第3章 示波测试技术

1、第三章第三章 示波测试技术示波测试技术 示波器是最常用电子测量仪器之一，它能借助阴极射线示波管CRT（Cathode Ray Tube）电子射线的偏转，快速地将人们无法直接看到的电信号转换成肉眼可直接观察的波形，并显示在示波器的屏幕上。通常用于观测被测信号的波形，或用于测量被测信号的幅度、周期、频率、相位、调制系数等，有时也用于间接观测电路的有关参数及元器件的伏安特性，或者利用传感器测量压力、温度、密度、声、光、磁效应等各种非电量。 3.1 概述1电子示波器的特点 （1）具有良好的直观性，可直接显示信号波形，也可测量信号的瞬时值。（2）敏度高、工作频带宽、速度快、为观测瞬变信号的细节带来了很大

2、的便利。（3）输入灵敏度高（兆欧级），对被测电路影响小。（4）是一种良好的信号比较器，可显示和分析任意两个量之间的函数关系。3.1.1 示波测试的特点及分类 2. 电子示波器的分类: （1）模拟示波器：通用示波器 多束示波器 取样示波器 （2）数字示波器：数字存储示波器 数字荧光示波器 （3）混合示波器 （4）特种示波器 3.1.2 示波测试的基本原理1示波管 示波管（又称阴极射线管CRT）是示波器的心脏，其作用就是把电信号转换为光信号而加以显示。示波管主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三大部分组成，三大部分均封装在密闭呈真空的玻璃壳内，其结构示意图如图3-1所示。 栅极 后加速阳极 （1）电子枪

3、电子枪的作用是发射电子并形成很细的高速电子束。电子枪组成 1.灯丝F 2.阴极K 3.控制栅极G 4.第一阳极A1 5.第二阳极A2 6.后加速阳极A3（2）偏转系统偏转系统的作用是使电子束（光点）产生在垂直和水平方向上的位移。 线性偏转特性线性偏转特性 ：偏转的距离分别与加在偏 转板上的电压大小成正比。X偏转板上 加扫描电压（通常为锯齿波），Y偏转板上 加被测信号电压。扫描电压是与时间成正比的锯齿波，因此电子束在水平方向上偏转的距离与时间成正比。 两个概念：两个概念：偏转因数偏转因数（V/cm 或 V/div）表示亮点在荧光屏垂直方向上移动1cm或1div（1格，一般为1cm或0.8cm）所

4、需的电压。改变偏转因数的值可以改变被测电压加到示波管Y偏转板上电压大小，从而改变显示波形的显示幅度。 偏转因数（V/div）的倒数称为 偏转灵敏度偏转灵敏度 （div/V），数值越小，灵敏度越高。时基因数时基因数（t/div）表示亮点在荧光屏水平方向上移动1cm或1div所需的时间。改变时基因数可以改变加在示波管X偏转板上扫描电压的大小，从而改变显示波形的宽度。 时基因数的单位为 “ t/cm ”或“ t/div ”， t 为 “ s ”、“ ms ” 或 “s ” 。 时基因数的倒数称为 “ 扫描速度扫描速度 ” ， 单位为“ cm/s ” “ div/s ” 。（3）荧光屏：示波器显示部分

5、余辉时间:电子停止轰击后发光强度下降至初始光强度的10% 。短余辉（小于1ms）中余辉（1ms2ms）长余辉（大于2s，甚至可达几分钟或更长）通用示波器采用中余辉示波管； 高频示波器采用短余辉示波管； 超低频示波器采用长余辉示波管。2. 波形显示原理（1）显示随时间变化的波形：逐点描述 0 3 2 1 4 4 3 2 1 0 0 Vx t t Vy 屏幕显示 被测信号 Vy 扫描信号 Vx 在示波管中，电子束同时受x和y两个偏转板的作用，若y偏转板上加正弦波信号电压uy=Uymsint ，x偏转板上加锯齿波电压ux=kt ，且Tx=Ty，则电子束在两个电压的同时作用下，在水平方向上和垂直方向上

6、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。若两偏转板的信号都为正弦波且初相相同，可在荧光屏上显示一条与水平轴呈45角的直线，若两个信号的初相为90，则在荧光屏上显示出一个正椭圆，若x和y方向的偏转距离相同，则显示一个正圆形。示波器两个偏转板上都加正弦电压时显示的图形称李沙育图形，这种图形在相位和频率测量中常常会用到。如图3-3(a) 所示为不同初相时的李沙育波形。（2）显示任意两个变量X与Y的关系(c)(b)若给双通道示波器CH1和CH2输入成倍数关系的频率信号，如两通道信号频率比为CH1：CH2为1:1、1:2、1:3或2:3时，所呈现的李沙育波形是不同的。如图(

7、b)、(c)所示为CH1：CH2 =1:1时，即 fy / fx=1/1， fy / fx = 2/1及3/1，3/2时的李沙育图形。3）扫描的概念 若在示波管X偏转板上加上如图3-4所示的锯齿波扫描电压，则电子束就沿水平方向偏转，荧光屏就显示出一条水平扫描线；此时，在Y偏转板上加上被测电压信号，电子束就受到两个互相垂直的电场力的作用，向合力方向偏转，描绘出波形。 图中TS为扫描正程时间，在此期间电子束产生自左至右的移动，称为“扫描正程”；Tb为扫描逆程时间，在此期间电子束产生自右至左的移动，称为“扫描逆程”或“扫描回程”；Tw为扫描休止时间。当扫描逆程时间和扫描休止时间均为0时，扫描电压为理

8、想扫描电压。wbsXTTTTTs 为扫描正程时间，在此期间电子束产生左 至右的移动，称为 “ 扫描正程 ” ； Tb 为扫描逆程时间，在此期间电子束产生自 右至左的移动，称为 “ 扫描逆程 ” 或 “ 扫描回程 ” ；Tw 为扫描休止时间；Tx 为扫描信号周期；Ty 为被测信号周期。当扫描逆程时间和扫描休止时间均为0时，扫描电压为理想扫描电压。关于回扫线问题：4 4） 连续扫描和触发扫描连续扫描和触发扫描：为了使荧光屏上获得稳定的图像，水平系统还必须能够选择适当的连续同步或触发信号，以产生稳定的线形扫描电压。在示波器中，扫描通常分两种形式即连续扫描和触发扫描。 在示波器中，扫描通常分连续扫描和

