电子测量7章节第1部分.

第7章示波测试技术内容提要介绍了示波器图象显示的基本原理；分析了通用示波器、取样示波器、记忆存储示波器及数字存储示波器的工作原理；重点介绍了通用示波器电路组成、测试的基本原理、测试方法；并详细介绍使用示波器进行电压、时间、相位等参量测试的方法。重点与难点重点：掌握各种示波器的电路组成、测试的基本原理、测试方法及应用；掌握扫描、同步、触发等基本概念。难点：扫描、同步、触发等概念；示波器各种功能键、控制键与电路的对应关系。模拟示波器数字示波器7.1概述示波器是时域分析的最典型仪器，也是当前电子测量领域中，品种最多、数量最大、最常用的一种仪器，使用示波器可直观地看到电信号随时间变化的图形。更广泛的，只要能把两个有关系的变量转化为电参数，分别加至示波器的X、Y通道,就可以在荧光屏上显示这两个变量之间的关系。7.1.1示波器的分类低频示波器通用示波器普通示波器宽带示波器多束示波器示波器的分类取样示波器记忆、存储示波器特种示波器7.1.2示波器的主要技术指标频带宽度垂直灵敏度示波器主要性能指标输入阻抗扫描速度同步（或触发）电压7.2示波测试的基本原理7.2.1示波器的测试过程Y轴偏转系统X轴偏转系统图7.1示波器结构的框图被测信号示波管7.2.2阴极射线示波管1．电子枪电子枪由灯丝F、阴极K、栅极G1和G2、阳极A1和A2组成。当灯丝F通电后，加热阴极，涂有氧化物的阴极发射出大量的电子，电子在阳极吸引下形成电子束，轰击荧光屏上的荧光粉发光。2．偏转系统两对相互垂直的、平行的金属板X偏转板和Y偏转板共同作用，决定任一瞬间光点在屏上的位置。在偏转电压Uy的作用下，Y方向的偏转距离为式中L——偏转板的长度；S——偏转板中心到屏幕中心的距离；b——偏转板之间的距离；Uy——垂直偏转板所加偏转电压；Ua——第二阳极电压。yaubULSy2L、b、S均为常数，第二阳极的电压Ua也基本不变，所以Y方向的偏转距离y正比于偏转板上的电压uy，即式中y——Y方向的偏转距离；——比例系数，称为示波管的偏转因数，单位为cm/V；uy——垂直偏转板所加的偏转电压。'yhyyuhy'其中，比例系数的倒数称为示波管的垂直灵敏度，单位为V/cm。垂直偏转灵敏度是示波管的一个重要参数。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。'yh3．荧光屏示波管荧光屏的内壁涂有一层荧光物质，当高速电子轰击荧光屏上荧光物质时，荧光将电子的动能转变为光能，产生亮点。光点的亮度取决于轰击电子束中电子的数目、密度和速度。余辉时间操作注意7.2.3图象显示的基本原理1．显示随时间变化的图形图(a)Vx=Vy=0(b)Vx=0，Vy=常量(c)Vx=常量，Vy=0(d)Vx=常量，Vy=常量图7.4固定电压与光点偏移的关系图(a)Y偏转板加正弦波信号(b)X偏转板加锯齿波信号图7.5可变电压与光点偏移的关系图+ux-uxtTn0234ux1+uyTSt0234uy10-uy234102341Y偏转板加正弦波信号电压X偏转板加锯齿波电压。即X、Y偏转板同时加电压，假设，则电子束在两个电压的同时作用下，在水平方向和垂直方向同时产生位移，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。如图7.6所示。tuuymysinktuxyxTT图7.6X、Y偏转板同时加信号时光点的轨迹图2．显示任意两个变量之间的关系示波器两个偏转板上都加正弦电压时显示李沙育(Lissajous)图形。3．扫描的概念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叫扫描电压。光点自左向右的连续扫动称为“扫描正程”，光点自屏的右端迅速返回起扫点的过程称为“扫描逆程”。4．同步的概念同步即荧光屏上显示稳定的波形，即显示曲线形状相同，并有同一个起点。