第3章电子示波器.

第3章电子示波器3.1概述3.2CRT显示原理3.3波形显示的基本原理3.4通用示波器3.5取样示波器3.6数字存储示波器3.7示波器的基本测试技术3.1概述电子示波器简称为示波器，是电子测量中一种常用的仪器，它可以把人的肉眼无法直接观察到的电信号转换成人眼能够看到的波形，并显示在示波器的荧光屏上，供人们观察分析。示波器除了可以对电信号进行定性的观察外，还可以用它来进行一些定量的测量。如电压、电流、周期、频率、时间、相位差、调幅度、脉冲宽度、上升及下降时间等的测量。其它如温度、压力、声、光、热等诸多非电物理量亦可经转换成为电量，使用示波器进行观测。因此示波器是一种用途极广的电子测量仪器，广泛地应用于工业、农业、医学、物理、通信、国防、学校和科研等众多领域。3.1.1示波器的特点作为广泛使用的电子测量仪器，电子示波器具有如下特点。（1）具有良好的直观性，可直接显示信号的波形，也可以测量信号的瞬时值。（2）灵敏度高、工作频带宽、速度快，对观测瞬变信号的细节带来了很大的便利。（3）输入阻抗高（兆欧级），对被测电路的影响小。3.1.2示波器的分类示波器的分类方法有很多，如果从示波器对信号的处理方式出发，可将示波器分为模拟、数字两大类。模拟示波器的X、Y通道对时间信号的处理均由模拟电路完成，即X通道提供连续的锯齿波电压，Y通道提供连续的被测信号，而CRT屏上的图形显示也是光点连续运动的结果，即显示方式是模拟的。数字示波器则对X、Y方向的信号进行数字化处理，即把X轴方向的时间离散化，Y轴方向的幅值量化，获得被测信号波形上的一个个的离散点的数据。1．模拟示波器模拟示波器可分为通用示波器、多束示波器、取样示波器、记忆示波器和专用示波器等。通用示波器采用单束示波管，它又可分为单踪、双踪、多踪示波器。多束示波器采用多束示波管，荧光屏上显示的每个波形都由单独的电子束扫描产生。将要观测的信号经衰减、放大后送入示波器的垂直通道，同时用该信号驱动触发电路，产生触发信号送入水平通道，最后在示波管上显示出信号波形。这是最为经典而传统的一类示波器，因此，也常称为通用示波器。取样示波器是采用时域采样技术将高频周期信号转换为低频离散时间信号显示的，从而可以用较低频率的示波器测量高频信号。记忆示波器采用有记忆功能的示波管，实现模拟信号的存储、记忆和反复显示。专用示波器是能够满足特殊用途的示波器，又称特种示波器。2．数字示波器数字示波器将输入信号数字化（时域取样和幅度量化）后，经由D/A转换器再重建波形。它具有记忆、存贮被观察信号功能，可以用来观测和比较单次过程和非周期现象、低频和慢速信号。由于其具有存储信号的功能，又称为数字存贮示波器（DSO，DigitalStorageOscilloscope）。根据取样方式不同，又可分为实时取样、随机取样和顺序取样三大类。3.2CRT显示原理3.2.1阴极射线示波管CRT图3-1阴极射线管内部结构图1．电子枪电子枪的作用是发射电子并形成很细的高速电子束。它由灯丝F、阴极K、栅极G1和G2和阳极A1、A2组成。当电流流过灯丝后对阴极加热，阴极产生大量电子，并在后续电场作用下轰击荧光屏发光。控制栅极G1呈圆筒状，包围着阴极，只在面向荧光屏的方向开一个小孔，使电子束从小孔中穿过。通过调节G1对K的负电位可调节光点的亮度，即进行“辉度”控制。第一阳极A1使电子汇聚；第二阳极A2使电子加速。A1和A2与G1对电子束进行聚焦并加速，使到达荧光屏的电子形成很细的一束并具有很高速度。调节A1的电位，即可调节G2与A1和A1与A2之间的电位，调节A1的电位器称为“聚焦”旋钮；调节A2电位的旋钮称为“辅助聚焦”。G1、G2、A1、A2的电位关系为：VG1VK、VG2VG1、VA1VG2、VA2VA1，因此，电子从G1至G2、A1至A2将得到汇聚并加速，而从G2至A1将发散。