9、触发扫描两种形式。示波管除供电部分外，再加上扫描电压发生部分和输入电压变换部分则构成示波器。示波器通常采用电平触发的方法提取被测信号的周期信息，从而实现扫描电压与被测信号的同步，这个过程称为触发同步，在这种状态下的扫描称为触发扫描，是示波器优先采用的扫描方式。触发扫描时锯齿波可以是连续状态，也可以是间歇状态。扫描信号是在触发脉冲作用下产生的，两者应是同步的。要注意选择扫描时基因数，使显示的波形易于观测，通常在屏幕上以能显示15个被测信号的周期为宜。 有时，扫描电压是在自激状态下产生的，这种状态下的扫描称为连续扫描。连续扫描是在示波管的水平偏转板上加上不间断的连续的锯齿波，无论有无被测信号，扫描

10、总是连续进行。 要想在荧光屏上得到稳定不动的波形，必须使被测信号频率与扫描锯齿波频率保持整数倍关系，且采用连续扫描时只适宜于观测连续的信号,若用于观测占空比较大的窄脉冲信号就会出现问题。如图3-7所示。脉冲信号的分析主要有以下几个指标：上升时间、下降时间、脉宽、幅度、上冲、反冲等等。 当扫描频率与窄脉冲的重复频率相等时，显示的脉冲很窄。a图为被测的窄脉冲信号，b图为采用低速的连续扫描信号，c图为采用高速的连续扫描信号，扫描周期分别为T=Ty和T=，b图中波形水平方向被压缩，在示波器屏幕上很难看清波形的细节，无法分析脉冲信号的各个参数。为了将脉冲信号展开显示需提高扫描速度，这里只有提高扫描频率，

11、如c图所示。 但高速扫描很多周期内扫不到信号，如图中除2和11号扫描出脉冲波形外，其余的3、4、510周期此时只扫出时基线，称空扫。因此 c图的波形虽然展开但波形非常暗淡而时间基线却很明亮，不仅观察困难，而且同步也难。d图所示采用触发扫描，同时选择扫描电压的持续时间等于或稍大于脉冲底宽，在屏幕上就会看到几乎布满整个横轴、明亮清晰的信号波形而不显示出时基线，可以对脉冲信号的各个参数进行测量，因此采用连续扫描观测窄脉冲信号是不太适宜观测窄脉冲信号。应该在有被测信号输入时才扫描，这就是触发扫描。触发扫描又称等待扫描，其特点是每次扫描均由被测信号触发启动。当信号来到时，示波器进行一次扫描，信号过去后，

12、扫描也就停止，等待下一次信号的到来。3.1.3 示波器的主要技术指标1频带宽度BW和上升时间tr 当示波器输入不同频率的等幅正弦信号时，屏幕上对应于基准频率f的显示幅度随频率下跌3dB时的上限频率与下限频率之间的宽度，即。一般来说示波器频带宽度均为Y通道的频带宽度，现代示波器的一般延伸至0Hz，因此，频带宽度可用上限频率来表示。通常要求 (为被测信号最高频率)。 上升时间用于表示在输入脉冲等瞬变信号时示波器Y通道的过渡特性（瞬态响应特性），即在Y通道输入端加一个理想的脉冲信号，显示波形从稳定幅度的10%上升到90%所需的时间，它间接反映了示波器Y通道能否跟得上输入信号变化的性能，上升时间越短，

13、性能越好。2扫描时基因数 扫描时基因数是用来描述时间基线的刻度特性。它表示亮点沿x轴方向移动单位长度所需的时间，单位为“t/cm”或“t/div”，时间t可取s、ms或s。时基因数的倒数称为扫描速度，扫描速度越快，示波器显示出的波形越宽，反之越窄。3垂直偏转因数 指信号反馈至y输入端，在无衰减情况下，亮点在屏幕上y方向偏转单位长度所需电压的峰-峰值。单位为VP-P/div或VP-P/cm。4输入阻抗输入阻抗Zi Y通道的输入阻抗包括输入电阻Rin和输入电容Cin。在观测信号波形时，Rin越大，Cin越小，对被测电路的影响就越小。示波器输入阻抗Zi，即对于被测电路来说的等效负载，一般可等效为输入

14、电阻Rin和输入电容Cin并联。一般Ri=（15%）M，则随频带宽度的增加而减小，一般Ci在35pF左右或以下。5输入方式输入方式 示波器输入方式即输入耦合方式，一般有直流（DC，即直接耦合）、交流（AC）和接地（GND）三种耦合方式。直流耦合可以将输入信号中的交、直流成分等都加到示波器上加以显示。交流耦合可隔离被测信号中的直流及慢变化分量，抑制工频干扰，便于测量高频及交流瞬变信号。接地耦合将示波器Y通道输入短路，通常在测量直流电压时，为确定零电平位置而选用。变换交流耦合和直流耦合，可以测出交流信号中直流成分的大小。6触发源选择方式 触发源指用于提供产生扫描电压的同步信号来源，一般有内触发(I

15、NT，双踪示波器又有CH1、CH2之分。)、外触发(EXT)和线触发（LINE）三种方式。内触发指由被测信号来产生同步触发信号。外触发指由外部电路提供的信号来产生同步触发信号。线触发又称为电源触发，指利用示波器内部的工频电源来产生同步触发信号。 3.2 模拟示波器的基本组成通用示波器基本组成示波器组成：示波器组成：（1）X通道（水平系统）（2）Y通道（垂直系统） （3）主机部分 (Z轴系统 ) X 通道主要作用是：在内触发信号的作用下，输出大小合适、极性相反的双端对称扫描电压，以驱动电子束进行水平扫描。 X通道组成 触发电路 扫描电路 X放大器Y Y 通道通道（垂直系统）主要作用是：对单端输入

