第四章 示波器原理及应用

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1、第四章第四章 示波器原理及应用示波器原理及应用 示波器是时域分析的最典型仪器示波器是时域分析的最典型仪器,也是当前电子测量领域中也是当前电子测量领域中,品种最多、数量最大、最常用的一种仪器品种最多、数量最大、最常用的一种仪器;示波测试技术是一示波测试技术是一种最灵活、多用的综合性技术。它不但能对电信号进行定性和种最灵活、多用的综合性技术。它不但能对电信号进行定性和定量观测，其它非电物理量亦可经转换成为电量使用示波器进定量观测，其它非电物理量亦可经转换成为电量使用示波器进行观测，因此示波器是一种广泛应用的电子测量仪器，它普遍行观测，因此示波器是一种广泛应用的电子测量仪器，它普遍地应用于国防、科研

2、、学校以及工、农、商业等各个领域。地应用于国防、科研、学校以及工、农、商业等各个领域。示波器的原理应用广泛，例如逻辑分析仪、晶体管特性图示示波器的原理应用广泛，例如逻辑分析仪、晶体管特性图示仪、扫频仪、频谱分析仪等仪器的波形显示部分都有示波测试仪、扫频仪、频谱分析仪等仪器的波形显示部分都有示波测试技术的成分。技术的成分。示波器，全称电子示波器。它是一种用荧光屏显示电量随示波器，全称电子示波器。它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，主要用来观测信号波形、测量时间变化过程的电子测量仪器，主要用来观测信号波形、测量电压、频率、时间等参数，是电子测量三大仪器（电压表、示电压、频率、时间

3、等参数，是电子测量三大仪器（电压表、示波器、电子计数器）之一。波器、电子计数器）之一。本章的主要内容本章的主要内容1 1 示波器的分类及其主要技术指标示波器的分类及其主要技术指标2 2 示波测试的基本原理示波测试的基本原理3 3 通用示波器通用示波器4 4 取样示波器取样示波器5 5 记忆和存储示波器记忆和存储示波器6 6 数字存储示波器数字存储示波器7 7 示波器的基本测试技术示波器的基本测试技术8 8 晶体管特性图示仪晶体管特性图示仪重点与难点重点与难点重点与难点重点与难点 重点：重点：掌握示波测试技术的基本原理、各种示波器的电路组成、测试方法及应用；掌握扫描、同步、触发等基本概念。难点：

4、难点：扫描、同步、触发等概念；示波器各种功能键、控制键与电路的对应关系。第一节第一节 示波器分类及其主要技术指标示波器分类及其主要技术指标4.1.1 4.1.1 示波器的分类示波器的分类1 1 根据示波器对信号的处理方式的不同可分为根据示波器对信号的处理方式的不同可分为根据示波器对信号的处理方式的不同可分为根据示波器对信号的处理方式的不同可分为:模拟示波器模拟示波器:采用模拟方式对时间信号进行处理和采用模拟方式对时间信号进行处理和显示。显示。数字示波器数字示波器:对信号进行对信号进行D/AD/A转换器数字化处理转换器数字化处理后再重建波形显示。后再重建波形显示。数数数数字字字字示示示示波波波波

5、器器器器模模拟拟示示波波器器多束示波器：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：取样示波器：采用取样技术把高频快速变化的信号变化成低频慢速变化的信号（周期展宽），以便观察高频信号的细节变化。记忆示波器：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：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 2 模拟示波器按其用途和特点可以分为模拟示波器按其用途和特点可以分为:通用示波器通用示波器:采用单束示波管，又可分为单踪、双踪、多踪示波器;低频(0-1MHz)、普通（5-60MHz）、宽带（5-60MHz

