）将“扫描方式”开关置于“AUTO”位置，选择扫描速度，以使扫描不发生闪烁现象。（2）将垂直偏转因数的“微调”旋钮调至“校准”位置，根据所测电压的大小，调节“V/div”旋钮于适当位置。（3）将“AC-GND-DC”开关置于“GND”位置。此时的扫描垂直位置即为0V基准线。（4）将被测电压加至输入端后，将“AC-GND-DC”开关置于“DC”位置，此时所显示的直线位置即为所测电压值。若直线位于零伏基准线之上，则所测电压为正；若直线位于零伏基准线之下，则所测电压为负。,（a）“AC-GND-DC”开关置GND（b）“AC-GND-DC”开关置DC图3-41直流电压的测量,（5）若所测电压超出显示范围，应增大其垂直偏转因数“V/div”；若所测电压数值过小，应减小其垂直偏转因数“V/div”后重新测量。据此测量方法，则直流电压为（3-10）式中，h为被测直流信号线的电压偏离零电平线的高度；Dy为示波器的垂直偏转因数。可见，图3-41所示的直流电压。,2交流电压的测量测量步骤如下：（1）将“AC-GND-DC”开关置于“GND”位置。调节垂直“位移”旋钮，使该扫描线准确地落在水平刻度线上。（2）将“微调”调至“CAL”位置，再根据被测电压的大小，调节“V/div”旋钮于适当位置。（3）将被测电压加至输入端后，将“AC-GND-DC”开关置于“AC”位置，此时所显示的波形即为所测交流电压，如图3-42所示。由此可算出所测交流电压的峰-峰值（up-p）为（3-11）式中，h为被测交流电压波峰和波谷的高度或任意两点间的高度；Dy为示波器的垂直偏转因数。,（4）图3-42中，“V/div”的位置为50mV/div，波形的峰顶与谷底之间为4个格，则所测交流电压的峰-峰值。（5）同样，若使用的探头置于101位置，则应将该值10；若使用了5倍扩展，则结果还应5。,图3-42交流电压的测量,3.6.2时间和频率的测量,1周期和频率的测量测量时间与测量电压的原理相同，区别在于测量时间所关注的是X轴系统，测量电压关注的是Y轴系统。将“扫描微调”旋钮置于“校准（CAL）”位置，选用合适的Y轴输入耦合方式，调节“V/div”等有关的开关旋钮，使屏上显示波形的幅度适中、宽度适宜，记录下“时基因数（t/div）”挡位数值Dx（单位为“s/cm”或“s/div”），以及交流信号的一个周期在X轴上所占的距离x，则所测信号的周期为：（3-12）,2时间间隔的测量时间间隔的测量与周