模拟示波器显示波形的原理西南科技大学网络教育学院

1、模拟示波器显示波形的原理西南科技大学网络教育学院信号以为自变量的函数信号以为自变量的函数以以f 为自变量，为自变量，P或能量为因变量的函数或能量为因变量的函数以或事件出现的次序为自变量，以或事件出现的次序为自变量，把状态值为因变量的函数关系。把状态值为因变量的函数关系。例：脉冲发生器、函发、示波器、计数器例：脉冲发生器、函发、示波器、计数器例：频谱仪，例：频谱仪，布尔和冯布尔和冯诺依曼奠定了数学基础诺依曼奠定了数学基础例：逻辑分析仪，例：逻辑分析仪，麦克斯韦和傅立叶奠定了数学基础麦克斯韦和傅立叶奠定了数学基础频域频域数据域数据域在电子技术领域里，各种电信号多为时间的函数。在电子技术领域里，各种

2、电信号多为时间的函数。对于非周期性的、变化复杂的信号无法用简单的几个参对于非周期性的、变化复杂的信号无法用简单的几个参数去描述它们。最好的办法是使用示波器去观察测量和数去描述它们。最好的办法是使用示波器去观察测量和研究各种时域信号。示波器不仅能定性观察电信号的动研究各种时域信号。示波器不仅能定性观察电信号的动态过程，还可以定量地测量表征电信号特性的所有电参态过程，还可以定量地测量表征电信号特性的所有电参数。示波器除了测量电量之外，通过各种传感器还可以数。示波器除了测量电量之外，通过各种传感器还可以测量非电量。测量非电量。示波器复现电信号时变规律，是用途广泛的综合性仪器。1、示波器可代替一大堆仪

3、表。理由是：基本电信号V、I、P 等都表现为幅度的大小；基本电参数T、f、 以及调制特性、失真情况等都是时变规律。2、示波器是唯一可选仪器（对某些参数）。如：阻尼振荡，脉冲的上冲、下冲、上升、下降，重合等。tVO示波器复现电信号时变规律，是用途广泛的综合性仪器。1、示波器可代替一大堆仪表。理由是：基本电信号V、I、P 等都表现为幅度的大小；基本电参数T、f、 以及调制特性、失真情况等都是时变规律。2、示波器是唯一可选仪器（对某些参数）。如：阻尼振荡，脉冲的上冲、下冲、上升、下降，重合等。3、配合有关电路组成测试系统。如：晶体管特性图示仪，阻抗、频率、网络测试仪等。5.1 示波器的分类示波器的分

4、类5.2 模拟示波器模拟示波器5.3 多波形显示多波形显示5.4 取样示波器取样示波器5.5 数字存储示波器数字存储示波器5.6 示波器的应用示波器的应用重点：重点：模拟示波器模拟示波器模拟示波器的基本构成模拟示波器的基本构成模拟示波器显示波形的原理模拟示波器显示波形的原理示波器的应用示波器的应用难点：难点：模拟示波器显示波形的原理模拟示波器显示波形的原理示波器的应用：示波器的应用：电信号的时域测量电信号的时域测量非电信号（如温度、压力等）的变化测量非电信号（如温度、压力等）的变化测量示波器的特点：速度快，工作频率宽，可测高速脉冲速度快，工作频率宽，可测高速脉冲电子束惯性小电子束惯性小灵敏度高

5、，可观察微弱信号变化灵敏度高，可观察微弱信号变化 配有高增益放大器配有高增益放大器过载能力强过载能力强 非指针指示非指针指示输入阻抗高输入阻抗高5.1 示波器的分类示波器的分类A/D，D/AB 100MHz5.2 模拟示波器模拟示波器 模拟示波器的基本构成模拟示波器的基本构成 示波器显示波形的原理示波器显示波形的原理 垂直系统垂直系统 水平系统水平系统5.2.1 模拟示波器的基本构成由五部分构成。由五部分构成。5.2.1 模拟示波器的基本构成示波管示波管信号波形显示，将电信号转换为光信号。信号波形显示，将电信号转换为光信号。5.2.1 模拟示波器的基本构成垂直系统（垂直系统（Y通道）通道）使示