6、以上）示波器。4.1.2 4.1.2 示波器的主要技术指标和特点示波器的主要技术指标和特点(1)(1)频带宽度频带宽度B BW W和上升时间和上升时间t tr r:示波器的频带宽度BW（BW=fH-fL）一般指Y通道的频带宽度，标志示波器的最高响应能力。上升时间tr（tr表示显示波形的上升沿的幅度从10%上升到90%所需的时间）是一个与频带宽度BW相关的参数,频带宽度BW与上升时间tr的关系可近似表示为:1.主要技术指标主要技术指标(2)(2)扫描速度扫描速度 扫描速度扫描速度扫描速度扫描速度:指荧光屏上光点水平移动的速度指荧光屏上光点水平移动的速度,单位单位为为“cm/s”cm/s”或者或者

7、(div/s)(div/s)。扫描速度的倒数称为扫描速度的倒数称为“时基因素时基因素时基因素时基因素”,它表示单位距它表示单位距离代表的时间，单位为离代表的时间，单位为“t/cm”t/cm”或或“t/div”.t/div”.(3)(3)偏转因素偏转因素(垂直灵敏度垂直灵敏度)指在输入信号作用下指在输入信号作用下,光点在荧光屏上的垂直光点在荧光屏上的垂直(Y)(Y)方向移动方向移动1cm(1cm(或或1 1格格)所表示的电压值所表示的电压值,单位为单位为“V/cm”V/cm”、“mV/cm”mV/cm”（或（或“V/div”V/div”、“mV/div”mV/div”）。）。偏转因素表示了示波器

8、偏转因素表示了示波器Y Y通道的放大通道的放大/衰减能力衰减能力.(4)(4)输入阻抗输入阻抗 当被测信号接入示波器时当被测信号接入示波器时,示波器输入阻抗示波器输入阻抗Z Zi i(包括包括直流电阻和并联电容值直流电阻和并联电容值)形成被测信号的等效负载形成被测信号的等效负载,一一般般(M(M)/)/pFpF表示表示.(5)(5)输入方式输入方式 输入方式即输入耦合方式输入方式即输入耦合方式,一般有直流一般有直流(DC)(DC)、交流、交流(AC)(AC)和接地和接地(GND)(GND)三种三种,可通过示波器面板选择可通过示波器面板选择.(6)(6)触发源选择方式触发源选择方式 触发源是指用

9、于提供产生扫描电压的同步信号来源触发源是指用于提供产生扫描电压的同步信号来源,一一般有内触发（般有内触发（INTINT）、外触发（）、外触发（EXTEXT）、电源触发）、电源触发（LINELINE）三种。）三种。(7)(7)同步（或触发）电压同步（或触发）电压 波形稳定的最小输入电压波形稳定的最小输入电压,当输入小于此电压则不能当输入小于此电压则不能稳定显示稳定显示.2 2 电子示波器的基本特点电子示波器的基本特点:(1)输入阻抗高,对被测信号影响小，有较强的过载能力，测量灵敏度高.(2)可显示信号波形,测量信号的瞬时值.(3)工作速度快,频带宽,便于观察高速变化的信号.(4)可显示任意两个信

10、号的电压或电流的函数关系，古可作为信号的X-Y记录仪.第二节第二节 示波测试的基本原理示波测试的基本原理4.2.14.2.1示波器的测试过程示波器的测试过程轴偏转系统将轴偏转系统将输入的被测交流信输入的被测交流信号放大；轴偏转号放大；轴偏转系统提供一个与时系统提供一个与时间成线性关系的锯间成线性关系的锯齿波电压；两组电齿波电压；两组电压同时加到示波管压同时加到示波管的偏转板上的偏转板上示波管中的电子束在偏转电压的作用下运动，在屏幕上形成与被测信号一致的波形4.2.24.2.2阴极射线示波管阴极射线示波管(示波管示波管CRT)CRT)CRTCRT主要由主要由电子枪、偏转系统和荧光屏电子枪、偏转系