16、的被测信号进行变换，处理成为大小合适极性相反的双端对称输出信号加到Y偏转板上，使电子束在垂直方向上产生偏转。 Y通道组成 衰减器 前置放大器 延迟级 输出放大器主机部分主机部分 ：主机部分主要包括 标准信号源 增辉电路 电源 示波管增辉电路的主要作用是：在扫描正程使波形增辉，而在扫描逆程、扫描休止期使回扫线和休止线消隐；或在外加输入信号作用下，对显示的波形进行亮度调制。3.2.2 示波器的通道Y 通道主要作用：（1）对输入的被测信号进行处理变换，成为 大小合适的双极性对称信号，使显示的 波形适于观测；（2）向X通道提供内触发信号源；（3）补偿X通道的时间延迟，以观测到诸如脉 冲等信号的完整波形

17、。 Y 通道组成： 输入电路 前置放大器 延迟级 后置放大器（1）输入电路主要包括： 探极 耦合方式转换开关 衰减器 阻抗变换及倒相放大器探极探极： 有源探极 无源探极（常用）高频特性良好、抗干扰能力强、高输入阻抗（10M ，十几pF )。探极中通常设置有衰减器。有源探极具有良好的高频特性，衰减比为1:1，适于测试高频小信号,但需要示波器提供专用电源，应用较少。无源探极则被广泛应用，衰减比（输入:输出）分别为1:1、10:1 和 100:1 三种，普遍使用前两种（后者用于高频测量）。耦合方式选择开关: DC、AC、GND 衰减器： 阻容步进衰减器 2C iu ou 1R 2R 1C C2i01

18、212阻抗变换及倒相放大器： 单端输入转双端输出： 克服放大器零点漂移的影响， 提高了放大器输入阻抗， 隔离前后级的影响， 满足了Y偏转板对称信号输入的要求 。（2）Y轴放大器 Y轴放大器分前置放大器和后置放大器两种。前置放大器的作用是：放大、补偿。对前级输出信号进行放大，补偿延迟级对信号的衰减损耗；为X通道的触发电路提供大小合适的内触发信号，以得到稳定可靠的内触发脉冲。与前置放大器有关的开关旋钮有：“倒相”开关、垂直“移位”旋钮。“倒相”开关通过对称地改变加在前置放大器的双端输入信号的极性使显示波形倒置；“移位”旋钮通过调节同轴双联电位器对称地反向调节前置放大器双端输出信号中的直流成分而使波

19、形垂直移位。后置放大器是y通道中的主放大器，也称Y输出放大器，一般采用推挽式放大器电路。电路中采用一定的补偿电路和较强的负反馈，其作用是对延迟线输出的信号放大到足够的幅度，从而使电子束在垂直方向上产生足够大的偏转，便于观测微弱信号。后置放大器应在带宽满足要求的前提下，有足够的增益和动态范围、小的谐波失真，以使荧光屏能不失真地重现被测信号。在后置放大器中一般设有垂直偏转因数“5”或“10”扩展功能，把放大器的放大量提高5或10倍，这对于观测微弱的信号或仔细观察波形某个局部的细节是很方便的。(3）延迟级 a) 被测信号b) 触发脉冲c) 扫描电压d) 被测信号 延迟前后延迟前延迟后简述示波器简述示

20、波器Y通道内采用延迟线的原因通道内采用延迟线的原因被测信号从被测信号从Y系统输入，经过前置放大器和延迟级电路送往系统输入，经过前置放大器和延迟级电路送往Y偏转板。其中从前置放大器输出一路被测信号至偏转板。其中从前置放大器输出一路被测信号至X系统的系统的触发电路作为内触发信号。只有当被测信号达到触发电路的触发电路作为内触发信号。只有当被测信号达到触发电路的触发电平时，触发电路才能产生触发脉冲并激励扫描电路形触发电平时，触发电路才能产生触发脉冲并激励扫描电路形成扫描电压。成扫描电压。被测信号从被测信号从0开始上升到一定的触发电平需要开始上升到一定的触发电平需要经历一定的时间，这表明扫描电压比被测信

21、号晚出现一段时经历一定的时间，这表明扫描电压比被测信号晚出现一段时间到达偏转板，从而使被测信号的前沿无法完整显示。为了间到达偏转板，从而使被测信号的前沿无法完整显示。为了完整显示被测信号波形，在完整显示被测信号波形，在Y通道中设置延迟级电路，对被通道中设置延迟级电路，对被测信号进行延时测信号进行延时,使之晚一点到达使之晚一点到达Y偏转板，延迟时间一般为偏转板，延迟时间一般为60200ns常在常在100ns左右。而内触发信号并不延迟，正常产左右。而内触发信号并不延迟，正常产生扫描信号。生扫描信号。3.2.3 示波器的水平通道X X 通道的主要作用是：通道的主要作用是：1.1.产生符合要求的扫描电

22、压，并将单端信号产生符合要求的扫描电压，并将单端信号 转换成对称的双端信号送转换成对称的双端信号送X X偏转板；偏转板；2.2.给示波管提供增辉、消隐脉冲；给示波管提供增辉、消隐脉冲；3.3.提供双踪示波器断续、交替显示时提供双踪示波器断续、交替显示时 的控制信号。的控制信号。X通道组成框图示波器的水平通道又称X通道或X轴系统 。X通道的主要作用首先是产生随时间线性变化的锯齿形扫描电压，使波形在水平方向上线性偏移，形成时间基线；为使屏幕上能稳定真实地显示随时间变化的波形，要能够选择适当的触发或同步信号；为清晰地显示波形，还要为示波管提供增辉、消隐脉冲，控制示波器的Z轴电路；还要为双踪示波器提供

