电子测量7章节第1部分

1、第第7章章 示波测试技术示波测试技术内容提要内容提要n n 介绍了示波器图象显示的基本原理；分介绍了示波器图象显示的基本原理；分析了通用示波器、取样示波器、记忆存析了通用示波器、取样示波器、记忆存储示波器及数字存储示波器的工作原理；储示波器及数字存储示波器的工作原理；重点介绍了通用示波器电路组成、测试重点介绍了通用示波器电路组成、测试的基本原理、测试方法；并详细介绍使的基本原理、测试方法；并详细介绍使用示波器进行电压、时间、相位等参量用示波器进行电压、时间、相位等参量测试的方法。测试的方法。 重点与难点重点与难点 重点：掌握各种示波器的电路组成、测试的基掌握各种示波器的电路组成、测试的基本原理

2、、测试方法及应用；掌握扫描、本原理、测试方法及应用；掌握扫描、同步、触发等基本概念。同步、触发等基本概念。 难点：扫描、同步、触发等概念；示波器各种扫描、同步、触发等概念；示波器各种功能键、控制键与电路的对应关系。功能键、控制键与电路的对应关系。 模拟示波器数字示波器数字示波器7.1 概述n 示波器是时域分析的最典型仪器，也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，使用示波器可直观大、最常用的一种仪器，使用示波器可直观地看到电信号随时间变化的图形。更广泛的，地看到电信号随时间变化的图形。更广泛的，只要能把两

3、个有关系的变量转化为电参数，只要能把两个有关系的变量转化为电参数，分别加至示波器的分别加至示波器的X、Y通道通道,就可以在荧光就可以在荧光屏上显示这两个变量之间的关系。屏上显示这两个变量之间的关系。 7.1.1 示波器的分类低频示波器通用示波器 普通示波器宽带示波器多束示波器示波器的分类 取样示波器记忆、存储示波器特种示波器7.1.2 示波器的主要技术指标频带宽度垂直灵敏度示波器主要性能指标输入阻抗扫描速度同步（或触发）电压7.2 示波测试的基本原理n7.2.1 示波器的测试过程示波器的测试过程Y轴偏转系统X轴偏转系统图7.1示波器结构的框图 被测信号 示波管7.2.2 阴极射线示波管n n1

4、电子枪n 电子枪由灯丝电子枪由灯丝F、阴极、阴极K、栅极、栅极G1和和G2、阳极、阳极A1和和A2组成。组成。n 当灯丝当灯丝F通电后，加热阴极，涂有氧通电后，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，轰击荧光屏上的荧极吸引下形成电子束，轰击荧光屏上的荧光粉发光。光粉发光。n2偏转系统n 两对相互垂直的、平行的金属板两对相互垂直的、平行的金属板X偏转偏转板和板和Y偏转板共同作用，决定任一瞬间光点偏转板共同作用，决定任一瞬间光点在屏上的位置。在屏上的位置。n 在偏转电压在偏转电压Uy的作用下，的作用下，Y方向的偏转距方向的偏转距离

5、为离为n 式中式中 n L 偏转板的长度；偏转板的长度；n S 偏转板中心到屏幕中心的距偏转板中心到屏幕中心的距 n 离；离；n b 偏转板之间的距离；偏转板之间的距离；n Uy垂直偏转板所加偏转电压；垂直偏转板所加偏转电压； n Ua 第二阳极电压。第二阳极电压。 yaubULSy2n L、b、S均为常数，第二阳极的电压均为常数，第二阳极的电压Ua也基也基本不变，所以本不变，所以Y方向的偏转距离方向的偏转距离y正比于偏转板正比于偏转板上的电压上的电压 uy ，即，即 n 式中式中 n y Y方向的偏转距离；方向的偏转距离；n 比例系数，称为示波管的偏转因比例系数，称为示波管的偏转因数，单位为

6、数，单位为cm/V； n uy 垂直偏转板所加的偏转电压。垂直偏转板所加的偏转电压。 yhyyuhy 其中，比例系数其中，比例系数 的倒数称为示波管的倒数称为示波管的垂直灵敏度，单位为的垂直灵敏度，单位为V/cm。 垂直偏转灵敏度是示波管的一个重要垂直偏转灵敏度是示波管的一个重要参数。参数。 在一定范围内，荧光屏上光点偏移的在一定范围内，荧光屏上光点偏移的距离与偏转板上所加电压成正比，这是用距离与偏转板上所加电压成正比，这是用示波管观测波形的理论根据。示波管观测波形的理论根据。yh3荧光屏 示波管荧光屏的内壁涂有一层荧光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荧光物物质，当高

