示波测量技术恢复

示波测量技术恢复第1页，共60页，2023年，2月20日，星期一示波器分类：通用示波器取样示波器逻辑示波器存储示波器给示波器加上各种配件即可组成各种监测仪，本章主要介绍示波器的基本原理，基本组成。第2页，共60页，2023年，2月20日，星期一

一、示波器基本组成

§6.2示波测试基本原理示波器主要由Y(垂直)通、x(水平)通道和显示屏三大部分组成，如图所示。

Y(垂直)通道：由探头、衰减器、前置放大器、延迟线和输出放大器组成，主要对被测信号进行不失真的线性放大，以保证示波器的测量灵敏度。x(水平)通道：由触发电路、时基发生器和水平输出放大器组成，主要产生与被测信号相适应的扫描锯齿波。显示屏：主要由阴极射线管组成，常以CRT(CathodeRayTube)表示，通常称为示波管。第3页，共60页，2023年，2月20日，星期一二、阴极射线示波管（CRT）第4页，共60页，2023年，2月20日，星期一1.电子枪（1）电子在电场中的运动前者为电子穿越加速场,U2>U1

电子向轴线收拢后者为电子穿越减速场，U2<U1.发散可证明第5页，共60页，2023年，2月20日，星期一（2）静电式CRT中的电子枪UG1<UK:控制电子射出数量,从而控制亮度UG2>>UG1:G1至G2电子束聚拢UA1<UG2:G2至A1电子束发散UA2=UG2>UA1:A1至A2电子束聚拢调节UA1可达到使电子束在荧光屏聚拢的目的,当然也可调UA2(辅助聚焦).第6页，共60页，2023年，2月20日，星期一

2.偏转系统偏转系统由一对Y(垂直)偏转板和一对X(水平)偏转板(均为金属板)组成.

偏转板位于电子枪之后,板上加电压将影响电子运动轨迹(两对板上电位两两相等,电子束打在荧光屏正中).第7页，共60页，2023年，2月20日，星期一

以Y偏转系统为例:可以证明,在Uy(偏转电压)的作用下电子在Y方向的偏转距离为:

由于l、s、b、va为定值,故上式还可写成:

，hy为偏转因数(cm/V),其值越大越好

，DY为偏转灵敏度(V/cm),其值越小越好。示波管重要参数第8页，共60页，2023年，2月20日，星期一

3.荧光屏由磷光质材料制成,受电子轰出后能产生辉光,即电子动能变成光能及热能.利用余辉可以使人们看到一连续波形长余辉:低频0.1s-1s中余辉:中频1ms-0.1s短余辉:高频10us-1ms第9页，共60页，2023年，2月20日，星期一三、图像显示基本原理1.显示随时间变化的图形（1）扫描的概念在X(水平)偏转板上加上一个随时间做线性变化的锯齿波电压,也称扫描电压.波形显示原理:Y轴通常为输入信号

X轴此时为时间轴,若Y输入f(t)，屏幕上显示的是随时间变化的波形f(t).第10页，共60页，2023年，2月20日，星期一只加VY信号,显示一条垂线,如左图;只加VX信号,显示一条做匀速运动的直线,如右上图;同时加UX、UY,显示随t变化的波形,如右图:第11页，共60页，2023年，2月20日，星期一（2）信号与扫描电压的同步当Tn=nTs时(n=1,2…),称信号和扫描电压同步,此时可得到稳定、清晰的图像.其中Tn为扫描电压周期，Ts为被测信号周期。若不满足条件,则得不到所需波形或稳定的波形.下图为Tn=2Ts时的图像.由于Tn与Ts为两个无关信号,为了保证Tn=nTs,必须有同步电路来迫使Tn=nTs.对于同步电路在后叙述.第12页，共60页，2023年，2月20日，星期一（3）连续（自激）扫描与触发扫描连续扫描－-扫描电压为连续的周期性锯齿波特点:Uy=0时,屏幕也显示一条时基线应用:观测连续信号波形触发扫描－-只有当触发脉冲到来时,锯齿波发生器才开始工作并进行扫描特点:Uy=0时,屏幕无显示应用:研究脉冲波过程参数,特别是τ/Ts很小的信号第13页，共60页，2023年，2月20日，星期一现代示波器可选择任一种扫描方式工作,下图是连续扫描和触发扫描方式下对脉冲波形的观测:(b)脉冲细节看不清(c)时基线太亮不易观察，难同步(d)能较好的观测脉冲TsttttuyuxuxuxTnTn第14页，共60页，2023年，2月20日，星期一（4）扫描过程的增辉实际的扫描电压是非理想的,扫描回程将产生回程线.克服方法:在扫描正程给示波器增辉,即正程才可显示,回程不显示.

