第四章电子示波器(上)

1第四章示波器及示波测量目录4.1概述4.2示波管4.3电子示波器的组成结构4.4双踪和双线示波器4.5高速和取样示波器4.6记忆示波器和存储示波器2第四章示波器及示波测量本章重点：示波器结构、原理电压测量时间测量频率测量相位测量示波器34-1概述电子示波器（简称示波器）是一种用荧光屏显示电量随时间变化过程的电子测量仪器。能把电信号转换成人眼能够看到的波形，显示在示波屏幕上。能够对电信号进行定性和定量观测。非电物理量亦可经转换成为电量使用示波器进行观测。第四章示波器及示波测量4电子示波器的基本特点: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测量灵敏度高，并有较强的过载能力.目前示波器的最高灵敏度可达到10μV/div(伏/格)。④工作频带宽，速度快，便于观察高速变化的波形的细节。目前示波器的工作频带最宽可达1000MHz，预计不久将研制出带宽2GHz以上的示波器。⑤可描绘出任意两个电压或电流量的函数关系，可作为比较信号用的高速X—Y记录仪。由于示波器的上述特点，电子示波器除直接用于电子测量外，也可配以其他设备组成综合测量仪器。第四章示波器及示波测量5（1）观测电信号波形。（2）测量电压、电流的幅度、频率、时间、相位等电量参数。（3）显示电子网络的频率特性。（4）显示电子器件的伏安特性。电子示波器主要用途：第四章示波器及示波测量6由电子管发展到晶体管、集成电路示波器；由模拟电路发展到数字电路；由通用宽带示波器发展到高速取样示波器、记忆示波器、逻辑示波器等。还可与微型计算机联结组成智能测量系统。第四章示波器及示波测量电子示波器发展趋势：74-2示波管示波器的核心部件：示波管也叫阴极射线管它在很大程度上决定了整机的性能。示波管由电子枪、电子偏转系统和荧光屏三部分组成。其用途是将电信号转变成光信号并在荧光屏上显示。电子枪作用是发射电子并形成很细的高速电子束。偏转系统作用是决定电子束怎样偏转。荧光屏作用是显示偏转电信号的波形。这三部分组成了一个电子显示器件——示波管。第四章示波器及示波测量8电子枪组成：灯丝（h）、阴极(K)、栅极(G1)、前加速极(G2)、第一阳极(A1)和第二阳极(A2)组成。灯丝h用于对阴极K加热，加热后的阴极发射电子。栅极G1电位比阴极K低，对电子形成排斥力，使电子朝轴向运动，形成交差点F1，并且只有初速较高的电子能够穿过栅极奔向荧光屏，初速较低的电子则返回阴极，被阴极吸收。1XS2F1Y2Y1A2A1G2GKhE1RW辉度2RW聚焦3RW高压辅助聚焦1F2X电子枪偏转系统荧光屏图4.2－1示波管及电子束控制电路第四章示波器及示波测量9如果栅极G1电位足够低，就可使发射出的电子全部返回阴极，因此调节栅极G1的电位可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。控制辉度的方法:(1):辉度调节旋纽控制电位器RW1进行分压的调节，即调节栅极G1的电位。(2):以外加电信号控制栅极阴极间电压，使亮点辉度随电信号强弱而变化，这种工作方式称为“辉度调节”。这个外加电信号的控制形成了除X方向和Y方向之外的三维图形显示，称为Z轴控制。1XS2F1Y2Y1A2A1G2GKhE1RW辉度2RW聚焦3RW高压辅助聚焦1F2X电子枪偏转系统荧光屏图4.2－1示波管及电子束控制电路第四章示波器及示波测量辉度控制系统：10G2、A1、A2构成一个对电子束的控制系统，这三个极板上都加有较高的正电位，并且G2与A2相连。穿过栅极交叉点F1的电子束，由于电子间的相互排斥作用又散开。进入G2、A1、A2构成的静电场后：一方面受到阳极正电压的作用加速向荧光屏运动，另一方面由于A1与G2、A1与A2形成的电子透镜的作用向轴线聚拢，形成很细的电子束。如果电压调节得适当，电子束恰好聚焦在荧光屏S的中心点F2处。第四章示波器及示波测量1XS2F1Y2Y1A2A1G2GKhE1RW辉度2RW聚焦3RW高压辅助聚焦1F2X电子枪偏转系统荧光屏聚焦控制系统：11偏转系统如果仅在Y1、Y2偏转板间加电压，则电子束将根据所形成的电场的强弱与极性在垂直方向上运动。在X1、X2间加电压，电子束将根据电场的强弱与极性在水平方向上运动.