第三章示波测试技术原理

第三章示波器原理及应用

（一）、概述（二）、示波测试的基本原理（三）、通用示波器原理及使用（四）、取样技术在示波测量中的应用（五）、波形的存储和记忆（六）、示波器的扩展应用（一）、概述：1931年美国无线电公司发明。特点：1、直接观测和真实显示被测波形。可显示脉冲信号的前后沿、脉宽、上升下降时间。2、是时域测试典型仪器，能检测信号波形是否正常，有无失真以及相关关系。3、X-Y图示仪。4、是多种电量和非电量测试和测量中的基本测试仪器。分类通过描绘被研究的信号随时间的变化，可用于调试电子电路、维修仪器设备。是构成其他两个测试领域的仪器设备的基础。根据示波器的性能和结构，分为：通用示波器；多束示波器；取样示波器；记忆、存储示波器；专用或特殊示波器。（二）、示波测试的基本原理：衰减Y前置放大器延迟线Y输出放大器扫描发生器环触发电路X放大器电源输入输入XY外触发输入校准信号发生器校准输出s2Y通道X通道s150Hz电源灯丝阴极K栅极G1G2阳极A1A2FY2Y1X2X1电子枪偏转系统一、阴极射线示波管示波管由电子枪、偏转系统、荧光屏组成1.电子枪KA1A2G1G2_+辉度聚焦辅助聚焦荧光屏灯丝加热阴极后，发出大量电子。G1包围着K，只在面向荧光屏的位置开一小口。UG1K是可调的。能够调节电子密度进而调节亮度、灰度。对数码显示，该端受数码控制。对电视受灰度控制。G2、A1、A2组成聚焦系统，并能加速。

UG2A2=0UA2A1>0UA1G2<0形成一个减速场，一个加速场调节A1电位进行聚焦，调节A2辅助聚焦，以免发生散焦。2.偏转系统X偏转板Y偏转板A2VabVy+_

s

Ly灵敏度：D’y=1/h’y⑴静电偏转与磁偏转的区别电子示波器偏转系统是静电偏转电视CRT监视器偏转系统是磁偏转。⑵原理定量研究一下电子束的偏转情况（见P128图）Va越高，轴向速度越高，穿过偏转板所用的时间减少，电场作用减少，Y减小。在偏转电压的作用下，Y方向的偏转距离为单位电压偏转距离Y越大，示波器越灵敏。↑S，散焦，且体积↑↑l,受时间限制，不能显示高频信号↓b，必然限制电子束的偏转角度↓Va,必然降低轴线方向的速度，不亮且易散焦。但如果改进一下，先偏转后加速，则可使偏转灵敏度↑。为此在偏转板至荧光屏间加一个后加速阳极，为避免后加速阳极对电子偏转的影响，通常将后加速阳极作成分段的（因为分段后，电力线偏到外面的会少）后加速阳极电压可高达上万伏，灵敏度可提高数十倍。

示波器内壁涂上一层荧光物质。面向电子枪的一侧还常覆盖一层极薄的透明铝膜，用以反光和散热。电子束从荧光屏上移去后，光点仍能在屏上保持一定的时间才消失。

余辉时间：从电子束移去到光点亮度下降为原始值的10%所延续的时间称为余辉时间。

3.荧光屏不同的材料余辉时间不一样。蓝绿白、黄小于10μs10μs~1ms1ms~0.1s0.1~1s大于1s

极短~短~中~长~极长~看什么样的波形，用什么样的示波管。主频：短注：避免光点长时间打在一点上，烧焦屏幕（出现黑点），实验室内常用的中余辉（绿色）。当用作显象管时（绿色）二、图象显示的基本原理：示波器图象显示原理分为显示y=f（t）图形和显示任意两波形关系变量的图形。1、显示y=f（t）时的图形加在VY上即Y偏转板上。如VX=0则电子束在垂直方向上显示一条线这时可测VP-P。（1）、扫描A、偏转特性：测试信号波形的理论依据是：示波器CRT偏转特性——静电特性，yVy，x

Vx光点在锯齿波作用下扫动的过程称为扫描，从左到右称为扫描正程，从右到左为回程。电压→max光点→最右电压↓min光点↓最左能实现扫描的锯齿波电压叫扫描电压X偏转板上加一随时间而线性变化的电压，即VX=kt(锯齿波电压)，光点的变化反应了时间变化。时间变化为一条直线，称为时间基线B、扫描的同步TsTnTnTn=2TsTn=Ts+1/4Ts为得到稳定的波形，必须保证同步关系，即