①(n为正整数)②(n为正整数)yxnTTyxnTT图7.7Tx=2Ty时荧光屏显示的波形情况TytuyTx=2Tyuxt0123450‘，’‘，67910Tytuy012345Tx=5/4Tyuxt图7.9时荧光屏显示的波形情况yxTT455．连续扫描和触发扫描扫描正程紧跟着逆程，逆程结束又开始新的正程，扫描是不间断的，这种扫描方式称为连续扫描。(b)连续扫描Tx=Ty(c)连续扫描Tx=て(a)被测信号(d)触发扫描Tx=て图7.10连续扫描和触发扫描的比较ux0Txt0uytTyux0tTxux0tTx7.3通用示波器7.3.1通用示波器的组成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。通用示波器中还常用附有校准信号发生器，产生幅度或周期非常稳定的校准信号，用于示波器的校准，以便对被测信号进行定量测试。Y输入Y输入电路Y前置放大器延迟线Y后置放大器增辉电路高压电源低压电源X放大电路扫描电路触发电路校准信号发生器外触发输入X输入校准信号输出正高压负高压各电路射极跟随器前置放大器衰减器延迟线末级放大器触发电路末级放大器校正器电源时基发生器X输入电路Z轴电路Y输入X同步X输入内外扫描①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩XYG17.3.2通用示波器的垂直通道垂直通道（Y轴通道）是对被测信号处理的主要通道，它将输入的被测信号进行衰减或线性放大，并在一定范围内保持增益稳定，最后，输出符合示波管偏转要求的信号，以推动垂直偏转板，使被测信号在屏幕上显示出来。垂直通道包括输入电路、Y前置放大器、延迟线和Y后置放大器等部分。1．输入电路主要是由衰减器和输入选择开关构成。①衰减器衰减器如图7.12所示。当时，衰减器的分压比为改变分压比，即改变示波器的偏转灵敏度。改变分压比的开关即为示波器垂直灵敏度粗调开关，在面板上常用V／cm标记。2211CRCR212212RRRZZZvvio输入衰减器原理图②输入耦合方式输入耦合方式设有AC、GND、DC三档选择开关。置“AC”时，输入信号经电容耦合到衰减器上，只有交流分量可通过，适于观察交流信号。置“GND”时，用于确定零电平，即不需要断开被测信号，可为示波器提供接地参考电平。置“DC”时，输入信号直接接到衰减器，用于观测频率很低的信号或带有直流分量的交流信号。2．前置放大器前置放大器将信号适当放大，并从中取出内触发信号，具有灵敏度调节、校正、Y轴移位等控制作用。3．延迟线延迟线是一种起延迟时间作用传输线。目前延迟线主要有两种，一种是采用双股螺旋平衡式延迟电缆；另一种是利用LC非线性电路的后滞作用构成的多节LC网络。4．Y输出放大器Y输出放大器是Y通道的主放大器，它的功能是将延迟线传输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。7.3.3通用示波器的水平通道水平通道（X轴通道）的主要任务是产生随时间线性变化的扫描电压，再放大到足够幅度，然后输出推挽信号，加到水平偏转板上，使光点在荧光屏的水平方向达到满偏转。水平系统组成框图水平系统通道包括触发电路、扫描电路和水平放大器等部分。触发电路触发耦合方式选择触发源选择放大整形电路扫描信号发生器比较和释抑电路扫描闸门扫描电压产生电路X偏转板水平放大器图7.13水平系统组成框图1．触发电路触发电路的作用是为扫描信号发生器提供符合要求的触发脉冲。触发电路包括触发源选择、触发耦合方式选择、触发方式选择、触发极性选择、触发电平选择和触发放大整形等电路。①触发源选择触发源一般有3种类型的触发源，用开关S1选择，如图7.14所示。②触发耦合方式示波器一般设有4种触发耦合方式，可用开关S2选择，如图7.14所示。