示波器原理与检定

1、第一章 示波器概述第一节 示波器的特点与分类一、 示波器的特点示波器是以短暂扫迹的形式显示一个量的瞬时值的仪器，也是一种测量、观察、记录用的仪器。它利用一个或多个电子束的偏转，得到表示某变量函数瞬时的显示。直观表示二维、三维及多维变量之间的瞬态或稳态函关系、逻辑关系，以及实现对某些物理量的变换或存储。示波器已成为一种直观、通用、精密的测量工具，广泛地应用于工农业生产、科研、军事、教育各个领域中，进行对电量和许多非电量的测试、分析、监视，示波器发展速度、销售额都远远超过其它电子测量仪器。示波器年销售额大约占整个电子测量仪器总销售额的百分之十三左右。二、 示波器分类根据目前示波器发展的现状，示波器

2、可分为以下九类：1 通用示波器简易示波器、示教示波器、高灵敏度示波器、慢扫描（超低频） 示波器、多线示波器、多踪示波器等。2 取样示波器高阻取样示波器、低阻取样示波器、时域反射仪等。3 存储示波器 记忆示波器、数字存储示波器等。4 数字智能化示波器数字读出示波器、数字处理示波器、智能化示波器等。5 电视分析仪矢量示波器、波形监视器、选行示波器。6 逻辑分析仪逻辑示波器、逻辑分析仪等。7 XY示波器XY示波器、立体声示波器等。8 显示器CRT终端、监视示波器等。9 特种示波器高压示波器、行波示波器、雷达示波器等。第二节 示波器发展趋势一、 示波器发展趋势1 通用（宽带）示波器它是最早发展起来的示

3、波器。被测信号输入通道进行放大后，加至示波管的垂直偏转板。扫描电路产生锯齿波加至示波管的水平偏转板，将被测信号稳定地显示在示波管屏幕上。该种示波器应用面最为广泛，凡涉及电子技术的地方均离不开它。（1） 中、低档示波器 指频带宽度为100MHz以下，Y轴灵敏度为210mV/div的示波器。它主要用于现场维修，生产线调试及实验室一般性测量等方面，需求量很大，占示波器总销售量的百分之五十以上。该类示波器正向集成化（目前集成度达百分之八十以上）、多功能（多通道显示、交替触发、延迟触发、双滞后扫描等）、高精度（测量误差由5%提高到0.5%）、低成本、及小型化等方向发展。（2） 高档示波器 随着科学技术的

4、发展，对测试的频带宽度提出了便愈来愈高的要求。一般频宽度为100MHz以上的示波器，称为高档示波器。它主要用于科研、军事等领域。2 取样示波器由于通用示波器带宽受到各种因素的限制。为了观察和测试高频或超高频信号（一般为1000MHz以上的信号）而引入了新的取样技术。将高频的重复性的周期信号，经过取样（取样速率可调节），变换成低频的重复性的周期信号，再运用通用示波器的原理进行显示和观测从而形成一种新的示波器，这就是取样示波器。3 高灵敏度示波器它是一种灵敏度较高（一般为量级），频带宽度较窄（一般为1MHz）的示波器。其Y 轴具有高增益的直流放大器。它能测量和显示一般示波器不能观察到的各种微弱低频

5、信号，也能同时观察和测定两种不同信号的瞬变过程，并进行对比、分析和研究。它还可同时差分输入A、B端，将外界幅度较大的同相干扰强信号抑制掉，显示出有用的低频微弱信号。高灵敏度示波器主要用于科研、军事、工业等部门，对医学、生理研究有其独特的用处，是必不可少的仪器。其主要指标有噪声、漂移和同相抑制比。4 记忆示波器 记忆示波器是一种借助记忆示波管以及相应的电路，将被测信号记忆下来（在关机后，还可记忆相当一段时间）的示波器，主要用于记录瞬变的单次信号。此种示波器给波形的分析研究带来极大的方便。5 数字存储示波器数字存储示波器是随着数字电路的发展而发展起业的一种具有存储功能的新型示波器。它与记忆示波器一

