电子测量技术基础-示波器

第四章电子示波器掌握要点：1.模拟示波器的结构及各功能模块的作用机理2.模拟示波器波形显示原理3.理解同步、扫描的概念，了解示波器基本性能指标、种类、发展等4.了解数字示波器工作原理5.熟练使用模拟电子示波器及TDS220（1000）型数字存贮示波器维修服务品质控制产品设计教育实践3TDS80004日立V252双踪示波器20M带宽5TDS1000B系列示波器100M带宽，报价1000~2000$6DPO/DSA/MSO70000系列数字和混合信号示波器4~33GHZ带宽和25~100GS/S的采样率其高级型号DSA73304D，带宽高达33Ghz，报价达8~30万$一示波器的分类根据示波器对信号的处理方式的不同可分为模拟、数字两大类：1模拟示波器——采用模拟方式对时间信号进行处理和显示。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2数字示波器——对信号进行数字化处理后再显示。可分为数字存储示波器DSO、数字荧光示波器DPO数字采样示波器等（一）CRT示波管的结构发明人：德国物理学家布劳（1850∽1918)组成:电子枪偏转系统荧光屏FKG1G2A1A2Y偏转板X偏转板辉度聚焦辅助聚焦+E-E荧光屏电子枪偏转系统荧光屏功能:电信号变成光信号并显示9电子枪的作用是发射电子并形成很细的高速电子束，。通过调节“辉度”控制电子束的强弱，从而调节光点的亮度。调节“聚焦”旋钮，改变电子束的粗细度，从而实现电子束在荧光屏上的聚焦。偏转系统由两对相互垂直的平行金属板组成，分别称为垂直偏转板和水平偏转板。示波器中采用的是波形失真小的静电偏转型，电视机中采用的是电磁偏转型。亮点上下（左右）移动的原因：上下移动是因为改变了加到垂直偏转板上的直流电压，左右移动是因为改变了水平偏转板上的直流电压。11短余辉（10µs~10ms)中余辉（1ms~100ms)长余辉（100ms~1s)极长余辉（1s)荧光屏将电信号变为光信号，是示波管的波形显示部分。显示部分：内壁n层荧光粉，再覆盖一层极薄铝膜。高速电子—轰击内壁—荧光粉动能光能—产生亮点—发出二次电子铝膜—吸收二次电子对荧光(反光)清晰使用时，关机亮点消失有一段时间—现象余辉余辉时间长短与荧光粉的材料有关。（二）波形显示原理1．显示随时间变化的图形（1）Y偏转板上分别加变化电压，有下面情况：Uy0123401324Uyt13Ux0123401324Ux-Uxt（2）X偏转板上分别加变化电压，有下面情况：14扫描电压：称加在X轴上的锯齿波为扫描电压。锯齿波信号具有把信号电压拉向右侧的作用。扫描：电子束在扫描电压作用下水平偏转，使光点在水平方向上反复移动。分为：扫描正程：光点自左向右的连续扫动称为“扫描正程”扫描逆程：自荧光屏的右端迅速返回左端起扫点的过程15Uy0123401324Uy-Uyt0UxtUx-Ux（3）Y偏转板加正弦波信号电压，X偏转板加锯齿波电压，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。16同步概念如果扫描电压周期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”。Tx=2TyyxuyTyTxuxtt17（2）Tx≠nTy(n为正整数)，即不满足同步关系时，显示的波形不稳定。t015(6)234789012345678uytuxTy54xyTT101110911思考：如图，下一个周期屏幕显示怎样的波形？18不同步时的波形19触发同步yx用触发信号使波形同步：设置与信号波形相对应的触发电平电压，当信号电压达到触发电平电压时，就会产生触发脉冲，并产生与触发脉冲同步的锯齿波。(触发扫描)扫描方式连续扫描:特点：扫描电压是连续的周期性锯齿波电压,适用于观察连续信号.