第3章 电子示波器.ppt

1、1,第3章,电子示波器,3.1 概述 3.2 示波管及波形显示原理 3.3 电子示波器电路的基本组成及原理 3.3.2 通用示波器Y通道（垂直系统） 3.3.3 通用示波器X通道（水平系统） 3.4 SS5702双踪示波器 3.5 双扫描示波器 3.6 取样示波器 3.7 数字存储示波器 本章小结,2,第3章 电子示波器,学习参考：示波器主要用来观测信号波形、测量电压、频率、时间等参数，是电子测量三大仪器之一。本章主要介绍波形测试原理及示波器的组成原理与应用。要求通过学习了解示波器的组成、理解它的工作原理、掌握它的应用。 本章要点：示波管组成及波形显示原理，示波器扫描过程、组成、技术指标及应用

2、。,3,4.1 概述,电子示波器简称为示波器，它借助阴极射线示波管（CRT，Cathode Ray Tube）电子射线的偏转将电信号变换成可见图像，实现波形的显示，实现电压、周期、频率、时间、相位、调制系数等参数的测量。示波器也是构成特性曲线测试仪器等的重要组成部分，例如晶体管特性图示仪、扫频仪等。 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。,4,（2）多束示波器 多束示波器又称为多线示波器，它采用多

3、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,5,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。 本章着重讨论通用示波器的工作原理及其应用。 3.2.1 阴极射线示波管的构造 阴极射线示波管是示波器重要组成部分，用来将电信号变

4、换为光信号而加以显示。CRT主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三大部分组成，它们都封装在密闭呈真空的玻璃壳内，其结构如图3.1所示。,3.2 示波管及波形显示的基本原理,6,示波管属于电真空器件，又称为阴极射线管（CRT）。,兰色：电力线 红色：等位面,7,电子枪的作用是发射电子并形成强度可控制的很细的电子束。 它由以下几部分组成：,1.灯丝F在交流低压(如6.3V)下使钨丝烧热,用于加热阴极。,2.阴极K是一个表面涂有氧化钡（其逸出功小，内部自由电子容易逸出） 的金属,3.第一栅极G1调节G1的电位可以调节示波器的亮度，常置于示波器 面板上供使用。,当控制信号加于G1，其亮度可随之改变，则可以传

5、递信息，称为示波器的 Z轴电路。,4.第二栅极G2隔离开G1和A1，以减小亮度调节与聚焦调节的相互影响。,5.第一阳极A1与第二阳极A2构成一个电子透镜，对电子束起聚焦作用。,6.第二阳极A2是个更大的同轴圆筒，其上电压较高，它主要与A1构成 电子透镜。,7.第三阳极A3具有上万伏的高压，用于对电子束加速，故也称后加速 阳极。,8,1. 电子枪 电子枪用来发射电子并形成很细的高速电子束。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。 阴极是一个表面涂有氧化物的金属圆筒，在灯丝的加热下，阴极散射出大量游离电子。 控制栅极是顶端有孔的圆筒，套装在阴极外面，其电

6、位比阴极电位低，用于控制射向荧光屏的电子数量，改变电子束打在荧光屏上亮点的亮度。调节电位器RP1可以调节亮度，称之为“辉度（INTENSITY）”调节旋钮。与控制栅极极性相反的电压加到阴极上时，也可起到与控制栅极相同的作用。 第一、二阳极是中间开孔、内有许多栅格的金属圆筒，它们与控制栅极配合完成对电子束的加速和聚焦，聚焦就是使电子束在荧光屏上的亮点直径变小，调节电位器RP2、RP3可使荧,9,光屏亮点鲜明，得到最佳的聚焦效果，RP2、RP3分别称为“聚焦（FOCUS）”调节和“辅助聚焦（AUX FOCUS）”调节旋钮。 后加速阳极用来加速电子束，提高示波管的偏转灵敏度。 2. 偏转系统 偏转系

7、统的作用是：扫描电压、被测信号加到X、Y偏转板上时，各自在X、Y偏转板间形成偏转电场，分别使电子束产生在X、Y方向上的位移，由此确定出亮点在荧光屏上的位置。 偏转系统位于第二阳极之后，由两对相互垂直的X（水平）、Y（垂直）偏转板组成，分别控制电子束水平方向、垂直方向的偏转，偏转的距离分别与加在偏转板上的电压大小成正比，该特性称为阴极射线示波管的线性偏转特性。,10,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

8、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。 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,11,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。 3. 荧光屏 荧光屏内壁涂有荧

9、光物质（磷光质），外壁则是玻璃管壳。当荧光物质受到电子枪发射的高速电子束轰击时能发出荧光，并维持一定的时间，该现象称为荧光物质的余辉现象。按照余辉现象维持时间（即余辉时间）的长短，荧光物质分为短余辉（小于1ms）、中余辉（1ms2ms）和长余辉（大于2s，甚至可达几分钟或更长）等几种。被测信号频率越低，越宜选用余辉长的荧光物质，反之，宜选用余辉短的荧光物质。荧光物质发出的颜色有黄色、绿色、蓝色等几种，普通示波管常选用黄色或绿色的荧光物质。,12,3.2.3 电子束偏转原理,1静电偏转-光点法-用干示波器,2.磁偏转-光栅法-用于电视机、计算机显示器及示波器。,比例系数称为示波管的偏转因数，单位