23、交替显示时的控制信号。 X X 通道组成通道组成 触发电路触发电路 扫描电路（时基电路或扫描环）扫描电路（时基电路或扫描环） X放大器放大器1. 触发电路触发电路 组成组成: 触发源选择触发源选择(内内,外外,电源电源)S1 耦合方式选择开关耦合方式选择开关S2 触发电平斜率选择器触发电平斜率选择器 放大整形电路放大整形电路触发电路组成框图触发电路组成框图（1 1）触发源）触发源 : : 内触发内触发 外触发外触发 线触发线触发(电源触发电源触发) 双踪示波器内触发源又分为双踪示波器内触发源又分为CH1、CH2。（2 2）触发耦合方式）触发耦合方式: : DC DC直接耦合直接耦合：常用于外触

24、发或连续扫描方式；：常用于外触发或连续扫描方式； ACAC耦合耦合：常用的方式，适于低频到高频信号的触发；：常用的方式，适于低频到高频信号的触发； ACAC（H H）低频抑制耦合）低频抑制耦合：有利于抑制低频干扰：有利于抑制低频干扰 （如工频干扰）；（如工频干扰）； HFHF高频耦合：高频耦合：耦合电容较小，适于耦合电容较小，适于5MHz以上信号以上信号 的观测。的观测。（3 3）扫描触发方式选择）扫描触发方式选择 : 常态、自动、电视等。常态触发即触发扫描，是示波器优先采用的扫描方式。常态触发即触发扫描，是示波器优先采用的扫描方式。只有在有触发信号时，扫描电路才产生扫描信号，无只有在有触发信

25、号时，扫描电路才产生扫描信号，无触发信号时，不产生扫描信号，荧光屏上无亮点。该触发信号时，不产生扫描信号，荧光屏上无亮点。该方式适于观测脉冲等的信号。方式适于观测脉冲等的信号。 （4 4）触发电平及斜率选择器）触发电平及斜率选择器用于选择合适稳定的触发点。用于选择合适稳定的触发点。触发电平有触发电平有正电平正电平、负电负电平平 和和 零电平零电平 。触发斜率即触发极性，位于上升沿的称为正极性触触发斜率即触发极性，位于上升沿的称为正极性触发，位于下降沿的称为负极性触发。（发，位于下降沿的称为负极性触发。（P57）（5 5）放大整形电路）放大整形电路放大整形电路的作用是对前级输出信号进放大整形电路

26、的作用是对前级输出信号进行处理，产生稳定可靠的触发脉冲。该触行处理，产生稳定可靠的触发脉冲。该触发脉冲与被测信号的某一相位点保持固定发脉冲与被测信号的某一相位点保持固定关系（即触发脉冲与被测信号同步），扫关系（即触发脉冲与被测信号同步），扫描电路在触发脉冲的作用下产生与被测信描电路在触发脉冲的作用下产生与被测信号同步的扫描电压，得到稳定的波形。号同步的扫描电压，得到稳定的波形。 2. 扫描电路信号发生器扫描电路信号发生器扫描电路扫描电路(又称时基电路或扫描环又称时基电路或扫描环)扫描电路作用：扫描电路作用： 1. 产生符合要求的扫描电压；产生符合要求的扫描电压； 2. 为为Z通道提供增辉、消隐

27、脉冲；通道提供增辉、消隐脉冲； 3. 为双踪示波器电子开关提供交替为双踪示波器电子开关提供交替 显示的控制信号。显示的控制信号。扫描电路组成扫描电路组成: 1. 时基闸门电路（又称为扫描门）；时基闸门电路（又称为扫描门）； 2. 扫描电压发生器；扫描电压发生器； 3. 电压比较器；电压比较器； 4. 释抑电路。释抑电路。时基闸门电路是一个施密特触发器。时基闸门电路是一个施密特触发器。作用：在作用：在 触发脉冲作用下触发脉冲作用下 或在或在 自激状态下自激状态下 产生闸产生闸门脉冲。闸门脉冲是扫描电压发生器的控制信号；门脉冲。闸门脉冲是扫描电压发生器的控制信号；另外，闸门脉冲还通过射随器加到另外

28、，闸门脉冲还通过射随器加到Z Z通道去实现增辉通道去实现增辉消隐，还可以作为双踪示波器交替、断续显示的控制消隐，还可以作为双踪示波器交替、断续显示的控制信号。信号。（1）时基闸门电路）时基闸门电路示波器连续扫描状态示波器连续扫描状态：当无信号或触发脉冲超过自动电路（暂稳态触发器）当无信号或触发脉冲超过自动电路（暂稳态触发器）的暂稳维持时间时，自动电路由暂稳态变为稳态输出的暂稳维持时间时，自动电路由暂稳态变为稳态输出低电平，二极管导通，时基闸门电路输入信号电平降低电平，二极管导通，时基闸门电路输入信号电平降低，时基闸门电路工作在自激状态下。低，时基闸门电路工作在自激状态下。示波器触发扫描状态示波

29、器触发扫描状态：当有触发脉冲时，自动电路由稳态变为暂稳态输当有触发脉冲时，自动电路由稳态变为暂稳态输出高电平，二极管截止，自动电路断开与其它电路出高电平，二极管截止，自动电路断开与其它电路的连接，时基闸门电路输入信号电平抬升，时基闸的连接，时基闸门电路输入信号电平抬升，时基闸门电路工作在触发状态下门电路工作在触发状态下 。 是一个密勒积分器，它是一个密勒积分器，它具有输入阻抗高、线性具有输入阻抗高、线性好的特点。时基闸门电好的特点。时基闸门电路输出的闸门脉冲控制路输出的闸门脉冲控制开关开关S的断开与闭合。的断开与闭合。当当S断开时，积分器开断开时，积分器开始积分，产生扫描正程始积分，产生扫描正

30、程电压。电压。（2 2）扫描电压发生器）扫描电压发生器改变积分电阻改变积分电阻R、积分电容、积分电容C的值，就改变的值，就改变了扫描电压正程电压斜率，意即改变了扫了扫描电压正程电压斜率，意即改变了扫描速度描速度 。tRCEdtERCUt0s)(1（3 3）电压比较器）电压比较器将扫描电压与基准电压进行比较。扫描电压高于参考将扫描电压与基准电压进行比较。扫描电压高于参考电压时，二极管导通，产生一个输出信号经释抑电路电压时，二极管导通，产生一个输出信号经释抑电路送至时基闸门电路，以结束闸门脉冲，从而闭合扫描送至时基闸门电路，以结束闸门脉冲，从而闭合扫描电压发生器的开关电压发生器的开关S，产生扫描逆