（a）电子穿越电场时的加速与减速（b）电子在电子枪中的运动轨迹图3-2电子束的聚焦原理示意图V1V2EV2V11221聚拢并加速V1V2E12发散并减速21V2V1KG1G2A1A22．偏转系统示波管的偏转系统由两对相互垂直的平行金属板组成，分别称为垂直（Y）偏转板和水平（X）偏转板，偏转板在外加电压信号的作用下使电子枪发出的电子束产生偏转。当偏转板上没有外加电压时，电子束打向荧光屏的中心点；如果有外加电压，则在偏转电场作用下，电子束打向由X、Y偏转板共同决定的荧光屏上的某个坐标位置。通常，为了示波器有较高的测量灵敏度，Y偏转板置于靠近电子枪的部位，而X偏转板在Y的右边。电子束在偏转电场作用下的偏转距离与外加偏转电压成正比。如图3-3，电子在离开第二阳极A2（设电压为Va）时速度为vo，设电子质量为m，则有：（3-1）电子将以vo为初速度进入偏转板，电子经过偏转板后偏转距离y如下式（3-2）式中，l为偏转板的长度；S为偏转板中心到屏幕中心的距离；b为偏转板间距；Va为阳极A2上的电压。++++----yUyUaLSb荧光屏图3-3电子束的偏转2021mveVayaVbVlSy2上式表明，偏转距离与偏转板上所加电压和偏转板结构的多个参数有关，其物理意义可解释如下：若外加电压越大，则偏转电场越强，偏转距离就越大；若偏转板长度l越长，偏转电场的作用距离就越长，因而偏转距离越大；若偏转板到荧光屏的距离S越长，则电子在垂直方向上的速度作用下，使偏转距离增大；若偏转板间距b越大，偏转电场将减弱，使偏转距离减小；若阳极A2的电压Va越大，电子在轴线方向的速度越大，穿过偏转板到荧光屏的时间越小，因而偏转距离减小。对于设计定型的示波器偏转系统，L、b、S、Va可视为常数，所以y方向的偏转距离y正比于偏转板上的电压，即（3-3）式中（cm/V）比例系数称为示波管的偏转因数，单位为cm/V，它的倒数称为示波管的垂直偏转灵敏度，单位为V/cm。偏转灵敏度是示波管的重要参数，它越小，示波管越灵敏，观察微弱信号的能力超强，在一定范围内，荧光屏上光点偏移的距离与偏转板上所加电压成正比，这是用示波管观测波形的理论根据。yVyyVhyaybVlSh2yyhD/1yh3.2.2荧光屏在荧光屏的玻壳内侧涂上荧光粉，就形成了荧光屏，它不是导电体。当电子束轰击荧光粉时，激发产生荧光形成亮点。不同成分的荧光粉，发光的颜色不尽相同，一般示波器选用人眼最为敏感的黄绿色。当电子束停止轰击荧光屏时，光点仍能保持一定的时间，这种现象称为“余辉效应”。荧光粉从电子激发停止时的瞬间亮度下降到该亮度10%所经过的时间称为余辉时间。荧光粉的成分不同，余辉时间也不同，为适应不同需要，将余辉时间分为长余辉（100ms~1s）、中余辉（1~100ms）和短余辉（10μs~1ms）等不同规格。普通示波器需采用中余辉示波管，而慢扫描示波器则采用长余辉示波管。在使用示波器时，应避免电子束长时间的停留在荧光屏的一个位置，否则将使荧光屏受损，因此在示波器开启后不使用的时间内，可将“辉度”调暗。3.3波形显示的基本原理电子束在荧光屏上产生的亮点在屏幕上移动的轨迹，是加到偏转板上的电压信号的波形。根据这个原理，示波器可显示随时间变化的信号波形和显示任意两个变量X与Y的关系图形。3.3.1显示随时间变化的图形电子束进入偏转系统后，要受到X、Y两对偏转板间电场的控制，它们对X、Y的控制作用有如下几种情况。1．Ux、Uy为固定电压的情况（1）设Ux=Uy=0，则光点在垂直和水平方向都不偏转，出现在荧光屏的中心位置，如图3-4（a）。（2）设Ux=0、Uy=常量，光点在垂直方向偏移。设Uy为正电压，则光点从荧光屏的中心往垂直方向上移，若Uy为负电压，则光点从荧光屏的中心往垂直方向下移，如图3-4（b）。（3）设Ux=常量、Uy=0，则光点在水平方向偏移。若Ux为正电压，则光点从荧光屏的中心往水平方向右移，若Ux为负电压，则光点从荧光屏的中心往水平方向左移，如图3-4（c）。（4）设Ux=常量、Uy=常量，当两对偏转板上同时加固定的正电压时，应为两电压的矢量合成，如图3-4（d）。