增辉方法:在扫描正程期间给示波管第一栅极G1加正脉冲或给阴极K加负脉冲.2.显示任意两个变量间关系若X偏转板不加扫描信号,将两变量信号分别加到Y,X偏转板,则可显示两变量间的关系.第15页，共60页，2023年，2月20日，星期一例:李沙育图形下图为ux与Uy同频率和用示波器观察射随器跟随过程ui-uo图.第16页，共60页，2023年，2月20日，星期一一、基本组成通用示波器主要由示波管、垂直通道和水平通道三部分组成.此外还包括电源电路,它产生示波管和仪器电路中需要的多种电源.§6.3通用示波器第17页，共60页，2023年，2月20日，星期一二、示波器的垂直（Y）通道1.输入电路作用:衰减过大的输入信号,以免失真.通常由如右图示的一系列RC(脉冲)分压器组成衰减系数:K=V0/Vi=Z2/(Z1+Z2)Z1=R1(1/jωC1)/(R1+1/jωC1)=R1/(1+jωC1R1)Z2=R2(1/jωC2)/(R2+1/jωC2)=R2/(1+jωC2R2)若满足:C1R1=C2R2为最佳补偿则K=V0/Vi=R2/(R1+R2)第18页，共60页，2023年，2月20日，星期一2.延迟线分布参数式:螺旋平衡时延迟电缆集中参数式:LC延迟网络作用:保证能显示脉冲前沿原理:将输入信号延迟使其滞后于扫描开始时间下图a为无延迟线的情况,图b为加延迟线后的情况tTtd第19页，共60页，2023年，2月20日，星期一

3.Y放大器

Y通道的主放大器功能：将延迟线传来的被测信号放大到足够的幅度,用以驱动示波管的垂直偏转系统,使电子束获得Y方向的满偏转.

特点：具有稳定的增益,较高的输入阻抗,足够的频带,较小的谐波失真.

结构：差分平衡放大器第20页，共60页，2023年，2月20日，星期一三.示波器的水平（X）通道组成：触发电路扫描发生器环X放大器1.扫描发生器环（时基电路）产生符合一定标准的稳定的锯齿波电压,其组成如下图:第21页，共60页，2023年，2月20日，星期一（1）积分器功能：形成线性良好的锯齿波

当E,R,C一定,V0与t成正比定义扫描速度

Ss=t/x(t/cm)X-光迹在水平方向偏转的距离

t-偏转X所对应的时间第22页，共60页，2023年，2月20日，星期一（2）扫描门功能:产生控制积分器开关S的门控信号要求:能与被测信号同步,完成连续、触发扫描组成:施密特触发电路双稳触发器第23页，共60页，2023年，2月20日，星期一

触发扫描态:调W(稳定度)使Vb1介于E1,E2间有触发脉冲时V0=1,开始扫描无触发脉冲时V0=0,无扫描,显示一点连续扫描态:调W使Vb1>E1,无论有无触发均有V0=1,无信号时显示一直线X外加信号态(不扫描):调W使<E2较多,无论有无触发均有V0=0,

无扫描电压输出

uo

回差ub1ub1第24页，共60页，2023年，2月20日，星期一（3）比较和释抑电路功能：保证每次扫描在同一电平开始T导通时,Uch下降(充电)T截止,Uch上升(通过Rh放电)第25页，共60页，2023年，2月20日，星期一上图为触发的扫描状态:●t=t2,Ui=E2,扫描正程结束,开始回程扫描,积分器电容放电●t2-t3完成回程扫描过程●选择th>tb,可保证回扫结束后扫描门才可触发●t2-t3

“抑”，触发脉冲不起作用●t3以后,“释”，可触发●Up变化,使得t2变,最终导致U0变第26页，共60页，2023年，2月20日，星期一连续扫描状态的同步:调稳定度使Ui=E0

无论有无脉冲均可扫描有脉冲,t4开始二次扫描(同步)无脉冲,t5开始二次扫描增辉脉冲可从扫描门取出(正,负均可)第27页，共60页，2023年，2月20日，星期一2.触发电路产生与被测信号周期相关的触发脉冲。脉冲宽度与幅度均确定.第28页，共60页，2023年，2月20日，星期一

