电子测量技术第8章第1部分

1、第第8 8章章 示波测试技术示波测试技术 模拟示波器 数字示波器 在进行电子测量时，我们通常希望直观地看到 电信号随时间变化的图形，示波测试技术实现了人 们的愿望。示波器是时域分析的最典型仪器，也是 当前电子测量领域中，品种最多、数量最大、最常 用的一种仪器。 8.1.1 8.1.1 示波器的分类 按其用途和特点，可分为以下五类。 1通用示波器 通用示波器是指采用单束示波管的宽带示波器，常 见的为双踪示波器。通用示波器按其垂直通道的频 带宽度又可分为三大类。 （1）低频示波器。（2）普通示波器。 （3）宽带示波器。 8.1 概述 2多束示波器 多束示波器采用多束示波管，在屏幕上可同时显 示两个

2、以上的波形，与通用示波器的叠加或交替显 示多个波形不同，它的每个波形分别由单独的电子 束产生，观察与比较两个以上的信号时非常方便。 3取样示波器 取样示波器采用取样技术，先把快速变化的高频 信号变化成与之相似的、慢速变化的低频信号，再 用通用示波器显示其波形。 4记忆、存储示波器 这种示波器除了具有通用示波器的功能外，还具 有记忆功能。 5特种示波器 特种示波器是指具有特殊用途的示波器，如矢量示 波器、心电示波器等。 8.1.2 8.1.2 示波器的主要技术指标 1频带宽度 标志示波器的最高响应能力，用频率和上升时间表 示，上升时间近似等于0.35/频率宽度。 2垂直灵敏度 示波器可以分辨的最

3、小信号幅度和输入信号的动态 范围。 3输入阻抗 输入阻抗是指在示波器输入端规定的直流电阻值 和并联电容值，它标志被测信号的负载的轻重。 4扫描速度 扫描速度也称扫描时间因数，是指光点水平移动 的速度，它说明了示波器能观察的时间和频率的范围。 5同步（或触发）电压 同步（或触发）电压是指波形稳定的最小输入电 压。 8.2 示波测试的基本原理 8.2.1 8.2.1 示波器的测试过程 Y轴偏转系统将输入的被测交流信号放大；X轴偏 转系统提供一个与时间成线性关系的锯齿波电压；两 组电压同时加到示波管的偏转板上，示波管中的电子 束在偏转电压的作用下运动，在屏幕上形成与被测信 号一致的波形。 图8.1

4、示波器的结构框图 8.2.2 8.2.2 阴极射线示波管 CRT主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成， 基本结构如图8.2所示。电子枪产生的高速电子束打在 荧光屏上，偏转板控制电子束的偏转方向，使其按要 求在荧光屏相应的部位产生荧光。 图8.2 示波管结构示意图 1电子枪 电子枪由灯丝F、阴极K、栅极G1和G2、阳极A1和A2 组成。当灯丝F通电后，加热阴极，涂有氧化物的阴极 发射出大量的电子，电子在阳极吸引下形成电子束，轰 击荧光屏上的荧光粉发光。 2偏转系统 示波器的偏转系统由两对相互垂直且平行的金属 板X偏转板和Y偏转板构成。Y偏转板上电位的相对 变化，只能影响电子在垂直方向的运动，

5、因而Y偏转板 只能影响光电在荧光屏上的垂直位置；X偏转板只影响 光点的水平位置，两对偏转板共同作用，才决定了任一 瞬间光点在荧光屏上的位置。 3荧光屏 荧光屏在示波管的终端，通常是圆形或矩形的 。示波管荧光屏的内壁涂有一层荧光物质，当高 速电子轰击荧光屏上的荧光物质时，荧光将电子 的动能转变为光能，产生亮点。光点的亮度取决 于轰击电子束中电子的数目、密度和速度。 8.2.3 8.2.3 图像显示的基本原理 1显示随时间变化的图形 电子束进入偏转系统后，要受到X、Y两对偏转板 间电场的控制而产生偏转，其中X、Y的控制作用有如 下几种情况。 图8.4 固定电压与光点偏移的关系图 图8.5 可变电压

6、与光点偏移的关系图 Y偏转板加正弦波信号电压uy=Uymsinw t，X偏转 板加锯齿波电压ux=kt，即X、Y偏转板同时加电压， 假设Tx=Ty，则电子束在两个电压的同时作用下，在 水平方向和垂直方向同时产生位移，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8.6所示。 图8.6 X、Y偏转板同时加信号时光点的轨迹图 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。 X-Y图示仪显示图形前，先把两个变量转换成与之成比 例的两个电压，分别加到X、Y转板上，屏幕上任一瞬 间光点的位置都是由偏转板上两个电压的瞬时值决定。 若两信号的初相相同，则可在

