电子测量第3章示波测试和测量技术(新)

1、 示波器的功用、分类、组成和波形显示原理示波器的功用、分类、组成和波形显示原理 通用示波器的组成原理、特性与应用通用示波器的组成原理、特性与应用 取样技术在示波器中的应用取样技术在示波器中的应用本章重点本章重点：1. 1. 示波器是一种基本的、示波器是一种基本的、应用最广泛应用最广泛的时域测量仪器。的时域测量仪器。2. 2. 示波器是一种示波器是一种全息仪器全息仪器。示波器能让人们观察到信号波形。示波器能让人们观察到信号波形的全貌，能测量信号的幅度、频率、周期等基本参量，能测量的全貌，能测量信号的幅度、频率、周期等基本参量，能测量脉冲信号的脉宽、占空比、上升（下降）时间、上冲、振铃等脉冲信号的

2、脉宽、占空比、上升（下降）时间、上冲、振铃等参数，还能测量两个信号的时间和相位关系。这些功能是其它参数，还能测量两个信号的时间和相位关系。这些功能是其它电子仪器难以胜任的。电子仪器难以胜任的。 3. 3. 示波器从早期的示波器从早期的定性观测定性观测，已发展到可以进行，已发展到可以进行精确测量精确测量。4. 4. 示波器是其它示波器是其它图式仪器的基础图式仪器的基础。对扫频仪、频谱仪、逻辑。对扫频仪、频谱仪、逻辑分析仪以及医用分析仪以及医用B B超等各种图示仪器就容易理解了。超等各种图示仪器就容易理解了。当前常用的示波器从技术原理上可分为：当前常用的示波器从技术原理上可分为： （1 1）模拟式

3、模拟式通用示波器通用示波器（采用单束示波管实现显示，当前（采用单束示波管实现显示，当前 最通用的示波器）。最通用的示波器）。 （2 2）数字式数字式数字存储示波器数字存储示波器（采用（采用A/DA/D、DSPDSP等技术实现等技术实现的数字化示波器）。的数字化示波器）。（1 1）中、低档示波器，带宽在）中、低档示波器，带宽在60MHz60MHz以下。以下。 （2 2）高档示波器，带宽在）高档示波器，带宽在60MHz60MHz以上，大多在以上，大多在300MHz300MHz以下。以下。 更高档的有更高档的有1GHz1GHz2GHz2GHz以上。以上。 从性能上，按示波器的带宽可分为：从性能上，按

4、示波器的带宽可分为： FKG1G2A1A2Y偏转板X偏转板辉度聚焦辅助聚焦+E-E荧光屏电子枪偏转系统荧光屏6.26.2 示波管（示波管（CRTCRT） 示波管属于电真空器件，又称为示波管属于电真空器件，又称为阴极射线管（阴极射线管（CRTCRT）。KG1G2A1A2Y2X2F6.3V-1KV0VX1亮度Ug1聚焦聚焦UA1辅助聚焦后加速极后加速极A315KV电子枪电子枪偏转系统偏转系统荧光屏荧光屏Y1真空玻璃管真空玻璃管Z Z轴轴 1 1 电子枪电子枪电子枪的作用是电子枪的作用是发射电子并形成强度可控制的很细的电子束发射电子并形成强度可控制的很细的电子束。它由以下几部分组成：它由以下几部分组

5、成： 1.1.灯丝灯丝FF在交流低压在交流低压( (如如6.3V)6.3V)下使钨丝烧热下使钨丝烧热, ,用于加热阴极。用于加热阴极。2.2.阴极阴极KK是一个表面涂有氧化钡（其逸出功小，内部自由电子容易逸出）是一个表面涂有氧化钡（其逸出功小，内部自由电子容易逸出）的金属的金属 3.3.第一栅极第一栅极G1G1调节调节G1G1的电位可以调节示波器的亮度，即进行的电位可以调节示波器的亮度，即进行“辉度辉度”调节，常置于示波器面板上供使用。调节，常置于示波器面板上供使用。 当控制信号加于当控制信号加于G1G1，其，其亮度亮度可随之改变，则可以传递信息，称为示波器的可随之改变，则可以传递信息，称为示

