第6章信号显示与示波测试技术

现代测试技术Moderntestingandmeasurementtechnology

苏州科技学院电子与信息工程学院电子科学技术系潘敬熙Jingxi-pan@163.com53832713@

第6章信号显示与示波测试技术6.1概述6.2发光二极管显示器6.3

示波显示的基本原理6.4

通用模拟示波器6.5

示波测试技术6.1概述

在测试系统中，各信号经检测、处理与变换后，最终需将测量结果用便于观察的方式进行显示，测试系统自身的运行状态、或人机对话也需要一定的方式进行显示。现代常见的显示有发光二极管(LED，Light-EmittingDiode)显示器、液晶显示器(LCD，LiquidCrystalDisplay)和阴极射线管(CRT，Cathode-RayTube)显示器等。本章将分别讨论这些显示装置的工作原理与特点及其应用。6.2发光二极管显示器

6.2.1发光二极管显示器的工作原理与特点单个发光二极管常被用与智能设备或微机系统面板上，用做状态显示器。例如，将它设置与有关按键上，实时地反应无锁按键操作而引起的工作状态的变化。它的体积小，耗电少，使用十分简便。在常用的七段显示器内，各个LED可按共阳极或共阴极连接。它们应分别用不同的段码，经不同的驱动电路来驱动。

LED点阵显示是把很多LED点阵按矩阵方式排列在一起，通过各LED点亮与不亮的控制完成各种字符或图形的显示，最常见的LED点阵显示块有5×7（即五列七行），7×9，8×8结构，前两种主要用于显示各种西文字符，而后一种可用于大型电子显示屏的组建单元。6.2.2发光二极管显示器的工作模式与接口电路一、发光二极管静态工作模式

在大型的LED显示屏上，LED是排成阵列形式的，如图所示。如果把多位LED数码管的同名段(如a段、b段、……)连接在一起，看作为行；把多位LED数码管的公共端(位)看作为列，则可以不分它们是多位LED数码管组成的显示器还是大量的LED组成的显示屏，都可以抽象成同样的动态显示模式。对于动态显示模式的LED显示器，所需要的口线数仅为行数+段数。对同样的8位7段LED数码管显示，只需要15根口线，相比于静态显示模式所需要的56根口线，大大地减少了口线数目和简化了驱动电路。二、发光二极管动态工作模式

图示给出一个5~7的LED显示器阵列在显示字母“A”时的情况。右边是各行各段的驱动波形。上面是各行的驱动波形，下面是各段的驱动波形。首先来看段驱动信号，段驱动信号是依次出现低电平，每个时段只允许一段出现低电平。在出现低电平的段，需点亮的LED所对应的行应该给出高电平的驱动信号，不需点亮的LED所对应的行应该给出低电平的驱动信号。在图中，当第一段出现有效的低电平驱动信号时，a、b行的LED不亮，所以a、b行的应该给出低电平的驱动信号，这两行上的LED所得到的电压不是“0”就是反向电压，不能被点亮。而第一段c，d，e，f和g行所对应的LED能够得到正向驱动电压而被点亮。其他段的LED所得到的电压不是“0”就是反向电压，不能被点亮。

LED的动态模式是利用人眼的视觉暂留效应，使要点亮的LED以50Hz左右的频率轮流快速显示，就如同看电影一样，虽然银幕上的图像是一幅幅断续投影上去的，但人们的感觉依然是连续的图像。对于由多位LED数码管组成的显示器来说，虽然每个瞬时只有一位LED数码管被点亮，但所有的LED数码管都被快速、依次轮流点亮，人们感觉就好像所有的LED数码管一直都被同时点亮一样。

常用的点阵字符显示器有5×7、7×9等型式，它们分别由36只或64只LED组合而成(其中有一只LED小数点)。图所示为5×7点阵字符显示器电路。当点阵中某个二极管导通被点亮时，在显示器上呈现一个亮点，若使一些位置上的二极管导通被点亮时，这些亮点就形成了字符。点阵字符显示器电路由存储器阵列、显示器、缓冲器和驱动器组成。存储器阵列是一个只读存储器(ROM)，也是一个字符发生器，用来产生所要显示的字符代码。常见的ROM的存储单元字长为8比特。

