第四章电子示波器

第4章电子示波器第4章电子示波器4.1概述4.2示波管4.3电子示波器的结构框图与性能4.4电子示波器的Y、X通道及校正器4.5双踪和双线示波器4.6高速和取样示波器4.7记忆示波器与存储示波器习题四第4章电子示波器4.1概述示波器——把人眼看不见的电信号转换成具体的可见波形显示在屏幕上的仪器。它是典型的时域测量仪器。•频谱分析仪——典型的频域测量仪器，也称为频域示波器。•逻辑分析仪——典型的数据域测量仪器，也称为逻辑示波器。第4章电子示波器主要内容一、示波器的基本特点及主要用途二、示波器的分类三、示波器的发展和现状第4章电子示波器一、示波器的基本特点及主要用途示波器有捕获、显示及分析时域波形、测量电参数的功能。1.基本特点：能显示波形，能测信号瞬时值；可显示、分析任意两个量之间的函数关系(X—Y记录仪)；输入阻抗高，对被测信号影响小；测量灵敏度高，有较强的过载能力；工作频带宽，速度快，便于观察高速变化的波形细节。第4章电子示波器2.主要用途：①观测电信号波形。②测量电压和电流的幅度、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。第4章电子示波器二、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。第4章电子示波器二、示波器的分类(续)模拟示波器按示波器的用途和特点分：通用示波器(单束示波器)多束示波器(多线示波器)取样示波器记忆、存储示波器特种示波器第4章电子示波器数字示波器•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。第4章电子示波器三、示波器的发展和现状大致可分为三个阶段(1)20世纪30~50年代通用示波器的诞生和实用化并且品种缤纷的阶段(2)20世纪60年代示波器技术进一步得到提高，1969年通用示波器的带宽达到300MHz，取样示波器的带宽达到18GHz(3)20世纪70年代以后1979年示波器带宽达到1GHz，创造了通用示波器带宽的高峰，1983年数字存储示波器(DSO)问世。注：数字荧光示波器DPO是Tektronix公司推陈出新的一种示波器平台。第4章电子示波器美国福禄克Fluke组合示波器美国泰克Tek数字存储示波器泰克TDS7000数字荧光示波器日本岩崎模拟示波器第4章电子示波器美国林科LINK虚拟数字存储示波器福禄克Fluke手持数字存储示波表泰克MS04000混合信号示波器(注：混合信号指模拟信号和数字信号)第4章电子示波器4.2示波管(CRT)模拟示波器的核心部件是示波管。示波管又称阴极射线管CRT，是能够把电信号转换为光信号的显示器件。第4章电子示波器主要内容一、示波管二、波形显示原理第4章电子示波器一、示波管1.示波管的组成偏转系统电子枪荧光屏密封在一个真空玻璃壳内第4章电子示波器2.示波管的基本原理SR—8双踪示波器第4章电子示波器2.示波管的基本原理示波管及电子束控制电路阴极灯丝栅极电子束控制系统Z轴控制电子束聚焦的原理：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。荧光粉第4章电子示波器偏转系统：电子在偏转板内的运动daddkUdUULlD2示波管的偏转灵敏度SV：addVdULlUDS2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偏转距离：＋－第4章电子示波器二、波形显示原理1.波形显示原理①加在偏转板上的电压信号（推挽信号）(a)理想的扫描电压(b)实际的扫描电压扫描周期第4章电子示波器光点轨迹：仅在垂直偏转板上加被测电压UY时，荧光屏显示一条()；仅在水平偏转板上加锯齿波电压UX时，屏幕上显示一条()②电子束运动：电子束沿垂直偏转电压UY和水平偏转电压UX共同作用的合成方向运动。