6、波器的Z Z轴轴电路。电路。4.4.第二栅极第二栅极G2G2隔离开隔离开G1G1和和A1A1，以减小亮度调节与聚焦调节的相互影响。，以减小亮度调节与聚焦调节的相互影响。5.5.第一阳极第一阳极A1A1与第二阳极与第二阳极A2A2构成一个电子透镜，对电子束起构成一个电子透镜，对电子束起聚焦聚焦作用。作用。 6.6.第二阳极第二阳极A2A2是个更大的同轴圆筒，其上电压较高，它主要与是个更大的同轴圆筒，其上电压较高，它主要与A1A1构构成成电子透镜。调节电子透镜。调节A2A2电位的旋钮称为电位的旋钮称为“辅助聚焦辅助聚焦”。7.7.第三阳极第三阳极A3A3具有上万伏的高压，用于对电子束加速，故也称具

7、有上万伏的高压，用于对电子束加速，故也称后加速后加速阳极阳极。 KG1G2A1A2图图6.4 6.4 电子束的偏转电子束的偏转L LS Sy yU Uy yU Ua a屏幕屏幕电子束电子束A A2 22yyyaL syUhUb UyyyaVhVbVLsy2yyhD1yyyaVhVbVLsy2aybVLsh2在一定范围内，荧光屏上光点的在一定范围内，荧光屏上光点的偏移距离偏移距离与偏转板上与偏转板上所加所加电压电压成正比，这是用示波管观测波形的理论依据。成正比，这是用示波管观测波形的理论依据。 荧光屏荧光屏在示波管正面内壁涂上一层荧光物质，荧光物质将高速电子的在示波管正面内壁涂上一层荧光物质，荧

8、光物质将高速电子的轰击动能转变为光能，产生亮点。轰击动能转变为光能，产生亮点。 余辉时间余辉时间：当电子束从荧光屏上移去后，光点仍能在屏上保持：当电子束从荧光屏上移去后，光点仍能在屏上保持一定的时间才消失。从电子束移去到光点：亮度下降为原始值一定的时间才消失。从电子束移去到光点：亮度下降为原始值的的1010，所延续的时间称为余辉时间，所延续的时间称为余辉时间 小于小于10s10s的为极短余辉；的为极短余辉； 不同荧光材料余辉时间不一样：不同荧光材料余辉时间不一样：10s10s1ms1ms为短余辉（通常是为短余辉（通常是蓝色蓝色，便于摄影感光）；，便于摄影感光）；1ms1ms0.1s0.1s为中

9、余辉（通常为为中余辉（通常为绿色绿色，眼睛不易疲劳）；，眼睛不易疲劳）； 0.1s0.1s1s1s为长余辉（通常是为长余辉（通常是黄色黄色）；）；大于大于1s1s为极长余辉（通常是为极长余辉（通常是黄色黄色）。）。(a) Ux=0、Uy=0 (b) Ux=0、Uy=常量 (c) Ux=常量、Uy=0 (d) Ux=常量、Uy=常量Uy0123401324Uy-UytUx0123401324Ux-UxtUy0123401324Uy-Uyt0UxtUx-Ux由由0 0、1 1、2 2、3 3、4 4各点的显示各点的显示情况可以理解波形显示过程情况可以理解波形显示过程/xxxSkth t cmsuy

10、TyTxuxtt t015(6)234789012345678uytuxTy54xyTT101110911yxTT45TsT=Tstt(a)被测脉冲(b)连续扫描，且T=Ts不能观测到脉冲细节Tstt(a)被测脉冲(c)连续扫描，且T=T=脉冲得到展宽，但波形显示暗，而时基线太亮 Tstt(a)被测脉冲(d)触发扫描扫描等待能较好地观测脉冲 t015234678012345678uytuxTyTx=2Tyt0123401234uytux01234024。t0123401234uytux01234。 图图3-13 3-13 通用示波器的主要组成框图通用示波器的主要组成框图vivoR1R2C1C2

11、最佳补偿过补偿欠补偿Z1Z22211CRCR ：1122RCR C1122RCR C 触 发 点输 入 信 号扫 描 电 压显 示 波 形扫 描起 点tT触发点输入信号扫描电压显示波形输入信号延迟后td扫描起点tT触 发 源选 择触 发 耦 合方 式 选 择放 大 整 形电 路扫 描闸 门扫 描 电 压发 生 器水 平放 大 器比 较 和释 抑 电 路触 发 信 号触 发 电 路扫 描发 生 器 环至 X偏 转 板1.1.触发电路触发电路 作用作用-为扫描门提供周期与被测信号有关的触发脉冲为扫描门提供周期与被测信号有关的触发脉冲 图图3-22 3-22 触发电路及其在面板上的对应开关触发电路及