Tn=NTsN-为整数同步扫描当扫描电压的周期Tn是被观察信号周期的整数倍时，扫描后的一个周期描绘的波形与前一个周期完全一样，荧光屏上得到清晰而稳定的波形，这就叫做信号与扫描电压同步。存在问题：a有扫描底线b不便观察占空比很小的波形（尖脉冲等）。C、连续扫描和触发扫描

Ts被测脉冲连续扫描Tn=TstTntTn连续扫描Tn=t触发扫描tvy以观察电视行同步信号为例。**连续扫描的特点：a、扫描发生器连续工作；b、无输入信号时显示一条时基线；**触发扫描的特点：a、被测脉冲到来时扫描一次；b、平时为等待扫描状态；c、主要用于观测占空比很小的脉冲，扫描电压持续时间的选择应等于或稍大于脉冲底宽。在有的示波器上，会有一个按钮来进行选择。D、关于增辉、消隐存在的问题在触发扫描时，有很长等待时间，此时VX=VY=0，有一个光点，而且还有回扫虚线。

利用增辉可加强扫描正程时的亮度，减弱光点；利用消隐可减少扫描回程时的基线。电子枪KG1G2_+辉度聚焦辅助聚焦荧光屏A1A2增辉消隐！对于触发扫描，扫描正程增辉可避免无信号时中心亮点毁坏屏幕。

如果观察触发脉冲的上升沿，触发扫描加上消隐及增辉后，仍不理想。

因为触发扫描发生器只有当被观察的信号到来时才工作，因此扫描的开始时间总是滞后于被观测信号，所以上升沿或下降沿无法完整显示。因此需将加到Y偏转板上的信号VX延长，加延迟线即可。E、延迟衰减Y前置放大器延迟线Y输出放大器扫描发生器环触发电路X放大器电源输入X校准信号发生器校准输出s2Y通道X通道s1输入Y外触发输入50Hz电源(三)、通用示波器原理及使用一.原理框图扫描门积分器比较和释抑电路增辉至X放大器E扫描发生器环对于扫描信号要求：

要求波形线性好，下降快；如线性不好时，信号观测会产生失真，下降不够快时，会出现回扫。X通道主要功能即为产生扫描信号。二.水平通道(1)、扫描门：采用施密特电路E2E1tt0V0

又称为时基闸门，连续扫描时，没有触发信号也有门控信号输出；触发扫描时只有在触发脉冲作用下才应产生触发信号。输入端由三个方面信号控制：稳定度——提供直流电位触发电路——触发脉冲释抑电路——释抑信号

(2)、积分器：采用密勒积分器，使荧光屏上水平距离代表时间（a）、使荧光屏上水平距离代表时间（b）（c）扫描速度粗调——改变R或C 扫描速度微调——改变E或改变X放大器的增益扫描速度（t/cm）

(3)、自举电路

把锯齿波送入X放大器后，再加至水平偏转板，由于这个电压与时间成正比，就可以用荧光屏上的水平距离代表时间。定义荧光屏上单位长度所代表的时间为示波器扫描速度S（t/cm）

(4)、扫描速度x：光迹在水平方向偏转的距离

t：偏转x所对应的时间可见，调整E、R、C均可改变扫描速度。改变E作为扫描速度微调；改变R、C扫描速度粗调。（5）、比较和释抑电路作用：通过判断积分器输出电压来控制扫描门关闭，同时使积分器复位。复位过程即为回扫过程。E0E1E2Vrt12t1t1´t2t3t4t5

连续扫描时，稳定度旋钮电平E0大于上触发电平E1

触发扫描时，E0

介于E1与E2之间脉冲到来时触发E1E0E2Vr释抑电路充电释抑电路放电释抑电路充电释抑电路放电在扫描正程时，即使接收到触发信号也不能改变电路状态，这叫“抑”在扫描回程后才可以接收触发脉冲，这叫“释”。作用：产生周期与被测信号有关的触发电路脉冲，加至扫描门。组成：方式开关、电平旋钮、极性开关、S1开关组成。+–DCHFAC低抑内外+–+–+–电源电平方式极性AC“极性”决定上升沿或下降沿触发“电平”决定正半周或负半周触发方式开关决定不同的耦合方式：AC、DC（6）、触发电路1、正极性，正电平触发点2、负极性，正电平触发点3、正极性，负电平触发点4、负极性，负电平触发点

