第四章电子示波器

第4章电子示波器4.1概述电子示波器简称“示波器”，是一种用来直接观察电量随时间变化过程的仪器。它是典型的时域测量仪器。随着电子科学技术不断发展，示波器除了能对电信号作定性的观察外，还能用来进行一些定量的测定。例如：能够用它进行各种电信号的电压、频率、相位、周期等电量的测量。示波器是一种用来显示某一输入信号与时间关系的快速X-Y记录器。为了完成X-Y高速记录器的功能，示波器必须具有许多相应的电子部件。1第四章电子示波器它具有下述特点①能显示波形，能测信号瞬时值，具有良好的直观性。②灵敏度高(10μv/div)(微伏/格)，显示速度快，工作频带宽，可方便观察瞬变信号细节。③输入阻抗高，对被测电路影响小。④可显示任意两个电压或电流量的函数关系，可作比较信号用。2示波器按其性能、结构分为：（1）通用示波器通用示波器采用单束示波管，它分为单踪、双踪、多踪示波器。单踪示波器在荧光屏上只能显示一个信号的波形，双踪示波器在荧光屏上可显示两个信号的波形，多踪示波器在荧光屏上可同时显示两个以上信号的波形。（2）多束示波器多束示波器又称为多线示波器，它采用多束示波管，荧光屏上显示的每个波形都由单独的电子束扫描产生，能同时观测、比较两个以上的波形。（3）取样示波器取样示波器将高频、超高频信号经取样变换为较低频率信号后再显示，适用于测量高频、超高频信号。（4）存储示波器存储示波器具有存储被测信号的功能，适用于异地观测、异地分析测量。（5）专用示波器专用示波器能够满足特殊的用途，如监测调试电视系统的电视示波器，用于调试彩色电视中有关色度信号幅度和相位的矢量示波器和用于观测调试计算机和数字系统的逻辑示波器等。34.2示波管示波器将电信号波形转换成人眼能直接观察的图像，是通过其核心部件示波管来实现的。示波管是电子示波器的显示器件，也是示波器的心脏。近来，许多新型的光显示器件有了很大的发展，例如：电发光阵、砷化镓二极管固态光发射阵、液晶离子器件等。目前，电子射线管（CRT）仍然是示波器的重要显示器件。4示波管原理电子枪控制栅极G阴极K灯丝F偏转系统第一阳极A1第二阳极A2Y1Y2X1X2后加速阳极A3荧光屏偏转板辅助聚焦聚焦辉度+－RP1RP2RP3图4.1阴极射线示波管结构示意图5一、电子枪电子枪由灯丝（Ｆ）、阴极（Ｋ）、控制栅极（Ｇ）、第一阳极（Ａ１）、第二阳极（Ａ２）和后加速极（Ａ３）组成。其作用是发射电子并形成很细的高速电子束，撞击荧光屏而发光。灯丝用于加热阴极，阴极提供热电子发射所产生的电子。控制栅极则用来控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变荧光屏亮点的辉度。调节电位器RP1改变栅、阴极之间的电位差，即可达到此目的，故RP1在面板上的旋钮标以“辉度”。第一阳极和第二阳极对电子束有加速作用，同时和控制栅极构成一个对电子束的控制系统，起聚焦作用。调节RP2可以改变第一阳极的电位，调节RP3可以改变第二阳极的电位，适当调节RP2(“聚焦”)和RP3(“辅助聚焦”)，可使电子束恰好在荧光屏上会聚成细小的点，保证显示波形的清晰度。调节“辉度”时会使聚焦受到影响，示波管的“辉度”与“聚焦”两者经常要配合调节。后加速极A3位于荧光屏与偏转板之间，其作用是对电子束作进一步加速，增加光迹辉度。6二、偏转系统示波管中，在第二阳极的后面，由两对相互垂直的偏转板组成偏转系统，Y轴偏转板在前（靠近第二阳极），X轴偏转板在后。两对偏转板各自形成静电场，分别控制电子束在垂直方向和水平方向的偏转。为了显示出被测信号的波形，扫描电压和被测信号电压分别加在示波管X、Y偏转板上。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的偏转距离与时间成正比，这是示波器测量时间、周期等参数的原理依据。改变扫描电压的大小，可以调整显示波形的宽度。锯齿波和被测信号都变换成极性相反的对称信号后加到偏转板上，如图4.1所示。被测信号变换后加在Y偏转板上，使电子束产生与信号电压成正比的偏移，这是示波器测量电压等参数的原理依据。改变Y偏转板上的信号电压大小，可以调整显示波形的幅度。7偏转系统当在Y1、Y2偏转板上再叠加上对称的正、负直流电压时，显示波形会整体向上移位，反之，向下移位，调节该直流电压的旋钮称为“垂直移位(VERTICAL)”旋钮。当在X1、X2偏转板上再叠加上对称的正、负直流电压时，显示波形会整体向左移位，反之，向右移位，调节该直流电压的旋钮称为“水平移位（HORIZONTAL）”旋钮。P107(a)图8补充：波形显示原理