12、其在面板上的对应开关(1)(1)触发源选择触发源选择“内内”触发触发：利用从：利用从Y Y通道来的被测信号作触发信号，这是最通道来的被测信号作触发信号，这是最 常用的情况；常用的情况；“外外”触发触发：是用外接信号作触发信号，但触发信号的周期应：是用外接信号作触发信号，但触发信号的周期应 与被测信号有一定的关系，外触发常用在被测信号不适宜作触与被测信号有一定的关系，外触发常用在被测信号不适宜作触 发信号或比较两个信号时间关系的情况。发信号或比较两个信号时间关系的情况。“电源触发电源触发”：在观测与电源有关的信号时，可选：在观测与电源有关的信号时，可选“电源电源”触触 发，以便于与电源同步。发，

13、以便于与电源同步。 (2)(2)触发耦合方式触发耦合方式 “DC”“DC”直接耦合直接耦合：用于直流或缓慢变化的信号进行触发时；：用于直流或缓慢变化的信号进行触发时； “AC”“AC”交流耦合交流耦合：若用交流信号触发，置：若用交流信号触发，置ACAC方式，这时电容方式，这时电容 C C1 1（约（约0.47F0.47F）起隔直作用；）起隔直作用； “低频抑制低频抑制”：利用：利用C C1 1、C C2 2（约（约0.01F0.01F）串联后的电容，抑）串联后的电容，抑 制信号中大约制信号中大约2kHz2kHz以下的低频成分，主要目的是滤除信号中以下的低频成分，主要目的是滤除信号中 的低频干扰

14、；的低频干扰； “HF”“HF”高频耦合高频耦合：利用：利用C C1 1和更小的和更小的C C3 3（约（约1000pF1000pF）串联后）串联后 只允许通过频率很高的信号。只允许通过频率很高的信号。 (a) 正电平、正极性(b) 正电平、负极性(c) 负 电 平 、 负 极 性(d) 负 电 平 、 正 极 性现代示波器中现代示波器中设计了设计了“自动自动触发电路触发电路”，使触发点能自使触发点能自动地保持在最动地保持在最佳的触发电平佳的触发电平的位置。的位置。扫描闸门扫描锯齿波发生器比较和释抑电路+E至X放大器+E“稳定度”调节比较电平触发脉冲输入“增辉”脉冲图图3-18 3-18 施密

15、特电路及其滞施密特电路及其滞后特性后特性 u uo o 回回差差 u ub1b1 u ub1b1 E E0 0 E E0 0 释抑释抑电压电压触发脉冲触发脉冲 u ub1b1直流电平直流电平E E0 0 释抑电压释抑电压 （锯齿扫描电压产生，密勒（锯齿扫描电压产生，密勒(Miller)(Miller)积分器）积分器）U Uu u0 0U Uu u0 0U Uu ui i图图3-17 3-17 密勒积分器密勒积分器tRCEEdtRCuo1RCRC（分档）（分档）E E（微调）（微调）改变锯齿波斜率，即扫描速改变锯齿波斜率，即扫描速度度定义定义显示屏上单位长度所代显示屏上单位长度所代表的时间为示波

16、器的扫描速表的时间为示波器的扫描速度度S Ss s(t/cm)(t/cm)按按1 1、2 2、5 5分多档，例如分分多档，例如分2121档：档：0.2S1S/cm0.2S1S/cm积分器产生的锯齿波电压被送入积分器产生的锯齿波电压被送入X X放大放大器中放大，再加至水平偏转板器中放大，再加至水平偏转板图图3-19 3-19 比较和释抑电路示意图比较和释抑电路示意图-E-E充电充电放电放电E1E0E2Er来 自 比 较 电 路的 参 考 电 平（ 比 较 电 平 ）扫 描 发 生器 输 出 Vo上 触 发 电 平下 触 发 电 平通 过 “ 稳 定 度” 调 节 的 静 态工 作 电 平 E0触

17、 发 脉 冲12345抑 制 期回 扫 期开 始 下 一次 扫 描跟 随 Vo6释 放闸 门 输 出叠 加 后 的闸 门 输 入Up 触发扫描状态触发扫描状态欲看欲看3 3个脉冲个脉冲：1 1、5 5号脉冲触发有效号脉冲触发有效2 2、3 3号脉冲无用号脉冲无用4 4号脉冲要抑制号脉冲要抑制注意注意：三个时刻：三个时刻：t t1 1、t tp p、t t2 2三个时间：三个时间：t tb b、t th h、t tw w要求要求： t th httb b（释抑放电时间大释抑放电时间大于回扫时间于回扫时间）图图3-20 3-20 比较和释抑电路的工作比较和释抑电路的工作U UP Pu uo ou