对于5×7点阵显示方式，每个字符可分为5列，每一列需要一个七比特字长的存储单元来存储这一列中各点的状态，称为字符某一列点阵比特模型，所以每一个字符需要ROM中的五个存储单元来存储一个字符的各点状态，称为字符的点阵比特模型。预先需将要显示的各种字符点阵比特模型按一定编码作地址写入ROM中。

存储器阵列的大小，取决于显示字符种类的多少，对于128个字符的字符发生器，需要5×128=640个存储单元，每个存储单元存放一列点阵比特模型。存放一个字符点阵比特模型的5个存储单元，在存储器阵列中，低七位地址(A0—A6)相同，常用字符的ASCII码作为该字符在ROM中的低七位地址，而用地址线(A7～A9)的编码来表示字符中点阵比特模型的列序号。

点阵字符显示的控制过程如下：显示一个5×7点阵形式的字符，需要分5次逐列选通显示器中的发光二极管，并同时由字符发生器产生该列的字符点阵比特模型，经缓冲器输出到显示器LED点阵的各行。假设字符的点阵比特模型在ROM中以字符的ASCII码为地址，并以显示字母“B”为例来说明字符显示过程。(1)把需要显示的字符“B”的ASCII码(1000010)作为字符发生器(ROM)低七位地址(A6—A0)，而用A9—A7三根地址线上编码来表示当前显示的列序号。产生显示字符点阵的第一列，因此A9—A7上送编码000，A6—A0上送字符“B”的ASCII码(1000010)，将此两部分组合形成字符“B”第一列点阵比特模型在ROM中的地址，送到字符发生器的地址线A9—A7

，并发生读命令(RD)，则从字符发生器中读出字符“B”的第一列点阵比特模型(1111111)，经缓冲器锁存送到字符显示器的各行线。

同时A9—A7地址线上的状态经译码器译码，选通显示器第一列，此时显示器的第一条列线为低电平，其余各列线均为高电平，所以第一列各发光二极管均被点亮，保持显示时间约1ms。

(2)保持字符发生器低七位地址不变，而令A9—A7为001，则从ROM中读出字符“B”的第二列比特模型(1001001)，并将A9—A7线上状态译码，选通显示器的第二列，则比特模型中的l所对应的发光二极管被点亮，即处于第二列中的第1、4、7行位置上的二极管发光。

(3)继续保持字符发生器A6—A0地址不变，而令A9—A7为010，则从字符发生器中读出字符“B”的第三列比特模型(1001001)，并在显示器的第三列点亮相应的发光二极管。

(4)保持字符发生器地址线A6-A0不变，再令A9-A7为011，则从字符发生器中读出字符“B”的第四列比特模型(1001001)，并在显示器的第四列得到显示。同样当令A9-A7为100，则可读出字符“B”的第五列比特模型(0110110)，并在显示器的第五列显示出来。

这样在点阵字符显示器上便显示出完整的字符“B”。若要改变所显示的字符，只要改变字符发生器低七位地址A6-A0

，重复上述步骤(1)～(4)，改变列序号，使A9-A7线上状态从000-001-010-011-100-000周而复始地变化，则可显示出新的字符。6.3示波显示的基本原理

6.3.1阴极射线示波管 典型的示波器利用阴极射线示波管CRT作为显示器，CRT是示波器的重要组成部分，其作用就是把电信号转换为光信号而加以显示。其构造与电视机显像管相同，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，其结构示意图如图所示（图中省略了玻璃外壳）。

阴极射线示波管结构示意图

1.电子枪 电子枪的作用是发射电子并形成聚束的高速电子流。它主要由灯丝F、阴极K、控制栅极G、第一阳极A1、第二阳极A2和后加速阳极A3组成。除灯丝外，其余电极的结构均是金属圆筒，且它们的轴心都保持在同一轴线上。

2.偏转系统偏转系统的作用是使电子束产生在垂直和水平方向上的位移。 偏转系统位于第二阳极之后，由两对相互垂直且平行的金属板——X、Y偏转板（水平、垂直偏转板）组成，其中心轴线均与示波管的中心轴线重合，分别控制电子束在水平方向、垂直方向的偏转。