如果只在示波管的水平偏转板上加如图4-3所示的锯齿波形的扫描电压（以下称扫描电压），则会使得电子束沿水平方向偏转，荧光屏上就出现水平扫描线；如果只在垂直偏转板上加此扫描电压时，则会使得电子束沿竖直方向偏转，则荧光屏上就出现竖直扫描线；如果在水平偏转板加上扫描电压，同时又在垂直偏转板加被测量信号电压时，电子束就同时受到水平和垂直方向上的电场力的作用，则电子束就向二力的合力方向偏转,如图4-4所示。在X偏转板加扫描电压的同时，并在Y偏转板上加测量信号电压，就可以将其波形显示在荧光屏上。图4-3锯齿波电压

图4-4光点的偏转9uy12340tTsuxuyuxX1X2Y1Y212340t0Tn12340图4.5扫描过程当t=1时水平偏转板加扫描电压（右正、左负），垂直偏转板上加正弦波电压（上正、下负），则光点就向右上方运动并达到“1”的位置；其余可依次类推。当光点移到“4”位置时，Y轴上电压已变化了一周，X轴上电压也回到零，这样使得电子束在荧光屏上扫描出了一个周期正弦波形；紧接着又进行与第一个周期的相同的扫描过程，从而形成第二周期的正弦波形。P107(bc)图10

上述是TX=TY（即fY=fx）的情况。如果使TX=2TY（即fY=2fX），则在荧光屏上显示两个周期的正弦波形。由此可见，如想增加显示波形的周期数，则应增大扫描电压ux的周期，即降低ux的扫描频率。荧光屏显示被测信号的周期个数就等于Tx与TY之比值n（n为正整数）。如果Tx与TY的比值不是整数倍，则会出现正弦波形向左或向右移动。这是在调节过程中经常出现的现象。11三、荧光屏P107示波管的屏幕是在它的管面内壁涂上一层荧光粉形成的。由荧光粉组成的荧光膜在受到高速电子轰击后，将电子的动能转化为光能，形成光点，并出现余辉时间。从电子束停止作用到光点亮度下降到其原始值的10％所延续的时间利用荧光屏的余辉，当电子束随信号电压偏转时，才能看到由光点的移动轨迹而形成的整个信号波形。示波管按余辉时间可分为：短余辉（小于1ms）示波管，观察高速信号；中余辉（1~100ms）示波管，用于通用的示波器；长余辉（大于100ms）示波管。观察低速信号。124.3电子示波器的组成结构一、电子示波器的结构框图P108示波器能用来观测信号波形是基于示波管的线性偏转特性，即电子束的偏转距离正比于加到偏转板上的电压大小。电子束沿水平和垂直方向上的运动是相互独立的，打在荧光屏上亮点的位置取决于两副偏转板上的电压。当两副偏转板上不加任何信号（或分别为等电位）时，亮点则处于荧光屏的中心位置。13二、主要技术指标P1091.示波器的频带宽度BW:如不加说明,示波器频带宽度BW均为Y通道的频带宽度，屏上显示的图象高度对于中心频率时的高度下降3dB所对应的信号的下限频率ƒ1到上限频率ƒ2的宽度（ƒ2-ƒ1）2.偏转灵敏度S、偏转因素偏转灵敏度：在单位输入信号电压的作用下屏幕上光点在垂直方向的偏转距离，其单位为cm／v(或cm／mV）。偏转因素的倒数称为“（偏转）灵敏度”。偏转因素指在输入信号作用下，光点在荧光屏上的垂直（Y）方向移动1cm（即1格）所需的电压值，单位为“V/cm”、“mV/cm”（或“V/div”、“mV/div”）。偏转因素表示了示波器Y通道的放大/衰减能力。143.扫描速度