◆触发源ⅰ.内触发(+,-):被测信号作触发源最常用ⅱ.外触发(+,-):利用外界信号作触发信号,常用来比较两信号的时间关系,触发信号与被测信号有一定关系.ⅲ.电源触发(+,-):在观测与电源有关的信号时选择◆（耦合）方式选择DC:用于接入直流或缓慢变化信号,一般用于外触发或连续扫描方式AC:C1起隔直作用.用于观察交流信号低频抑制（LFREJ）:C1与C2串联后抑制约为2KHZ以下低频部分高频耦合（HF）:C1和C3串联后,C≈C1较小,只允许通过较高频(一般>5MHZ)信号高频抑制（HFREJ）：第29页，共60页，2023年，2月20日，星期一

◆触发极性

ⅰ.正极性(正斜率):V1接触发信号,V2接电平电位器

ⅱ.负极性(负斜率):V1接电平电位器,V2接触发信号◆触发电平当U1>=U2时,电路翻转,输出触发脉冲●触发电平与触发极性配合可在波形任一点进行触发.

第30页，共60页，2023年，2月20日，星期一§6.4示波器的多波形显示功用:比较电路各点波形的幅度、相位、时间关系、失真情况,观察一脉冲序列的某一部分.一、多线显示与多踪显示

1.多线显示

CRT可产生多个电子束(用多个电子枪或一个电子枪产生)有两套偏转系统,工艺制作困难价格较贵.2.多踪显示组成与普通示波器类似,区别在于Y通道加电子开关分离波形.第31页，共60页，2023年，2月20日，星期一

双踪显示示意图:电子开关对YA,YB进行时间分割即可进行双踪显示第32页，共60页，2023年，2月20日，星期一1.交替工作方式(ALT)开关转换频率=扫描频率受扫描电路控制YA,YB轮流显示条件:转换频率高于25HZ

用于信号频率较高情况第33页，共60页，2023年，2月20日，星期一2.断续(CHOP)工作方式:

电子开关工作于自激状态,不受扫描电路控制,频率一般在100--1000KHZ范围内.显示波形为不连续状原理:两个通道信号用同一个扫描电压展开,电子开关高速将信号分成很多小段轮流显示

适用较低频信号显示第34页，共60页，2023年，2月20日，星期一二、双扫描示波显示1.双扫描显示的用途主要用于显示由不同幅度和形状组成的复杂的周期性波形序列中任意一个波形的变化过程.如图:若想观测3脉冲前沿,用单扫描示波器难以显示,无论触发电平放在何位置均不能在3处起扫第35页，共60页，2023年，2月20日，星期一2.双扫描电路的组成X通道有两个时基电路,其可以是两个结构相同的独立部分,常用的是其中一个为独立(称A扫描),另一个(B扫描)只有在A扫描工作后的某一时刻才开始扫描,二者扫速可以不同,一般也称延迟扫描第36页，共60页，2023年，2月20日，星期一双扫描一般有三种工作方式:

（1）A工作模式只有A扫工作,B扫不工作,相当于单扫描示波器（2）B加亮A工作模式

A扫展示信号全貌,B扫加亮信号中感兴趣部分其中B扫速可调(改变t1-t2时间)

右图为双扫描的有关波形第37页，共60页，2023年，2月20日，星期一（3）A延迟B工作模式如图,关掉A扫至X放大通路,将B扫接到X放大,则只显示被加宽部分或感兴趣部分.

可利用延迟旋钮(W)来测量波形两点间距离.B扫速可增大,以便仔细观察波形延迟方式有连续,触发两种第38页，共60页，2023年，2月20日，星期一

3.双踪双扫描显示此系统可同时显示四个波形.推而广之,可进行四通道八踪,五通道十踪显示,只是电子开关较复杂.第39页，共60页，2023年，2月20日，星期一一、主要特性工作特性是正确使用示波器的依据,据此可以了解示波器的适用范围.1.Y通道的频域与时域响应表征一个示波器所能观测的信号频率范围和观测脉冲信号的最小上升时间.（1）频域响应:给出Y通道频率带宽,一般给出上限fh,如SBM-10,带宽为0-30MHZ

