电子示波器及测量技术

第5章电子示波器及测量技术电子示波器的类型；掌握示波管及波形显示原理、通用电子示波器的组成及原理；示波器的双踪显示原理；通用电子示波器的正解选择与使用；通用示波器的基本测量方法；电子示波器的发展。5.1概述电子示波器（简称示波器）是一种以阴极射线管作为显示器的显示信号波形的测量仪器。它对电信号的分析是按时域法进行的，即研究信号的瞬时幅度与时间的函数关系。5.1.1电子示波器的主要特点1．具有良好的直观性，可直接显示信号的波形；也可测量信号的瞬时值。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。5.1.2电子示波器的类型电子示波器种类型号繁多，主要分为以下几大类：1．通用示波器：应用了基本显示原理，可对电信号进行定性和定量观测。2．取样示波器：采用取样技术将高频信号转换成模拟的低频信号，再应用通用示波器的基本显示原理观测信号。取样示波器一般用于观测频率高、速度快的脉冲信号。3．记忆示波器和存贮示波器：这两种示波器均具有存储信息功能，前者采用记忆示波管存贮，后者采用数字存贮器存贮。它们能对单次瞬变过程、非周期现象、低重复频率信号进行观测。4．数字示波器：被测信号经模/数转换器送入数据存储器，应用微处理器以数字形式处理并记录波形，自动显示测量结果，测量速度更快、重复性更高。5．逻辑示波器：又称逻辑分析仪，主要用以分析数字系统的逻辑关系。本章将介绍通用示波器的基本原理、基本使用方法和测试技术。5.2示波管及波形显示原理5.2.1示波管示波管（或称阴极射线管CRT）——示波器的核心组件，是一种将被测电信号转换成光信号的显示器件（真空电子管）。它分为静电偏转式和磁偏转式两大类，在电子示波器中应用最广的是静电偏转式。示波管（或称阴极射线管CRT）主要由三部分组成：电子枪、偏转系统和荧光屏。其结构如图5-1所示。图5-1示波管结构示意图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，去轰击荧光屏使之发光。电子枪由灯丝（F）、阴极（K）、栅极（G）、第一阳极（A1）和第二阳极（A2）组成。灯丝用于加热阴极；阴极是一个表面涂有氧化物，在灯丝加热下发射电子。栅极是一个顶端有小孔的圆筒，套在阴极外边，其电位比阴极低，对阴极发射出来的电子起控制作用，它控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变荧光屏亮点的辉度。调节电位器RP1改变栅、阴极之间的电位差，即可达到此目的，故RP1在面板上的旋钮标以“辉度”。除灯丝之外，各电极的结构均为金属圆筒形，且所有电极的轴心都保持在同一条轴线上。第一阳极和第二阳极对电子束有加速作用，同时和控制栅极构成一个对电子束的控制系统，想聚焦作用。调节可改RP2可改变第一阳极的电位，调节RP3可以改变第二阳极的电位，使电子束恰好在荧光屏上汇聚成细小的亮点，以保证显示波形的清晰度。因此把RP2和RP3分别称为“聚焦”和“辅助聚焦”电位器，仪器面板上对应的旋钮分别是“聚焦”和“辅助聚焦”旋钮。使用中要注意的是：在调节“辉度”旋钮时会影响聚焦效果，因此，示波管的“辉度”与“聚焦”并非相互独立，要配合调节。2．偏转系统图5-1中，在第二阳极的后面，用两对相互垂直的偏转板组成偏转系统。垂直（Y轴）偏转板在前（靠近第二阳极），水平（X轴）偏转板在后，两对极板间各自形成静电场，分别控制电子束在垂直方向和水平方向偏转。从电子枪射出的电子束，若不受电场的作用，则将沿直线向荧光屏方向运行，在荧光屏中心轴线位置显示出静止的光点；若电子束受到电场的作用，则其运动方向就会偏离中心轴线，即荧光屏上的光点位置就会产生位移；如果电场是周期性交变的，则荧光屏上将显示出一条光点的轨迹。电子束在偏转电场作用下的运动规律可用图5-2来分析。图5-2电子束的偏转规律其偏转位移可由式下式来表示。式中：l---偏转板长度（cm）L---偏转板右侧边缘到荧光屏之间的距离（cm）d---两偏转板之间的距离（cm）UA2---第二阳极与阴极间的电压（V）Uy---加一起Y轴两偏转板间的电压（V）)(22cmUdULlyyA上式中L、l、d均为常数，当亮点聚焦调整好以后，UA2也基本不变，则荧光屏上的亮点偏转距离y与加于偏转板上的电压Uy成正比。设则称Sy为示波管Y轴偏转灵敏度，表示亮点在荧光屏上偏转1cm所需加于偏转板上的电压值（峰-峰值）。此值愈小表示灵敏度愈高。偏转灵敏度是与外加偏转电压大小无关的常数。)(22cmLldUsAyyyUsy1yUsyy同理，X轴偏转板也有灵敏度的数值。xUSxX3．荧光屏荧光屏一般为圆形或矩形的，其内壁沉积有磷光物质，形成荧光膜，面向电子枪的一侧。它在受到高速运动着电子轰击后，将其动能转化为光能，产生亮点。当电子束随信号电压偏转时，这个亮点的移动轨迹就形成了信号的波形。不同荧光材料余辉时间不一样，小于10µs的为极短余辉；10µs—1ms为短余辉；1ms—0.1s为中余辉；0.1—1s为长余辉；大于1s为极长余辉。余辉时间：当电子束停止作用后，光点仍能在屏幕上保持一定的时间才消失。激励过后，亮点辉度下降到原始值的10%所延续的时间称为余辉时间。实际应用中，根据示波器用途不同选用不同余辉的示波管，显示高频信号的示波器宜用短余辉管；观察生物及自动控制等缓慢信号的超低频示波器宜用长余辉管；一般用途的示波器均用中余辉管。5.2.2波形显示原理用示波器显示被测信号的波形，基本上有两种类型：一种是显示任意两个信号与的关系；另一种是显示随时间变化的信号。1．电子束沿与作用的合成方向运动打在荧光屏上亮点的位置取决于同时加在垂直和水平偏转板上的电压。当示波管的两对偏转板上不加任何信号时，亮点则打在荧光屏的中心位置。若仅在Y轴偏转板加一个随时间变化的电压，例如，uy=umsinωt，则电子束沿垂直方向运动，任一瞬间的偏转距离正比于该瞬间Y偏转板上的电压，其轨迹为一条垂直直线，如图5-3（a）所示。