3.荧光屏 荧光屏是示波器的显示部分，为圆形曲面或矩形平面，其内壁涂有荧光物质，形成荧光膜。 当荧光物质受到电子枪发射的高速电子束轰击时就能产生荧光亮点，亮点的亮度取决于电子束中电子的数目、密度和速度。

6.3.2示波管显示原理

1.显示随时间变化的图形

1)扫描的概念 若想观测一个随时间变化的信号，例如f(t)=Umsinωt，那么只要把被观测的信号转变成电压加到Y偏转板上，电子束就会在Y方向上随信号的规律变化，任一瞬间的偏转距离正比于该瞬间Y偏转板上的电压。但是如果水平偏转板间没加电压，则荧光屏上只能看到一条垂直的直线。扫描过程(a）只加信号电压;(b）时间基线的获得;(c）信号波形在时间轴上展开 2）信号与扫描电压的同步 图所示为扫描电压与被测信号同步时的情况。扫描电压与被测信号同步扫描电压与被测电压不同步如果没有这种同步关系，则后一扫描周期描绘的图形与前一扫描周期描绘的图形不重合，如图所示。

连续扫描和触发扫描的比较

3）连续扫描和触发扫描连续扫描与触发扫描的比较如上图所示。其中图（a）为被测脉冲，若用连续扫描来显示它，扫描信号的周期有两种可能的选择：

(1)选择扫描周期Tn等于脉冲重复周期Ts，这种情况如图（b）所示。不难看出，屏幕上出现的脉冲波形集中在时间基线的起始部分，即图形在水平方向被压缩，以致难以看清脉冲波形的细节，例如很难观测它的前后沿时间。(2)选择扫描周期Tn等于脉冲底宽τ。为了将脉冲波形在水平方向展宽，必须减少扫描周期，若取Tn=τ。在这种情况下，扫描具有这样的特点，即在一个脉冲周期内，光点在水平方向完成多次扫描中，只有一次扫描出脉冲图形，结果在屏幕上显示的脉冲波形本身非常暗淡，而时间基线却很明亮。这样，对观测者同样带来困难，而且扫描的同步很难实现。

4）扫描过程的增辉 在以上的讨论中假设了扫描回程时间接近于零，但实际上回扫是需要一定时间的，这就对显示波形产生了一定的影响。下图仍是扫描周期等于两倍信号周期的情况，只是扫描电压有一定的回扫时间（图中7-8段）。

扫描回程对显示波形的影响

2.显示任意两个变量之间的关系 如果这两个信号初相相同，则可在荧光屏上画出一条直线；若X、Y方向的偏转距离相同，这条直线与水平轴呈45°，如下图（a）所示。如果这两个信号初相相差90°，则在荧光屏上画出一个正椭圆；若X、Y方向的偏转距离相同，则在荧光屏上画出一个圆，如下图（b）所示。

两个同频率信号构成的李沙育图形

(a)Uy与Ux同相位；(b)Uy超前Ux90°6.4通用模拟示波器

6.4.1通用模拟示波器的基本组成

通用模拟示波器主要由示波管、垂直（Y轴）通道、扫描（锯齿波）信号发生器、水平(X轴）通道以及电源等部分组成，其结构框图如下图所示。

通用模拟示波器的基本结构框图

1.示波管

2.Y轴通道 1）输入电路 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等部分，如下图所示。

Y通道输入电路框图

无源探极的结构(1)探极

探极使用时的具体做法是将示波器标准信号发生器产生的方波加到探极上，用螺丝刀左右旋转补偿电容C，直到调出如下图（a）所示正确的方波（即正确补偿）为止。否则，会产生如下图（b）、（c）所示电容过补偿或欠补偿的波形。探极的补偿结果