11、统和荧光屏电子枪、偏转系统和荧光屏电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组三部分组成成,基本结构如下图所示。基本结构如下图所示。荧光E 辉度 聚焦 辅助聚焦 +EFGKA1A2Y偏转板X偏转板荧光屏电子枪偏转系统荧光屏1 1 电子枪电子枪 电子枪发射电子并形成很细的高速电子束电子枪发射电子并形成很细的高速电子束,它由它由灯丝灯丝灯丝灯丝F F F F、阴极、阴极、阴极、阴极K K K K、栅极、栅极、栅极、栅极G G G G1 1 1 1和和和和G G G G2 2 2 2和阳极和阳极和阳极和阳极A A A A1 1 1 1、A A A A2 2 2 2组成。组成。组成。组成。阴极阴极阴极阴极是一个表

12、面涂有氧化物的金属圆筒是一个表面涂有氧化物的金属圆筒,在灯丝在灯丝的加热下的加热下,阴极散射出大量游离电子。阴极散射出大量游离电子。控制栅极控制栅极控制栅极控制栅极是顶端有孔的圆筒是顶端有孔的圆筒,套装在阴极外面，套装在阴极外面，其其电位比阴极电位低电位比阴极电位低电位比阴极电位低电位比阴极电位低,用于控制射向荧光屏的电子用于控制射向荧光屏的电子数量数量,改变电子束打在荧光屏上亮点的亮度。调节改变电子束打在荧光屏上亮点的亮度。调节电位器电位器R RP1P1可以调节亮度可以调节亮度,称之为称之为“辉度辉度辉度辉度”.调节调节A A1 1的电位器的电位器R RP2P2称为称为“聚焦聚焦聚焦聚焦（F

13、OCUSFOCUSFOCUSFOCUS）”旋钮旋钮,对它进行调节可调节对它进行调节可调节G G2 2与与A A1 1和和A A1 1与与A A2 2之间的电位之间的电位;调调节节A A2 2电位器电位器R RP3P3的旋钮称为的旋钮称为“辅助聚焦辅助聚焦辅助聚焦辅助聚焦（AUX AUX AUX AUX FOCUSFOCUSFOCUSFOCUS）”.第一、二阳极第一、二阳极第一、二阳极第一、二阳极(A(A(A(A1 1 1 1、A A A A2 2 2 2)是中间开孔、内有许多是中间开孔、内有许多栅格的金属圆筒栅格的金属圆筒,它们与控制栅极配合完成对电子它们与控制栅极配合完成对电子束的加速和聚焦

14、。束的加速和聚焦。2 2 偏转系统偏转系统 偏转系统的作用：扫描电压、被测信号加到扫描电压、被测信号加到X X、Y Y偏转板上时，各自在偏转板上时，各自在X X、Y Y偏转板间形成偏转电场，偏转板间形成偏转电场，分别使电子束产生在分别使电子束产生在X X、Y Y方向上的位移，由此确定方向上的位移，由此确定出亮点在荧光屏上的位置。出亮点在荧光屏上的位置。示波管的偏转系统由两对相互垂直的平行金属板示波管的偏转系统由两对相互垂直的平行金属板X X、Y Y组成，分别称为垂直偏转板和水平偏转板。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当有外加电压作用时,偏转板之间形成电场偏转板之间形成电

15、场;在偏在偏转电场作用下转电场作用下,电子束打向由电子束打向由X X、Y Y偏转板共同决定偏转板共同决定的荧光屏上的某个坐标位置。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为了示波器有较高的测量灵敏度,Y,Y偏转板置于靠偏转板置于靠近电子枪的部位近电子枪的部位,而而X X偏转板在偏转板在Y Y的右边。的右边。电子束在偏转电场作用下的偏转距离与外加偏电子束在偏转电场作用下的偏转距离与外加偏转电压成正比：转电压成正比：L为偏转板的长度;S为偏转板中心到屏幕中心的距离;b为偏转板间距;Va为阳极A2上的电压。示波管的示波管的Y Y Y Y轴偏转因素（单位为轴偏转因素（单位为轴偏转因素（单