在荧光屏上显示的光点按平行四边形法则合成，光点的轨迹反映UY和UX的关系。垂直亮线水平亮线或时间基线XY(Ux)(Uy)电子束运动的方向与距离分别与偏转板的极性和电场强度有关。第4章电子示波器电信号的显示过程：第4章电子示波器bac③稳定显示波形的条件：同步——当扫描电压周期Tx为被测信号周期TY的整数倍(即Tx＝nTY(n＝1，2，3，…))时，第二个扫描周期显示的波形与第一个扫描周期显示的波形完全重叠，这种现象叫同步。bac第一个扫描周期第二个扫描周期bacbactUytUxyxTT3显示稳定的波形？显示正弦波稳定显示！显示什么波形？yxTT3第4章电子示波器例：将Ux、Uy信号分别加到X、Y偏转板上，如果Ux、Uy同步则屏幕上显示如下：的波形yxTTa)(的波形yxTTb2)(稳定显示一个周期稳定显示两个周期第4章电子示波器请思考：如果Ux、Uy不同步，屏幕上会显示什么波形？yxTT)4/5(图中第一个扫描周期第二个扫描周期不稳定显示！第4章电子示波器2.X－Y显示原理——两个量之间的函数关系两个同频率信号构成的李沙育图形（参考第五章p169图5.6－10）XY(Ux)(Uy)xyuu122xyuu第4章电子示波器4.3电子示波器的结构框图与性能(模拟示波器)电子示波器由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4章电子示波器主要内容一、示波器的结构框图二、示波器的主要性能指标第4章电子示波器示波器框图一、示波器的结构框图同步控制核心Y通道X通道第4章电子示波器1.Y通道：波形关系图推挽信号延迟时间作用：获得时间被延迟、幅度被放大或衰减的Y方向上的偏转电压。被观测信号?第4章电子示波器2.X通道：扫描电压内同步触发脉冲同步控制外同步同步方式：同步信号来自被观测信号同步信号来自仪器外部输入同步信号作用：获得X方向上的扫描偏转电压。第4章电子示波器3.延迟线的作用：延迟被测信号τ2时间，使它略大于触发延迟时间τ1以确保触发扫描与显示信号同步，能观察到信号的前沿。12被观测信号扫描电压触发脉冲Y通道X通道第4章电子示波器4.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轴校正单位为电压单位，X轴校正单位为时间单位。幅度校正器扫描时间校正器校准信号发生器——产生基准正弦信号(20MHz)，它为仪器提供校准信号源。第4章电子示波器二、示波器的主要性能指标频带宽度和上升时间偏转灵敏度(S)和偏转因数扫描频率和时基因数输入阻抗输入方式扫描方式一般性能指标第4章电子示波器示波管光点显示控制X通道控制Y通道控制校正源输出第4章电子示波器1.频带宽度和上升时间Y通道的频带宽度(BW)——指垂直偏转通道(主要是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。)0(时当HzffffBWlhlh－3dB点的频率——示波器所显示的信号幅度为示波器输入端真实信号值的71%时的信号频率。第4章电子示波器上升时间——是在Y通道输入端加一个理想的阶跃信号，屏上显示波形从稳定幅度的10％上升到90％所需时间。nsz350单位为单位为rrtMHBWtBWBWtr/350如1GHz带宽示波器的上升时间tr＝0.35ns示波器的瞬态响应10％Um90％UmUm（tr越小越好）第4章电子示波器2.偏转灵敏度(S)和偏转因数偏转灵敏度S——单位输入信号电压Uy引起光点在荧光屏上偏转的距离H。dHSHuVdivVcmuHSyy))/(//(伏格或单位偏转因数d——偏转灵敏度的倒数，单位为V/cm或V/div。控制钮：V/div第4章电子示波器3.扫描频率和时基因数扫描频率：水平扫描的锯齿波频率。扫描速度——是光点的水平移动速度，单位是cm／s，或div／s等。时基因数——扫描速度的倒数，它相当于光点移动单位长度(cm或div)所需时间，单位是s／cm，或s／div等。