7、速电子轰击荧光屏上荧光物质时，荧光将电子的动能转变为光能，质时，荧光将电子的动能转变为光能，产生亮点。产生亮点。 光点的亮度取决于轰击电子束中电光点的亮度取决于轰击电子束中电子的数目、密度和速度。子的数目、密度和速度。 余辉时间余辉时间 操作注意操作注意7.2.3 图象显示的基本原理n1显示随时间变化的图形n 图(a) Vx=Vy=0 (b) Vx=0，Vy=常量 (c) Vx=常量，Vy=0 (d) Vx=常量，Vy=常量 图7.4固定电压与光点偏移的关系图(a) Y偏转板加正弦波信号 (b) X偏转板加锯齿波信号 图7.5 可变电压与光点偏移的关系图+ux-uxtTn0234ux1+uyT

8、St0234uy10-uy234102341nY偏转板加正弦波信号电压偏转板加正弦波信号电压nX偏转板加锯齿波电压偏转板加锯齿波电压 。n 即即X、Y偏转板同时加电压，假偏转板同时加电压，假设设 ，则电子束在两个电压的同时，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。如图变化的一个周期的波形曲线。如图7.6所所示。示。tuuymysinktuxyxTT 图图7.6 X、Y偏转板同时加信号时光点的轨迹图偏转板同时加信号时光点的轨迹图2显示任意两个变

9、量之间的关系显示任意两个变量之间的关系n 示波器两个偏转板上都加正弦电压时显示李示波器两个偏转板上都加正弦电压时显示李沙育沙育(Lissajous)图形。图形。3扫描的概念扫描的概念光点在锯齿波作用下扫动的过程称为光点在锯齿波作用下扫动的过程称为扫描。扫描。能实现扫描的锯齿波电压叫扫描电压。能实现扫描的锯齿波电压叫扫描电压。光点自左向右的连续扫动称为光点自左向右的连续扫动称为“扫描扫描正程正程”，光点自屏的右端迅速返回起，光点自屏的右端迅速返回起扫点的过程称为扫点的过程称为“扫描逆程扫描逆程”。 4同步的概念同步的概念 同步即荧光屏上显示稳定的波形，即显同步即荧光屏上显示稳定的波形，即显示曲线

10、形状相同，并有同一个起点。示曲线形状相同，并有同一个起点。 (n为正整数为正整数) (n为正整数为正整数) yxnTT yxnTT 图7.7 Tx =2Ty时荧光屏显示的波形情况TytuyTx =2Tyuxt0123450，67910Tytuy012345Tx =5/4Tyuxt 图7.9 时荧光屏显示的波形情况yxTT455连续扫描和触发扫描连续扫描和触发扫描n扫描正程紧跟着逆程，逆程结束又开始新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，这种扫描方式的正程，扫描是不间断的，这种扫描方式称为连续扫描。称为连续扫描。(b)连续扫描Tx=Ty(c)连续扫描Tx=(a)被测信号(d

11、)触发扫描Tx=图7.10连续扫描和触发扫描的比较ux0Txt0uytTyux0tTxux0tTx7.3 通用示波器通用示波器n 7.3.1 通用示波器的组成 n 主要由示波管、垂直通道和水平通主要由示波管、垂直通道和水平通道三部分组成。此外，还包括电源电路，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。通用示波器中还常用附有校准信号发源。通用示波器中还常用附有校准信号发生器，产生幅度或周期非常稳定的校准信生器，产生幅度或周期非常稳定的校准信号，用于示波器的校准，以便对被测信号号，用于示波器的校准，以便对被测信号进行定量测试。进

12、行定量测试。Y输入Y输入电路Y前置放大器延迟线Y后置放大器增辉电路高压电源低压电源X放大电路扫描电路触发电路校准信号 发生器外触发输入X输入校准信号输出正高压负高压各电路射 极跟 随 器前 置放 大 器衰 减 器延 迟 线末 级放 大 器触 发电 路末 级放 大 器校 正 器电 源时 基发 生 器X 输入 电 路Z 轴电 路Y输 入X同 步X输 入内外扫 描XYG17.3.2 通用示波器的垂直通道n 垂直通道（垂直通道（Y轴通道）是对被测信轴通道）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，并在一定范围内保进行衰减或线性放大，并在一定范

13、围内保持增益稳定，最后，输出符合示波管偏转持增益稳定，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。信号在屏幕上显示出来。n 垂直通道包括输入电路、垂直通道包括输入电路、Y前置放前置放大器、延迟线和大器、延迟线和Y后置放大器等部分后置放大器等部分 。1输入电路 n 主要是由衰减器和输入选择开关构成。主要是由衰减器和输入选择开关构成。n衰减器n 衰减器如图衰减器如图7.12所示。当所示。当 时，衰时，衰减器的分压比为减器的分压比为n n n 改变分压比，即改变示波器的偏转灵敏度。改变分压比，即改变示波器的偏转灵敏度。改变分压