（a）Ux=Uy=0（b）Ux=0、Uy=常量（c）Ux=常量、Uy=0（d）Ux=常量、Uy=常量图3-4水平和垂直偏转板上加固定电压时显示为一个光点2．X、Y偏转板上分别加变化电压（1）设Ux=0，Uy=Umsinωt。由于X偏转板不加电压，光点在水平方向是不偏移的，则光点只在荧光屏的垂直方向来回移动，出现一条垂直线段，如图3-5（a）所示。（2）设Ux=kt，Uy=0，由于Y偏转板不加电压，光点在垂直方向是不移动的，则光点在荧光屏的水平方向上来回移动，出现的也是一条水平线段，如图3-5（b）所示。（a）Y偏转板加正弦波信号（b）X偏转板加锯齿波信号图3-5水平和垂直偏转板上分别加变化电压Uy0123401324Uy-UytUx0123401324Ux-Uxt3．Y偏转板加正弦波信号电压Uy=Umsinωt，X偏转板加锯齿波电压Ux=kt（1）当时间t=t0时，Ux=-Uxm，Uy=0（锯齿波电压的最大负值）。光点出现在荧光屏上最左侧的“0”点，偏离屏幕中心的距离正比于Uxm。如图3-6所示。（2）当时间t=t1时，Uy=Uy1、Ux=-Ux1，光点同时受到水平和垂直偏转板的作用；光点出现在屏幕第Ⅱ象限的最高点“1”点。（3）当时间t=t2时，Uy=Uy2、Ux=-Ux2，此时锯齿波电压和正弦波电压均为0，光点将会出现在屏幕中央的“2”点。（4）当时间t=t3时，Uy=Uy3、Ux=Ux3，正弦波的负半周与正半周类似，此时正弦波电压为负半周到负的最大值，Uy3=-Uym、光点出现在屏幕第Ⅳ象限的最低点，如图中“3”点所示。（5）当时间t=t4时，Uy=Uy4、Ux=Ux4，此时锯齿波电压和正弦波电压均为零，光点将会出现在屏幕的第“4”点。以后，在被测信号的第二个周期、第三个周期等都将重复第一个周期的情形，光点在荧光屏上描出的轨迹也将重叠在第一次描出的轨迹上，因此，荧光屏显示的是被测信号随时间变化的稳定波形。图3-6水平和垂直偏转板同时加信号时的显示3.3.2显示任意两个变量之间的关系tt00112233440011223344uyttuxux0011223344t0123401234uytux01234024（a）ux、uy同频同相（b）ux、uy同频但相差90º图3-7水平和垂直偏转板同时加同频率的正弦波时显示的李萨育图形3.3.3扫描的概念如上所述，如果在X偏转板上加上一个锯齿波电压ux=kt（k为常数），垂直偏转板不加电压，那么光点在X方向做匀速运动，光点在水平方向的偏移距离为（cm/s）（3-4）式中，x为X方向的偏转距离；Sx为比例系数，称为示波管的X轴偏转灵敏度（单位为cm/s）；hx为比例系数，即光点移动的速度。这样，X方向偏转距离的变化就反映了时间的变化。此时光点水平移动形成的水平亮线称为“时间基线”。当锯齿波电压达到最大值时，荧光屏上的光点也达到最大偏转，然后锯齿波电压迅速返回起始点，光点也迅速返回屏幕最左端，再重复前面的变化。光点在锯齿波作用下扫动的过程称为“扫描”，能实现扫描的锯齿波电压称为扫描电压，光点自左向右的连续扫动称为“扫描正程”，光点自荧光屏的右端迅速返回左端起扫点的过程称为“扫描回程”。理想锯齿波的回程时间为0。thktSxxx3.3.4同步的概念图3-8Tx=2Ty时荧光屏上显示的波形图3-9扫描电压与被测电压不同步时显示波形出现晃动3.3.5连续扫描和触发扫描TsT=Tstttt(a)被测脉冲(b)连续扫描，且T=Ts(c)连续扫描，且T=(d)触发扫描扫描等待T=不能观测到脉冲细节脉冲得到展宽，但波形显示暗，而时基线太亮能较好地观测脉冲图3-10连续扫描和触发扫描方式下对脉冲波形的观测3.3.6扫描过程的增辉回扫时，回扫电压和被测信号共同作用，对欲显示的被测信号波形产生影响。图3-11扫描回程期间将出现回扫轨迹为了使回扫产生的波形不在荧光屏上显示，可以设法在扫描正程期