10、为cm/V，它的倒数Dy1hy称为示波管的偏转灵敏度，单位为V/cm。偏转灵敏度是示波管的重要参数。,13,为了进行定量测试，一般在荧光屏内壁预先沉积一个透明刻度，称为内刻度；或在屏外安置标有刻度的透明塑料板，称为外刻度。刻度区域通常为一矩形，称为测量窗或显示窗，其尺寸是示波器可视尺寸，一般为10div8div（宽高）。 3.2.5 波形显示原理 1. 波形显示(扫描） 当示波管未加偏转电压时，电子束打在荧光屏中心位置上而产生亮点。当在示波管X、Y偏转板上都只加直流电压时，也可以在荧光屏上得到一个位置产生变化的亮点。每个亮点所在的位置都可以设为起始点。 被测信号的波形可以看作是由很多亮点构成的

11、，由示波管的线性偏转特性可知，每个亮点在X、Y方向上的坐标（即相对,14,图3-4 扫描电压与信号电压共同作用,15,于起始点的距离）分别与被测信号波形中该点的时间及瞬时电压成正比。当被测电压、扫描电压分别加至垂直、水平偏转板上时，电子束受到垂直、水平偏转板的共同作用，使电子束每一时刻产生的亮点的垂直位移与被测电压的瞬时电压成正比，而在时间上则一一对应，这样就在荧光屏上得到一个留存时间很短的亮点轨迹，即波形。如图3-4所示。只要被测信号是周期性信号，每次得到的波形又能完全重复，并且每次重复的间隔时间又很短，就可以得到稳定的被测信号波形，重复间隔时间应少于人眼视觉暂留时间，否则，波形会闪烁，不便

12、于观测。 2. 扫描及同步 图3.2为扫描电压实际波形。,16,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”，以保证下次扫描从起始点开始向右扫描；Tw为扫描休止时间，以保证下次扫描在荧光屏上的起始点能够与本次扫描的起始点重合，为便于分析通常不予考虑。当扫描逆程时间和扫描休止时间均为零时，扫描电压为理想扫描电压。 3. 扫描过程的增辉与隐熄 扫描正程时显示被测信号的波形，要求在此期间增强波,17,形的亮度，即增辉，可以在控制栅极上叠加正极性脉冲或在阴极上叠加负极性脉冲来实现增

13、辉。在扫描逆程时，电子束在向左移动的过程中会出现亮线，该亮线称为回扫线。假如在Y偏转板上加正弦电压，在扫描休止时，电子束会在起始点位置出现一条垂直的亮线，该亮线称为休 止线。应对回扫线和休止线进 行消隐，否则，将影响波形的 观测，如图3.3所示，可以在控 制栅极上叠加负极性脉冲或在 阴极上叠加正极性脉冲来实现 消隐。,18,如果要得到稳定的周期性被测信号波形必须满足同步条件： Tx=Ts+Tb+Tw=nTy（n为正整数） （3-1） 式中，Tx为扫描信号周期；Ty为被测信号周期。 由此可见，被测信号和扫描电压对电子束的作用时间总是相等的。所以，扫描电压正程、逆程时间等于被测信号的几个周期，就相

14、应地扫描得出被测信号几个周期的波形，其中扫描逆程得到的波形（即回扫线）是紧随扫描正程波形之后的被测信号波形的回折，即以扫描正程结束点所在纵轴为轴线将正程之后的波形向起始方向对折，并且使扫描逆程的结束点与扫描起始点重合，如图3.4所示。 图3.4中，扫描电压周期为被测信号周期的三倍，满足式（4-1）的关系，可以得到稳定的波形，这种现象称为同步。否则，,19,会产生左移或右移的不 稳定波形或亮带。 4.连续扫描和触发扫描 示波管除供电部分外， 再加上扫描电压产生部分 （即X通道）和输入电压变 换部分（即Y通道）则构成 示波器。示波器一般采用电 平触发的方法获取被测信号 的周期信息，从而实现扫描 电

15、压与被测信号的同步，这 个过程称为触发同步，在这,20,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。有时，扫描电压是在自激状态下产生的，这种扫描方式称为连续扫描。有时扫描电压是在手动控制下产生的，称之为单次扫描，单次扫描适于观测非周期性信号。有时在自动电路控制下，连续扫描和触发扫描可以实现自动变换，这种扫描方式称为自动扫描，是操作示波器时通常选用的扫描方式。 上述扫描电压均为锯齿波电压，如果只在水平偏转板上加扫描电压，在荧光屏上会产生一条可反映时间长短的水平亮线，称之为时间基线，简称为时基线，这种扫描方式称为直线扫描。如果偏转板上加的不是锯齿波，会出现圆形或螺旋形波形，称之为圆扫描

16、或螺旋扫描。如无特别说明，本书不涉及圆扫描和螺旋扫描。,21,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，如c图所示。,22,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