14、比的开关即为示波器垂直灵敏度粗调开改变分压比的开关即为示波器垂直灵敏度粗调开关，在面板上常用关，在面板上常用Vcm标记。标记。2211CRCR212212RRRZZZvvio输入衰减器原理图 输入耦合方式n输入耦合方式设有输入耦合方式设有AC、GND、DC三档选择开三档选择开关。关。n置置“AC”时时，输入信号经电容耦合到衰减器上，输入信号经电容耦合到衰减器上，只有交流分量可通过，适于观察交流信号。只有交流分量可通过，适于观察交流信号。n置置“GND”时时，用于确定零电平，即不需要断，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。开被测信号，可为示波器提供接地参考电平。n置

15、置“DC”时时，输入信号直接接到衰减器，用于，输入信号直接接到衰减器，用于观测频率很低的信号或带有直流分量的交流信观测频率很低的信号或带有直流分量的交流信号。号。2前置放大器前置放大器 前置放大器将信号适当放大，并从中取出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、内触发信号，具有灵敏度调节、校正、Y轴移轴移位等控制作用。位等控制作用。3延迟线延迟线 延迟线是一种起延迟时间作用传输线。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；另一种是利用螺旋平衡式延迟电缆；另一种是利用LC非线非线性

16、电路的后滞作用构成的多节性电路的后滞作用构成的多节LC网络。网络。4Y输出放大器输出放大器 Y输出放大器是输出放大器是Y通道的主放大器，它的功通道的主放大器，它的功能是将延迟线传输来的被测信号放大到足够的能是将延迟线传输来的被测信号放大到足够的幅度，用以幅度，用以驱动驱动示波管的垂直偏转系统，使电示波管的垂直偏转系统，使电子束获得子束获得Y方向的满偏转。方向的满偏转。 7.3.3 通用示波器的水平通道n 水平通道（水平通道（X轴通道）的主要任轴通道）的主要任务是产生随时间线性变化的扫描电压，务是产生随时间线性变化的扫描电压，再放大到足够幅度，然后输出推挽信再放大到足够幅度，然后输出推挽信号，加

17、到水平偏转板上，使光点在荧号，加到水平偏转板上，使光点在荧光屏的水平方向达到满偏转。光屏的水平方向达到满偏转。 水平系统组成框图 水平系统通道包括触发电路、扫描水平系统通道包括触发电路、扫描电路和水平放大器等部分。电路和水平放大器等部分。 触发电路触发耦合方式选择 触发源 选择放大整形 电路扫描信号发生器比较和释抑电路 扫描 闸门扫描电压产生电路X偏转板 水平放大器 图7.13水平系统组成框图1触发电路n触发电路的作用是为扫描信号发生器提供符合要求触发电路的作用是为扫描信号发生器提供符合要求的触发脉冲。的触发脉冲。n触发电路包括触发源选择、触发耦合方式选择、触触发电路包括触发源选择、触发耦合方

18、式选择、触发方式选择、触发极性选择、触发电平选择和触发发方式选择、触发极性选择、触发电平选择和触发放大整形等电路。放大整形等电路。n触发源选择n触发源一般有触发源一般有3种类型的触发源，用开关种类型的触发源，用开关S1选择，选择，如图如图7.14所示。所示。n触发耦合方式n示波器一般设有示波器一般设有4种触发耦合方式，可用开关种触发耦合方式，可用开关S2选选择，如图择，如图7.14所示。所示。图7.14触发源与触发耦合方式选择电路内触发外触发输入电源触发S1触发源选择C1触发源耦合方式选择S2DCACLF REJC2C3HF REJ触发极性选择触发放大 整形电路扫描触发方式选择（扫描触发方式选

19、择（TRIG MODE）n扫描触发方式通常有常态（扫描触发方式通常有常态（NORM）、自动（）、自动（AUTO）2种方式。种方式。na. 常态（常态（NORM）触发方式）触发方式n是指只有在有触发源信号，并且产生了有效的触发脉冲是指只有在有触发源信号，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，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。荧光屏上才有扫描线。nb. 自动（自动（AUTO）触发方式）触发方式n自动触发方式是指在一段时间没有触发脉冲时，扫描系自动触发方式是指在一段时间没有触发脉冲时，扫描系统按连续扫描方式工作，此时扫描电路处于自激