16、位为轴偏转因素（单位为cm/Vcm/Vcm/Vcm/V）：）：）：）：其倒数为示波管的其倒数为示波管的其倒数为示波管的其倒数为示波管的示波管的垂直灵敏度，单位为示波管的垂直灵敏度，单位为示波管的垂直灵敏度，单位为示波管的垂直灵敏度，单位为/cm/cm/cm/cm。垂直偏转灵敏度越小，示波管越灵敏，观察垂直偏转灵敏度越小，示波管越灵敏，观察垂直偏转灵敏度越小，示波管越灵敏，观察垂直偏转灵敏度越小，示波管越灵敏，观察微弱信号的能力就越强。微弱信号的能力就越强。微弱信号的能力就越强。微弱信号的能力就越强。在一定范围内，荧光屏上的点的偏转距离与偏转在一定范围内，荧光屏上的点的偏转距离与偏转在一定范围内

17、，荧光屏上的点的偏转距离与偏转在一定范围内，荧光屏上的点的偏转距离与偏转板上所加的电压成正比，这是示波管观测波形的理板上所加的电压成正比，这是示波管观测波形的理板上所加的电压成正比，这是示波管观测波形的理板上所加的电压成正比，这是示波管观测波形的理论依据论依据论依据论依据有时为提高有时为提高有时为提高有时为提高Y Y Y Y轴偏转灵敏度轴偏转灵敏度轴偏转灵敏度轴偏转灵敏度,可在偏转板至可在偏转板至可在偏转板至可在偏转板至荧光屏之间加一个后加速阳极荧光屏之间加一个后加速阳极荧光屏之间加一个后加速阳极荧光屏之间加一个后加速阳极A A A A3 3 3 3。3 3 3 3 荧光屏荧光屏荧光屏荧光屏

18、荧光屏内壁涂有荧光物质荧光屏内壁涂有荧光物质(磷光质磷光质),),外壁则是玻璃管壳外壁则是玻璃管壳,荧光屏荧光屏将电信号变为光信号将电信号变为光信号,是示波管的波形显示部分是示波管的波形显示部分.电子枪发射的高速电子束轰击荧光屏发出荧光（亮度取电子枪发射的高速电子束轰击荧光屏发出荧光（亮度取决于轰击电子束中电子的数目、决于轰击电子束中电子的数目、密度、密度、和速度）和速度）,并维持并维持一定的时间一定的时间,该现象为荧光物质的该现象为荧光物质的余辉现象余辉现象余辉现象余辉现象.按照余辉现象维持时间按照余辉现象维持时间(即余辉时间即余辉时间)的长短的长短,荧光物质分荧光物质分为为:极短余辉极短余

19、辉极短余辉极短余辉:小于小于小于小于10us,10us,10us,10us,超高频示波器超高频示波器超高频示波器超高频示波器;短余辉短余辉短余辉短余辉:10us:10us:10us:10us10ms,10ms,10ms,10ms,高频示波器高频示波器高频示波器高频示波器;中余辉中余辉中余辉中余辉:1ms:1ms:1ms:1ms0.1s,0.1s,0.1s,0.1s,普通示波器普通示波器普通示波器普通示波器;长余辉长余辉长余辉长余辉:0.1s:0.1s:0.1s:0.1s1s,1s,1s,1s,低频示波器低频示波器低频示波器低频示波器;极长余辉极长余辉极长余辉极长余辉:大于大于大于大于1s,1s

20、,1s,1s,极缓慢变化信号示波器极缓慢变化信号示波器极缓慢变化信号示波器极缓慢变化信号示波器;一般在荧光屏内壁预先沉积一个透明刻度，称为一般在荧光屏内壁预先沉积一个透明刻度，称为内刻度；或在屏外安置标有刻度的透明塑料板，称内刻度；或在屏外安置标有刻度的透明塑料板，称为外刻度。刻度区域通常为一矩形，称为测量窗或为外刻度。刻度区域通常为一矩形，称为测量窗或显示窗，一般为显示窗，一般为10div8div10div8div（宽（宽高）。高）。注意注意:在使用示波器时，应避免电子束长时间的停留在在使用示波器时，应避免电子束长时间的停留在荧光屏的一个位置，因为电子的动能在转化为光能的荧光屏的一个位置，因

