电子测量技术(第3版)第八章第1部分.

第8章示波测试技术模拟示波器数字示波器在进行电子测量时，我们通常希望直观地看到电信号随时间变化的图形，示波测试技术实现了人们的愿望。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。8.1.1示波器的分类按其用途和特点，可分为以下五类。1．通用示波器通用示波器是指采用单束示波管的宽带示波器，常见的为双踪示波器。通用示波器按其垂直通道的频带宽度又可分为三大类。（1）低频示波器。（2）普通示波器。（3）宽带示波器。8.1概述2．多束示波器多束示波器采用多束示波管，在屏幕上可同时显示两个以上的波形，与通用示波器的叠加或交替显示多个波形不同，它的每个波形分别由单独的电子束产生，观察与比较两个以上的信号时非常方便。3．取样示波器取样示波器采用取样技术，先把快速变化的高频信号变化成与之相似的、慢速变化的低频信号，再用通用示波器显示其波形。4．记忆、存储示波器这种示波器除了具有通用示波器的功能外，还具有记忆功能。5．特种示波器特种示波器是指具有特殊用途的示波器，如矢量示波器、心电示波器等。8.1.2示波器的主要技术指标1．频带宽度标志示波器的最高响应能力，用频率和上升时间表示，上升时间近似等于0.35/频率宽度。2．垂直灵敏度示波器可以分辨的最小信号幅度和输入信号的动态范围。3．输入阻抗输入阻抗是指在示波器输入端规定的直流电阻值和并联电容值，它标志被测信号的负载的轻重。4．扫描速度扫描速度也称扫描时间因数，是指光点水平移动的速度，它说明了示波器能观察的时间和频率的范围。5．同步（或触发）电压同步（或触发）电压是指波形稳定的最小输入电压。8.2示波测试的基本原理8.2.1示波器的测试过程Y轴偏转系统将输入的被测交流信号放大；X轴偏转系统提供一个与时间成线性关系的锯齿波电压；两组电压同时加到示波管的偏转板上，示波管中的电子束在偏转电压的作用下运动，在屏幕上形成与被测信号一致的波形。图8.1示波器的结构框图8.2.2阴极射线示波管CRT主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成，基本结构如图8.2所示。电子枪产生的高速电子束打在荧光屏上，偏转板控制电子束的偏转方向，使其按要求在荧光屏相应的部位产生荧光。图8.2示波管结构示意图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．偏转系统示波器的偏转系统由两对相互垂直且平行的金属板——X偏转板和Y偏转板构成。Y偏转板上电位的相对变化，只能影响电子在垂直方向的运动，因而Y偏转板只能影响光电在荧光屏上的垂直位置；X偏转板只影响光点的水平位置，两对偏转板共同作用，才决定了任一瞬间光点在荧光屏上的位置。3．荧光屏荧光屏在示波管的终端，通常是圆形或矩形的。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的荧光物质时，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。8.2.3图像显示的基本原理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而产生偏转，其中X、Y的控制作用有如下几种情况。图8.4固定电压与光点偏移的关系图图8.5可变电压与光点偏移的关系图Y偏转板加正弦波信号电压uy=Uymsinwt，X偏转板加锯齿波电压ux=kt，即X、Y偏转板同时加电压，假设Tx=Ty，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8.6所示。图8.6X、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在示波管中，电子束同时受X和Y两个偏转板的作用。X-Y图示仪显示图形前，先把两个变量转换成与之成比例的两个电压，分别加到X、Y转板上，屏幕上任一瞬间光点的位置都是由偏转板上两个电压的瞬时值决定。若两信号的初相相同，则可在荧光屏上画出一条直线，若两信号在X、Y方向的偏转距离相同，这条直线与水平轴呈45°角，如图8.7（a）所示；如果这两个信号初相相差90°，则在荧光屏上画出一个正椭圆；若X、Y方向的偏转距离相同，则荧光屏上画出的图形为圆，如图8.7（b）所示。图8.7两个同频率正弦信号构成的李沙育图形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起扫点的过程称为“扫描逆程”。4．同步的概念（1）Tx=nTy（n为正整数）。如果扫描电压周期Tx与被测电压周期Ty保持Tx=nTy的关系，则称扫描电压与被测电压“同步”。如果增加Tx（扫描频率降低）或降低Ty（信号频率增加）时，显示波形的周期数将增加。yxnTT（2）（n为正整数）。如果没有同步关系，即（n为正整数），则后一扫描周期描绘的图形与前一扫描周期的图形不重合，显示的波形是不稳定的。yxnTT图8.8Tx=2Ty时荧光屏显示的波形情况yxTT45图8.9时荧光屏显示的波形情况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。只要选择扫描电压的持续时间等于或稍大于脉冲底宽，则脉冲波形就可展宽得几乎布满横轴。同时由于在两个脉冲间隔时间内没有扫描，故不会产生很亮的时间基线。这种由被测信号激发扫描发生器的间断的工作方式称为“触发扫描方式”。