大专电测第3章电子示波器3、3电子示波器电路构成及原理

电子测量技术与仪器主编张大彪电子工业出版社•主讲黎明•班级12应电班•地点B402教室•潮汕学院数字设计系•2013年11月8日.•同学们：•通过第3章电子示波器、第一节概述和第二节示波管及波形显示原理的学习，我们知道了电子示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。第三章电子示波器3．3电子示波器电路构成及原理复习提问：1、示波器的主要技术指标有哪些？各表示什么意义？2、请解释以下专业术语：（1）扫描（2）扫描电压（3）扫描行程（4）扫描回程•3.3.1电子示波器的组成•通用双踪示波器由垂直系统、水平系统、校准信号及电源组成。如图3.10所示。垂直系统由衰减器、前置放大、门电路、电子开关及混合放大、延迟线、输出放大等电路组成。水平系统由触发电路、时基发生器、X轴输出放大三部分组成。3.3电子示波器电路构成及原理第三章电子示波器3．3电子示波器电路构成及原理•3.3.1电子示波器的组成及主要技术指标第三章电子示波器3．3电子示波器电路构成及原理•通用示波器的主要技术性能：•1、频率响应（频带宽度）指上限频率fH和下限频率fL之差，由于示波器能测量直流，所以频带宽度就是上限频率fH。•2、时域响应（瞬态响应）指Y通道在输入方波脉冲情况下的过渡特性。常用参数上升时间tr表示。•Y通道的频带宽度fH和上升时间tr有确定的内在关系，可用下式表示：fHtr=0．35（μS．MHZ）•可见、带宽越大，上升时间越短。第三章电子示波器3．3电子示波器电路构成及原理•3、Y通道偏转灵敏度•指输入信号在无衰减的情况下，亮点在屏幕上偏转1格（或1厚米）所需信号的峰-峰值。•单位为V/CM•4、输入阻抗•指Y通道输入阻抗，它包括输入电阻和输入电容，输入电阻越大越好，输入电容越小越好。•通用示波器的输入电阻在1MΩ左右，输入电容约为几十PF。•5、扫描速度（时基因数）•亮点在X方向移动1格（或1厚米）所经过的时间。单位为t/CM。时基因数越小（扫描速度越高），即展开高频信号或窄脉冲信号的能力越强。第三章电子示波器3．3电子示波器电路构成及原理•3.3.2垂直通道（垂直系统）•3.3.2垂直通道•示波器的垂直通道通常包括输入衰减器、Ｙ前置放大器、门电路与电子开关、延迟线、Ｙ输出放大器等部分。•1．输入衰减器•因为示波管的偏转灵敏度是基本固定的，为扩大可观测信号的幅度范围，Ｙ通道要设置了衰减器，它可使示波器的偏转灵敏度Ｄy可在很大范围内调节。对衰减器的要求是输入阻抗高，同时在示波器的整个通频带内衰减的分压比均匀不变。要达到这个要求，仅用简单的电阻分压是达不到目的的。因为在下一级的输入及引线都存在分布电容，这个分布电容的存在，对于被测信号高频分量有严重的衰减，造成信号的高频分量的失真(脉冲上升时间变慢)。为此，必须采用图3.11a所示的阻容补偿分压器，•图中R1、R2为分压电阻(R2包括下一级的输入电阻)，C2为下一级的输入电容和分布电容，C1为补偿电容。衰减器的衰减量为R1C1的并联阻抗Ｚ1与Ｒ2Ｃ2的并联阻抗Ｚ2的分压比。其中：11111RCjRZ22221RCjRZ（3.3）)1()1()1(1122211122120RCjRRCjRRCjRZZZUUi（3.4）•调节C1，当满足R1C1=R2C2时，Ｚ1、Z2表达式中分母相同，则衰减器的分压比为：2122120RRRZZZUUi（3.5）此时，分压比在整个通频带内是均匀的，与频率无关。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/cm，例如，SS-5702示波器的垂直偏转灵敏度在5mv/cm~10v/cm范围内分11档可调。•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（图3.11b）。调整可调电容，可实现最佳补偿，图3.11c为最佳补偿波形，3.11d为过补偿波形，3.11e为欠补偿波形。