6、样，都具有记录功能，但其工作原理却截然不同。它采用数字电路，将输入摸拟信号用A/D变换器，变换成数字信息，存储于存储器中。待需读出时，再通过D/A变换器，将数字信息变换成摸拟波形显示在示波管上。与记忆示波器相比，数字存储示波器具有存储时间长，能捕捉触发前的信号，可通过接口与计算机相连接等到特点。正是由于数字存储示波器引入数字处理技术，并与计算机一起构成联机系统，使其对于复杂的单次瞬变信号的记录存储及分析研究非常有效，在各行各业（包括电子、机械、纺织、水力以及军事应用领域等）都有其广阔的发展天地。6 逻辑分析仪（逻辑示波器） 逻辑分析仪是随着数字技术、计算机技术的发展而产生的一种崭新的测量仪器。

7、主要用于科研、调试、检查、维修数字电路和计算机的软硬件。它在数字领域里的地位与示波器在摸拟领域里的重要地位相当。示波器与逻辑分析仪的基本区别是：前者所显示与测量的是信号的状态及其参量值，而后者显示的则为信号的状态和它们之间的状态关系，亦即逻辑状态的关系。7 电视专用示波器 随着40年代电视的出现，促进了电视专用测试设备的发展，并成为电子测量仪器的一个分支。电视专用示波器，包括波形监视示波器、选行示波器、矢量示波器等。主要用于电视设备的科研生产厂家及电视台、电视转播车、卫星转播站中。8 数字化、智能化示波器 微处理器已广泛地应用于电子测量仪器。我们把带有微处理器的示波器通称为数字化、智能化示波器

8、。它是示波器继集成化之后的又一个新的发展阶段，是示波器发展的方向。 示波器数字化的初级阶段只是用数字字符显示被测信号的信息内容，现在已把数字技术和微处理器应用于信号的检测、处理、显示整个过程中，迈上了智能化的台阶。随着微处理器的发展，示波器智能化的程度也会愈来愈高。(3) 平行度偏差值。(33) 校准信号(1) 电压(电流)幅度及误差；(2) 频率及误差。第二节 主 机一、 低压电源 示波器中低压电源是给各部分电路供给稳定的电源电压，常用的有±12V、±15V、±24V、±30V、±150V等。示波器低压电源的形式，常用的有四种，即串联调整稳压

9、电源、无工频变压器的开关电源、三端式集成稳压器的应用、交直流供电。二、 高压及显示电路 高压电源给示波管显示电路供给高压，具有辉度、聚焦和辅助聚焦调节控制作用。1 高压发生器 直流高压是采用变换器，将直流低压变换成中频高压，经中频整流、滤波形成直流高压的。中频滤波电容容量小，结构体积小；变换器内阻较高，人体意外接触危害小，安全性能好。近来高压变换器常用推挽式振荡，易于启动自激，振荡稳定，负载能力强。2 一般显示电路 示波管内各电极工作电压，要符合一定数值，才能形成比较理想的电子束，然后扫描出所要观察测量的信号波形。3 解调增辉电路 常用的浮动控制栅极电压增辉方法，因变换器的高压输出内阻高、两组

10、高压线圈双各自倍压整流输出送至有关电极，当环境温湿度变化绝缘情况欠缺时，由于高压调整只以控制阴极电压为准，便引起已经调整后的示波管栅阴间的偏置电压变动，造成示波器辉度关不掉或亮度开不大，直接影响了示波器的正常工作。为此，示波器采用了解调方式的增辉电路，用低压转换来控制辉度，避免了高压易变所带来的影响。4 自动聚焦电路 高频示波器在观察测量高频信号时要扫速快，为了观察方便，波形清晰，就要求辉度控制调节示波管高亮度，但随着带来了聚焦变差的问题，从而就提出了要使聚焦电压跟随辉度控制作直应变动的问题。自动聚焦电路，使示波器在不同的显示辉度时均有良好的聚焦。一般说来，示波管聚焦电压在低辉度和中辉度时基本