6．扫描过程的增辉假设扫描逆程时间为零，但实际上，回扫是需要一定时间的。在这段时间内，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。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间，使电子枪发射更多的电子，即给示波器增辉。这种增辉可以通过在扫描期间给示波管第一栅极G1加正脉冲或给阴极K加负脉冲来实现。这样相对来说，扫描正程电子枪发射的电子远远多于扫描逆程，观测者看到的就只有扫描正程显示的波形。8.3.1通用示波器的组成通用示波器主要由示波管、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。8.3通用示波器图8.11通用示波器的组成框图8.3.2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。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。1122RCRC1．输入电路o22i1212uZRuZZRR（2）输入耦合方式。输入耦合方式设有AC、GND、DC三挡选择开关。置“AC”时，输入信号经电容耦合到衰减器，只有交流分量可通过，适于观察交流信号；置“0”挡时，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。示波器水平通道（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，使光点在荧光屏的水平方向达到满偏转。水平通道包括触发电路、扫描电路和水平放大器等部分，如图8.13所示。8.3.3通用示波器的水平通道图8.13水平系统的组成框图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。触发源的选择应根据被测信号的特点来确定，以保证荧光屏上显示的被测波形的稳定性。触发源一般有三种类型，可用开关S1选择，如图8.14所示。1．触发电路图8.14触发源与触发耦合方式选择电路框图①内触发（INT）：将Y前置放大器输出的，位于延迟线前的被测信号作为触发信号，触发信号与被测信号的频率是完全一致的，适用于观测被测信号。②外触发（LINE）：用外接的、与被测信号有严格同步关系的信号作为触发源，这种触发源用于比较两个信号的同步关系。或者，当被测信号不适于作触发信号时使用。③电源触发。用50Hz的正弦信号作为触发源，适用于观测与50Hz交流有同步关系的信号。（2）触发耦合方式。示波器一般设有四种触发耦合方式，可用开关S2选择。①“DC”直流耦合。②“AC”交流耦合。③“LFREJ”低频抑制耦合：通过电容耦合的方式，触发信号经电容C1及C2接入，一般电容较小，阻抗较大，用于抑制2kHz以下的频率成分。④“HFREJ”高频抑制耦合：用于抑制高频成分的耦合。（3）扫描触发方式选择（TRIGMODE）。扫描触发方式通常有常态（NORM）和自动（AUTO）两种方式。①常态（NORM）触发方式：是指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。②自动（AUTO）触发方式：自动触发方式是指在一段时间内没有触发脉冲时，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。当有触发脉冲信号时，扫描电路能自动返回触发扫描方式工作。（4）触发极性选择和触发电平。触发极性是指触发点位于触发源信号的上升沿还是下降沿。触发点位于触发源信号的上升沿为“+”极性；触发点位于触发源信号的下降沿则为“-”极性。触发电平是指触发脉冲到来时所对应的触发放大器输出电压的瞬时值。（5）触发放大整形电路。整形电路的基本形式是电压比较器，当输入的触发源信号与通过“触发极性和电平”选择的信号之差达到某一设定值时，比较电路翻转，输出矩形波，然后经过微分整形，变成触发脉冲。2．扫描信号发生电路扫描发生器环又叫时基电路，常由积分器、扫描门及比较和释抑电路组成，如图8.16所示。图8.16扫描信号发生器组成框图（1）扫描方式选择。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：①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。②可利用闸门信号作为增辉脉冲控制示波管，起正程加亮作用。③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。（3）积分器。扫描电压是锯齿形的，它由积分器产生。①简单锯齿波的形成。用RC充放电能形成简单的锯齿波，电路和波形如图8.18所示。图8.18简单锯齿波的形式②线性良好的锯齿波的获得。密勒（Miller）积分器具有良好的线性，因此，它是通用示波器中应用最广的一种积分电路。密勒积分器的原理如图8.19所示。图8.19密勒积分器的电路模型（4）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。释抑电路在扫描逆程开始后，关闭或抑制扫描闸门，使“抑制”期间扫描电路不再受到同极性触发脉冲的触发，以便使扫描电路恢复到扫描的起始电平上。3．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