17、直方向上同 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 相不同频率时的李沙育波形。,5. XY显示方式,23,(c),(b),(a),24,3.3 电子示波器电路的基本组成及原理,3.3.1 电子示波器的基本组成,25,由 上述分析得知，通用示波器主要由

18、 X通道（HORIZONTAL）、Y通道（VERTICAL）、主机三大部分组成。单踪示波器的基本组成如图3.5所示。 X通道（水平系统） X通道由触发电路、扫描电路和X放大器组成。它的主要作用是：在触发信号的作用下，输出大小合适、极性相反的对称扫描电压，以驱动电子束水平偏转。 Y通道（垂直系统） Y通道由衰减器、前置放大器、延迟级、输出放大器等组成。它的主要作用是：对单端输入的被测信号进行变换、处理成为大小合适极性相反的对称信号加到Y偏转板上，使电子束产生垂直偏转。,26,27,（3）主机部分 主机部分主要包括标准信号源、增辉电路、电源、示波管等部分。增辉电路的作用是在扫描正程时使波形增辉，扫

19、描逆程或扫描休止期时使回扫线和休止线消隐；或在外加高频信号的作用下，对显示波形进行亮度调制，即使波形亮暗变化情况受外加信号的控制，波形由实线变为虚线，由此可测量信号周期或频率。标准信号源用于提供幅度、周期等都很准确的方波信号，例如1kHz、10mVP-P的方波，以便对示波器有关技术指标进行校准调整。 由于增辉信号是加在示波管的控制栅极或阴极上，而控制栅极或阴极均与偏转板垂直，符合三维坐标关系，故增辉电路等又称为Z轴系统，有时也将主机部分称为Z轴系统。有关主机部分的内容不再进行详细介绍。,28,3.3.2 通用示波器Y通道（垂直系统）,示波器Y通道主要由输入电路、前置放大器、延迟级和输出放大器等

20、组成，如图3.5所示。它的主要作用是把被测信号变换成为大小合适的双极性对称信号后加到Y偏转板上，使显示的波形适于观测；向X通道提供内触发信号源；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。 1 输入电路 如图3.6所示，输入电路主要包括探极、耦合方式变换开关、衰减器、阻抗变换及倒相放大器等部分。 探极 被测信号与示波器的连接可以选用引线或附带的探极，通,29,常选用高频特性良好、抗干扰能力强的高输入阻抗探极。 探极分为有源探极和无源探极两种，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。应用较多的是无源探

21、极，衰减比（输入/输出）有1：1、10：1和100：1三种，前两种的应用比较普遍，后一种通常用于高频测量。当探极衰减比为10：1或100：1时，被测电压值是示波器测得电压的10倍或100倍。,30,无源探极的结构如图3.7所示。如果要正确地测量高频波和方波，需要调节探极补偿电容器C。补偿电容的位置有的在探针处（图3.7(a)），有的在探极末端（图3.7(b)）或在校准盒内。调整补偿电容时，将示波器 标准信号发生器产生的方 波加到探极上，用螺刀左 右旋转补偿电容C，直到 调出图3.8(a)所示的方波 （即正确补偿）为止。否 则，会出现图3.8(b)、图 3.8(c)所示的电容过补偿或 欠补偿情况

22、。,31,原则上，示波器的探极应专用。 正确使用探极，可以提高示波器的输入阻抗，增强示波器的抗干扰能力，扩展示波器的电压量程。接入探极后，一般可以使示波器输入电阻提高到10M、输入电容减小到十几pF。 衰减器 衰减器一般为阻容步进衰减器，其电路原理如图3.9所示。改变衰减器衰减比，也就改变了示波器偏转因数，从而使显示波形的幅度得以调整。偏转因数旋钮每挡所对应的阻容衰减器是唯一的。,32,对于图4.9所示的阻容衰减器，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)。 直流或低频时 高频时,33,3 延迟级 为了显示稳

23、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60200ns，常取100ns左右。 图3.10为延迟级原理示意图，图3.10 (a)、图3.10 (b)、图3.10( c)、图3.10 (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，

24、经过延迟级适当延迟后即可看到完整的被测信号波,34,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。,35,4. 显示方式控制电路 双踪示波器使用单枪示波管，以交替或断续的方式将两路信号显示在荧光屏上。显示方式控制电路由门电路、电子开关、及混合放大电路组成，其电路及波形如图3-18所示。电子开关又称为通道变换器，其输入端接前置放大器，S1S8为模拟电子开关。电子开关有“信道1”、“信道2”、“叠加”、“交替”和“断续”五种工作状态。 （1）信道1（CH1 =Y1 ） 开关S1、S2、S7、S8断开，开关S3、S4、S5、S6闭合，CH1输入的信号送

25、到输出端，而信道2（CH2）输入的信号不能到达输出端，只能显示CH1输入的信号。,36,（2）信道2 （CH2 =Y2） 开关S3、S4、S5、S6断开，开关S1、S2、S7、S8闭合，CH2输入的信号送到输出端，而CH1输入的信号不能到达输出端，只能显示CH2输入的信号。,37,（3）叠加(Y1Y2) 开关S1、S2、S5、S6断开，开关S3、S4、S7、S8闭合，CH1和CH2输入的两路信号均送到输出端，并在负载中互相叠加，显示叠加（ADD）后的波形。当CH2输入的信号未倒相时，实现求和（CH1+CH2），当CH2输入的信号被倒相后，实现求差（CH1CH2）。 （4）交替 交替（ALT）状