扫描速度是指荧光屏上单位时间内光点水平移动的距离，单位为“cm/s”。 荧光屏上通常用间隔1cm的坐标线作为刻度线，因此扫描速度的单位也可表示为“cm/div”。 扫描速度的倒数称为“时基因素”，它表示单位距离代表的时间，单位为“t/cm”或“t/div”，时间t可为μs、ms或s，在示波器的面板上，通常按“1、2、5”的顺序分成很多档。4．输入阻抗示波器输入阻抗Zi，即示波器输入接线端对被测信号源呈现的阻抗，可等效为输入电阻Ri和输入电容Ci的并联。通常规定Ri=（1±5%）MΩ，要求Ci随频带宽度的增加而减小，Ci一般在35pF左右。测量高频信号时应考虑输入电容的影响。155．示波器的瞬态相应（时域响应）

P110图4.10瞬态响应的表示方法1617与时间有关的脉冲参数的定义186.扫描方式P111线性时基扫描(P114)可分为连续扫描和触发扫描两类。连续扫描：没有等待时间，适合观测连续信号。但观察脉冲信号时，不能观测细节部分。波形如图P111

触发扫描：只有在触发信号的激励下才开始扫描。完成一次扫描后，处于等待状态，等第二个触发信号到来再进行第二次扫描，适宜观察占空系数小的脉冲信号。波形如图P111194.4通用示波器通用示波器是示波器中应用最广泛的一种。它通常泛指采用单束示极管的、除取样示波器及专用或特殊示波器以外的各种示波器。虽然通用示波器的种类繁多，但其组成部分都应包括下图所示的三个组成部分。

20通用示波器组成21通用示波器组成1.Y轴系统（垂直系统）：由衰减器、放大器及延迟线等组成。其主要作用是放大被测信号电压，使之达到适当幅度，以驱动电子束作垂直偏转。2.X轴系统（水平系统）：由触发整形电路、扫描发生器及X放大器组成。其作用是产生扫描锯齿波并加以放大，以驱动电子束进行水平扫描；触发整形电路则保证荧光屏上显示的波形稳定。3.主机系统：主要包括示波管、增辉电路、电源和校准信号发生器。增辉电路的作用是在扫描正程使光迹加亮，而在扫描回程使光迹消隐。电源电路将交流市电变换成多种高、低压电源，以满足示波管及其他电路工作需要。校准信号发生器则提供峰峰值1V、频率为1KHz的标准方波信号，用作校准示波器的有关性能指标。22Y通道的作用和要求是被测信号的传输通道。用示波器观测信号时，欲使荧光屏显示的波形尽量接近被测信号本身具有的波形，则要求Y系统必须准确地再现输入信号。Y通道探测被测信号，并对它进行不失真的衰减和放大，还要具有倒相作用，以便将被测信号对称地加到Y偏转板，提供电子束在Y方向发生偏转时所需电压。和X轴系统相配合，Y轴系统还具有延时功能，并能向X通道提供内触发源。基本组成如下：23Y通道输入电路

输入电路：引入被测信号，为前置放大器提供良好的工作条件。并在输入信号与前置放大器之间起阻抗变换、电压变换的作用。输入电路的组成如图P111。24⑴Y通道输入耦合方式P111输入耦合方式设有AC、GND、DC三档选择开关。观察交流信号时，置“AC”档。确定零电压时，置“GND”档。观测频率很低的信号或带有直流分量的交流信号时，置“DC”档。

25⑵衰减器P112输入衰减器用来衰减输入信号，以保证显示在荧光屏上的信号不致因过大而失真。RC阻容分压电路R1、R2为分压电阻，C1为补偿电容，C2为下一级的输入电容和分布电容。改变分压比的开关即为示波器灵敏度粗调开关,在面板上常用V/cm标记26衰减器衰减器的衰减量为输出电压VO与输入电压Vi之比，也等于R1C1的并联阻抗Z1与R2C2的并联阻抗Z2的分压比。其中27衰减器