不利于观察脉冲信号.Tstt(a)被测脉冲(c)连续扫描，且T=T=脉冲得到展宽，但波形显示暗，而时基线太亮2122触发扫描:特点：只有在被测信号到来时,扫描电路才产生一个扫描电压,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.一般示波器采用此方法.Tstt(a)被测脉冲(d)触发扫描扫描等待能较好地观测脉冲23无法观察细节波形底部（时间基线）很亮，而波形自身不亮底部没有基线比较各自情况24上面的分析都假定扫描回程时间为零，实际上回扫是需要一定时间的，为了在荧光屏上不显示回扫过程，可采用增辉行程或隐熄回程的办法，将电子束在回程期间关闭。增辉是对应扫描行程，隐熄则是对应扫描回程。扫描过程的增辉和隐熄t015234678012345678uytuxTyTx=2Ty25增辉与隐熄波形26二、通用示波器的组成Y输入电路Y前置放大器触发电路延迟线Y后置放大器水平放大器扫描发生器Y输入外触发内外至X偏转板至Y偏转板校准信号发生器低压电源高压电源电源至各电路正高压负高压X输入校准信号输出（一）垂直偏转通道射极跟随前置放大器延迟线末级放大衰减器Y极板探头输入用示波器测量信号时，通常使用同轴电缆做成的探头作为输入引线，探头内设计为可调电容C(5～l0pF)和电阻并联形式，再与示波器输入电容、输入电阻组成补偿式分压器。当探头中设置10：1的衰减器时，被测电压值是示波器测得电压的10倍。28调整可调电容，可实现最佳补偿，图c为最佳补偿波形，d为过补偿波形，为欠补偿波形。示波器探头输入耦合选择器选择DC档,输入的交直流成分都通过.选择AC档,由于C的隔直,只有交流成分能通过.选择GND档,输入信号通路被断开,示波器荧光屏上显示时间基线,即为0电平线.30衰减器用途:用来衰减输入信号,以保证在荧光屏上的信号不致因过大而失真.技术要求:频带足够宽,输入阻抗足够高.RC衰减器:当R1C1=R2C2时,k0=R2/(R1+R2)(使输出与输入的比与频率无关)输出R1R2C1C2通常用一个波段开关换接不同的R2C2来改变衰减量。在面板上，直接标注与各档衰减量对应的偏转灵敏度，单位为V/DIV。输入阻抗变换器常采用射极跟随器,①输入阻抗大,使示波器对外呈现高输入阻抗.②输出阻抗小,使后接低阻延迟线相匹配.射极跟随前置放大器延迟线末级放大衰减器前置放大器前置放大器将信号适当放大，从中取出内触发信号，并具有灵敏度微调、校正、Y轴移位、极性反转等控制作用。32延迟线作用:使垂直通道的信号延迟一定的时间,以便在荧光屏上能观察到脉冲信号的前沿.末级（Y输出）放大器Y输出放大器是将延迟线传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。（二）水平偏转通道功能:1.产生扫描电压2.保持与Y通道输入信号间的同步关系，选择适当的触发源信号，并在此信号的作用下产生稳定的扫描电压，显示稳定的波形。3.能产生增辉和消隐信号，去控制示波器的Z轴。触发源选择触发源耦合方式触发输入整形电路触发极性触发电平扫描发生器水平放大器去水平偏转板释抑电路闸门电路水平位移校准扩展触发同步电路扫描电路水平放大器34触发电路结构示意：触发电平调节触发极性和触发电平决定了触发脉冲产生的时刻，并决定了扫描的起点。触发电平触发源信号触发脉冲闸门信号扫描电压1234512345触发极性：指触发点位于触发源信号的上升沿或下降沿。触发电平：触发点位于触发源信号的什么电平上36触发源选择内触发（INT）：将Y前置放大器输出（延迟线前的被测信号）作为触发信号，适用于观测被测信号。外触发（EXT）：用外接的、与被测信号有严格同步关系的信号作为触发源，用于比较两个信号的同步关系。电源触发（LINE）：用50Hz的工频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。触发方式选择常态（Norm):只有在触发源信号有并且产生有效的触发脉冲时，扫描电路才被触发，产生扫描线。(开机屏幕上没有任何显示，分析原因）自动（Auto):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，扫描电路处于自激状态，仍显示时间基线。