26、态时，开关S3、S4、S5、S6和S1、S2、S7、S8断开或闭合的状态受时基闸门脉冲的控制，并且每间隔一个扫描周期变换一次状态，使得CH1和CH2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。设CH1、CH2的输入分别为梯形波、三角波信号，示波器显示的波形如图4.18(b)所示。,38,交替方式适于观测高频信号。这是因为被测信号频率较低时，所需扫描电压的周期长，即交替显示同一信号的间隔时间长，当间隔时间接近或超过人眼视觉暂留时间时，显示波形会产生闪烁，不便于观测。 （5）断续: 断续（CHOP）状态时，在每一次扫描过程中，开关S3、S4、S5、S6和

27、S1、S2、S7、S8的断开或闭合受电子开关内断续器（自激多谐振荡器）产生的高频振荡信号（如200kHz的方波）的控制，快速轮流接通两个输入信号，从而显示出每个被测信号的某一段，以后各次扫描重复以上过程。这样显示出的波形是由许多线段组成的，只要开关变换频率很快、水平扫速又较慢，这些线段就很短，看起来显示的波形好象是连续的，如图3.18(c)所示。,39,5. 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

28、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形垂直移位。,40,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

29、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。,41,Y放大器具有以下特点： C具有稳定的放大倍数，K=SV/S,K为幅度倍数，SV为示波管灵敏度，S为示波器灵敏度。 Y放大器应具有足够的带宽。 具有较大的输入电阻（1M欧）和较小的输入电容（几十PF) Y放大器的输出级采用差分电路，以使加在偏转板上的电压能够对称。 Y放大器通常设置“倍率”开关，通过改变负反馈，使放大倍数扩大510倍。 设置增益调整旋钮，可使放大器增益连续改变。,42,3.3.3 通用示波器X通道（水平系统）,示波器X通道主要由触发电路、时

30、基扫描电路及X放大器等三大部分组成，如图3.11所示。其中时基发生器和触发电路的主要作用是产生时基扫描信号；X放大器用来放大扫描信号。 1.时基发生器 时基发生器由扫描门、积分器、比较和释抑电路组成，如图3.12所示。 积分器 积分器由运算放大器、积分电容C和积分电阻R组成。它在扫描门的控制下产生线性锯齿电压。,43,44,时基发生器电路,45,积分器又称为扫描电压发生器，是密勒积分器，它具有输入阻抗高、线性好的特点，电路结构框图如图3.16所示。 时基闸门电路输出的闸门脉冲控制开关S的断开闭合。当S断开时，积分器开始积分，产生扫描正程电压，扫描正程电压为 改变RC的值，即改变了扫描电 压正程

31、斜率，也就改变了扫描速度。 改变积分电阻、积分电容的旋钮称为“时基因数（s/div）” 旋钮。当S闭合时，积分电容放电，产生扫描逆程电压。,46, 扫描门 时基闸门电路又称为扫描门，是施密特触发器。它的作用是在触发脉冲作用下或在自激状态下产生闸门脉冲，闸门脉冲是积分器的控制方波信号。另外，闸门脉冲还通过射随器加到Z通道去实现增辉消隐，以及加到双踪示波器Y通道电子开关作为交替显示的控制信号。示波器有连续扫描和脉冲扫描两种工作状态。在连续扫描状态，即使没有触发信号，扫描门也有扫描控制方波输出。在触发扫描状态，只有在触发脉冲作用下才产生控制方波。不论连续扫描还是触发扫描，扫描锯齿波都应与被测信号同步

32、。扫描门是由射极耦合双稳态触发电路的两个三极管VT1和VT2组成。扫描门的输入端有三个输入信号：“稳定度”旋钮的直流电位、触发脉冲、释抑信号。,47,图3.17中，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，即连续扫描方式；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，即触发扫描方式。 扫描门电路的射极耦合双稳触发电路（触发扫描）波形图如图3.14所示。 其中V

33、T1的输入UB1介于E1和E2之间，幅度为直流电平UD，时基闸门输出U0为方波，扫描电压为锯齿波。,48,扫描门电路的射极耦合双稳触发电路波形图,49,（3）电压比较器和释抑电路 如图3.17所示，二极管与有关电路一起构成电压比较器，当扫描电压高于参考电压Vr时，二极管导通，输出信号经释抑电路送至时基闸门电路，以结束闸门脉冲，从而闭合扫描电压发生器开关S，进入扫描逆程。调节参考电压Vr的大小可以改变二极管导通时间，从而调节扫描电压的幅度。 释抑电路一般是RC电路，如图3.17所示。释抑电路的作用是使每次扫描水平方向上起始点在荧光屏上的位置都相同，以保证每次扫描得到的波形能够重合，这是得到稳定波