有衰减器、前置放大、延迟线、Y输出差分放大组成。可以证明：当R1C1=R2C2时分压比与频率无关。改变分压比，即可改变示波器的偏转灵敏度，这个改变分压比的开关即为灵敏度粗调开关（V/cm）。三.垂直通道

(1)、衰减器（verticalchannel）

为扩大可观察信号的幅度范围，保证显示在荧光屏上的信号不致因过大而失真，通常由RC组成。提高输入阻抗。在集电极加电抗，提高频率响应。高频时ZC较大，增益增大。输出差分信号至差分放大器。改变负反馈，可改变较大的增益，即示波器灵敏度微调（“校正位置”）。

(2)、前置放大

输出极采用差分放大使加在偏转板上的电压能够对称，并有利于提高共摸抑制比。改变Y电位器，可以改变两输出端的直流电位，进而改变波形Y在荧光屏上的位置，即“Y轴位移”旋钮。

(3)、输出放大器a、偏转灵敏度:10V--10nV，体现测量强弱信号的能力。b、扫描速度Ss：10S/cm--1nS/cmc、带宽：仪器响应降低3dB时的上限频率。信号上升时间/示波器对信号的上升时间测量误差

1/141%3/15.2%5/12%10/10.5%结论:示波器带宽越宽，上升时间越短，测量误差越小。四.示波器的使用

(1)、工作特性依据：1、根据工作特性2、性能价格比3、测量的准确度4、通道数5、数据处理方式6、采样速率7、评价存档能力8、易使用

(2)、示波器的选用a、电压测量b、时间测量

掌握各种方法的原理、使用，及其优缺点。

(3)、基本测量技术最常用的探头是“低电容探头”，其等效电路如图所示

(4)、探头的使用可以证明，当R1(C1+C2)=RiCi则分压比与输入信号频率无关常取分压比为1:11:10(探头有一开关选择)如果Ri=1M欧姆，则R1=9M欧姆大大提高了系统的输入阻抗，降低了输入电容。C1+C2<<Ci故称低电容探头。探头的校正：如不满足上述关系，测量波形会发生畸变，因此要进行探头的校正。对标准信号，0.5vpp，1kHz，如C1调整不合适，会出现以下波形。C1叫做补偿电容，又叫加速电容。其它常用探头：高压探头（100:1)、电压隔离探头、电流探头

输入0.5vpp，1kHz的信号，探头打在1：1档。调整示波器灵敏度粗调（v/cm），此时微调打在校正位置，0.5v/cm档应是一格，否则调微调。扫描速度粗调1ms/cm，再调微调。

尽量放在直流档，可获得最大信息量。

(5)、标准信号的校正

(6)、交直流混合量的测量A线性扫描法a首先进行时基校正。b选择出发电平及极性。触发电平太大、太小均不稳定。在调整触发电平时，会觉得波形左右跳，这是眼睛的错觉，实际上是触发位置在动。c选择同步源比如双通道A、B看触发脉冲，可利用电源触发或外触发输入（双踪示波器在下面介绍）。讨论：用单踪示波器，如何查看两波形的相位差？