20、状态，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。有连续扫描锯齿波电压输出，荧光屏上显示出扫描线。n自动触发方式是一种最常用的触发方式。自动触发方式是一种最常用的触发方式。触发极性选择和触发电平触发极性选择和触发电平 图7.15不同触发电平和触发极性下所显示的波形（a）被测正弦信号（b）零电平 正极性触发（d）正电平 负极性触发（e）负电平 负极性触发（c）正电平 正极性触发（f）负电平正极性触发0t023uy1414322扫描信号发生电路扫描信号发生电路n 扫描发生器用来产生线性良好的锯齿波，又叫扫描发生器用来产生线性良好的锯齿波，又叫时基

21、电路，常由积分器、扫描门及比较和释抑电时基电路，常由积分器、扫描门及比较和释抑电路组成，如图路组成，如图7.16所示。所示。 图7.16扫描信号发生器组成框图 比较和比较和 释抑电路释抑电路 扫描扫描 闸门闸门 扫 描 电扫 描 电压产生电压产生电路路送送X放大器放大器触 发 脉触 发 脉冲冲触发触发连续连续扫描方式选择扫描方式选择n 为了更好地观测各种信号，示波器应该为了更好地观测各种信号，示波器应该既能连续扫描又能触发扫描，扫描方式既能连续扫描又能触发扫描，扫描方式的选择通过开关进行。的选择通过开关进行。在连续扫描时，没有触发脉冲信号，扫描闸门也不受触没有触发脉冲信号，扫描闸门也不受触发脉

22、冲的控制，仍会产生门控信号，并发脉冲的控制，仍会产生门控信号，并启动扫描发生器工作；启动扫描发生器工作；在触发扫描时，只有在触发脉冲作用下才产生门控信号。只有在触发脉冲作用下才产生门控信号。扫描门扫描门 n扫描门是用来产生闸门信号的，它有三扫描门是用来产生闸门信号的，它有三个作用。个作用。na. 输出时间准确的矩形开关信号，又称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。闸门信号，控制积分器扫描。nb. 闸门信号可作为增辉脉冲控制示波管，闸门信号可作为增辉脉冲控制示波管，起正程加亮作用。起正程加亮作用。nc. 在双踪示波器中利用闸门信号触发电在双踪示波器中利用闸门信号触发电子开关

23、，使之工作于交替状态。子开关，使之工作于交替状态。RC2RC1Rb2ui+ET1ReRb1T2uo（a）电路图 （b）工作波形 图7.17施密特触发器构成的扫描门HELEiuou积分器n扫描电压是锯齿形的，它由积分器产生。扫描电压是锯齿形的，它由积分器产生。na. 简单锯齿波的形成（a）电路图 （b）工作波形 图7.17简单锯齿波的形式KECRuoE tb. 线性良好锯齿波的获得线性良好锯齿波的获得图7.19密勒积分器的电路模型CRuoui i比较和释抑电路比较和释抑电路n 比较电路利用比较、识别电平的功能来控制锯比较电路利用比较、识别电平的功能来控制锯齿波的幅度。齿波的幅度。 （a）比较和释

24、抑电路 （b）施密特电路及有关输入输出信号 图7.20扫描环的工作过程比较和释抑VTb积分器扫描门RPRh+ECh+_稳定度-EVD+E来自释抑电路VT1去扫描环+E稳定度-EVD来自触发电路VT2+E3水平放大器水平放大器 n 水平放大器的基本作用是选择水平放大器的基本作用是选择X轴信号，并轴信号，并将其放大到足以使光点在水平方向达到满偏的程将其放大到足以使光点在水平方向达到满偏的程度。度。n 示波器除了显示随时间变化的波形外，还示波器除了显示随时间变化的波形外，还可以作为一个可以作为一个X-Y图示仪来显示任意两个函数间的图示仪来显示任意两个函数间的关系，因此关系，因此X放大器的输入端有放大

25、器的输入端有“内内”、“外外”信信号的选择。号的选择。置于“内”时，X放大器放大扫描信号；放大器放大扫描信号；置于“外”时，水平放大器放大由面板上，水平放大器放大由面板上X输入端输入端直接输入的信号。直接输入的信号。7.3.4 通用示波器的其它电路 n1高、低压电源高、低压电源n低压电源为电路各级提供所需的直流电压。低压电源为电路各级提供所需的直流电压。n高压电源电路多用于示波器的高、中压供电高压电源电路多用于示波器的高、中压供电n2Z轴增辉与调辉轴增辉与调辉n 增辉作用是将闸门信号放大，加到示波器管上，使增辉作用是将闸门信号放大，加到示波器管上，使显示的波形正程加亮。显示的波形正程加亮。n 调辉电路的作用是将外调制信号或时标信号加到示调辉电路的作用是将外调制信号或时标信号加到示波管上，使屏幕显示的波形与调制发生相应的变化。