34、形的重要条件之一。,50,当二极管导通时，扫描电压还对释抑电容Ch充电。当二极管截止时，释抑电容放电，释抑电容的放电速度很慢，这样可以使时基闸门电路输入信号的电平被长时间抬升，使得时基闸门脉冲为低电平，积分器控制开关S长时间处于闭合状态，从而保证积分电容有足够的时间进行放电。只有在积分,51,电容放完电的基础上，积分器才能在触发脉冲的作用下产生扫描正程电压，这样就保证了每次扫描水平方向起始点的位置都相同。释抑电容放完电之前，无论有无触发脉冲，始终不能产生下次扫描，扫描电路处于被抑制状态；释抑电容放完电到下次产生扫描信号之前，释抑电路失效，即扫描电路被释放，释抑电路名称由此而来。 “稳定度”电位

35、器可以调节时基闸门电路输入信号的直流电平，改变触发灵敏度，从而影响扫描电路的工作稳定性，同时也可由该电位器改变扫描方式，如连续扫描或触发扫描。稳定度旋钮一般调整至使时基闸门电路输入信号的直流电平位于时基闸门电路上下触发电平之间接近下触发电平处，调整好后，一般不再对其进行调整。,52,综合上述分析，图3.18的工作过程如下：当时基闸门接收到触发电路输出的负极性触发尖脉冲时，闸门脉冲由高电平变为低电平，控制积分器开关S断开，积分器开始输出正向电压。积分器输出电压除送至X放大器外，还要送给电压比较器。当积分器输出电压超过电压比较器参考电压Vr时，电压比较器导通，积分器输出电压经释抑电路反馈至时基闸门

36、输入端，使时基闸门输入电平线性增大。当时基闸门输入电平增大到上触发电平时，闸门脉冲状态翻转，积分器开关S闭合，积分器输出电压迅速减小，电压比较器断开，释抑电容开始慢慢放去在电压比较器导通时充上的电荷，并反馈至时基闸门输入端，使时基闸门输入电平开始减小，直至释抑电容放完电，从而保证积分电容放完电之前，时基闸门不被触发脉,53,冲触发，即第二次扫描必须是在前次扫描进行完毕的情况下才开始。 图3.19与图3.18的工作过程相似，不同之处在于，当无触发脉冲时，自动电路单稳态输出低电平，将时基闸门输入电平拉低而产生扫描。 触发扫描状态下的工作波形 触发扫描状态下的工作波形如图3.18所示。 电路由第一个

37、脉冲触发扫描，由释抑电压达到E1结束。 第一个脉冲触发后，VT1截止，2、3脉冲失去作用，释抑电容放电，第四个脉冲与释抑电压叠加不到触发电平E2，第五个脉冲到来，释抑电容放电结束，触发电路翻转，形成第二个扫描。 为稳定，释抑电路时间常数要大于积分时间常数，确保第五个脉冲触发时积分电容释放干净。,54,（4)触发扫描状态,欲看3个脉冲： 1、5号脉冲触发有效 2、3号脉冲无用 4号脉冲要抑制 注意： 三个时刻：t1、tp、t2 三个时间：tb、th、tw 要求： thtb（释抑放电时间大于回扫时间）,实用中只要选定s/cm，扫描环则会自动扫出合适的时基线。（不必调Tn/TS=n同步了）,55,（

38、5)连续扫描状态,予置： E0E1 环路自激Ch放电至E1打开闸门，扫描开始，到Up ，Ch充电，到E2扫描结束，Ch又放电。 当有信号（2号触发脉冲）则环路被信号所同步。,56,触发电路用来产生扫描门需要的触发脉冲。触发电路及其面板上的开关如图3.20所示。,2.触发电路,57,（1)触发源选择,“内”触发：利用从Y通道来的被测信号作触发信号，这是最 常用的情况；,“外”触发：是用外接信号作触发信号，但触发信号的周期应 与被测信号有一定的关系，外触发常用在被测信号不适宜作触 发信号或比较两个信号时间关系的情况。,“电源触发”：在观测与电源有关的信号时，可选“电源”触 发，以便于与电源同步。,

39、2)触发耦合方式,“DC”直接耦合：用于直流或缓慢变化的信号进行触发时；,“AC”交流耦合：若用交流信号触发，置AC方式，这时电容 C1（约0.47F）起隔直作用；,“低频抑制”：利用C1、C2（约0.01F）串联后的电容，抑 制信号中大约2kHz以下的低频成分，主要目的是滤除信号中 的低频干扰；,“HF”高频耦合：利用C1和更小的C3（约1000pF）串联后 只允许通过频率很高的波,58,3)触发电平与触发极性选择,其作用是让使用者可以选定在被测信号波形的某一点上产生触 发脉冲，也就是可以自由选定从信号的某一点开始观测。,59,3. X放大器 X放大器的作用是：将单端输入的信号进行放大变换成