当触发脉冲到来时，自动返回到触发扫描方式工作。电视（TV）触发方式：插入电视同步分离电路实现，以便对电视信号（如行、场同步信号）进行监测与电视设备维修。38触发极性选择和触发电平调节触发极性和触发电平决定触发脉冲产生的时刻，并决定被显示信号的起始点。正电平正极性正电平负极性3940扫描电路（时基发生器）工作原理：1.时基闸门电路：双稳态触发器，当输入电平高于上触发电平时，电路翻转，输出高电平，闸门打开；当输入电平小于下触发电平时，电路又翻转，输出低电平，关闭闸门。412.扫描发生器：积分电路。当闸门打开时，充电过程，产生线性良好的锯齿波电压，即扫描正程；当关闭闸门时，放电过程，产生扫描回程。423.释抑电路：在扫描回程期间，扫描电压U0迅速上升，而释抑电路中的RC较大，使时基闸门输入保持一个较低的电平，保证每次扫描都开始在同样的起始电平上，从而稳定波形。43通用示波器的其他电路1．高、低压电源—分别用于示波器的高、中压和直流供电。2．Z轴的增辉与调辉—增辉：将闸门信号放大，使显示的波形正程加亮。—调辉：加外调制信号或时标信号，使屏幕显示的波形发生相应地变化。3．校准信号发生器—可产生幅度和频率准确的基准方波信号，为仪器本身提供校准信号源。44例：用示波器观测正弦波时，荧光屏上得到如图所示波形，试分析示波器哪个部分工作不正常?(1)为扫描锯齿波线性度不好；(2)Y放大器引入失真，出现削顶，产生截止失真；(3)有扫描回线，增辉电路工作不正常。45日立V252模拟示波器面板三、双踪示波器其垂直偏转通道由A和B两个通道组成。两个通道的信号在电子开关的控制下，交替加在示波管的垂直偏转板上，从而显示两个波形。47通用双踪示波器框图48用双踪示波器观察波形四、双踪示波器的典型应用测量信号周期、频率、时间差测量信号幅度、比较信号幅度测量两信号相位差测量脉冲信号的上升、下降时间等50（1）直流电压的测量方法a首先将示波器的垂直偏转灵敏度微调旋钮置于校准挡，否则电压读数不准确。b把被测信号送入示波器垂直输入端。C将示波器输入耦合开关置于“GND”地输入位置，调节垂直位移旋钮，使屏幕上的扫描线（零电平线）移到荧光屏的中间位置，即确定零电平线。以后不再调制垂直位置旋钮。D调节垂直灵敏度开关至适当位置，将示波器输入耦合开关拨至“DC”挡，观察此时水平线的位置。E若位于零水平线上面，则被测直流电压为正极性；若位于零水平线的下面，则被测直流电压为负极性。51例4.1如图所示，h=5cm、Dy=1V/cm、k=10:1，求被测直流电压的值。250100502550.512510V/divVmV测量直流电压示意图解：UDC＝h*Dy*k＝5*1*10＝50V52（2）交流电压的测量方法A首先将示波器的垂直偏转灵敏度微调旋钮于校准挡，否则电压读数不准确。B把被测信号送入示波器垂直输入端。C将示波器输入耦合开关置于“AC”输入位置。调节扫描速度和触发选择，使显示的波形稳定。D调节垂直灵敏度开关，使荧光屏上的波形位置适当，记下Dy值。E读出被测交流电压波峰和波谷的高度或任意两点之间的高度h。53例4.2如图所示，h=6cm、Dy=1V/cm、k=10:1，求交流信号的峰-峰值和有效值。250100502550.512510V/divVmVh测量交流电压示意图解：交流信号的峰-峰为UP-P＝h*Dy*k＝6*1*10＝60V54交流信号的有效值为6021.22222PPUVVV55例：已知示波器的灵敏度微调处于“校正”位置，灵敏度开关置于5V/cm，倍率开关为“×5”。信号峰峰值5V，试求屏幕上峰与峰之间的距离。如果再加上一个10：1的示波器探头，结果又是多少？1515ppVycmh倍率开关“×5”11155yykcm示波器探头10倍衰减250.510yycmk解：不考虑倍率开关时562．测量时间（1）测量信号波形任意两点间的时间间隔xABxABxAB（a）测量信号的时间差（b）脉冲信号宽度的测量（c）两个