31、程。，产生扫描逆程。 （4 4）释抑电路）释抑电路为了获得稳定的波形，每次扫描必须在同一起始电为了获得稳定的波形，每次扫描必须在同一起始电平上开始，即每次扫描水平方向上的起始点都相同。平上开始，即每次扫描水平方向上的起始点都相同。当二极管导通时，扫描电压对释抑电容充电；当二极管导通时，扫描电压对释抑电容充电；当二极管截止时，释抑电容放电，其放电速度很慢。当二极管截止时，释抑电容放电，其放电速度很慢。使扫描发生器不能在释抑电容放完电之前产生扫描信使扫描发生器不能在释抑电容放完电之前产生扫描信号。从而保证每次扫描水平方向上的起始点都相同。号。从而保证每次扫描水平方向上的起始点都相同。3. X3.

32、X放大器放大器X轴放大器的基本作用是放大扫描电压，将轴放大器的基本作用是放大扫描电压，将单端输入的信号进行放大转换成为大小合单端输入的信号进行放大转换成为大小合适的双端输出信号加在适的双端输出信号加在X偏转板上，使电子偏转板上，使电子束在水平方向上能达到偏转，得到合适的束在水平方向上能达到偏转，得到合适的波形。还兼有提高和扩展扫描速度、水平波形。还兼有提高和扩展扫描速度、水平位移、寻迹等作用。从工作原理上说位移、寻迹等作用。从工作原理上说X轴放轴放大器与大器与Y轴放大器类似，一般采用宽带多级轴放大器类似，一般采用宽带多级直接耦合放大器。直接耦合放大器。4主机部分 主机部分主要包括低压直流电源、

33、高频高压电源、校准信号发生器、增辉电路、示波管等部分。主机的作用是通过示波管显示图像，供给示波管和其它电路所需要的电压。3.2.4 示波器的多波形显示1多线显示 多线示波器采用多线示波管。多线示波管内装有多个（一般有两个）电子枪，每个电子枪能同时发出一束电子束，并有两套X、Y偏转系统。其中两对X偏转板往往采用相同的扫描电压，但两个Y通道通常接入不同的测量信号，并有可单独调整灵敏度、位移、辉度等开关或旋钮。因为它的两个Y通道是相互独立的，故可消除通道之间的干扰现象。多线示波器除了观测周期性信号外，还可以观测同一瞬间出现的两个瞬变信号，且显示的图像清晰、无间断现象。多线示波器工艺要求高，成本高，制

34、造困难，价格较贵，所以应用受到限制。2多踪显示 多踪示波器采用单束示波管制成的多踪示波器。单束示波管内只有一个电子枪，示波管内只有一套Y偏转板，但具有多个Y通道。多踪示波器是通过在Y通道上增设的电子开关来高速控制几个被测信号轮流地接入Y偏转板而在荧光屏上显示出多个波形的，即采用了时分复用技术，这一技术充分利用了电子开关的高速转换特性和人眼的视觉惰性。比较常用的是双踪示波器，即能够显示两个波形的多踪示波器。（1） YA通道YB通道单独工作方式 若转换开关使K1、恒接通，K2恒断开，即切断了YB通道，YA通道工作，此时双踪示波器与单踪示波器工作方式一样。交换K1、K2的状态，也可使示波器工作在YB

35、状态。（2） A通道B通道代数和工作方式 如果把K1、K2恒接通，则YA、YB两个通道的信号同时进入偏转板，信号进行叠加，示波器工作在“YAYB”状态。（3） 交替状态每间隔一个扫描周期变换一次状态，使得通道1和通道2输入的信号轮流接通、轮流显示，只要轮流显示的间隔时间较短，就可交替显示出两个信号的波形。 交替显示方式适于观测频率较高的信号。交替显示方式适于观测频率较高的信号。这是因为被测信号频率较低时，所需扫描这是因为被测信号频率较低时，所需扫描电压的周期长，即轮流显示同一个信号的电压的周期长，即轮流显示同一个信号的间隔时间较长，当间隔时间接近或超过人间隔时间较长，当间隔时间接近或超过人眼视

36、觉暂留时间时，显示波形会产生闪烁，眼视觉暂留时间时，显示波形会产生闪烁，不便于观测。不便于观测。（4 4）断续状态断续状态在每一次的扫描过程中，在每一次的扫描过程中，高速轮流接通两个输入高速轮流接通两个输入信号，从而显示出每个信号，从而显示出每个被测信号的某一段，以被测信号的某一段，以后各次扫描重复以上过后各次扫描重复以上过程。这样显示出的波形程。这样显示出的波形是由许多线段组成的，只要开关转换频率很高、水是由许多线段组成的，只要开关转换频率很高、水平扫速又较慢，这些线段就很短，看起来显示的波平扫速又较慢，这些线段就很短，看起来显示的波形好象是连续的形好象是连续的 。3.3.1 概述概述 随着

37、被测信号的频率越来越高，被测脉冲的前沿越来越陡，由于受到垂直放大器通频带、扫描速度、图像亮度等各种因素的限制，通用示波器已不能满足要求。为了观测100MHz以上的高频或超高频信号，在普通示波器的前面加一个专门的取样装置构成取样示波器。它运用取样技术，把高频信号变成波形与之相似的低频或中频信号，然后在荧光屏上以断续的亮点显示出被测信号的波形。取样示波器可以观测吉赫兹以上的超高频信号。3.3 取样示波器取样示波器3.3.2 3.3.2 取样示波器的工作原理取样示波器的工作原理 取样示波器与普通示波器的主要区别在于取样示波器与普通示波器的主要区别在于 取样示波器运用了取样技术。取样示波器运用了取样技