40、为大小合适的双端信号加在X偏转板上，使电子束在水平方向上产生足够的偏转，得到合适的波形。当示波器用于显示被测信号波形时，X放大器的输入信号是扫描电压；当示波器工作在“X-Y”方式时，输入信号是外加的X信号。 “X-Y”方式时，示波器X偏转板上所加的信号不再是扫描电压而是外加的X信号，该信号与Y信号是各自独立的，它们各自在X、Y偏转板间建立偏转电场对电子束共同作用而产生一个新的图形，,60,例如，将两个同频正弦波加到示波器上时，得到的波形为椭圆、圆或直线，两个正弦波加到示波器得到的图形称为李沙育图形。 与X放大器有关的开关旋钮有：“水平移位”、“扫描扩展”、“寻迹”等开关旋钮。“水平移位”是通过

41、改变水平偏转板上叠加的对称直流电压的大小来实现波形水平移位的。“扫描扩展”是通过成倍增大X放大器增益来实现波形扩展的。“寻迹”是通过将X放大器输入端接地来实现水平方向寻迹。,61,3.4 SS5702双踪示波器,3.4.1 主要性能指标 1.垂直系统 频率相应：020MHZ(-3DB) 上升时间：小于17.5ns 偏转因数：5MV/DIV10V/DIV,分11档，误差4 输入阻抗：电阻，1M欧3；电容，（303）PF 最大允许输入电压：250V（探头*1），600V（探头*10） 工作方式：CH1、CH2、DUAL（双踪）、ADD（相加） 2.水平系统 扫描方式：自动扫描，触发扫描 扫描速度：

42、0.5微秒/DIV0.2S/DIV，按1、2、5步进分18档，误差小于3；可扩展*5,62,3.触发系统 触发源：CH1，CH2，外触发 触发极性：正极性，负极性 耦合方式：AC、DC、TV-V 4. X-Y工作方式 CH1驱动Y轴，CH2驱动X轴。 5.校准信号源 输出方波：1KHZ，0.3V 3.4.2 整机组成框图及工作原理 SS5702双踪示波器组成框图如图3-22所示 垂直系统 垂直偏转系统由两套独立的衰减器和前置放大器、主放大器和延迟线组成。,63,64,垂直通道工作方式：有CH1、CH2、DUAL（双踪）、ADD（相加）四种方式。通过Y方式MODE开关选择。CH1、CH2两通道单

43、独显示；DUAL两通道双踪显示；ADD显示两通道信号的代数和； 垂直位移控制：Y位移POSITION旋钮可控制波形垂直移动。 偏转灵敏度控制：V/格开关按11档选择。 耦合方式选择：AC：隔离直流分量；GND：输入接地； DC：包括直流分量。 2. 水平系统 扫描速度控制：由T/格控制 水平位移控制：由X位移旋钮POSITION控制。 扫描方式控制：由SWEEP MODE开关实现自动和常规扫描。 自动扫描：由重复频率50HZ以上和耦合方式规定的频率范围内的信号触发。 常规扫描：由耦合方式规定的频率范围内的信号触发。,65,触发源转换：由SOURCE开关选择触发信号。 置于CH1/CH2时为内触

44、发；垂直方式选择置于双踪时：触发源开关处于CH1时，连接到CH1 INPUT信号用于触发；触发源开关处于CH2时，连接到CH2 INPUT信号用于触发。 SOURCE开关置于EXT时：触发信号来自外触发插座。 耦合方式：AC(EXT DC)：选择内触发时为交流耦合；选择外触发时为直流耦合。TV-V：全电视信号的场同步脉冲。 触发极性和触发电平：确定扫描波形的起始点。旋钮处于推入状态时，为正极性触发，在信号的上升段启动扫描；处于拉出状态时为负极性触发，在信号的下降段启动扫描。 3.4.3 2261型双踪示波器面板结构 2261型双踪示波器前面板结构如图4-20所示，各开关旋钮的作用如下： 1.

45、2261示波器的工作原理及操作方法 （1）主机部分 INTENSITY（辉度）,66,67,控制显示波形的亮暗，测量前一般置于中间位置，见图4.20中。 FOCUS（聚焦） 调节聚焦可使波形清晰可辨，测量前一般置于中间位置，见图4.20中。 TRACE ROTATION（轴线校正或光迹旋转） 使扫描时基线同内刻度水平线平行，见图4.20中。一般情况下无需调整，除非发现波形有倾斜。 POWER INDICATOR（电源指示） 电源开关（POWER）按下时，电源接通，指示灯亮，见图4.20中。 POWER（电源开关） 电源总开关，按下时，接通电源，见图4.20中。 PROBE ADJUST（探极调

46、整信号或标准信号输出端） 提供0.5VP-P、1kHz标准方波信号，用于调整探极补偿电容、偏转因数或时基因数，见图4.20中。,68,（2）垂直通道（VERTICAL） 1）VERTICAL POSITION（垂直移位） 改变CH1、CH2端输入波形在荧光屏垂直方向上所处的位置。顺时针方向旋转时，波形向上移动，反之，向下移动，见图4.20中和。 2）VERTICAL MODE（垂直工作方式） 改变电子开关的工作状态，按下自左至右的按键可分别显示CH1、CH2、ALT（交替）、CHOP（断续）、ADD（叠加）波形。交替方式适于观测需要中、高速扫描的高频信号。断续方式适于观测需要低速扫描的低频信号