7、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45角，如图8.7（a）所示；如果这两个信号 初相相差90，则在荧光屏上画出一个正椭圆；若X、 Y方向的偏转距离相同，则荧光屏上画出的图形为圆， 如图8.7（b）所示。 图8.7 两个同频率正弦信号构成的李沙育图形 3扫描的概念 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 右的连续扫动称为“扫描正程”，光点自荧光屏的 右端迅速返回起扫点的过程称为“扫描逆程”。 4同步的概念 （1）Tx=nTy（n为正整数）。 如果扫描电压周期Tx与被测电压周期Ty保持 Tx=nTy的关系

8、，则称扫描电压与被测电压“同步”。 如果增加Tx（扫描频率降低）或降低Ty（信号频率增 加）时，显示波形的周期数将增加。 yx nTT （2） （n为正整数）。 如果没有同步关系，即 （n为正整数） ，则后一扫描周期描绘的图形与前一扫描周期的图 形不重合，显示的波形是不稳定的。 yx nTT 图8.8 Tx=2Ty时荧光屏显示的波形情况 yx TT 4 5 图8.9 时荧光屏显示的波形情况 5连续扫描和触发扫描 扫描正程紧跟着逆程，逆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。 只要选择扫描电压的持续时间等于或稍大于脉冲 底宽，则脉冲波形就可展宽得几乎布满横轴。同时 由于

9、在两个脉冲间隔时间内没有扫描，故不会产生 很亮的时间基线。这种由被测信号激发扫描发生器 的间断的工作方式称为“触发扫描方式”。 6扫描过程的增辉 假设扫描逆程时间为零，但实际上，回扫是需 要一定时间的。在这段时间内，回扫电压和被测信 号共同作用，对欲显示的被测信号波形产生影响。 为了使回扫产生的波形不在荧光屏上显示，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。这种增辉可以通过在扫描期间给示 波管第一栅极G1加正脉冲或给阴极K加负脉冲来实 现。这样相对来说，扫描正程电子枪发射的电子远 远多于扫描逆程，观测者看到的就只有扫描正程显 示的波形。 8.3.1 8.3.1 通用示

10、波器的组成 通用示波器主要由示波管、垂直通道和水平通 道三部分组成。此外，还包括电源电路，它产生 示波管和仪器电路中需要的多种电源。通用示波 器中还常附有校准信号发生器，产生幅度或周期 非常稳定的校准信号，用于示波器的校准，以便 对被测信号进行定量测试。 8.3 通用示波器 图8.11 通用示波器的组成框图 8.3.2 通用示波器的垂直通道 垂直通道（Y轴通道）是对被测信号处理的主要通 道，它将输入的被测信号进行衰减或线性放大，并在 一定范围内保持增益稳定，最后，输出符合示波管偏 转要求的信号，以推动垂直偏转板，使被测信号在屏 幕上显示出来。 垂直通道包括输入电路、Y前置放大器、延迟线和 Y后

11、置放大器等部分 。 主要是由衰减器和输入选择开关构成。 衰减器 衰减器如图所示。当 时，衰减器的分 压比为 改变分压比，即改变示波器的偏转灵敏度。改 变分压比的开关即为示波器垂直灵敏度粗调开关， 在面板上常用Vcm标记。 1122 R CR C 1输入电路 o22 i1212 uZR uZZRR （2）输入耦合方式。 输入耦合方式设有AC、GND、DC三挡选择开关 。置“AC”时，输入信号经电容耦合到衰减器，只 有交流分量可通过，适于观察交流信号；置“0” 挡时，用于确定零电平，即不需要断开被测信号 ，可为示波器提供接地参考电平；置“DC”时，输 入信号直接接到衰减器，用于观测频率很低的信 号

12、或带有直流分量的交流信号。 2前置放大器 前置放大器将信号适当放大，并从中取出内触发信 号，具有灵敏度调节、校正、Y轴移位等控制作用 。 3延迟线 延迟线是一种起延迟时间作用传输线。 目前延迟线主要有两种，一种是采用双股螺旋平衡 式延迟电缆；另一种是利用LC非线性电路的后滞作 用构成的多节LC网络。 4Y输出放大器 Y输出放大器是Y通道的主放大器，它的功能是将延 迟线传输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。 示波器水平通道（X轴通道）的主要任务是产生随 时间线性变化的扫描电压，再放大到足够幅度，然 后输出推挽信号加到水平偏转板，使光点在荧