6、波管荧光屏上光点的位置在使示波管荧光屏上光点的位置在垂直（垂直（Y）方向上线性地反映被测信号幅度。）方向上线性地反映被测信号幅度。5.2.1 模拟示波器的基本构成水平系统（水平系统（X通道）通道）产生与被测信号相适应的扫描锯齿波，产生与被测信号相适应的扫描锯齿波，控制控制荧光屏上光点的位置在水平（荧光屏上光点的位置在水平（X）方向上由左向右循环移动，或在水平）方向上由左向右循环移动，或在水平（X）方向上线性地反映）方向上线性地反映X输入信号幅度。输入信号幅度。5.2.1 模拟示波器的基本构成Z轴电路轴电路增辉：将闸门信号放大，使显示的波形正程增辉：将闸门信号放大，使显示的波形正程加亮，回扫光迹

7、消隐。加亮，回扫光迹消隐。调辉：加外调制信号或时标信号，调辉：加外调制信号或时标信号，使屏幕显示波形的亮度发生相应地变化。使屏幕显示波形的亮度发生相应地变化。5.2.1 模拟示波器的基本构成电源与校准源电源与校准源电源：为其他电路提供高、低压工作电电源：为其他电路提供高、低压工作电源，其中高压提供给示波管。源，其中高压提供给示波管。校准源：产生幅度和频率准校准源：产生幅度和频率准确的方波，作为仪器的校准信号。确的方波，作为仪器的校准信号。5.2.2 示波器显示波形的原理 1.示波管示波管(CRT-Cathode Ray Tube，阴极射线管，阴极射线管) 的结构的结构电子枪电子枪发射电子并形成

8、很细的高速电子束发射电子并形成很细的高速电子束灯丝灯丝F、阴极、阴极K、栅极、栅极G1、前加速极、前加速极G2、第一阳极、第一阳极A1、第二阳极第二阳极A2灯丝灯丝F 加热阴极加热阴极K，K产生电子束产生电子束负电位栅极负电位栅极G1控制电子束的强弱控制电子束的强弱辉度调节辉度调节A1、A2构成电子束的聚焦构成电子束的聚焦A1聚焦调节聚焦调节 A2辅助聚焦调节辅助聚焦调节(1) 电子枪作用：作用：组成：组成：原理：原理：5.2.2 示波器显示波形的原理1.示波管（CRT）的结构(1) 电子枪5.2.2 示波器显示波形的原理1.示波管（CRT）的结构(2) 偏转系统5.2.2 示波器显示波形的原

9、理1.示波管（CRT）的结构(2) 偏转系统以垂直偏转板为例以垂直偏转板为例板长板长板间距板间距偏转灵敏度偏转灵敏度 V/cm提高灵敏度措施：提高灵敏度措施：5.2.2 示波器显示波形的原理1.示波管（CRT）的结构板屏距板屏距(3) 荧光屏5.2.2 示波器显示波形的原理1.示波管（CRT）的结构2. 示波管波形显示原理示波管波形显示原理(1) 显示随时间变化的波形 5.2.2 示波器显示波形的原理(2) 扫描的概念01234024135.2.2 示波器显示波形的原理2.示波管波形显示原理示波管波形显示原理01324001234(2) 扫描的概念5.2.2 示波器显示波形的原理2.示波管波形

10、显示原理(2) 扫描的概念01324012345.2.2 示波器显示波形的原理2.示波管波形显示原理(3) 同步的概念5.2.2 示波器显示波形的原理2.示波管波形显示原理(3) 同步的概念01234678109110123455678910012345679105.2.2 示波器显示波形的原理2.示波管波形显示原理(4) 扫描过程的增辉0123467801234567855012346785.2.2 示波器显示波形的原理2.示波管波形显示原理(5) 连续扫描和触发扫描5.2.2 示波器显示波形的原理2.示波管波形显示原理(5) 连续扫描和触发扫描5.2.2 示波器显示波形的原理2.示波管波形

11、显示原理t1Tx= t1(5) 连续扫描和触发扫描5.2.2 示波器显示波形的原理2.示波管波形显示原理t扫描扫描等待等待(6) XY方式波形显示012345.2.2 示波器显示波形的原理2.示波管波形显示原理(6) XY方式波形显示012340245.2.2 示波器显示波形的原理2.示波管波形显示原理(7) 主要的性能指标5.2.2 示波器显示波形的原理2.示波管波形显示原理指在输入信号无衰减情况下，光点在荧光屏指在输入信号无衰减情况下，光点在荧光屏Y方向上方向上移动移动1cm（即（即1格）所需的电压值，单位为格）所需的电压值，单位为“V/ /cm”、“mV/ /cm”（或（或“V/ /di