（a）只加uy时的波形（b）只加ux时的波形（c）同时加uy、ux时的波形图5-3显示波形与偏转极板所加电压的关系同理，若仅在X轴偏转板上加正弦波电压，则电子束沿水平方向运动，轨迹为一条水平线，如图5-3(b)所示。在Y轴和X轴同时加同一正弦波电压时，如果ux=uy，亮点在荧光屏上的位置由电压和共同决定。因为在同一时刻，X、Y方向偏转的距离相同，则在荧光屏上显示一条直线，这条直线与水平轴呈45，如图5-3（c）。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a）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a。b）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。c）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。d）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。二、图像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。(a)Ux=0、Uy=0(b)Ux=0、Uy=常量(c)Ux=常量、Uy=0(d)Ux=常量、Uy=常量(2）X、Y偏转板上分别加变化电压a)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a。b）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b。Uy0123401324Uy-UytUx0123401324Ux-Uxt(a)(b)水平和垂直偏转板上分别加变化电压（3）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=kt1）当时间t=t0时，ux=-Uxm（锯齿波电压的最大负值），uy=0，光点为点“0”。2）当时间t=t1时，Uy=Uy1、Ux=-Ux1，光点为点“1”。3）当时间t=t2时，Uy=Uy2、Ux=-Ux2，光点为点“2”。4）当时间t=t3时，Uy=Uy3、Ux=Ux3，光点为点“3”。5）当时间t=t4时，Uy=Uy4、Ux=Ux4，光点为点“4”。Uy0123401324Uy-Uyt0UxtUx-Ux2、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的图形称为李沙育（Lissajous）图形，这种图形在相位和频率测量中常会用到。(a)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45º角;(b)如果这两个信号初相位相差90º，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。t0123401234uytux01234t0123401234uytux01234024(a)ux、uy同频同相(b)ux、uy同频但相差90º2．显示随时间变化的波形⑴扫描的概念为了显示uy的波形，必须在Y轴偏转板加有uy信号的同时，在X轴偏转板加随时间线性变化的扫描电压（锯齿波形电压）,如图5-4所示。0tUmTx图5-4锯齿波电压波形若在Y方向不加电压，则光点在荧光屏上构成一条反映时间变化的直线，称为时间基线，如图5-3（b）所示。光点在锯齿波作用下移动的过程称为扫描，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移动称为扫描正程，光点自屏幕的右端迅速返回起点称为扫描回程。（1）定义：光点在扫描电压作用下扫动的过程。（2）扫描电压实际波形：锯齿波。Uxt0TsTbTwTs：扫描正程时间，电子束从左到右运动；Tb：扫描逆程时间或扫描回程时间，电子束从右到左运动；Tw：扫描休止时间。∴扫描电压周期Tx=Ts+Tb+Tw。理想状态下：Tb=Tw=0，Tx=Ts。Y偏转板：加被测信号；X偏转板：加扫描电压信号（设为理想状态）。当Y轴加被观测的信号，X轴加扫描电压，则屏幕上光点的Y和X坐标分别与这一瞬时的信号电压和扫描电压成正比。由于扫描电压与时间成比例，所以荧光屏上所描绘的就是被测信号随时间变化的波形，如图5-5所示。⑵同步的概念如果=2，其波形显示如图5-6所示，可以观察到两个周期的信号电压波形。如果波形多次重复出现，而且重叠在一起，就可以观察到一个稳定的图像。xTyT图5-6=2时显示的波形显示两个周期被测信号xTyT※由图5-6可见，欲显示多个周期的波形图，应增加扫描电压的周期，即降低的扫描频率。在使用示波器时应当根据原理进行适当调节。荧光屏上显示波形的周期个数为：其中为n整数。xuxuyxTTn若n不为整数，会有什么样的结果呢？设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，且有Tx=3/2Ty荧光屏显示的是被测信号随时间变化的不稳定波形。tUyt0Ux0第一扫描周期第二扫描周期如图5-7所示波形是=7/8时的情况。图5-7=7/8时显示的波形xTyTxTyT由此可见，为了在屏幕上获得稳定的图像，（包括正程和回程）与之比必须成整数关系，即=n,以保证每次扫描起始点都对应信号的相同相位点上，这种过程称为“同步”。yTyTxTxT5、增辉、消隐现象实际的扫描电压中，回程时间与休止时间并不为零，则电子从右端回到左端时，也会有扫描轨迹。回程轨迹的存在影响被测波形的观测，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，使电子枪发射的电子远远多于扫描逆程，即给示波器增辉，这样观测者看的就只有扫描正程显示的波形。或者示波器中要将回程轨迹消隐，即使得正程轨迹亮度增加，回程轨迹黯淡，凸显正程。例：设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，Tx=Ts+Tb+T