(2)耦合方式选择开关。

(3)衰减器。

(4)阻抗变换及倒相放大器。

2）前置放大器

3）延迟级

4）输出放大器

3.X轴通道X轴通道由触发电路、扫描电路和X轴放大器组成。其组成框图如下图所示。

X轴通道组成框图

1）触发电路 触发电路的作用在于选择触发源并产生稳定可靠的触发信号，以触发扫描发生器产生稳定的扫描电压。其组成框图如图所示，主要由触发源选择、耦合方式选择开关、触发电平与斜率选择器、放大整形电路等组成。

触发电路组成框图

(1)触发源选择。

(2)触发耦合选择。

(3)触发方式选择。

(4)触发电平及斜率选择。 触发电平及触发极性可以直接从显示波形上进行判断，如图所示。

(5)放大整形电路。

不同触发电平、触发极性下的波形被测正弦信号；(b)零电平正极性触发；(c)正电平正极性触发；(d)正电平负极性触发；(e)负电平负极性触发；(f)负电平正极性触发

2）扫描信号发生器 现代示波器通常用扫描发生器环来产生扫描信号，常由积分器、扫描闸门及比较和释抑电路组成，如图所示。扫描信号发生器组成框图3）X轴放大器4.电源部分

6.4.2示波器的多波形显示1.多线示波 多线示波是指采用多线示波管（又称为多束示波管）制成的多线示波器来显示多路波形。多线示波管内装有多个（一般有两个）独立的电子枪，每个电子枪能同时发出一束电子束，每一电子束都有各自独立的偏转系统，偏转系统各自控制电子束的偏转，共用一个荧光屏显示。多线示波器各通道间相互独立，交叉干扰小，测量准确度高，但它制造困难，成本高，所以较少使用。

2.多踪示波 多波形显示常用的方法是多踪示波。其组成及原理与单踪示波器类似，是在单踪示波器的基础上增加了电子开关而形成的。它也采用单束示波管，其内只有一个电子枪、一套Y偏转板，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，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。最常用的是双踪示波器，即能够显示两个波形的多踪示波器。

双踪示波器的简要原理框图

叠加（CH1+CH2）：两通道同时工作，Y1、Y2通道的信号在公共通道放大器中进行代数相加后送入垂直偏转板，显示两路信号叠加后的波形。 交替（ALT）：若通道1输入正弦波，通道2输入同频率的三角波，则屏上显示的波形如下图（a）所示。 断续（CHOP）：这样显示出的波形是由许多线段组成的，只要转换频率远远高于被测信号的频率,这些线段及其间隔就很短，看起来显示的波形好像是连续的，如下图（b）所示。

交替和断续时显示的波形（a）交替;（b）断续 6.4.3通用模拟示波器的主要技术性能指标通用模拟示波器的主要技术性能指标有： （1）频带宽度BW： 通常指Y通道的工作频率范围，即Y通道输入信号上、下限频率之差。现代示波器的下限频率都已延伸至0Hz，因而示波器的频带宽度可用上限频率来表示。通常要求：

BW≥3fmax

式中fmax为被测信号的最高频率。

（2）输入灵敏度： （3）输入阻抗： （4）扫描速度： （5）时域响应： 当输入理想的矩形脉冲波后，从示波器显示的波形中可看出上升时间tr、下降时间tf、上冲δ、反冲ε、平顶跌落Δ等脉冲参数。频带宽度BW与上升时间t之间一般有确定的内在关系。

6.4.4YB4365型双踪示波器

1.主要特点 （1）屏幕显示设定状态，多种参数均可在屏幕上以字符形式显示。 （2）具有光标卡尺线，可对光标线之间的ΔU、ΔT、1/ΔT等参数进行测量。 （3）可自动设定最佳扫描速度，并跟随输入信号自动设定扫速。 （4）采用先进的表面贴装工艺，体积小，可靠性高。 （5）开关电源供电，确保仪器在市电压90~260V之间正常使用。

2.技术指标 （1）带宽：DC～100MHz（-3dB）。 （2）Y轴偏转灵敏度：2mV/div~5V/div，按1-2-5进制，分11挡，±5%。 （3）频带响应：5mV/div时，DC~100MHz（-3dB）。 （4）上升时间：3.5ns。 （5）最高安全输入电压：400V（DC+AC峰值），≤1kHz。 （6）扫描速度：