12、v”、“mV/ /div”）。2.示波管波形显示原理(7) 主要的性能指标(b) 偏转灵敏度偏转灵敏度表示了示波器表示了示波器Y通道的放大通道的放大/ /衰减能力，衰减能力，反映示波器观反映示波器观察微弱信号的能力，越小越好。与察微弱信号的能力，越小越好。与BW相矛盾相矛盾定义定义意义意义5.2.2 示波器显示波形的原理/ / /(7) 主要的性能指标(c) 扫描速度扫描速度/ / /5.2.2 示波器显示波形的原理2.示波管波形显示原理1、作用、作用2、组成、组成观测观测mV 几十伏电压，需要几十伏电压，需要放大及衰减电路放大及衰减电路5.2.4 垂直系统一、输入电路一、输入电路5.2.3

13、垂直系统一、输入电路一、输入电路5.2.3 垂直系统二、前置放大器二、前置放大器5.2.3 垂直系统三、延迟线三、延迟线5.2.3 垂直系统输入信号输入信号扫描电压扫描电压显示波形显示波形tT触发点触发点扫描起点扫描起点三、延迟线三、延迟线2、作用、作用5.2.3 垂直系统触发点触发点输入信号输入信号扫描电压扫描电压显示波形显示波形输入信号输入信号延迟后延迟后扫描扫描起点起点tTtd四、后置放大器四、后置放大器5.2.3 垂直系统1、作用、作用5.2.5 水平系统2、组成、组成一、触发电路一、触发电路 为扫描电路提供一定幅度和宽度的正触发脉冲为扫描电路提供一定幅度和宽度的正触发脉冲放大、整形放

14、大、整形电路电路内内外外电源电源C1C3ACTVHF REJDC常态常态自动自动 单次单次触发电平调节触发电平调节至扫描至扫描发生器环发生器环触发脉触发脉冲输出冲输出S1S2 S4 +- S3极性反极性反转电路转电路触发源触发源选择选择触发耦合方式选择触发耦合方式选择触发极触发极选择性选择性触发方式选择触发方式选择电视同步电视同步分离电路分离电路5.2.4 水平系统一、触发电路一、触发电路5.2.4 水平系统一、触发电路一、触发电路5.2.4 水平系统一、触发电路一、触发电路5.2.4 水平系统一、触发电路一、触发电路+ + 触发点位于触发信号的上升沿触发点位于触发信号的上升沿- - 触发点位

15、于触发信号的下降沿触发点位于触发信号的下降沿5.2.4 水平系统一、触发电路一、触发电路(a) 正电平、正极性正电平、正极性(b) 正电平、负极性正电平、负极性(c) 负电平、负极性负电平、负极性(d) 负电平、正极性负电平、正极性5.2.4 水平系统二、扫描发生器环二、扫描发生器环至至X X放大器放大器稳定度稳定度调节调节比较电平比较电平触发脉触发脉冲输入冲输入扫描闸门扫描闸门积分器积分器比较释抑比较释抑电路电路增辉脉冲增辉脉冲 +E+E5.2.4 水平系统二、扫描发生器环二、扫描发生器环5.2.4 水平系统5.2.4 水平系统二、扫描发生器环二、扫描发生器环来自扫来自扫描闸门描闸门- -+

16、 +RC+E扫描锯齿波输出扫描锯齿波输出Vot tt t作用：作用：控制扫描信号的始终点，使电路产生等幅扫描。控制扫描信号的始终点，使电路产生等幅扫描。5.2.4 水平系统二、扫描发生器环二、扫描发生器环 在比较电路中，输入电压与预置的参考电平进行比较，当输入在比较电路中，输入电压与预置的参考电平进行比较，当输入电压等于预置的参考电平时，输出端电位产生跳变，并把它作为电压等于预置的参考电平时，输出端电位产生跳变，并把它作为控制信号输出。它决定扫描的终止时刻。控制信号输出。它决定扫描的终止时刻。 释抑电路在扫描逆程开始后，关闭或抑制扫描闸门，使释抑电路在扫描逆程开始后，关闭或抑制扫描闸门，使“抑

17、制抑制”期间扫描电路不再受到同极性触发脉冲的触发。每次期间扫描电路不再受到同极性触发脉冲的触发。每次扫描都开始在同样的起始电平上。扫描都开始在同样的起始电平上。5.2.4 水平系统二、扫描发生器环二、扫描发生器环上触发电平上触发电平E1下触发电平下触发电平E2闸门输入闸门输入闸门输出闸门输出比较电平比较电平Ur扫描电压扫描电压E05.3 多波形显示多波形显示5.3.1 多踪显示Y1输入电输入电路路Y1前置前置放大器放大器Y1门电路门电路电子电子开关开关延迟线延迟线Y后置后置放大器放大器门电路门电路至至Y偏转板偏转板Y1输入输入控制信号控制信号Y2输入电输入电路路Y2前置前置放大器放大器Y2Y2