电子束最终的运动情况取决于水平和垂直方向电压的合成作用.当X、Y偏转板加不同电压时，荧光屏上亮点可以移动到屏面上的任一位置。第四章示波器及示波测量Y放大锯齿波扫描电压1X2X1Y2Y信号输入（a）偏转系统12电信号波形的显示：水平偏转板：加线性锯齿波扫描电压Ux垂直偏转板：加信号电压Uy形成一条“信号电压－时间”曲线，即信号波形。水平偏转板X板上所加锯齿形电压称为“时基信号”或“扫描信号”。Y放大锯齿波扫描电压1X2X1Y2Y信号输入（a）偏转系统0000011001222333444xTyuxTxuyuxutyTtyxTT2（b）的波形（c）的波形yxTTyxTT2第四章示波器及示波测量13荧光屏非导电体，当电子束轰击荧光粉时，激发产生荧光形成亮点。不同成份的荧光粉，发光的颜色不尽相同。一般示波器选用人眼最为敏感的黄绿色。余辉时间：荧光粉从电子激发到停止激发时的瞬间亮度下降到该亮度的10％所经过的时间称为余辉时间。长余辉（100ms～1s）中余辉（1ms～100ms）短余辉（10μs～10ms）的不同规格。第四章示波器及示波测量144-3电子示波器的组成结构电子示波器结构框图由Y通道、X通道、Z通道、示波管、幅度校正器、扫描时间校正器、电源几部分组成.第四章示波器及示波测量衰减器射极跟随前置放大器延迟线末级放大器触发电路时基发生器末级放大器X输入电路Z轴电路校正器电源XY1G内外X同步Y输入X输入①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩12345678910触发电平12（a）示波器框图（b)波形关系图ttttttt15如何在示波管上得到稳定的波形？要求每次扫描的锯齿波信号起点，对应于周期性被显示信号的同一相应点。将被显示信号③的一部分送到触发同步电路，当该电路得到的信号相应于输入信号的某个电平和极性，触发同步电路即产生触发信号④去启动时基发生器，产生一个由触发信号控制的扫描电压⑤。衰减器射极跟随前置放大器延迟线末级放大器触发电路时基发生器末级放大器X输入电路Z轴电路校正器电源XY1G内外X同步Y输入X输入①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩12345678910触发电平12（a）示波器框图（b)波形关系图ttttttt图4.3－1示波器组成框图及波形关系图第四章示波器及示波测量16如何在示波管上得到稳定的波形？Z轴电路应在时基发生器输出的正程时间内产生加亮（增辉）信号⑥加到示波管控制栅极上，使得示波管在扫描正程加亮光迹，在扫描回程使光迹消隐.衰减器射极跟随前置放大器延迟线末级放大器触发电路时基发生器末级放大器X输入电路Z轴电路校正器电源XY1G内外X同步Y输入X输入①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩12345678910触发电平12（a）示波器框图（b)波形关系图ttttttt图4.3－1示波器组成框图及波形关系图第四章示波器及示波测量17图4.3－1示波器组成框图及波形关系图衰减器射极跟随前置放大器延迟线末级放大器触发电路时基发生器末级放大器X输入电路Z轴电路校正器电源XY1G内外X同步Y输入X输入①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩12345678910触发电平12（a）示波器框图（b)波形关系图ttttttt第四章示波器及示波测量如何显示信号前沿？由下图的波形可见，触发点即锯齿波扫描起点并不在被显示信号的起始过零点。因此，信号前沿无法观察。18图4.3－1示波器组成框图及波形关系图衰减器射极跟随前置放大器延迟线末级放大器触发电路时基发生器末级放大器X输入电路Z轴电路校正器电源XY1G内外X同步Y输入X输入①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩12345678910触发电平12（a）示波器框图（b)波形关系图ttttttt第四章示波器及示波测量如何显示信号前沿？