38、术。 取样技术实质上是一种频率变换技术。取样技术实质上是一种频率变换技术。 取样方式取样方式 实时取样实时取样 非实时取样非实时取样 1. 实时取样与非实时取样实时取样原理: 若若: 输入信号的周期为输入信号的周期为T ， 取样脉冲的周期取样脉冲的周期为为T0 ， 且且: T0 T 并且取样持续的时间等于输入信号的并且取样持续的时间等于输入信号的 一个周期或输入信号实际经历的时间。一个周期或输入信号实际经历的时间。实时取样 8 0 t Ui 7 6 5 4 3 2 1 B 图 取样脉冲信号 T0 t P( t) 0 8 7 6 5 4 3 2 1 A 图 输入信号 0 8 7 6 5 4 3

39、2 1 t Us 7 6 5 4 3 2 1 C 图 取样 信号 T非实时取样原理：取样点来自输入信号若干周期的方式称非实时取样。分析：分析：如果输入信号如果输入信号ui (t)的周期为的周期为 T 取样脉冲的周期为取样脉冲的周期为 T非实时取样的工作过程如下：非实时取样的工作过程如下： t1时刻，进行第一次取样，对应于信号波形上的点时刻，进行第一次取样，对应于信号波形上的点1； t2时刻，经过时刻，经过T+t后，进行第二次取样，取样点为后，进行第二次取样，取样点为 波形上的点波形上的点2，但取样脉冲相对于信号周期延迟，但取样脉冲相对于信号周期延迟t； 第三次则延迟第三次则延迟 2t，以此类推

40、，以此类推， ）、，（321mtmTT分析：每间隔每间隔 mT+t 在信号波形上取一个样点，且在信号波形上取一个样点，且取样信号的幅度等于输入信号的瞬时值，宽度等取样信号的幅度等于输入信号的瞬时值，宽度等于于，取样后的信号波形虽然是一串脉冲序列，取样后的信号波形虽然是一串脉冲序列，但取样信号的包络线同样重现了原信号的波形。但取样信号的包络线同样重现了原信号的波形。 分析分析将取样信号送延长电路展宽，最后送示将取样信号送延长电路展宽，最后送示波器显示的波形为一阶梯波波器显示的波形为一阶梯波 uY(t) 。当取当取m1时，就可以利用非实时取样将时，就可以利用非实时取样将很高频率的输入信号变成低频信

41、号后，用很高频率的输入信号变成低频信号后，用通用示波器来进行显示。通用示波器来进行显示。 2. 取样示波器的波形合成 t ux(t) t uy(t) 6 6 5 5 5 4 4 4 3 3 3 2 2 2 1 1 1 0 0 0 把放大展宽后的阶梯波把放大展宽后的阶梯波uY(t)加到示波管加到示波管Y偏转板上，偏转板上，把每取样一次阶梯上升一级且每一级持续时间为把每取样一次阶梯上升一级且每一级持续时间为mT+t的阶梯扫描电压的阶梯扫描电压ux(t)信号加到示波管信号加到示波管X偏板上，偏板上，荧光屏上亮点的位置即由荧光屏上亮点的位置即由 uY(t) 和和 ux(t) 决定。决定。 图中各点的高

42、度反映了取样信号的幅度。由于展宽图中各点的高度反映了取样信号的幅度。由于展宽后的信号呈阶梯状，故亮点从一个位置跳到另一个位后的信号呈阶梯状，故亮点从一个位置跳到另一个位置，由这样断续的亮点就合成了被测信号的波形。置，由这样断续的亮点就合成了被测信号的波形。3. 取样示波器的组成与作用取样示波器的组成与作用 主机、 垂直系统、 水平系统主机部分与通用示波器相同主机部分与通用示波器相同Y Y 通道组成通道组成 取样电路取样电路 取样门取样门 取样脉冲信号源取样脉冲信号源 放大电路放大电路 延长电路延长电路 延长门延长门 延长脉冲信号源延长脉冲信号源 Y Y 通道的作用通道的作用 在取样脉冲的作用下

43、，把高频、快速在取样脉冲的作用下，把高频、快速的信号变换成低频信号，取样门在取样脉的信号变换成低频信号，取样门在取样脉冲的控制下或开或闭以获得取样信号，取冲的控制下或开或闭以获得取样信号，取样信号通过放大器将幅度放大后，送入延样信号通过放大器将幅度放大后，送入延长电路进行脉冲展宽，并将其保持在相应长电路进行脉冲展宽，并将其保持在相应的电平上，直到下一个取样脉冲到来时再的电平上，直到下一个取样脉冲到来时再增减数值。增减数值。X X 通道的组成：通道的组成： 触发放大器触发放大器高频同步电路高频同步电路锁相分频电路锁相分频电路快斜波发生器快斜波发生器 比较器比较器阶梯波发生器阶梯波发生器X X 通

44、道的主要作用是：通道的主要作用是： 产生时基扫描信号，同时产生步进延迟产生时基扫描信号，同时产生步进延迟脉冲送脉冲送Y通道，控制取样脉冲发生器和延通道，控制取样脉冲发生器和延长门脉冲发生器的工作，即配合整个示波长门脉冲发生器的工作，即配合整个示波器的工作。利用同步分频的方法可以改变器的工作。利用同步分频的方法可以改变的大小，从而扩展测量的频率上限。的大小，从而扩展测量的频率上限。取样示波器与通用示波器的区别主要有： 1）取样示波器延迟级放在取样门前）取样示波器延迟级放在取样门前 ， 2）X通道利用步进延迟脉冲去触发阶梯通道利用步进延迟脉冲去触发阶梯 波形成电路产生时基扫描信号波形成电路产生时基

45、扫描信号 。 3）取样示波器中，每触发一次，只能获）取样示波器中，每触发一次，只能获 得一个样点得一个样点 。 4）取样示波器显示的波形由许多点组成。）取样示波器显示的波形由许多点组成。4. 取样示波器的参数（1 1）取样密度）取样密度: :表示屏幕在水平方向上单位长度内的亮点表示屏幕在水平方向上单位长度内的亮点个数，取样密度太低，显示波形会有闪烁个数，取样密度太低，显示波形会有闪烁现象。现象。（2 2）取样频率）取样频率: : 即取样脉冲的重复频率，取样频率越高即取样脉冲的重复频率，取样频率越高, 越越能反映被测信号特性。能反映被测信号特性。（3）等效扫描速度：假设信号波形由假设信号波形由n