18、ui it tp pt tw w图图3-21 3-21 在连续扫描情况下，比较和释抑电路的工作在连续扫描情况下，比较和释抑电路的工作t t1 1t t2 2t t4 4t t5 5t t1 1t t3 3C Ch h充充U Ur r连续扫描状态连续扫描状态预置：预置：调调 “ 稳 定 度稳 定 度 ” 使使 E E0 0EE1 1因此，不论是否有触因此，不论是否有触发脉冲都可以进行扫发脉冲都可以进行扫描。描。当有信号（当有信号（2 2号触发脉号触发脉冲）则环路被信号所冲）则环路被信号所同步。同步。取样脉冲p(t)输入信号Vi(t)取样信号Vo(t)tttt输入信号取样脉冲取样信号经放大和延长电

19、路后的信号（显示波形）mTt2 t3 t4 tsTmTt12345输入信号输出信号Vi(t)Vo(t)取样脉冲p(t)取样门RCSsTmTt12htf 输入信号Y放大器输出tmTt2 t 3 t4 tsTmTt12345tX放大器输出（扫描阶梯波电压）延迟线取样电路触发电路Y延长门垂直放大器水平放大器步进脉冲发生器Y输入外触发内外扫描信号发生器至X偏转板至Y偏转板A反馈电路CsCmui(t)S1取样门取样脉冲延长门脉冲S2延长门+-至Y放大器uo(t)跟随器交流放大器1csiuKA u21212oiiiiuKAuKA uuKAu快斜波发生器水平放大器电压比较器触发脉冲阶梯波发生器取样脉冲发生器

20、泵发生器至取样门至X偏转板30.44 0.64dBfssUnUFFesesssFFesTVLVStnVtVTVLtnS/1)(等效扫速因此，等效扫速与快斜波上升斜率成反比，可以通过调节快斜波斜率来调整等效扫速。应当指出，取样示波器是荷兰菲利浦（应当指出，取样示波器是荷兰菲利浦（PhilipsPhilips）公司最先研）公司最先研制成功的，制成功的，19691969年美国年美国HPHP公司也研制生产了取样示波器，公司也研制生产了取样示波器，带宽已达带宽已达18GHz18GHz，后来进展缓慢，以至停产。其主要原因：，后来进展缓慢，以至停产。其主要原因： 一是一是单纯的取样示波器只能观测重复性的周期

21、信号，应用范单纯的取样示波器只能观测重复性的周期信号，应用范围受限围受限； 二是二是数字技术的发展，已将数字技术的发展，已将取样技术融合到数字示波器中去了取样技术融合到数字示波器中去了，现代数字示波器不仅可以观测超高频重复性的周期信号，还可现代数字示波器不仅可以观测超高频重复性的周期信号，还可以观测瞬态的单次脉冲，并且还具有存储功能。以观测瞬态的单次脉冲，并且还具有存储功能。 因此，现在市场上已因此，现在市场上已很少见单纯的取样示波器了很少见单纯的取样示波器了，但取样示波，但取样示波器技术为现代数字示波器奠定了良好的基础。器技术为现代数字示波器奠定了良好的基础。 Y1输入电路Y1前置放大器Y1

22、门电路电子开关延迟线Y后置放大器Y2输入电路Y2前置放大器Y2门电路至Y偏转板Y1输入Y2输入控制信号uy1uy2uxuy1uy2ux前置放大延长线Y后置放大A触发A扫描电子开关X放大电压比较B触发选择门Y线光迹分离电路+-B扫描RPY输入A增辉B增辉12341234输 入 信 号A 触 发A 扫 描延 迟 触 发 电 平B 触 发B 扫 描A 增 辉B 增 辉合 成 增 辉KGA1A2G11G12G21G22K1K2收集极存储介质存储栅网荧光屏YX写入电子枪偏转系统读出电子枪记忆与显示记录系统泛射系统衰减器放大器触发电路A/D转换器延迟线存储器（RAM）D/A转换器地址计数器D/A转换器垂直放大器水平放大器扫描发生器逻辑控制电路（微处理器）输入外触发内外实时存储实时实时存储存储至X偏转板至Y偏转板新波形到来移出，消逝输入波形放大显示波形(