(7)、相位测量B李沙育图形法显示两个任意变量的关系梯形法Y通道X通道

(8)、调幅系数测量包络法示波器BA正确使用注意事项a、探头配套使用及校准，微调旋钮的校正位置b、注意电压高低c、注意保护屏幕d、注意共地问题(1)、多线示波器

发射多个相互独立的电子束，多枪多束或单枪多束；常用双线示波器。缺点：工艺要求较高，价格较贵。(2)、多踪示波器

组成与普通示波器类似，增加了一个电子开关，具有多个垂直通道。电子开关的切换或转换方式有交替和断续两种，属于时间分割方式。五.示波器多波形显示A门电子开关B门垂直位移垂直位移A通道输入B通道输入至垂直偏转板双踪示波器Y通道方框图：图中V1、V2两个电位器为偏置电位器电位器。把上下两通道上下分开。“交替”方式“断续”方式其扫描方式有：交替扫描：非实时，开关速度低，有闪动，不用于低频波形显示。断续扫描：开关速度高，不闪，中间要消隐，否则有雾状。注意：双踪示波器在使用时，切忌共地，否则短路。触发源的选择问题(3)、双扫描示波显示前置放大延迟线A触发A扫描A门电压比较B触发B扫描电子开关Y线分离B门X放大Y放大Rp功能：在观察一个脉冲序列的同时，可以仔细观察其中一个或部分脉冲的细节有两个独立的触发和扫描电路，扫速可相差很多倍延迟触发电平被测信号A触发A扫描B触发B扫描A增辉B增辉合成增辉双扫描示波器的有关波形（四）、取样技术在示波测量中的应用取样分为实时取样非实时取样实时取样：指在信号经历的实际时间内对一个信号波形进行取样。缺点：不能解决示波器在观测高频信号时所遇到的频带限制的困难。非实时取样：取样点分别取自若干个信号波形的不同位置。优点：解决了实时取样的缺点。Tt2t3t4t5tt1t2t3t4t5t6123456KGA1A2YXK1K2G11G12G21G22收集极存储介质存储栅网写入电子枪偏转系统读出电子枪记忆和显示部分栅网式存储示波管记忆示波器—利用记忆示波管组成（五）、波形的存储和记忆水平放大器输入衰减器输入放大器触发电路A/D转换器D/A转换器逻辑控制电路(微处理器)地址计数器D/A转换器GPIB控制器记录输出控制器扫描发生器延迟线垂直放大器存储实时实时存储存储输入外触发CRT存储器(RAM)数字存储示波器数字示波器可以方便的实现对模拟信号进行长期存储;可以利用机内微处理器对存储的信号进行进一步的处理;例如:自动测量被测波形的频率、幅度、前后沿时间、平均值等数字示波器分为实时和存储两种工作模式；当为存储模式时，工作过程分为存储和显示两个阶段当为实时工作模式时，原理与传统模拟示波器基本一样。取样器模-数变换存储器取样器模-数变换存储器时基电路处理器显示晶体振荡器时钟前置放大器输入1输入2外触发数字示波器的输入电路与模拟示波器的输入电路相似；数字示波器的时基电路的功能与模拟示波器不同，它是一个晶体振荡器，测量触发信号和取样时钟之间的时间差，处理器根据此时间差确定将波形取样放在显示器上什么位置。被测信号取样脉冲取样值RAM地址数据A0A1A2A3A4A5A7A8A9A10A11A6D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11取样和存储过程地址数据A0A1A2A3A4A5A7A8A9A10A11A6D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11读出和显示过程读出数字量X通道扫描信号荧光屏显示数字示波器的技术指标、特点及应用技术指标1、最大取样速率单位时间内完成的完整A/D转换的最高次数2、存储带宽3、分辨率包括水平和垂直分辨率4、存储容量5、读出速度数字存储示波器的特点：1、可观测甚低频信号波形；2、可长期存储波形3、可进行负延迟；可同时观察到触发点前、后的波形，有利于观察振荡器起振的过程。触发点4、便于观测单次过程和缓慢变化的过程可用于观察地震、金属断裂、武器发射、材料变形等单次过程和缓慢变化过程。5、多种显示方式卷动例如：适合于连续波形中寻找所需信号的两种显示方式适用于在缓慢变化中的信号寻找所需的信号。新波形老波形改写点自动抹迹每满足一次触发条件，新存储的波形就覆盖原波形。6、便于数据处理7、可用字符显示测量结果8、便于程控和用多种方式输出9、便于进行功能扩展例如：可扩展为同时显示时、频域波形的仪器。HP54645D示波器应用1、模拟信号观测2个输入通道；2、数字信号观测：16个数字输入通过对数字逻辑信号测量的设置操作，对通道数字输入状态进行测量3、触发方式设置边沿触发触发电平4、触发类型AUTO:自动触发AutioLvl:自动电平触发Normal:常态触发模式触发:对信号通道设置触发类型,可以是数字编码或者是模拟通道的信号。先进触发包括毛刺触发、模式触发和TV触发。1、毛刺触发可通过对毛刺的极性和宽度进行定义产生触发。2、模式触发设置信号的码型模式作为触发信号。3、TV触发对电视信号进行观测时使用。