控制钮：t/div第4章电子示波器4.输入阻抗一般可等效为电阻Ri和电容Ci并联。如SBM—l0型多用示波器的输入阻抗为1MΩ／27pF。5.输入方式被测信号送入Y通道有直流(DC)和交流(AC)耦合方式。第4章电子示波器6．扫描方式扫描电压锯齿波是线性时间基线。示波器扫描方式可分为连续和触发扫描两种。①连续扫描电压波形②触发扫描电压波形线性扫描电压类型：周期性第4章电子示波器7．一般性能指标表示示波管性能的指标：亮度。聚焦、余辉、屏面形状、尺寸、偏转灵敏度等。此外还有：校准信号(频率、幅度)、额定电源电压、功率消耗、外型尺寸、连续工作时间、工作环境等。第4章电子示波器4.4电子示波器的Y、X通道及校正器电子示波器的基本部件由垂直偏转通道(Y通道)、水平偏转通道(X通道)、增辉和Z轴调制、校正器及电源组成。第4章电子示波器1.垂直偏转通道(Y通道)输入电路1)输入电路完成对输入信号的耦合和大小的粗调作用，并在输入信号与前置放大器之间起阻抗变化的作用。2)前置放大器对信号进行适当放大，并同时完成各种功能调节（包括增益微调、Y轴位移、极性转换等）和取出内触发信号。3)延迟线对通过Y轴电路的被观测信号适当延迟。4)末级放大器也称垂直偏转放大器，它将被观测信号放大到足够大的幅度，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。并完成垂直偏转因数“×5”或“×10”扩展功能。面板第4章电子示波器1）输入电路探头输入耦合电路衰减器阻抗转换器第4章电子示波器(1)探头①分类：②作用：提高示波器的输入阻抗；衰减；屏蔽；利于观察高频信号有源探头无源探头实物图第4章电子示波器③无源探头电路及校准：示波器在使用前必须进行探头的校准!(b)RC电路(补偿式分压器)正常补偿iiCRRC过补偿iiCRRC欠补偿iiCRRC(a)实物图补偿电容同轴电缆(屏蔽线)校准源信号第4章电子示波器Ri=1MΩR=9MΩiiCRRC探头工作时：即分压比：10:1191MMMRRRKiiMRi10'pFCi10'探头的作用：①提高示波器输入阻抗②有分压、衰减的作用第4章电子示波器④探头与示波器带宽的关系：衰减开关分压比使用带宽上升时间10X10:1全带宽短1X1:1变窄变长总的上升时间示波器包括探头在内的—探头的上升时间—rrprprrttttt22接入探头后示波器的上升时间：常数BWtr第4章电子示波器请思考：在使用探头的时候应该注意些什么？提示：①测量前，要校准!②测量前，根据信号的频率成分，正确选择衰减开关的设置③测量中，正确接地!④测量后，设置衰减开关为10X时，被测电压信号的幅值×10第4章电子示波器(2)输入耦合电路输入耦合电路衰减器耦合方式：AC交流耦合⊥（GND）对地耦合DC直流耦合输入直流、交流信号输入交流信号输入电压为零面板隔直通交第4章电子示波器(3)衰减器①作用：对幅度较大的输入信号进行衰减。②设计要求：输入阻抗高，同时在示波器的整个通频带内衰减的分压比K0均匀不变，输入阻抗也不变。纯电阻分压？第4章电子示波器③电路：根据设计要求，采用阻容补偿分压器，且C1R1＝C2R2输入耦合电路衰减器补偿电容分压比:2112120CCCRRRK)(12121RRRRRRi输入电阻：输入电容：02121)]/([CCCCCCi注：C0——引线分布电容第4章电子示波器④控制钮：垂直控制钮中的V/div(伏/格)调节钮(或灵敏度控制开关)，其标注为偏转因数。如：最高灵敏度0.02cm／mV最小偏转因数50mV／cm偏转因数100mV／cm衰减2倍200mV／cm衰减4倍0.5V／cm衰减l0倍bacbac面板(4)阻抗变换器由射极跟随器构成第4章电子示波器2)末级放大器(垂直偏转放大器)①作用：对微弱的信号放大，使通过垂直偏转板的电子束有足够大的偏转能量(获得Y方向的满偏转)