46、个取样点组成，则信号实个取样点组成，则信号实际经历的时间为际经历的时间为 nt 。 等效扫描速度表示等效扫描速度表示为：为： L表示扫描线长度，由于电子束扫完整个屏表示扫描线长度，由于电子束扫完整个屏幕的时间与显示波形代表的时间不同，所以幕的时间与显示波形代表的时间不同，所以用用 “等效等效” 来表示区别。来表示区别。Ltn3.4 数字存储示波器模拟示波器从原理上来看，有以下缺陷：1难以清晰地显示周期信号中的窄脉冲，例如占空比为0.01%以下的脉冲；2不能捕捉单次和偶然出现的脉冲信号；3难以进行屏幕冻结,不能实现波形存储；4不能将波形数据传到计算机进行更进一步的分析； 5示波器不能自动地对波形

47、进行多种参数测量,例如平均值、均方根值、FFT等。 6难以捕捉在时间轴上抖动的纹波或干扰。 具有波形存储功能的示波器称为存储示波器DSO，而将信号以数字形式存储在存储器中的示波器，称为数字存储示波器。输入信号先经过A/D转换器将模拟波形变换成数字信息，并将其存入存储器，需要显示时，再从存储器中取出，经D/A转换器将数字信息变换成拟波形重现在示波管上。数字存储示波器能截获、观察短暂而单一的事件，将重复频率低的颤动现象固定下来，对不同波形进行比较，对偶发事件自动监查、记录和保留信号过程，观察电路调节过程的变化、分析复杂瞬变信号数字存储示波器中，信号处理功能和信号显示功能是分开的。其性能包括速度和精

48、度，完全取决于进行信号处理的A/D转换器和D/A转换器。数字存储示波器结合了模拟示波器技术、数字化测量技术、计算机技术，采用大规模集成电路和微处理器，整个仪器在控制程序的统一指挥下工作。 3.4.1 数字存储示波器的性能特点和技术指标（1）可以长期存储波形存储示波器存储示波器: : 采用存储栅网示波管采用存储栅网示波管 数字存储示波器数字存储示波器: : 采用存储器采用存储器长期的存储波形可以更长期的存储波形，只要存储器不急于存入其他波形，已存波形就可以继续保存下去，而且存储时间无限长。还可以将已存储的信号进行扩展或缩小作仔细观察。为了有效利用存储器的容量，可以变换记录波形的记录速度。（2）可

49、以进行负延迟触发可观察触发点以前的信号，并且可任意选择超前或滞后的时间。因为数字存储示波器的触发点只是一个存储的参考点，而不一定是取样、存储的第一点，这就给显示数据的选择带来很大灵活性。而且可以高速捕捉，低速显示，单次信号、低频信号和毛刺脉冲都能清晰地显示。 触发点负延迟负延迟利用数字存储示波器的负延迟特性可观察振荡器起振过程。选择触发点的触发电平介于零和稳定振幅之间的某一数值，触发极性为正，预延迟4.5格。在荧光屏上可以同时观察到触发前和触发后的情况，即显示了从起振到稳定的全过程。（3）便于观测单次过程和缓慢变化的信号数字存储示波器只要对波形进行一次取样存储，就可以长期保存、多次显示，并且取

50、样、存储和读出、显示的速度可以在很大范围内调节。这种示波器便于捕捉和显示单次瞬变信号或缓慢变化的信号。对于地震地震、金属断裂金属断裂、材料变形材料变形、武器发射武器发射等偶发事件或缓慢变化的信号。（4）多种显示方式 “自动抹迹”（Auto-Erase）也叫自动清除。每满足一次触发条件，例如加一次触发脉冲，屏上原来的波形就被新存储的波形所更新。这个新波形的显示时间是可以调节的，在显示时间超过预置的时间以后，若再次满足触发条件，则自动抹掉旧画面，显示这次触发存储的新画面。 “ 卷动 ”（Roll）显示方式 (a)新波形逐渐更新老波形 (b)波形自窗口右端向左移动推出 老波形老波形 正在改写的点正在

51、改写的点 新波形新波形 “ 卷动卷动 ” 显示方式最适于在缓慢变化的信号中寻找感兴趣的部分。卷动显示通常有两种形式：图(a)是用新波形逐渐更新旧波形，这反映了存储区中存储的内容正被改写。图(b)把屏幕比作一个窗口，波形从窗口右端推出向左移动，移至最左端就消失了。这实质上是从立即就要被覆盖的存储单元，向后显示一个完整的页面。（5）具有很强的数据处理能力 图a：脉冲信号被淹没在噪声中，只是勉强可见。图b：对这个信号进行了一千次平均以后，得到大 为改善的信号。 a） b）图7-1利用平均技术从噪声中提取信号 （6）可用字符显示测量结果 荧光屏上的每个光点都对应存储区内确定的数据，可用面板上的拨轮或其

52、他控制器在荧光屏上标示两个被测点，形成所谓“测量卡尺”。计算机查出卡尺两端点的电压、时间值，就可算出两点间的电压和时间差。另一方面计算机有一套成熟的字符显示功能，因而可以直接在荧光屏上用字符显示测量结果。 （7）便于程控和用多种方式输出 数字存储示波器的主要部分是一个数字系统，又由微处理器管理，因而便于通过通用接口总线接受程序控制。存储区中存储的数据，可在计算机管理下通过多种接口，用各种方式输出。例如可以通过GPIB接口或串行接口与绘图仪、打印机联接，进行数据输出。亦可输出BCD码或进行较远距离传递。而数字存储示波器中的微处理器对这些接口的管理是比较方便的。（8）便于进行功能扩展n数字存储示波