21、为电子的动能在转化为光能的同时还产生大量的热量，这会减弱荧光物质的发光效同时还产生大量的热量，这会减弱荧光物质的发光效率使荧光屏受损甚至可能烧成一个黑点。因此在示波率使荧光屏受损甚至可能烧成一个黑点。因此在示波器开启后不使用的时间内，可将器开启后不使用的时间内，可将“辉度辉度”调暗。调暗。作业作业21:21:电子枪的结构由几部分组成，各部分的主电子枪的结构由几部分组成，各部分的主要用途是什么要用途是什么?4.2.34.2.3图象显示的基本原理图象显示的基本原理1 1 1 1 显示随时间变化的图形显示随时间变化的图形显示随时间变化的图形显示随时间变化的图形 电子束通过垂直或水平偏转板打到荧光屏上

22、产生亮点，电子束通过垂直或水平偏转板打到荧光屏上产生亮点，亮点在荧光屏上移动的轨迹，是加到偏转板上的电压信号亮点在荧光屏上移动的轨迹，是加到偏转板上的电压信号的波形。的波形。（1 1）UxUx、UyUy为固定电压时为固定电压时,有下面四种情况：有下面四种情况：（2 2）X X、Y Y偏转板上分别加变化电压：偏转板上分别加变化电压：仅在垂直偏转板的两仅在垂直偏转板的两板间加正弦变化的电板间加正弦变化的电压，则光点只在荧光压，则光点只在荧光屏的垂直方向来回移屏的垂直方向来回移动，出现一条垂直线动，出现一条垂直线段。段。偏转板不偏转板不加电压，加电压，偏转板加正偏转板加正弦信号电压弦信号电压仅在水平

23、偏转板的两仅在水平偏转板的两板间加锯齿电压，则板间加锯齿电压，则光点只在荧光屏的水光点只在荧光屏的水平方向来回移动，出平方向来回移动，出现一条水平线段。现一条水平线段。偏转板不偏转板不加电压，加电压，偏转板加锯偏转板加锯齿波信号电齿波信号电压压由上述情况可看出：由上述情况可看出：a、X偏转板上所加电压控制电子的水平运动；偏转板上所加电压控制电子的水平运动；b、Y偏转板上所加电压控制电子的垂直运动；偏转板上所加电压控制电子的垂直运动；c、电子位移长度取决于所加电压的大小。电子位移长度取决于所加电压的大小。(3)X(3)X、Y Y偏转板上同时加变化电压：偏转板上同时加变化电压：2 2 2 2 显示

24、任意两个变量之间的关系显示任意两个变量之间的关系显示任意两个变量之间的关系显示任意两个变量之间的关系若两信号的初相若两信号的初相相同，且在相同，且在X、Y方向的偏转距离方向的偏转距离相同，在荧光屏相同，在荧光屏上画出一条与水上画出一条与水平轴呈平轴呈45度角的度角的直线。直线。若两信号的初相相差若两信号的初相相差90度，且在度，且在X、Y方向方向的偏转距离相同，在的偏转距离相同，在荧光屏上画出的图形荧光屏上画出的图形为圆。为圆。注注:示波器两个偏转板上都加正弦电压时显示的图形称为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李沙育育(LissajousLissajous)图形图形,这种图形

25、在相位和频率测量中常会用到这种图形在相位和频率测量中常会用到.问题问题:1如果如果Y偏转板加正弦波电压偏转板加正弦波电压Uy=Uymsint，偏转板加固定电压偏转板加固定电压x常数，那么荧光屏上将显常数，那么荧光屏上将显示什么波形？示什么波形？如果如果Y偏转板加正弦波电压偏转板加正弦波电压Uy=Uymsint，偏转板加锯齿波电压偏转板加锯齿波电压xkt，但该正弦波的周期，但该正弦波的周期较大，那么荧光屏将会有如何显示？较大，那么荧光屏将会有如何显示？如果如果Y偏转板不加任何电压，偏转板加锯齿偏转板不加任何电压，偏转板加锯齿波电压波电压xkt，那么荧光屏上又会如何显示？，那么荧光屏上又会如何显示