（7）扫描线性误差：≤5%。 （8）扩展后线性误差：≤15%。 （9）光标读出：4位数字显示。 （10）校正输出：方波，0.5UP-P±2%，1kHz±10%。6.5示波测试技术

6.5.1示波器的选用

1.示波器的选择

1）根据被测信号的特性来选择

(1)定性观察频率不高的一般周期性信号，可选用普通示波器或简易示波器。

(2)观察非周期信号、宽度很小的脉冲信号，应选用具有触发扫描或单次扫描的宽带示波器。

(3)观察快速变化的非周期性信号，应选用高速示波器。

(4)观察频率很高的周期性信号，可以选用取样示波器。

(5)观察低频缓慢变化的信号，可选用长余辉、慢扫描示波器。

(6)需要对两个信号进行比较时，应选用双踪示波器；需要对两个以上信号比较时，则选用多踪示波器或多束示波器。

(7)若被测信号为一次性过程或复杂波形，需将被测信号存储起来，以便进一步分析、研究，可选用存储示波器。

2）根据示波器的性能来选择

(1)频带宽度和上升时间。 如果示波器的频带宽度不够，则输入信号中的高频分量将被极大地衰减。如将一个50MHz的方波加至一个频宽150MHz的数字示波器上，将得到如下图（a）所示的波形；若加至一个频宽500MHz的数字示波器上，得到的波形将如下图（b）所示。

50MHz方波在不同频宽示波器上显示的波形

(a)频宽150MHz;（b）频宽500MHz

(2)垂直偏转灵敏度。

(3)输入阻抗。

(4)扫描速度。

2.示波器的使用要点 示波器在使用时应注意以下几点：

(1）选择合适的电源，并注意机壳接地。使用前要预热几分钟再调整各旋钮。

(2）经过探极衰减后的输入信号切不可超过示波器允许的输入电压范围，并应注意防止触电。

（3）根据需要，选择合适的输入耦合方式。 （4）辉度要适中，不宜过亮，且亮点不能长时间停留在同一点上，特别是暂时不观测波形时，更应该将辉度调暗，以免缩短示波管的使用寿命。 （5）聚焦要合适，不宜太散或过细。

（6）测量前要注意调节“轴线校正（TRACEROTATION”）旋钮，使荧光屏刻度轴线与显示波形的轴线平行。 （7）尽量在荧光屏有效尺寸内进行测量。 （8）探极要与示波器配套使用，不能互换，且使用前要校正。（9）波形不稳定时，通常按“触发源”、“触发耦合方式”、“触发方式”、“扫描速度”、“触发电平”的顺序进行调节。

6.5.2示波器测量应用

1.直流电压的测量 测量步骤如下： （1）置“扫描方式”开关于“AUTO”位置，选择扫描速度，以使扫描不发生闪烁现象。 （2）视所测电压的大小，置“V/div”到适当位置，将“微调”调至“CAL”位置。 （3）置“交流-地-直流”开关于“GND”位置。此时的扫描垂直位置即为零伏基准线。

（4）将被测电压加至输入端后，将“交流-地-直流”开关置于“DC”位置，此时所显示的直线位置即为所测电压值。若直线位于零伏基准线之上，则所测电压为正；若直线位于零伏基准线之下，则所测电压为负。 （5）若所测电压超出显示范围，应增大“V/div”；若所测电压数值过小，应减小“V/div”后重新测量，由此可得图所示的直流电压为2.8V（图中V/div=1V/div）。直流电压的测量(a）“交流-地-直流”开关置GND；(b）“交流-地-直流”开关置DC

2.交流电压的测量 测量步骤如下： （1）置“交流-地-直流”开关于“GND”位置。调节垂直“位移”旋钮，使该扫描线准确地落在水平刻度线上。 （2）视被测电压的大小，置“V/div”到适当位置，将“微调”调至“CAL”位置。 （3）将被测电压加至输入端后，将“交流-地-直流”开关置于“AC”位置，此时所显示的波形即为所测交流电压，如图所示。 （4）在图中，“V/div”的位置为50mV/div，波形的峰值与谷值之间为3.6个格，由此可算出所测交流电压的峰-峰值为180mV