逻辑分析仪原理、组成4、基本组成触发识别数据获取数据存储数据显示3、数据域测试典型代表;1、数据域分析：以离散时间或事件为自变量的数据流。2、数字系统的特点通常是按时续传递多位传输传递方式多样速度变化范围宽单次或非周期信号故障判别数据采集探头输入寄存器FIFO存储器触发识别器内时钟发生器显示发生器++CRT门限电平设定外时钟输入0通道1通道N通道触发字置入外触发输入触发信号触发识别:为了捕获和显示感兴趣的内容，触发识别电路用于寻找触发字或触发事件。数据获取：在时钟作用下，通过多路数据采集探头，与设定的门限电平进行比较，判为0、1两种状态后存入输入存储器。数据存储：存储采集到的数据。通常采用先进先出（FIFO）寄存器数据显示：显示存储于存储器中的数据。2、逻辑分析仪的触发（1）始端触发逻辑分析仪在被触发时的数据为存储、显示的第一个有效数据。（2）终端触发存储器存满后开始搜索触发字，一旦搜索到，立即停止存储。触发字为存储和显示的最后一位有效数据。（3）延迟触发分为时钟延迟和事件延迟。时钟延迟又称为字延迟，指触发后经过一定的采样时钟数后才开始或终止存储有效数据。事件延迟通常是对触发字进行延迟，指检出一定数目的触发字后再触发。采用延迟的方法可以逐段观测数据流。(4)触发的识别字触发输入的数据字与预先设定的触发字进行比较事件触发对符合的次数进行计数，达到预置计数值时产生触发（5）触发限定满足一定的条件才能触发。3、逻辑分析仪的数据获取（1）采样方式（2）同步采样和异步采样同步采样：利用被测电路的时钟或某些信号作为逻辑分析仪的时钟进行采样。异步采样：采样时钟与被测系统没有同步关系。

主要是利用逻辑分析仪内部的多种不同周期的采样时钟。异步采样时钟频率的选择：应选时钟频率为被测信号频率或相当最窄观察脉冲对应频率的5—10倍。4、逻辑分析仪数据存储始端触发的数据存储：进入存储阶段，找到触发字，经过延迟电路，开始存储存储计数器计数，存储器满停止。终端触发的数据存储：写时钟作用下，开始存储；存储器满开始搜索触发字；找到触发字，经过数字延迟后，停止存储。5、逻辑分析仪的显示状态表显示定时图显示6、显示方式状态表显示反汇编显示比较显示D/A显示映射图显示1.JT-1（XJ4810）图示仪从输出特性曲线上应能查出最常用的4个主要参数

a.Ib=0时的Ic值即Iceob.Vces饱和压降，在Ic=10mA时

c.电流放大倍数

d.V(BR)CEO反向击穿电压(1)三极管的输出特性（六）、示波器应用扩展50Hz全波整流波形

阶梯波电压发生器

集电极扫描电压YXCEB取样电压保证阶梯波扫描电压的周期为集电极扫描电压周期的整数倍晶体三极管输出特性(2)原理框图(3)波形分析a.外观

要注意NPN和PNP对Vc和Ib的正负调整。并且在选双簇时，切记同是NPN或PNP管子。学会用万用表辨别c,e,b。b.Ib调零

NPN管子Iceo≈0较小,不明显,因此以PNP管子为例。显示部分中间按钮按下，调整起始位置在右上角。级数选择“1”，最“左”位置。按下测量板上“零电流”，即Ib=0，调整Vce=10V,此时Ic为Iceo。松开零电流，应使第一条线和Iceo重合，即阶梯调零旋钮。

11088722152011

c.Vceo的测量按下零电流，即IB=0，适当选择限流电阻RC，选择适当的电压档位和极性，逐渐增加扫描电压，观测电流的变化，当发生电流突变时的拐点位置，即为击穿电压。d.稳压二极管的测量（讨论）e.绝缘栅场效应管（思考题）2.放大器的幅频特性测试(1).原理

X扫描：对应于频率变化

Y扫描：不同频率下的放大输出。这就是扫频测量技术。锯齿波电压→VCO→输出频率随时间在一定范围内由低到高做线性变动，振幅不变→放大器，则从输出端得到的电压包络线与其幅频特性相对应(2).测量方法首先将放大器的输入输出短路，则屏幕上出现一条线（虚线所示）。割断短路线，由于是放大器，输出波形非常大。调Y轴衰减使尖峰和上次的直线相切，则衰减倍数即为放大倍数。3.频谱分析(1).定义向pf面投影得到一条条谱线，对应于各频率点所对应的信号幅值。研究信号所包含的频率成分即频谱分布情况，叫频域分析或频谱分析。以开关电源中常见的开关信号为例，我们知道，它是镜像对称的，进行傅立叶分析后（展开后）可以写成如下表达式(2).频谱仪的工作原理a.模拟式频谱仪设置一组带同滤波器，中心频率分别为f01<f02<……