26、？3 3 3 3扫描的概念扫描的概念扫描的概念扫描的概念 如果在如果在X X偏转板上加一个随时间线形变化的电压偏转板上加一个随时间线形变化的电压,即锯齿波电压。即锯齿波电压。垂直偏转板不加电压垂直偏转板不加电压,那么光点在那么光点在方向做匀速运动，光点在水平方向的偏移距离为方向做匀速运动，光点在水平方向的偏移距离为:此比例系数即光点移动的速度，也称为示波管的比例系数即光点移动的速度，也称为示波管的X X轴轴偏转灵敏度。偏转灵敏度。偏转灵敏度。偏转灵敏度。当锯齿波电压达到最大值时当锯齿波电压达到最大值时,屏上的光点亦达到最屏上的光点亦达到最大偏转大偏转,然后锯齿波电压迅速返回起始点然后锯齿波电压

27、迅速返回起始点,光点也迅光点也迅速返回屏幕最左端速返回屏幕最左端,再重复前面的变化。再重复前面的变化。光点在锯齿波作用下扫动的过程称为光点在锯齿波作用下扫动的过程称为“扫描扫描扫描扫描”,能能实现扫描的锯齿波电压称为实现扫描的锯齿波电压称为“扫描电压扫描电压扫描电压扫描电压”,光点自左光点自左向右的连续扫动称为向右的连续扫动称为“扫描正程扫描正程扫描正程扫描正程”,自荧光屏的右端自荧光屏的右端迅速返回左端起扫点的过程称为迅速返回左端起扫点的过程称为“扫描逆程扫描逆程扫描逆程扫描逆程”。扫描正扫描正程时间程时间扫描逆扫描逆程时间程时间扫描休扫描休止时间止时间当当Tb和和Tw均均为零时为零时,为理

28、为理想扫描想扫描.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，实际示波器中要将其消隐使得正程轨迹亮度增加，回程的观测，实际示波器中要将其消隐使得正程轨迹亮度增加，回程的观测，实际示波器中要

29、将其消隐使得正程轨迹亮度增加，回程的观测，实际示波器中要将其消隐使得正程轨迹亮度增加，回程轨迹黯淡，凸显正程。扫描正程时显示被测信号的波形轨迹黯淡，凸显正程。扫描正程时显示被测信号的波形轨迹黯淡，凸显正程。扫描正程时显示被测信号的波形轨迹黯淡，凸显正程。扫描正程时显示被测信号的波形,应该增强应该增强应该增强应该增强波形亮度波形亮度波形亮度波形亮度,即即即即增辉增辉增辉增辉;而需要对回扫线和休止线进行而需要对回扫线和休止线进行而需要对回扫线和休止线进行而需要对回扫线和休止线进行消隐消隐消隐消隐.可以在控制栅极上叠加可以在控制栅极上叠加正极性脉冲或在阴极上正极性脉冲或在阴极上叠加负极性脉冲来实现叠

30、加负极性脉冲来实现增辉增辉.可以在控制栅极上可以在控制栅极上叠加负极性脉冲或叠加负极性脉冲或在阴极上叠加正极在阴极上叠加正极性脉冲来实现消隐性脉冲来实现消隐.例：例：设设Y偏转板加正弦波信号电压偏转板加正弦波信号电压Uy=Umsint，X偏转板加锯偏转板加锯齿波电压齿波电压Ux，Tx=Ts+Tb+Tw,且有且有Ts=2Ty,Tb=Ty,Tw=0,荧光荧光屏显示如下波形。屏显示如下波形。问题问题4.4.设设Y Y偏转板加正弦波信号电压偏转板加正弦波信号电压U Uy y=U=Um msintsint，X X偏转板加锯齿波电压偏转板加锯齿波电压Ux=ktUx=kt，但，但TxTx=2Ty=2Ty那么