53、器中运用计算机技术为仪器的功能扩展提供了条件。n例如运用计算机的运算功能，可以对存储的数据进行快速傅立叶变换（FFT）。从时域信号得到它的频域特性，利用FFT功能，还可以对信号进行失真度分析、调制特性分析等多种分析。快速傅立叶变换功能a）时域信号 b）频域信号 f（t） t F（ ） （a） （ b） U(t)（9 9）测量精度高）测量精度高数字存储示波器的扫描由取样点的时钟间隔和扫线上单位长度的取样点数来决定。由于使用晶振时钟，因此具有很高的测时精度；由于采用高分辨率的A/D转换器和随机重复采样，因此可达到很高的等效采样率。例如：HP51400 A/D 型数字化示波器可达100GHz等效采样

54、率，10ps的时间分辨力，有效存储带宽为1GHz。2. 数字存储示波器的主要技术指标数字存储示波器的主要技术指标 （1）最大采样速率 （2）记录速率 （3）分辨率 （4）频率宽度 （5）存储容量 每个周期的取样点数转换速率DAf/max3.4.2 数字存储示波器的工作原理1数字存储示波器的组成 数字存储示波器的工作原理框图如图3-30所示，由Y前置放大器，数据采集与A/D转换器，随机存储器（RAM），垂直D/A转换器，垂直输出放大器，触发电路，时钟时基电路，水平D/A转换器，X输出放大器及微处理器CPU（逻辑控制电路）等组成。2数字存储示波器的工作原理数字存储示波器的工作原理 与通用示波器相同

55、，被测模拟信号由Y轴系统输入，经过前置放大器放大和衰减后，送至A/D转换器进行取样、量化和编码，将模拟信号变换为数字信号，量化后的一串数据流存入随机存储器RAM，而RAM的读、写操作受CPU和时钟时基电路的控制。 在存储过程中，先启动CPU指定一个寄存器作为地址计数器，当时钟时基电路收到来自触发电路的触发脉冲时，启动一次写操作使 ，地址计数器向RAM送出地址，将来自A/D的量化数据流写入到随机存储器RAM相应的单元中，每写入一个数据，地址计数器加1，并一一送往RAM，以确保每组数据写入相应的存储单元中去，并将地址数送至X轴的I/O，经D/A变换后产生阶梯波信号。0WR 数字时钟时基电路由高稳定

56、的晶体振荡器、分频器和计数器等组成。触发脉冲触发晶振产生的时钟信号由分频器产生与面板上时基开关设置相对应的取样脉冲，去控制A/D转换器和存储器的写入，时基分频器产生的读脉冲，供读地址计数器计数，并经水平D/A产生稳定的阶梯波扫描电压，作为数字存储示波器的时基信号。 在数字存储示波器中，将模拟量进行数字化需要三个过程，即取样、量化和编码。这三个过程是由A/D变换器来完成的，因此，A/D变换器是数字存储示波器的核心，它决定着示波器的存储带宽、分辨率等主要指标。D/A变换器用于产生阶梯波，对其准确度和建立时间要求较高，因为准确度不高会影响扫描线性；建立时间长则会在波形上产生毛刺。 控制系统主要包括C

57、PU、时钟时基电路和功能控制电路。数字存储示波器在控制系统的管理下完成各种测量任务，控制系统的核心是CPU，根据系统的复杂程度可采用单处理器或多处理器系统。3.5 示波器的应用3.5.1 示波器测量电压 示波器可以测量直流电压，也可以通过测量瞬时电压来换算出交流电压的大小。交流电子电压表也可以测量交流电压，但不能测得瞬时电压的大小。示波器测量电压的方法分为直接测量法和比较测量法。1测量交流电压 （1）直接测量法 将“偏转灵敏度微调”置于“校准（CAL）”位置，然后，选用合适的Y轴输入耦合方式，调节有关的开关旋钮，使显示波形的幅度合适、宽度适宜，记录下“偏转灵敏度”档位数值（设为S，单位为“V/

58、div”）和波形峰峰点之间的高度（设为，单位为“cm”或“div”），则有：SHUppP2KUUpp式中，Up-p为被测信号电压峰峰值，单位为“V”；U为被测信号电压有效值，单位为“V”；Kp为被测信号的波峰因数。2测量直流电压直流电压的测量方法与交流电压的测量方法相似，但有区别：应首先选用“GND”耦合方式，调整垂直移位使扫描基线移到中间某合适位置上，作为零电平的位置。在以后的测量过程中不能再旋转垂直位移旋钮，注意垂直微调应处于“校准”位置。然后选用“DC”耦合，将被测直流电压加到示波器上，确定出亮点或时基线相对于零电平的垂直跳变高度，单位为“cm”或“div”，则有: U=SH 式中，U为

59、被测直流电压，单位为“V”；S为Y轴偏转灵敏度，单位为“V/cm”或“V/div”。 根据亮点或时基线跳变的方向还可以确定出直流电压的极性，假设输入电压未被倒相，则向上跳变时为正，向下跳变时为负。3测量含有直流成分的交流信号的大小如图3-32所示为含有直流成分的正弦交流信号的波形，在测量时，要求既要测出直流成分的大小，又要测出交流信号的振幅值。测量步骤如下：（1）测量交流成分振幅值 选用直接测量法或比较测量法，按照上述测量交流电压的方法进行测量即可。振幅值： 。（2）测量直流成分的大小 先选用AC耦合方式，调整有关的开关旋钮得到稳定的正弦信号波形，选定正弦信号的正峰点（或负峰点）作为假定的零电

60、平位置；然后保持偏转灵敏度及其微调旋钮不变，选用DC耦合方式，得到同样的波形，由此确定出正峰点（或负峰点）跳变的距离设为H，H与偏转因数的乘积即为直流成分的大小。2PPPUU 3.5.2 示波器测量时间和频率1测量时间 示波器测量时间的方法有多种，如直接测量法（又称为标尺法）、比较测量法、时标法等，在此仅讨论直接测量法。 将“扫速微调”旋钮置于“校准”位置，选用合适的Y轴输入耦合方式，调节有关的开关旋钮，使显示波形的幅度合适宽度适宜，记录下“时基因数t/div”档位数值（设为，单位为“s/cm”或“s/div”）和波形某两点（根据被测量的定义来确定具体的两个点）之间的水平距离（设为，单位为“c