47、，选用的时基因数不小于1ms/DIV，但不能使显示波形产生闪烁。测量前一般按下CH1键，见图4.20中。,69,3）INVERT（CH2倒相开关） 按下INVERT按键时（见图4.20中），显示被倒相的CH2信号。按下INVERT键和ADD键实现CH1CH2的叠加；只按下ADD键实现CH1+CH2的叠加。测量前一般不按下该键。 4）VOLTS/DIV（偏转因数） 改变CH1、CH2的垂直偏转因数，调节显示波形幅度。测量前一般置于“1”处的“.1V”挡，见图4.20中 和 。 5）VARIABLE（偏转因数细调） 连续调节CH1、CH2输入偏转因数，用于连续调节显示波形的幅度。顺时针旋转到底为“

48、校准（CAL，Calibrate）”位置。测量前或直接测量电压时，应置于“校准”位置，见图4.20,11,12,70,中 和 。 6）AC-GND-DC（输入耦合方式：交流、接地、直接） 分别选择CH1、CH2的输入耦合方式。选定输入信号中的某种成分进行显示。测量前一般选择“DC”，见图4.20中 和 。 7）CH1 OR X（CH1或者X）、CH2 OR Y（CH2或者Y） 被测信号输入端，见图4.20中 和 。当SEC/DIV处于“X-Y”（示波器工作于“X-Y”方式）时，CH1输入的信号加到X通道，CH2输入的信号加到Y通道。 （3）水平通道（HORIZONTAL） 1）HORIZONT

49、AL POSITION（水平移位） 改变波形在荧光屏水平方向的位置。顺时针方向旋转,13,14,15,16,17,18,71,波形向右，反之，向左。测量前一般置于中间位置，见图4.20中 。 2）LEVEL（触发电平） 选择触发扫描的起始点，即确定波形起始点在垂直方向上的位置。发现波形不稳定时，一般要先调节LEVEL旋钮。测量前一般置于中间位置，见图4.20中 。 3）SLOP（触发极性） 选择触发极性。弹出时正极性触发，即波形起始点位于上升沿；按下时，选择负极性触发，波形起始点位于下降沿。测量前一般选择正极性触发，见图4.20中 。 4）SWEEP MODE（扫描方式） 选择扫描方式（见图4

50、.20中 ）。按下自左至右的按键,19,20,21,22,72,时分别选择AUTO（自动扫描）、NORM（常态扫描或触发扫描）、SGL（单次扫描）。自动扫描适于观测20Hz以上的信号，无信号输入时，显示水平时基线；触发扫描适于观测低频信号或脉冲信号，无信号输入时，示波器黑屏。单次扫描适于观测不稳定信号或非周期性信号，只有在按下一次时，才显示一次波形，要继续显示需要再按下一次。测量前一般选择自动扫描。 5）TRGD READY（触发状态指示） 用于指示触发状态（见图4.20中 ）。自动扫描或触发扫描时，指示灯亮表明正处于触发扫描状态。单次扫描方式时，指示灯亮表明处于下次触发扫描准备状态。,23,

51、73,6）SEC/DIV（时基因数调节） 改变电子束水平扫描速度，调整波形宽度（见图4.20中 ）。顺时针调节时，扫速加快，波形变宽，反之，变窄。开关逆时针旋到底时，示波器工作于X-Y方式，用作X-Y图示仪。测量前一般置于.5ms挡。 7）VARIABLE PULL5（时基因数细调；拔出时，扫速扩展5倍） 连续改变电子束扫描速度，逐渐调整波形宽度（见图4.20中 ）。测量前或直接测量周期等时间量时，应置于“校准”位置。拔出时，扫速扩展5倍，即时基因数变为以前的1/5，波形展宽5倍。,24,25,74,8）TRIGGER SOURCE（触发源） 选择产生触发脉冲的信号，有CH1，CH2（CH1，

52、CH2属于内触发），LINE（电源触发）和EXT（外触发）。测量前一般选择CH1，见图4.20中 。 9）COUPLING（触发耦合方式选择） 选择触发源中某种成分的信号来产生触发脉冲，有AC、DC、TV（电视场信号）等耦合方式。测量前一般选择“AC、NORM”，即两个触发耦合方式选择按钮处于弹出位置，见图4.20中 。 10）GROUND（接地） 测量接地装置，见图4.20中 。,26,27,28,75,11）EXT INPUT（外触发源输入） 外触发信号源输入端，见图4.20中 。 除前面板上的上述开关旋钮之外，示波器后面板上还有下列属于主机部分的开关与插座： 1）Z-INPUT（Z轴输入

53、）：亮度调制信号输入端。 2）POWER OUTLET（电源输入插座） 示波器交流电源输入插座。 3）LINE VOLT SELECTOR（电源电压选择开关） 用于选择115V或230V交流电源。 4）FUSE HOLDER（保险丝座） 放置或更换保险丝的插座。,29,76,2. 测量电压 示波器可以测量直流电压、交流电压及交流电压瞬时值。其方法包括直接测量法和比较测量法。 测量交流电压 （1）直接测量法 直接测量法又称为灵敏度变换法。测量时，将偏转因数“微调”置于“校准（CAL）”位置后，选用合适的输入耦合方式，调节有关旋钮，使波形幅度合适、宽度适宜，设示波器偏转灵敏度、波形峰-峰点间距离分