•2．延迟线•在触发扫描状态，只有当被观察的信号到来时扫描发生器才工作，也就是说开始扫描需要一定的电平，因此扫描开始时间总是滞后于被测脉冲起点，如图3.12所示。其结果，脉冲信号的上升过程就无法完整地显示出来。延迟线的作用就是把加到垂直偏转板的脉冲信号也延迟一段时间，使信号出现的时间滞后于扫描开始时间，这样就能够保证在屏幕上可以观察到包括上升时间在内的脉冲全过程。第三章电子示波器3．3电子示波器电路构成及原理•对延迟线的要求是，它只起延迟时间的作用，而脉冲通过它时不能产生失真。目前延迟线有分布参数和集中参数两种，前者可采用螺旋平衡式延迟电缆，例如ＳＢＭ－10型示波器就采用这种形式；后者由多节ＬＣ延迟网络组成，例如ＳＢＥ－7型示波器中就采用这种集中参数的延迟线。延迟线的延迟时间通常在50~200ns之间。•3．Ｙ放大器•被测信号经探头检测引入示波器后，微弱的信号必须通过放大器放大后加到示波器的垂直偏转板，使电子束有足够大的偏转能量。Y放大器具有以下特点：•（1）Y放大器具有稳定的放大倍数，而且在校准状态是一个确定值。当示波管灵敏度(SV)及示波器灵敏度(S)一定的情况下，Y放大器的放大倍数K可由下式计算：•K=SV/S（3.3.4）•如采用SV=20V的示波管，示波器灵敏度S=20mV时，Y通道放大倍数K=1000倍。•（2）Y放大器应具有足够的带宽。放大器的低频截止频率受耦合电容或射极旁路电容的限制，必须加大这些电容以降低低频截止频率或采用直接耦合(直流放大器)。高频截止频率受两个因素限制，其一是晶体管放大倍数随频率升高而下降，其二是晶体管输出端分布电容C0(集电结电容和引线分布电容之和)及负载电容CL对高频的分流使高频增益下降。为此，要设计优良的高低频补偿电路。•（3）具有较大的输入电阻和较小的输入电容，大多数示波器的输入电阻在lMΩ左右，输入电容约为几十pF。•（4）Ｙ放大器的输出级常采用差分电路，以使加在偏转板上的电压能够对称，差分电路还有利于提高共模抑制比，若在差分电路的输入端设置不同的直流电位，差分输出电路的两个输出端直流电位亦会改变，进而影响Ｙ偏转板上的相对直流电位和波形在Ｙ方向的位置。这种调节直流电位的旋钮称为“Ｙ轴位移”旋钮。•（5）Ｙ放大器通常设置“倍率”开关，通过改变负反馈，使放大器的放大倍数扩大5倍或10倍，以利于观测微弱信号或看清波形某个局部的细节。•（6）设置增益调整旋钮，可使放大器增益连续改变，此旋钮右旋到极限位置时，示波器灵敏度为“校准”状态。此时，可用面板上的灵敏度标注值读测信号幅度。•（第一节课到此结束，下节课将继续讲解新的内容。）•3.3.2水平通道•示波器的水平通道主要由触发电路、时基发生器和Ｘ放大器组成。其中时基发生器和触发电路用来产生时基扫描信号，Ｘ放大器用来放大扫描信号。•1．时基发生器•时基发生器由扫描门、积分器、比较和释抑电路组成，如图3.13所示。图3.14时基发生器电路•（1）积分器•积分器由运算放大器、积分电容C1和积分电阻R1组成。它在扫描门控制下产生线性锯齿电压。•在b点负方波作用期间，c点正电源通过R1给C1充电，C1得到线性锯齿电压。在理想情况下（运算放大器放大倍数Ａ→∞，输入电阻Ri→∞,输出电阻R0→0）输出电压U０可写成tCREEdtCRU111101（3.7）式中E为c点至b点直流电压。•由式3.7可见，U0与时间t成线性关系，改变时间常数Ｒ1Ｃ1或微调电源E都可改变U0的变化速率。在示波器电路中，通过时基开关切换不同的电容来改变锯齿波斜率，从而实现扫描速度调整。通过扫描速度微调旋钮改变充电电阻，实现扫描速度微调。当此旋钮右旋到极限位置时为“校准”状态，此时可通过面板上的扫描速度标度值读测信号波形的周期和脉冲参数。•当b点负方波结束时，电容上的电荷通过电阻放电，U0回到起始值，形成锯齿波的回扫。这样就形成一个完整周期的扫描电压。第三章电子示波器3．3电子示波器电路构成及原理•谢谢第三章电子示波器3．3电子示波器电路构成及原理