电子示波器

第四章电子示波器4.1概述4.2示波管4.3电子示波器的组成结构4.4电子示波器的基本部件4.5双踪和双线示波器4.6高速和取样示波器4.7记忆示波器与存贮示波器4.8数字化波形处理系统•4.1.1示波器的定义电子示波器简称示波器。它是一种把人眼看不见的电信号转换成具体的可见图像显示在屏幕上的仪器(用荧光屏显示电量随时间变化过程的电子测量仪器)．•4.1.２示波器的基本特点①能显示信号波形，可测量瞬时值，具有直观性。②输入阻抗高，对被测信号影响小。③工作频带宽，速度快，便于观察高速变化的波形的细节。④在示波器的荧光屏上可描绘出任意两个电压或电流量的函数关系，故可作为比较信号用的高速X—Y记录仪4.1概述•4.1.3电子示波器的主要用途直接测量被测信号的电压、频率、周期、时间、相位、调幅系数等参数；间接观测电路的有关参数及元器件的伏安特性；利用传感器，还可测量各种非电量甚至人体的某些生理现象，常用在科学研究、航空航天、工农业生产、医疗卫生、地质勘探等方面。•4.1.4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。•2、数字示波器——对信号进行数字化处理后再显示。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，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。•取样示波器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。•数字示波器具有记忆、存贮被观察信号功能，又称为数字存贮示波器。•根据取样方式不同，数字示波器又可分为实时取样、随机取样和顺序取样三大类。4.2示波管•示波管（CRT）CRT主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成，基本结构如下图所示。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h、阴极K、栅极G1和G2和阳极A1、A2组成。•通过调节G1对K的负电位可控制电子束的强弱，从而调节光点的亮度，即进行“辉度”控制。•调节A1的电位器称为“聚焦”旋钮，通过对它进行调节可调节G2与A1和A1与A2之间的电位；调节A2电位的旋钮称为“辅助聚焦”。•电子束聚焦的原理是，电子从阴极K发射，经G1、G2、A1、A2聚焦和加速后进入偏转系统。•电子在电子枪中的运动轨迹如下图所示。2、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，分别称为垂直偏转板和水平偏转板。•当有外加电压作用时，偏转板之间形成电场；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。•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。adddUULlD2示波管的偏转因数SdadLldUDUS2电子在偏转板内的运动Ud——偏转电压；Ua——第2阳极A2上的电压；L，ld，d——与示波管结构有关的尺寸。返回3、荧光屏•荧光屏将电信号变为光信号，是示波管的波形显示部分,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。•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。•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”。4.3电子示波器的组成结构•一、电子示波器结构框图•电子示波器的基本组成框图如下图所示。电子示波器由Y通道、X通道、示波管、幅度校正器、扫描时间校正器、电源几部分组成。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•二、示波器的主要技术性能•1．频率响应(频带宽度)示波器最重要的工作特性就是频率响应fh，也叫带宽。这是指垂直偏转通道(Y方向放大器)对正弦波的幅频响应下降到中心频率的0.707(-3dB)的频率范围。•2．偏转灵敏度(S)单位输入信号电压u引起光点在荧光屏上偏转的距离H称为偏转灵敏度S,d称为偏转因数。S的单位为cm/V、cm／mV或diV／V(格／伏)，d的单位为V／cm。BY=fH－fL≈fH•3．扫描速度扫描速度是指荧光屏上单位时间内光点水平移动的距离，单位为“cm/s”。荧光屏上通常用间隔1cm的坐标线作为刻度线，因此扫描速度的单位也可表示为“cm/div”。扫描速度的倒数称为“时基因素”，它表示单位距离代表的时间，单位为“t/cm”或“t/div”，时间t可为μs、ms或s，在示波器的面板上，通常按“1、2、5”的顺序分成很多档。•4．输入阻抗•5．瞬态响应（时域响应）•①Sb：上冲量②Sc：阻尼振荡•③Sd：预冲，又称前冲④Se：下垂•⑤Sf：后过冲⑥tr：上升时•⑦tf：下降时间⑧脉冲宽度τ•⑨脉冲周期和重复频率：⑩脉冲的占空系数ε：•例如SBM－10A型示波器fH=30MHz，则上升时间：ns12103035.0/35.06Hftr4.4电子示波器的基本部件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(Y通道)•1．输入电路：包括衰减器和输入选择开关。•（1）衰减器vivoR1R2C1C2最佳补偿过补偿欠补偿Z1Z2最佳补偿条件：过补偿：欠补偿：2211CRCR1122RCRC1122RCRC改变分压比的开关为示波器的垂直灵敏度粗调开关，在面板上用“V/cm”标记。