11、保持不变，而在高亮度显示时，聚焦电压应随增辉脉冲的增大而增加（变得更负）。三、 Z轴放大器 示波器屏幕上波形的辉度，通常由X扫描系统的扫描闸门信号、Y垂直系统的断续消隐信号，外接Z轴调辉信号及面板上辉度电位器所控制。这些信号幅度都很小，而示波管控制栅极电压必须有较大幅度值才能进行辉度控制，因此就引入了Z轴放大器。为了快扫描时辉度良好，还要求Z轴放大器具有快速成高频响应性能。四、 校准信号 通常示波器主机中有一个固定频率和幅度，并具有较高准确度的内部信号源。它可是方波、正弦波或脉冲波，用作自校水平系统扫速和垂直系统灵敏度。3阻抗转换电路 为了减小对被测电路的影响，Y轴输入为高阻输入电路。二、 前

12、置放大器 前置放大器通常用来将单端输入信号变成双端对称信号输出。它的增益要求不高，但频带宽度要比整体的频响指标值还要宽广，同时还要实现各种控制功能增益微调、增益扩展、变换极性和垂直位移等。这就需合理安排控制点，避免插入控制电路所造成的影响（失真等）。为此，一般采用共发共基差分放大电路。三、 垂直通道开关转换电路（电子开关） 通常双踪示波器具有Y1、Y2、交替、断续、Y1+Y2五种显示工作方式，其转换工作方式的电子开关由多谐振荡器和门电路组成。多谐振荡器产生控制信号控制门1和门2的接通或断开，从而控制了来自前置放大器Y1通道和Y2通道的信号的通断。分立元器件的电子开关电路。四、 延迟线功能及驱动

13、放大器 考虑到水平扫描锯齿波信号起始点与触发信号之间有一段延迟时间，为了观测脉冲的前沿，就必须在Y轴放大器中插入延迟线，使被测信号的起点与扫描信号起点同步。为此，延迟线在Y轴的频带宽度内，人能无失真地滞后一段时间传输被测信号，滞后时间称为延迟线的延迟时间（td）。示波器延迟线的延迟时间通常为60ns200ns。为了防止延迟线传输信号产生反射，导致波形失真，它的特性阻抗必须与电路上的负载相匹配。五、 内触发放大器1 取出形式内触发信号是用来触发起动水平扫描电路，使扫描电压与被观测的信号波形同步。内触发信号应从垂直放大电路中引出，其引出点主要考虑触发电路对垂直放大器的影响要尽量小。过去往往是从垂直

14、放大电路的共发放大器或共基放大器的晶体管集电极引出内触发信号，但由于晶体管是双向器件，内触发信号触发整形后的不良影响就会反馈至输入端，导致放大显示信号的失真。现在触发信号引出端一般选在晶体管发射极跟随器的输出端，或从并联电压负反馈电路引出，其输出阻抗低，使内触发整形后反馈影响被减小。2 组合触发 双踪示波器用来显示两个相关信号时，只要用从一路通道引出的内触发信号，就可使两路信号相对稳定的显示。若需用一台示波器监测两个各不相关的信号时，就要用双踪示波器的组合触发功能，才能使两路信号稳定显示。主放大电路中交替出现的两踪信号，各自分别触发启动扫描电路，屏幕上将会稳定一显示两面三刀路不相关的信号波形。

15、 若要一台示波器既能监测相关信号，又能监测不相关信号，其触发信号引出处就不同，主要考虑是放大量不一致及如何使触发灵敏度指标相同。如用直流放大器还要考虑通道触发引出电路电平和主放大触发引出电路电平的划一，才能与内触发主放大器级连。中、高档宽带示波器，要求内触发放大器频响宽并工作稳定，故而采用由电子开关控制的通道触发器，实现单一信号触发扫描，或者通道信号组合交替触发启动扫描。六、 主放大器 垂直主放大器的基本功能是把由延迟线输入的被测信号放大到足够大的幅度，用以驱动示波管垂直偏转系统，使荧光屏上显示观测信号。主放大器应在满足带宽的前提下有足够的增益和动态范围，足够小的非线性失真。为了满足上述要求，