只有当满足R1C1=R2C2时，衰减器才具有平坦的幅频特性，即示波器偏转因数与输入信号频率无关，其衰减比为R2/(R1+R2)。直流、低频分压比高频分压比当满足

28⑶探头P112被测信号与示波器的连接可以选用引线或附带的探头，通常选用高频特性良好、抗干扰能力强的高输入阻抗探头。 探头分为有源探头和无源探头两种。29

无源探头的结构如图4.7所示。如果要正确地测量高频波和方波，需要调节探头补偿电容器C。补偿电容的位置有的在探针处（图4.7(a)），有的在探头末端（图4.7(b)）。调整补偿电容时，将示波器标准信号发生器产生的方波加到探头上，用螺刀左右旋转补偿电容C，直到调出图4.8(a)所示的方波（即正确补偿）为止。否则，会出现图4.8(b)、图4.8(c)所示的电容过补偿或欠补偿情况。(b)输入示波器探头CiRi1MΩ

(a)C9MΩ高阻同轴电缆探针地线输入示波器探头CiRi1MΩC9MΩ高阻同轴电缆探针地线图4.7两种无源探头的结构30探头RpCp=RiCiRpCp>RiCiRpCp<RiCi图4.8312.阻抗变换器113阻抗变换器一般由射极跟随器构成。射极跟随器的高输入阻抗使得示波器对外呈现高输入阻抗，射极跟随器的低输出阻抗容易与后接的低阻延迟线相匹配。为了显示稳定的脉冲波形，示波器通常采用内触发方式来产生扫描电压。只有当被测信号达到一定的触发电平时，才能产生触发脉冲并形成扫描电压，但被测信号从零电平开始上升到一定的触发电平需要经历一定的时间，这表明扫描电压要比被测信号出现的时间晚，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Y通道中设置延迟级对被测信号进行延迟,延迟时间一般为60～200ns，常取100ns左右。323.延迟线P113图4.10为延迟级原理示意图，图4.10(a)、(b)、(c)、(d)分别为被测信号uy(t)、触发脉冲p(t)、扫描电压ux(t)的波形和被测信号的显示波形，Ut为触发电平.由此可见，经过延迟级适当延迟后即可看到完整的被测信号波形。但观测正弦等缓慢变化的信号时，延迟级的作用却不显著，故简易示波器中一般不设置延迟级。无延迟级显示的波形延迟时间τ有延迟级显示的波形t00ux(t)p(t)tuy(t)Ut0t图4.10延迟级原理示意图(a)(b)(c)(d)334.Y放大器P113Y放大器使示波器具有观测微弱信号的能力。Y放大器应该有稳定的增益、较高的输入阻抗、足够宽的频带和对称输出的输出级。通常把Y放大器分成前置放大器和输出放大器两部分。

主要按钮：垂直（Y）位移-----调Y放大器直流电位，使水平基线上下移动。寻迹-----有时Y增益过大,基线跑出屏幕,按“寻迹”倍率-----若把“倍率”置于“×5”,使增益大大降低拉回基线增益增加5倍，这便于观测微弱信号。34二、水平偏转通道P114示波器水平通道的主要内容是：产生并放大与时间成线性关系的锯齿波扫描电压，使电子束沿水平方向随时间线性偏移，形成时间基线；能选择适当的触发或同步信号，并在此信号作用下产生稳定的扫描电压，以确保显示波形的稳定；能产生增辉或消隐信号，去控制示波器的Z通道。35增辉与消隐在示波器中，一个完整的扫描过程应该包括正向扫描(从左到右)和回扫两个部分。回扫是指光点从水平扫描终端返回起点的过程。我们不希望光点在回扫描期间在荧光屏上得到显示。Z轴放大器就是为此而设置的，它在示波管不扫描的静止期间或回扫期间，输出低电平加到示波管的控制栅极，使电子束截止而让光点或回扫线消失。在正向扫描期间，Z袖放大器则输出高电平(又称为增辉电压)，使示波管在正扫期间以正常辉度显示波形。扫描分为正程和回程，通常扫描回程需要一定的时间，但对于观测者而言，在回程时并不需要显示光迹，如右图所示。361.扫描分类P114-115连续扫描和触发扫描扫描电压是连续的方式称为连续扫描。当欲观测脉冲信号，尤其是占空比很小的脉冲时，采用连续扫描存在一些问题：选择扫描周期等于脉冲重复周期时，这时荧光屏显示的脉冲波形集在扫描线的起始部分，图象被“挤成”一条竖线(只占整个宽度的τ/Ts)，难以看清被测脉冲波形的细节。