图7.14触发源与触发耦合方式选择电路内触发外触发输入电源触发S1触发源选择C1触发源耦合方式选择S2DCACLFREJC2C3HFREJ触发极性选择触发放大整形电路③扫描触发方式选择（TRIGMODE）扫描触发方式通常有常态（NORM）、自动（AUTO）2种方式。a.常态（NORM）触发方式是指只有在有触发源信号，并且产生了有效的触发脉冲时，扫描电路才能被触发，才能产生扫描锯齿波电压，荧光屏上才有扫描线。b.自动（AUTO）触发方式自动触发方式是指在一段时间没有触发脉冲时，扫描系统按连续扫描方式工作，此时扫描电路处于自激状态，有连续扫描锯齿波电压输出，荧光屏上显示出扫描线。自动触发方式是一种最常用的触发方式。④触发极性选择和触发电平图7.15不同触发电平和触发极性下所显示的波形（a）被测正弦信号（b）零电平正极性触发（d）正电平负极性触发（e）负电平负极性触发（c）正电平正极性触发（f）负电平正极性触发0t023uy1414322．扫描信号发生电路扫描发生器用来产生线性良好的锯齿波，又叫时基电路，常由积分器、扫描门及比较和释抑电路组成，如图7.16所示。图7.16扫描信号发生器组成框图比较和释抑电路扫描闸门扫描电压产生电路送X放大器触发脉冲触发连续①扫描方式选择为了更好地观测各种信号，示波器应该既能连续扫描又能触发扫描，扫描方式的选择通过开关进行。在连续扫描时，没有触发脉冲信号，扫描闸门也不受触发脉冲的控制，仍会产生门控信号，并启动扫描发生器工作；在触发扫描时，只有在触发脉冲作用下才产生门控信号。②扫描门扫描门是用来产生闸门信号的，它有三个作用。a.输出时间准确的矩形开关信号，又称闸门信号，控制积分器扫描。b.闸门信号可作为增辉脉冲控制示波管，起正程加亮作用。c.在双踪示波器中利用闸门信号触发电子开关，使之工作于交替状态。RC2RC1Rb2ui+ET1ReRb1T2uo（a）电路图（b）工作波形图7.17施密特触发器构成的扫描门HELEiuou③积分器扫描电压是锯齿形的，它由积分器产生。a.简单锯齿波的形成（a）电路图（b）工作波形图7.17简单锯齿波的形式KECRuoEtb.线性良好锯齿波的获得图7.19密勒积分器的电路模型∑CRuoui∞i④比较和释抑电路比较电路利用比较、识别电平的功能来控制锯齿波的幅度。（a）比较和释抑电路（b）施密特电路及有关输入输出信号图7.20扫描环的工作过程比较和释抑VTb积分器扫描门RPRh+ECh+_稳定度-EVD+E来自释抑电路VT1去扫描环+E稳定度-EVD来自触发电路VT2+E3．水平放大器水平放大器的基本作用是选择X轴信号，并将其放大到足以使光点在水平方向达到满偏的程度。示波器除了显示随时间变化的波形外，还可以作为一个X-Y图示仪来显示任意两个函数间的关系，因此X放大器的输入端有“内”、“外”信号的选择。置于“内”时，X放大器放大扫描信号；置于“外”时，水平放大器放大由面板上X输入端直接输入的信号。7.3.4通用示波器的其它电路1．高、低压电源低压电源为电路各级提供所需的直流电压。高压电源电路多用于示波器的高、中压供电2．Z轴增辉与调辉增辉作用是将闸门信号放大，加到示波器管上，使显示的波形正程加亮。调辉电路的作用是将外调制信号或时标信号加到示波管上，使屏幕显示的波形与调制发生相应的变化。3．校准信号发生器校准信号发生器可产生基准方波信号，它为仪器提供校准信号源，以便随时校准示波器的垂直灵敏度和扫描时间因数。7.3.5示波器的多波形显示1．多线示波多线示波利用多枪电子管来实现。2．多踪示波多踪示波是在单线示波的基础上，增加电子开关实现多个波形的同时显示。图7.23双踪示波器垂直系统框图延迟线电子开关Y1输入Y输入电路Y前置放大器Y1门电路Y2输入Y输入电路Y前置放大器Y2门电路Y后置放大器控制信号示波器显示方式根据电子开关工作方式的不同，双踪示波器有5种显示方式。①“Y1”通道（CH1）接入Y1通道，单踪显示Y1的波形。②“Y2”通道（CH2）接入Y2通道，单踪显示Y2的波形。③叠加方式（CH1+CH2）两通道同时工作，Y1、Y2通道的信号在公共