§6.5通用示波器主要指标及使用第40页，共60页，2023年，2月20日，星期一（2）时域响应:

给出Y通道在脉冲信号作用下能够响应的最小上升时间tR如SBM-10,tR<=12ns

一些示波器只给出频率响应fh,则可用下式估计tR

（3）测脉冲上升时间的修正设被测脉冲前沿(后沿)上升(下降)时间为tr(tf)若tr>>tR,一般为3～5倍，则示波器影响可忽略不计否则按下式修正:-－示波器显示的信号上升时间第41页，共60页，2023年，2月20日，星期一

2.Y通道偏转灵敏度表征一个示波器观测信号的振幅范围,如SBM-10为50mv/cm---20V/cm

3.扫描速度表示示波器展宽被测信号的能力。为读数方便一般用扫速的倒数时基因数来定量,如SBM-10时基因数范围0.05us---0.5s/cm

上限:展宽高频信号及窄脉冲的能力下限:观测慢信号的能力

4.示波器探头性能:1：110：1

有源无源第42页，共60页，2023年，2月20日，星期一二.示波器的基本测量方法

1.电压测量①直接测量法(常用)VP-P=DYh,Y偏转灵敏度V/cm,h-VP-P高度②比较测量法③位移法

2.时间测量①直接法(常用):tx=SsxSs----扫速(时基因数)s/cm或ms/cm,X----被测时间对应的距离②时标法

③位移法注：②③均为老式示波器用法第43页，共60页，2023年，2月20日，星期一3.相位测量①线性扫描法(需双踪示波器）②李沙育图形法:不易调稳定，已很少用。第44页，共60页，2023年，2月20日，星期一信号存储的必要性有时为了进行研究不得不重复产生被测信号，但是有些信号是不能重复产生的。还有一些周期很长的信号不能给人以连贯的感觉。一、

信号的模拟存储实际上是采用具有信号存储功能的示波管,取代通用示波器的CRT,发展到500MHz后已基本上停止存储机理:示波管采用了具有二次电子发射特性的介质材料。在这种示波管中，阴极发射的电子称为一次电了，由它轰击某种介质材料而产生二次电子，并且二次电子数多于一次电子数。因此，介质材料在产生二次电子的区域具有正电位，而且能保存很长时间。

§6.6存储示波器第45页，共60页，2023年，2月20日，星期一二、

信号的数字存储(数字存储示波器)从发展过程看有两种主要形式模拟技术+数字存储数字化示波器

第46页，共60页，2023年，2月20日，星期一

主要原理框图输入电路A/DRAMD/AyY放大CPUD/AxX放大||控制系统地址扫描CRT模拟＋数字存储示波器组成原理框图数字存储示波器组成原理框图第47页，共60页，2023年，2月20日，星期一三、取样技术在示波器中的应用1、实时取样

第48页，共60页，2023年，2月20日，星期一2、非实时取样顺序取样随机取样第49页，共60页，2023年，2月20日，星期一四、

主要技术指标1.

采样速率fs

主要决定因素、A/D转换速度一般要求：（实时采样）通常与时基因数对应即对应最快扫描档位，如最快为1ns/div

则n：每格采样点数t：每格扫描时间第50页，共60页，2023年，2月20日，星期一2.

带宽（存储带宽）重复周期信号带宽（等效带宽）单次信号带宽（实时带宽）理论上实际应用实时带宽k：带宽因子25 逐点显示k10 线性插值2.5 正弦内插第51页，共60页，2023年，2月20日，星期一3、垂直分辨力（电压分辨力）由A/D位数决定，目前多为8位若CRT为8×10分度（div)若n＝8则（垂直方向为256等级）每级最小电压Vm：满量程若Vm＝10V，n＝8则

n＝10则也与偏转因数Dy有关，如Dy＝1V/div则第52页，共60页，2023年，2月20日，星期一4、水平分辨力（时间分辨力）决定于D/AX的位数，相当于X方向的点数当n=10则即测量精度为0.01div模拟示波器难以达到同时与示波器Dx有关如Dx＝10ms/divn＝10（10位D/A)则精度高（D/A基准，时钟）此时屏幕上任一点均可用两个二进制数（16进制数）表示第53页，共60页，2023年，2月20日，星期一五、

DSO的主要部件及要求(略)

六、高速信号采样技术(略)第54页，共60页，2023年，2月20日，星期一七、

波形显示

1.基本显示将存储器中的数