37连续扫描和触发扫描（续）

选择扫描周期等于脉冲底宽时，脉冲波形可以展开，但荧光屏上的脉冲部分显示暗淡而图象底部横线(扫描基线)却由于电子束的多次(在这里是Ts/τ次)重复扫描而非常明亮(被测信号原无此横线)。38连续扫描和触发扫描（续）

触发扫描时，使扫描脉冲只在被测脉冲到来时才扫描一次；没有被测脉冲时，扫描发生器处于等待工作状态。取T略大于τ。T392.水平通道P116触发电路的作用：为扫描信号发生器提供符合要求的触发脉冲。403.时基发生器116时基发生器是X通道的核心,包括。作用：产生一个与时间呈线性关系的扫描电压。为了在屏幕上稳定地显示信号波形，时基电路产生的扫描电压必须与被测信号同步。41时基闸门时基闸门电路是施密特电路(双稳触发电路)。当触发脉冲到来时，触发器翻转，输出的高低电平，作为扫描发生器的控制信号，这个信号叫门控信号或闸门信号。画图说明！42扫描发生器116扫描发生器是一个密勒积分器，产生锯齿波电压。密勒电路原理如图116图4.4-8所示，当开关K断开时,E通过R对C充电，产生负向锯齿波UO，此电压一路送X放大器，另一路送时基电路的电压比较器。当K闭合时，电容C迅速放电，使Uo迅速回升，回到扫描的起点。

43电压比较器11644释抑电路116释抑电路是一个简单的RC电路。为获稳定的显示图像，每一次扫描必须在同一起始电平上开始，这一点由释抑电路来保证。扫描电路一旦被触发，释抑电路就“抑制”触发脉冲对时基发生器的触发作用，直至一次扫描结束。扫描电压回到起始电平后，释抑电路“释放”扫描发生器，使它能够再次被触发脉冲触发。

454.触发电路117触发源包括内触发、外触发和电源触发。内触发信号(INT)来自Y通道，当用被观测的信号作触发源时，采用此。外触发(EXT)用外接信号作为触发信号。电源触发信号(LINE)：来自示波器内部电源引出的50Hz工频电压，它适于观测与工频电压相关的各种信号。触发源的选择触发电路包括触发源选择、触发信号的耦合方式和极性选择、比较和整形电路等部分。46⑵耦合方式选择117图4.4-9DC方式：如果接入含有直流或缓慢变化的信号进行触发时，用直流（DC）方式，通常用于外触发或连续扫描方式图AC耦合：适合于低频到高频信号的触发，这时电路中的电容C1起隔直流作用

。图AC低频抑制耦合：利用串联后的电容增大阻抗，抑制信号中的低频成份，削弱了低频干扰对触发的影响。图HF高频耦合：利用另外两个电容串联后只允许通过频率很高的波形，用来观测5MHz以上的高频信号图47⑶触发方式选择117“常态”(Normal)触发方式：没有触发信号时，扫描发生器不工作；当有适当幅度的触发信号输入时，扫描发生器能在触发信号激励下产生扫描。“自动”(Auto)触发方式：没有同步信号时，扫描发生器呈振荡状态，屏幕上有时间基线，这便于观测和校准时间基线在屏幕上的位置。当有同步信号时，扫描发生器按同步方式工作。48触发方式选择“高频”触发：观测频率较高的波形，触发电路变为射极定时的自激多谐振荡器，产生高频信号，当用高频信号去触发它时，便于与被测信号同步。49X放大器116图