54、别为S（单位为“V/div”）、Hp-p（单位为“cm”或“div”），则有 Up-p=SHp-p U=Up-p/2KP (4-3),77,式中，Up-p为被测电压峰-峰值，单位为“V”；U为被测电压有效值，单位为“V”；KP为被测信号波峰因数。 如果探极衰减比（输入/输出）不为1：1或选用了“倍率”，式（4-3）的计算结果乘以探极衰减比或除以倍率值后等于被测电压的最终结果。在直接测量直流电压时，也应注意上述事项。 例4-1 示波器测量正弦波电压，已知波形垂直幅度（即峰-峰点距离）为8div，偏转因数为1V/div，探极衰减比为10：1，试求正弦波电压是多少？如果正弦波改为三角波，三角波电压又

55、是多少？ 解：由题意得，S=1V/div，Hp-p=8div，探极衰减比K=10：1，所以,78,Up-p=8div1V/div=8V 输入正弦波时： 探极输出电压：U=Up-p/2Kp= 2.82V 正弦波电压：U=102.82V=28.2V 输入三角波时： 探极输出电压：U=Up-p/2Kp= 2.30V 三角波电压：U=102.30V=23.0V 答：正弦波、三角波电压分别为28.2V、23.0V。 （2）比较测量法（属于间接测量法） 比较法测量电压时，首先调出合适的被测信号波形，记录下波形峰-峰点距离Hp-p，Hp-p的单位为“cm”或“div”，然后保,79,持偏转因数及其微调旋钮不

56、变，加入大小（设峰-峰值为，单位为“V”）已知的标准信号，记录下标准信号波形的峰-峰点距离Hp-p，则有： 计算出Up-p后，利用式（4-3）计算出被测电压大小。 测量直流电压 直流电压与交流电压的测量方法相似，区别是：选用GND耦合方式确定出时基线（自动扫描或连续扫描）在垂直方向上的位置后，选用DC耦合方式将直流电压加到示波器上，确定出时基线产生垂直跳变的距离H，直流电压的大小等于H与S的乘积，注意将偏转因数微调旋钮置于校准位置。,80,根据时基线跳变的方向还可以确定出直流电压的极性，如果被测电压未被倒相，则向上跳变时为正，反之，为负。 测量含有直流成分的交流信号的大小 图4.21为含有直流

57、成分的正弦交流电压波形，在测量时，既要测出直流成分的大小，又要测出交流电压的大小（振幅值）。测量步骤如下： 1）测量交流电压振幅值 按照交流电压的上述测量方 法进行测量，振幅值Um=Up-p/2。 2）测量直流成分的大小 首先选用AC耦合方式，调整有关旋钮得到正弦电压的稳定波形，选正弦波形的正峰点（或负峰点）作为零电平的假定位置；然后保持偏转因数S及其微,81,调旋钮不变，选用DC耦合方式得到发生跳变的波形，由此确定出正峰点（或负峰点）的跳变距离（设为H），直流成分的大小等于H与S的乘积。 上述方法测量电压时，示波器工作于扫描方式。如果被测电压波形种类已知，也可在X-Y方式下测量电压大小，它的

58、测量方法和步骤与上述方法相似，仅是现象上稍有区别，即交流电压加在X（或Y）端时，显示的是水平（或垂直）线段，线段长度等于Hp-p；被测电压为直流电压时，显示的是亮点的跳变，跳变距离等于H。 用测量电压的方法测出已知电阻上的电压，按欧姆定律I=U/R公式可换算出被测电流值。,82,3. 测量时间间隔 示波器测量时间的方法有多种，如直接测量法、比较测量法、时标法等，在此仅讨论直接测量法、时标法。 直接测量法 直接测量法又称为标尺法，测量时，将扫速微调旋钮置于“校准”位置，选用合适的输入耦合方式，调节有关旋钮，使显示波形的幅度、宽度合适，记录下“时基因数（t/div）”的大小（设为Dx，单位为“s/

59、cm”或“s/div”）和波形某两点（根据被测量的定义来确定）之间的水平距离（设为L，单位为“cm”或“div”），则有 t=DxL (4-4) 式中，t为被测时间量，单位为“s”。,83,如果扫速扩展为K时，被测时间量等于式（4-4）计算值的1/K。 一般情况下，在测量脉冲上升时间时，若不满足示波器上升时间trtr2/3，应按式（4-2）加以修正。图4.22 例4-2波形图 例4-2 已知示波器时基因数、偏转因数分别为5ms/div、2V/div，扫速扩展为10，探极衰减系数为10：1，计算图4-22所示信号的周期是多少？电压是多少？ 解：据题意得，Dx=5ms/ div，S=2V/ div，H=8div，正弦波一个周期的宽度L=10div，扫速扩展K=10，探极衰减比K=101。 正弦波