•（2）输入耦合方式输入耦合方式设有AC、GND、DC三档选择开关。观察交流信号时，置“AC”档。确定零电压时，置“GND”档。观测频率很低的信号或带有直流分量的交流信号时，置“DC”档。•2．延迟线触发扫描时，扫描的开始时间总是滞后于被观测脉冲一段时间，这样，脉冲的上升过程就无法被完整地显示出来。延迟线的作用就是把加到垂直偏转板上的脉冲信号延迟一段时间，以保证在屏幕上扫描出包括上升时间在内的脉冲全过程。延迟线的输入级需采用低输出阻抗电路驱动，而输出级则采用低输入阻抗的缓冲器。•3．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。Y输出放大器应具有稳定的增益、较高的输入阻抗、足够宽的频带、较小的谐波失真。Y输出放大器大都采用推挽式放大器，有利于提高共模抑制比。可采用改变负反馈的方法改变放大器的增益（面板上的“×5”或“×10”开关）。•二、水平偏转通道(X通道)水平通道包括触发电路、扫描电路和水平放大器等部分，其主要任务是产生随时间线性变化的扫描电压，再放大到足够的幅度，然后输出到水平偏转板，使光点在荧光屏的水平方向达到满偏转。触发源选择触发耦合方式选择放大整形电路扫描闸门扫描电压发生器水平放大器比较和释抑电路触发信号触发电路扫描发生器环至X偏转板1．扫描分类•连续扫描和触发扫描•扫描电压是连续的方式称为连续扫描。•当欲观测脉冲信号，尤其是占空比很小的脉冲时，采用连续扫描存在一些问题：选择扫描周期等于脉冲重复周期时，难以看清脉冲波形的细节。TsT=Tstt(a)被测脉冲(b)连续扫描，且T=Ts不能观测到脉冲细节•选择扫描周期等于脉冲底宽时，观测者不易观察波形，而且扫描的同步很难实现。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触发扫描时，使扫描脉冲只在被测脉冲到来时才扫描一次；没有被测脉冲时，扫描发生器处于等待工作状态。Tstt(a)被测脉冲(d)触发扫描扫描等待能较好地观测脉冲2．扫描发生器环扫描发生器环又叫时基电路，常由扫描锯齿波发生器、扫描闸门及比较释抑电路组成。扫描闸门扫描锯齿波发生器比较和释抑电路+E至X放大器+E“稳定度”调节比较电平触发脉冲输入“增辉”脉冲2．扫描发生器环（续）闸门电路产生快速上升或下降的闸门信号，闸门信号启动扫描发生器工作，产生锯齿波电压，同时把闸门信号送到增辉电路，以便在扫描正程加亮扫描的光迹。释抑电路起到了稳定扫描锯齿波的形成、防止干扰和误触发的作用，确保每次扫描都在触发源信号的同样的起始电平上开始以获得稳定的图象。（1）扫描方式选择：包括连续扫描和触发扫描。（2）扫描门1）控制积分器扫描。2）起正程加亮作用。3）使双踪示波器工作于交替状态。（3）积分器积分器产生的锯齿波电压被送入X放大器中放大，再加至水平偏转板。荧光屏上单位长度所代表的时间为示波器的扫描速度（t/cm），x：光迹在水平方向偏转的距离；t：偏转x距离所对应的时间。在示波器中通常改变R或C值作为“扫描速度”粗调，用改变E值作为“扫描速度”微调。/stx（4）比较和释抑电路在比较电路中，输入电压与预置的参考电平进行比较，当输入电压等于预置的参考电平时，输出端电位产生跳变，并把它作为控制信号输出。它决定扫描的终止时刻。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。•３．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。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。放大、整形电路内外电源C1C2C3ACAC低频抑制HFREJDC常态自动TV触发电平调节至扫描发生器环触发脉冲输出S1S2S4+-S3极性反转电路触发源选择触发耦合方式选择触发极性选择触发方式选择•（1）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。（2）触发耦合方式“DC”直流耦合：用于接入直流或缓慢变化的触发信号。“AC”交流耦合：用于观察从低频到较高频率的信号。“AC低频抑制”耦合：用于观察含有低频干扰的信号。“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）常态（NORM）触发方式：指有触发源信号并产生了有效的触发脉冲时，荧光屏上才有扫描线。自动（AUTO）触发方式：有连续扫描锯齿波电压输出，荧光屏上总能显示扫描线。电视（TV）触发方式：是在原有放大、整形电路基础上插入电视同步分离电路实现的，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。•三、校正器校正器是示波器内设的标准，用来校准或检验示波器X轴和Y轴标尺的刻度，一般Y轴校正单位为电压，X轴校正单位为时间。当示波器X、Y轴标尺经校正后，就可根据该标尺方便地测量未知电压飞脉冲宽度＼信号周期等参数。一般示波器设有两个校正器，分别调整幅度和扫描速度。4.5双踪和双线示波器•双踪和双线示波器都可在一个示波管荧光屏上同时显示出两个信号波形，用来比较被测系统的输出和输入信号，研究波形变换器的各级信号，观察脉冲电路各点波形，信号通过网络时的波形畸变，测量相移等等。•一、双踪示波器双踪示波器也称双迹示波器，它的垂直偏转通道由A和B两个通道组成。如图4．5—1所示，两个通道的输出信号在电子开关控制下，交替通过主通道加于示波管的同一对垂直偏转板。A、B两个通道是相同的，包括衰减器、射极跟随器、前置放大器以及平衡倒相器。平衡倒相器的作用是把输入信号转换为对称的波形输出。图4.5—1