解决办法：在垂直前置放大器之后加入延迟线，对Y方向加入的信号进行延迟，并且使其延迟时间τ2略大于由水平通道引起的固有触发延迟τ1，以确保触发扫描与显示信号同步。19图4.3－1示波器组成框图及波形关系图衰减器射极跟随前置放大器延迟线末级放大器触发电路时基发生器末级放大器X输入电路Z轴电路校正器电源XY1G内外X同步Y输入X输入①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩12345678910触发电平12（a）示波器框图（b)波形关系图ttttttt第四章示波器及示波测量示波器同步方式“内”同步：同步信号来自于Y通道。“外”同步：同步信号来自于仪器外部的方式。20图4.3－1示波器组成框图及波形关系图衰减器射极跟随前置放大器延迟线末级放大器触发电路时基发生器末级放大器X输入电路Z轴电路校正器电源XY1G内外X同步Y输入X输入①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩12345678910触发电平12（a）示波器框图（b)波形关系图ttttttt第四章示波器及示波测量示波器同步方式用于其它测量时，X偏转板也可不加时基信号，而是加上待测的或参考的信号，可从X输入端直接接入示波器，经过输入电路和放大器后加于X偏转板。输入电路一般由衰减器、射级跟随器和放大器组成。21校正器：用来校准示波器的主要特征。常用的有幅度校正器和扫描时间校正器。电源：一般由两个整流器组成。高压整流器分别供给示波管高压电极电压，低压整流器供给示波器所有其它电路的电压和示波管低压电极电压。通常低压电源采用稳压器，较精密的示波器高压电源也采取稳压措施。电子束控制电路与电源连在一起，包括亮度、聚焦、辅助聚焦和光点位置控制。第四章示波器及示波测量224-4电子示波器的基本部件垂直偏转通道、水平偏转通道、增辉和Z轴调制、校正器及电源组成。4-4.1、垂直偏转通道（Y通道）由输入电路、延迟线和放大器组成。任务：（1）检测被观察的信号，并将它无失真的或失真很小的传输到示波管的垂直偏转极板上。（2）将被测信号进行一定的延迟。第四章示波器及示波测量231.输入电路由耦合电路、衰减器、探头组成被测信号通过垂直偏转通道加到示波管的Y偏转板上，整个输入电路可以看成一个二端网络，为了不失真的传输信号，此二端网络应是一个交直流耦合电路，通过该耦合电路后，信号再加到放大器进行放大。第四章示波器及示波测量241.输入电路由耦合电路、衰减器、探头组成被测信号通过垂直偏转通道加到示波管的Y偏转板上，整个输入电路可以看成一个二端网络，为了不失真的传输信号，此二端网络应是一个交直流耦合电路，通过该耦合电路后，信号再加到放大器进行放大。第四章示波器及示波测量251.输入电路由耦合电路、衰减器、探头组成（1）输入耦合方式对于通频带下限不是零的示波器，放大器为交流耦合，其输入端用电容耦合。对于通频带从零开始的示波器，可以观测信号的直流分量或观察变化极慢的信号，放大器是直流耦合。因此，被测信号输入端的耦合则视需要而定，可以是直流耦合，也可以是交流耦合,用开关来控制.第四章示波器及示波测量26（2）衰减器由电阻、电容构成为满足观察幅度较小和幅度较大的电压波形，必须接入衰减器。要求：(1）输入阻抗高。（2）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，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。第四章示波器及示波测量271C2C1R2RiRiC输入信号DCACkR1、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。调节C1当满足关系式C1R1=C2R2时，分压比K0在整个通频带内是均匀的。它被表示为这样的分压器做成的衰减器就可以无畸变的传输窄脉冲信号，仅仅是信号幅度降为原幅度的1/K。图4.4－1耦合电路和衰减器第四章示波器及示波测量解决办法：采用如下图所示的阻容补偿分压器2122120CCCRRRK28（3）探头CRiCiRiRiC探头电缆探头触点图4.4-2示波器探头输入的引线会引进各种杂散干扰，所以通常使用同轴电缆作为输