X放大器把扫描发生器输出的扫描电压或从示波器X轴输入端送来的信号进行放大后，并把单端信号变为双端输出，加到X偏转板上，使电子射线获得足够的水平偏转。其电路结构是一宽带多级直耦放大器，有较大的动态范围。调节电位器，改变X放大器的直流电平，可使荧光屏上的波形水平移动，称为水平“移位”。50X、Y通道功能小结Y通道主要是一个放大器，通常是用来放大被观测的信号的。用示波器观测随时间变化的波形时，X通道的主要内容是产生一个与被测信号同步的，既可以连续扫描又可以触发扫描的锯齿波电压。514.5双踪和双线示波器52补充：示波器的应用！！原则上说，一切时间函数，以及自变量与时间成正比的函数图形，都可以用电子示波器显示出来。当信息载于波形上时，则反映信息的特征量可以用示波器进行测量。53示波器的选择（1）根据要显示的信号数量，选择单踪或双踪示波器。（2）根据被测信号的频率特点选择。（3）根据被测信号的重现方式选择。（4）根据被测信号是否含有交直流成分选择。（5）根据被测信号的测试重点选择。要求不失真的重现被测信号波形，其基本条件之一是垂直通道频带要足够宽，一般情况下，示波器的带宽应为被测信号最高频率分量的三倍。

54示波器的选择(探头)常见的探头有：低电容探头。使用示波器探头时应注意下面几点。低电容探头的应用使输入阻抗大大提高，特别是输入电容大大减小。但是，将使示波器的灵敏度有所下降。探头和示波器是配套使用的，不能互换，否则将会导致分压比误差增加或高频补偿不当。低电容高电阻探头的校正方法是以良好的方波电压通过探头加到示波器，微调电容C以达到出现良好的方波。55示波器的选择(探头)若高频补偿良好，应显示图(a)波形。若补偿不足或过补偿，则分别会出现图(b)和(c)波形，这时可微调探头的电容Cp，直至调到出现良好的方波。没有方波发生器时，可利用示波器本身的幅值校准电压。56示波器的选择(与被测电路的连接)

低频或几百千赫连续波可以用一般导线连接，信号幅度较小时应当用屏蔽线以免外界干扰，脉冲和高频信号必须用高频同轴电缆连接。当信号过强而必须采用外接分压器时，分压器输入阻抗要高，输出阻抗要低，使接上示波器后不影响分压比。分压比应在宽的频率范围内保持不变，以免波形失真。57示波器的面板示意图（1）CH1（X）通道1：垂直输入端。（2）CH2（Y）通道2：垂直输入端。（3）VOLTS/DIV输入衰减器。（4）VERTMODE：垂直方式选择开关。（5）SOURCE触发源选择开关。（6）COUPLING触发信号耦合方式开关。（7）TIME/DIV扫描时间选择开关。（8）SWEEPMODE扫描方式选择开关。（9）EXTTRIG和EXTHOR外触发和外水平共用输入端。（10）LEVELHOLDOFF触发电平和释抑时间双重控制旋钮。（11）X-Y方式。

58电压的测量

利用示波器测量电压有它独特的特点，那就是它可以测量各种波形的电压幅度，包括测量脉冲和测量各种非正弦波电压的幅度．更有实际意义的是，它可以测量一个脉冲电压波形的各部分的电压幅值，例如上冲量、顶部下降量等。59直流电压的测量测量方法1）将示波器的垂直偏转灵敏度微调旋钮置于校准位置（CAL）。2）将待测信号送至示波器的垂直输入端。3）确定零电平线。4）将示波器的输入耦合开关拨向“DC”档，确定直流电压的极性。5）读出被测直流电压偏离零电平线的距离h。6）计算被测直流电压值。测量原理：利用被测电压在屏幕上呈现的直线偏离时间基线（零电平线）的高度与被测电压的大小成正比的关系进行的。

为被测直流电压值，h为被测直流信号线的电压偏离零电平线的高度；为示波器的垂直灵敏度，k为探头衰减系数。60电压的测量(直流电压)例示波器测直流电压及垂直灵敏度开关示意图如图所示，h=4cm、V/cm、若k=10：1，求被测直流电压值。

(V)61电压的测量(交流电压)（1）测量原理为被测交流电压值（峰-峰值）；h为被测交流电压波峰和波谷的高度或任意两点间的高度；为示波器的垂直灵敏度；为探头衰减系数。（2）测量方法 垂直偏转灵敏度“V/div”微调旋钮置于校准位置；接入待测信号；输入耦合开关置于“AC”；调节扫描速度使波形稳定显示；调节垂直灵敏度开关；读出被