13、光屏 的水平方向达到满偏转。水平通道包括触发电路、 扫描电路和水平放大器等部分，如图8.13所示。 8.3.3 通用示波器的水平通道 图8.13 水平系统的组成框图 触发电路包括触发源选择、触发耦合方式选择 、触发方式选择、触发极性选择、触发电平选择和 触发放大整形等电路。 （1）触发源选择。触发源的选择应根据被测信号的 特点来确定，以保证荧光屏上显示的被测波形的稳 定性。触发源一般有三种类型，可用开关S1选择， 如图8.14所示。 1触发电路 图8.14 触发源与触发耦合方式选择电路框图 内触发（INT）：将Y前置放大器输出的，位于延 迟线前的被测信号作为触发信号，触发信号与被测 信号的频率

14、是完全一致的，适用于观测被测信号。 外触发（LINE）：用外接的、与被测信号有严格 同步关系的信号作为触发源，这种触发源用于比较 两个信号的同步关系。或者，当被测信号不适于作 触发信号时使用。 电源触发。用50Hz的正弦信号作为触发源，适用 于观测与50Hz交流有同步关系的信号。 （2）触发耦合方式。示波器一般设有四种触发耦合 方式，可用开关S2选择。 “DC”直流耦合。 “AC”交流耦合。 “LF REJ”低频抑制耦合：通过电容耦合的方式， 触发信号经电容C1及C2接入，一般电容较小，阻抗 较大，用于抑制2kHz以下的频率成分。 “HF REJ”高频抑制耦合：用于抑制高频成分的耦 合。 （3

15、）扫描触发方式选择（TRIG MODE）。扫描触发方 式通常有常态（NORM）和自动（AUTO）两种方式。 常态（NORM）触发方式：是指有触发源信号并 且产生了有效的触发脉冲时，扫描电路才能被触 发，才能产生扫描锯齿波电压，荧光屏上才有扫 描线。 自动（AUTO）触发方式：自动触发方式是指在 一段时间内没有触发脉冲时，扫描系统按连续扫 描方式工作，此时扫描电路处于自激状态，有连 续扫描锯齿波电压输出，荧光屏上显示出扫描线 。当有触发脉冲信号时，扫描电路能自动返回触 发扫描方式工作。 （4）触发极性选择和触发电平。 触发极性是指触发点位于触发源信号的上升沿还是 下降沿。触发点位于触发源信号的上

16、升沿为“+”极 性；触发点位于触发源信号的下降沿则为“-”极性 。触发电平是指触发脉冲到来时所对应的触发放大 器输出电压的瞬时值。 （5）触发放大整形电路。整形电路的基本形式是 电压比较器，当输入的触发源信号与通过“触发极 性和电平”选择的信号之差达到某一设定值时，比 较电路翻转，输出矩形波，然后经过微分整形，变 成触发脉冲。 2扫描信号发生电路 扫描发生器环又叫时基电路，常由积分器、扫 描门及比较和释抑电路组成，如图8.16所示。 图8.16 扫描信号发生器组成框图 （1）扫描方式选择。在连续扫描时，没有触发脉冲 信号，扫描闸门也不受触发脉冲的控制，仍会产生 门控信号，并启动扫描发生器工作；

17、在触发扫描时 ，只有在触发脉冲作用下才产生门控信号。 （2）扫描门。扫描门是用来产生闸门信号的： 输出时间准确的矩形开关信号，又称闸门信号， 控制积分器扫描。 可利用闸门信号作为增辉脉冲控制示波管，起 正程加亮作用。 在双踪示波器中，利用闸门信号触发电子开关， 使之工作于交替状态。 （3）积分器。扫描电压是锯齿形的，它由积分器 产生。 简单锯齿波的形成。用RC充放电能形成简单的 锯齿波，电路和波形如图8.18所示。 图8.18 简单锯齿波的形式 线性良好的锯齿波的获得。密勒（Miller）积 分器具有良好的线性，因此，它是通用示波器中应用 最广的一种积分电路。密勒积分器的原理如图8.19所 示

18、。 图8.19 密勒积分器的电路模型 （4）比较和释抑电路。比较电路利用比较、识别电平 的功能来控制锯齿波的幅度。释抑电路在扫描逆程开 始后，关闭或抑制扫描闸门，使“抑制”期间扫描电 路不再受到同极性触发脉冲的触发，以便使扫描电路 恢复到扫描的起始电平上。 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。 示波器除了显示随时间变化的波形外，还可以作 为一个X-Y图示仪来显示任意两个函数间的关系，因 此X放大器的输入端有“内”、“外”信号的选择。 置于“内”时，X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。 1多线示波 多线示波利用多枪电子管来实现。 2多踪示波 多踪示波是在单线示波的基础上，增加电子开 关实现多个波形的同时显示。 8.3.5 示波器的多波形显示 双踪示波器有5种显示方式。 “Y1”通道（CH1） 接入Y1通道，单踪显示Y1的波形。 “Y2”通道（CH2） 接入Y2通道，单踪显示Y2的波形。 叠加方式（CH1+