18、输入输入uy1uy2ux5.3.1 多踪显示uy1uy2ux5.3.1 多踪显示前置放大前置放大延长线延长线Y Y后置放大后置放大A A触发触发A A扫描扫描电子开关电子开关X X放大放大电压比较电压比较B B触发触发选择门选择门Y Y线光迹线光迹分离电路分离电路+ +- -B B扫描扫描R RP PY Y输入输入A A增辉增辉B B增辉增辉1 12 23 34 45.3.2 双扫描显示5.4 取样示波器取样示波器经放大和延长电路后的信号经放大和延长电路后的信号tt输入信号输入信号取样脉冲取样脉冲取样信号取样信号显示波形显示波形TD DtTD Dt1 12 23 34 45 52D Dt3D

19、Dt4D Dt数字储存示波器（数字储存示波器（Digital Storage OscilloscopeDSO），先将输入的模拟信号经），先将输入的模拟信号经A/ /D变换为数字信号，变换为数字信号，存储在存储器存储在存储器RAM中；需要显示时，读出中；需要显示时，读出RAM中的数中的数据，通过据，通过D/ /A恢复为模拟量，显示在屏幕上。信号处恢复为模拟量，显示在屏幕上。信号处理与显示功能独立。理与显示功能独立。数字储存示波器的性能指标，主要取决于数字储存示波器的性能指标，主要取决于A/ /D、D/ /A和和RAM。5.5 数字存储示波器数字存储示波器1. 数字存储示波器的基本组成数字存储示波

20、器的基本组成5.5 数字存储示波器数字存储示波器5.5 数字存储示波器数字存储示波器2. 数字存储示波器的基本原理数字存储示波器的基本原理DSO处于存储工作模式时，其工作过程一般分为存储处于存储工作模式时，其工作过程一般分为存储和显示两个阶段。和显示两个阶段。存储工作阶段：将模拟信号经A/D转换成数字化信号，在逻辑控制电路的控制下依次写入到存储器RAM中。显示工作阶段：将数字信号从RAM中读出，经D/A转换成模拟信号，经垂直放大器放大加到CRT的Y偏转板。同时，CPU的读地址计数脉冲加至D/A转换器，得到一个阶梯波扫描电压，驱动CRT的X偏转板。5.5 数字存储示波器数字存储示波器3.主要技术

21、指标主要技术指标最高取样速率fs 单位时间内的最高取样次数，由A/D的转换速率决定。存储容量 获取波形的取样点数，用存储单元数来表示。也称为记录长度。分辨力 量化的最小单元。包括垂直分辨率（电压分辨率）和水平分辨率（时间分辨率）。准确度 通过游标来测量，准确度可达1%。扫描时间因数存储带宽 分单次存储带宽和重复存储带宽。X-Y存储带宽 X、Y通道相同，与重复存储带宽相同。5.5 数字存储示波器数字存储示波器4. 数字存储示波器的功能特点数字存储示波器的功能特点触发点位置可任意设定 观测单次信号尤为方便。滚动方式 左右、右左和静止。峰值检测功能 可显示高频信号波形的包络。累计峰值检测功能平均功能

22、 可将湮没在噪声中的微弱信号检测出来。屏幕读出功能 可显示仪器和信号的有关参数。游标测量功能 可测量波形任意两点的电压和时间间隔；屏幕直读显示测量数据，减小人为误差。5.5 数字存储示波器数字存储示波器4. 数字存储示波器的功能特点数字存储示波器的功能特点存储波形的缩放 软件技术，方便观测波形细节具有记录输出功能菜单功能 简化硬件面板。接口功能 输出数据供打印和进一步处理；进行遥控和构成自动测试系统。5.5 数字存储示波器数字存储示波器5. 数字存储示波器与模拟数字存储示波器与模拟 (通用通用) 示波器的比较示波器的比较信号可分为两大类：信号可分为两大类：周期性重复信号周期性重复信号非周期、单次或随机信号非周期、单次或随机信号5.5 数字存储示波器数字存储示波器5. 数字存储示波器与模拟（通用）示波器的比较数字存储示波器与模拟（通用）示波器的比较与模拟示波器相比，数字储存示波器有以下优点：具有存储触发前信息的功能：可捕获和显示故障发生前的信号，便于检测分析。长