16、电路形式有多种多样，但基本程式大体相同。第四节 水 平 系 统为了在示波管屏幕上显示所要观测的信号波形，在水平方向上必须有随时间作线性变化的锯齿波电压（扫描电压），该扫描电压的周期要严格地与被测信号的周期同步。由于示波管水平偏转灵敏度较低，必须通过水平放大器扫描电压放大到足够幅度，并以推挽信号形式，将扫描电压加到水平偏转板。图2-9示出了能满足上述要求的示波器水平系统方框图。它主要由触发电路、扫描电路和水平放大器等组成。内水平放大器入放大器扫描电压器发生器闸门电路触发整形电路触发输入放大器外释抑电路入放大器触发电路包括触发输入耦合电路、触发输入放大器和触发整形电路等。控制作用有触发源选择、耦合

17、方式选择、触发极性选择、触发方式选择以及触发电平调节等。扫描电路包括闸门、扫描电压发生器和释抑电路等。控制作用有扫描时间因数调节和释抑时间调节等。水平放大器的控制作用有X选择、X轴位移、扫描时间因数校准、扫描扩展等。一、 触发信号和耦合电路通常触发信号取自Y轴被测信号，称作内触发。当显示与市电交流电网50Hz有同步关系的信号时，触发信号就选自电源触发电路。当被测信号为复杂的调制波，或者组合脉冲串，而用内触发不易建立稳定显示时，往往选用与同一系统有同步关系的外触发信号来同步触发扫描。 触发信号输入对应不同的测量波形以及观察要求，需采取不同的耦合方式。实用电路见图2-40。一般触发信号是交流耦合，

18、防止放大器直流漂移而影响同步稳定性。慢速信号需直流耦合，否则低频端信号要受到衰减而降低示波器的触发灵敏度。对于受干扰信号波，如果是受低频干扰的高频信号，触发信号输入可采用低频抑制耦合方式（LF REJ）,去掉低频干扰分量，以获得良好的高频信号稳定显示。如果是受高频干扰的低频信号，触发信号输入需入需采用高频抑制耦合方式（HF REJ）,去除高频干扰分量，示波管屏幕上低频信号能良好同步显示。这四种触发信号耦合方式，基本上能够满足各种信号稳定显示的需要。由图2-40可知，电源触发信号50Hz正弦波经过阻容R2、C2和R3、C3二级RC衰减二、 触发放大器及整形电路1 常用触发放大整形电路 由于触发信

19、号源不同，它的信号幅度、频率、极性、波形的复杂程度出不同。为此，需要触发放大器及整形电路，把不同的触发信号转换成能启动扫描电路的触发脉冲。要求触发脉冲有陡峭的前沿和足够的幅度，以使扫描闸门可靠而迅速地翻转。同样要求触发放大器具有高的输入阻抗、输入保护电路、较强的过载能力和足够的频带宽度。触发放大器实质上是一个差分放大的电压比较器，一端为触发信号输入，另一端为被测信号波形触发电平调节。 触发整形电路在触发放大器输出信号的作用下，形成一个边沿陡峭、宽度适中的矩形脉冲，经过微分，转换成单极性的尖脉冲，即触发脉冲，去驱动扫描闸门电路齐心启动扫描。一般整形电路是采用发射极耦合双稳态多谐振荡器，其电路简单，整形良好，电路工作稳定可靠。2 带全自动触发放大整形电路 全自动触发的含义，一是包含自动触发，二是包含触发电平是自动选择的，即不必手动触发电平控制器就可以全自动显示。三、 扫描电路 在目前示波器中，锯齿波扫描电压是采用密勒扫