31、荧光屏那么荧光屏显示的是什么样的波形显示的是什么样的波形?Uyt0Ux0t4 4 4 4 同步的概念同步的概念同步的概念同步的概念 一般的一般的,如果扫描电压周期与被测电压保持如果扫描电压周期与被测电压保持:T Tx x=T Ts s+T Tb b+T Tw w=nTnTy y（n为正整数）为正整数）则称则称扫描电压与被测电压扫描电压与被测电压扫描电压与被测电压扫描电压与被测电压“同步同步同步同步”,T T T Tx x x x为扫描信为扫描信为扫描信为扫描信号周期号周期号周期号周期;T T T Ty y y y为被测信号周期为被测信号周期为被测信号周期为被测信号周期。如果没有同步关系如果没有

32、同步关系,即即:T Tx x=T Ts s+T Tb b+T Tw wnTnTy y（n为正整数）为正整数）则后一扫描周期描绘的图形与前一扫描周期的图则后一扫描周期描绘的图形与前一扫描周期的图形不重合形不重合,显示的波形是不稳定的。显示的波形是不稳定的。同步时波形同步时波形稳定稳定同步扫描每次扫描的起点都同步扫描每次扫描的起点都对应于被测信号的同一相位对应于被测信号的同一相位点上，这使得扫描的后一周点上，这使得扫描的后一周期绘制的波形与前一周期完期绘制的波形与前一周期完全一样，每次扫描显示的波全一样，每次扫描显示的波形重叠在一起，在荧光屏上形重叠在一起，在荧光屏上可显示清晰稳定的波形可显示清晰

33、稳定的波形0123450，68910Tytuy012345Tx=5/4Tyuxt 图8.9 时荧光屏显示的波形情况不同步时波不同步时波形不稳定形不稳定5 5 5 5 连续扫描和触发扫描连续扫描和触发扫描连续扫描和触发扫描连续扫描和触发扫描扫描正程紧跟着逆程,逆程结束又开始新的正程,扫描是不间断的,这种扫描方式称为连续扫描连续扫描.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.这种由被测信号激发扫描器的间断工作方式为“触发扫描方式触发扫描方式”.6 6 6 6 扫描过程的增辉扫描过程的增辉扫描过程的增辉扫描过程的增辉作业作业2222:(P181 T8.6):(P

34、181 T8.6)比较触发扫描和连续扫描的比较触发扫描和连续扫描的特点特点?第三节第三节 通用示波器通用示波器4.3.14.3.1通用示波器的组成通用示波器的组成图图3-1 3-1 通用示波器的组成框图通用示波器的组成框图水平通道水平通道垂直通道垂直通道电源电源示示波波管管Z Z轴电路轴电路第三节第三节 通用示波器通用示波器4.3.14.3.1通用示波器的组成通用示波器的组成图图3-1 3-1 通用示波器的组成框图通用示波器的组成框图4.3.2 4.3.2 示波器的垂直通道示波器的垂直通道(Y(Y通道通道)Y通道由输入电路、前置放大器、延迟线、输出输入电路、前置放大器、延迟线、输出(Y(Y后置

35、后置)放放大器大器等组成.主要作用是：对单端输入的被测信号进行变换、主要作用是：对单端输入的被测信号进行变换、处理成为大小合适极性相反的对称信号加到处理成为大小合适极性相反的对称信号加到Y Y偏转板上偏转板上,使电使电子束产生垂直偏转。子束产生垂直偏转。1 1 输入电路：包括输入电路：包括衰减器和输入选择开关衰减器和输入选择开关(输入耦合方式输入耦合方式)。图4-2 耦合电路和衰减器耦合电路和衰减器(1)输入耦合方式输入耦合方式 输入选择器分为AC,DC,GND三档.选择DC档时,输入信号的交、直流成分都能通过;选择AC档时,由于电容的通交隔直作用,输入信号只有交流成分能通过;选择GND档时,

36、输入信号通路被断开,衰减器接地,此时示波器荧光屏上显示时间基线,即荧光屏上0电压的位置,也叫零电平线.对于通频带下限不是零的示波器，放大器放大器为交流耦合放大器，其为交流耦合放大器，其输入端也用电容耦合输入端也用电容耦合；对于通频带从零开始的示波器，可以观察信号的直流分量或观察变化极慢的信号，放大放大器是直流耦合的器是直流耦合的(直流直流放大器放大器).).K K位置位置输入耦输入耦合方式合方式作用作用DC直流将输入信号所有成分直接加到衰减器上将输入信号所有成分直接加到衰减器上,适用于适用于观测频率很低的信号或带有直观测频率很低的信号或带有直流分量的交流信号流分量的交流信号AC交流信号经信号经

37、C C耦合耦合,可隔去被测信号中的可隔去被测信号中的直流直流及慢变化分量及慢变化分量,抑制工频干扰抑制工频干扰,便于测量便于测量高频及交流瞬变信号高频及交流瞬变信号.GND接地信号通路被断开信号通路被断开,Y,Y放大器经衰减器接地放大器经衰减器接地,这样不必移去施加的被测信号，就可这样不必移去施加的被测信号，就可提供接地参考电平提供接地参考电平.表表1:K1:K置于不同位置的作用置于不同位置的作用变换交流耦合和直流耦合变换交流耦合和直流耦合,可以测出交流信号中直流成分的大小。可以测出交流信号中直流成分的大小。(2)(2)衰减器衰减器(探极内探极内):):由于经常需要观察幅度较小的电压波形，示波

38、器的灵敏度设计得较高，但当需要观察幅度较大的信号时，就必须接需要观察幅度较大的信号时，就必须接入衰减器。入衰减器。要求要求:输入阻抗高，同时在示波器的整个通频带内衰减的分压比均匀不变,保证在荧光屏上的信号不因过大而失真.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号的高频分量的失真(脉冲上升时间变慢脉冲上升时间变慢)。为此，必须采用图 41所示的阻容补偿分压器，图中R1、R2为分

39、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 C1R1C2R2 时，分压比K0在整个通频带内是均匀的(与频率无关)，它被表示为:(4.4-1)最佳补偿最佳补偿 这样分压器做成的衰减器就可以无畸变地传输窄脉冲信号，仅仅是信号幅度降为原幅度的K0。改变分压比的开关为改变分压比的开关为示波器的垂直灵敏度粗调开示波器的垂直灵敏度粗调开示波器的垂直灵敏度粗调开示波器的垂直灵敏度粗调开关关关关,在面板上用在面板上用在面板上用在面板上用“V/cm”V/cm”V/cm”V/cm”标记标记标记标记。2 2 前置放大器前置放大器 Y前置放大器大都采用

40、差分放大电路,输出一对平衡的交流电压.若在差分电路的输入端输入不同的直流电在差分电路的输入端输入不同的直流电位位,相应的相应的Y Y偏转板上的直流电位和波形在偏转板上的直流电位和波形在Y Y方向的位置方向的位置也会改变也会改变.与前置放大器有关的“垂直移位垂直移位”旋钮.作用作用:(1)(1)对前级对前级(衰减器衰减器)输出信号进行输出信号进行初步放大初步放大,补偿延迟级对补偿延迟级对信号的损耗信号的损耗;(2)(2)将单端输入信号变为双端对称输出信号将单端输入信号变为双端对称输出信号,为为X X通道的触发通道的触发电路电路提供大小合适的内触发信号提供大小合适的内触发信号;(3)(3)具有灵敏

41、度调节、校正、具有灵敏度调节、校正、Y Y轴移位等控制作用轴移位等控制作用.3 3 3 3 延迟线延迟线延迟线延迟线(级级级级)示波器通常采用内触发方式内触发方式产生扫描电压,只有当当被测信号达到一定的触发电平被测信号达到一定的触发电平时,才能产生触发脉冲并形成扫描电压.为了完整显示被测信号波形,在Y通道中设置延迟级对被测信号进行延迟,延迟时间一般为60200ns,常取100ns左右。延迟线延迟线:一种传输线，起延迟时间的作用。对延迟线的要求对延迟线的要求:只对信号起延迟作用,不能产生失真.前半段前半段丢失丢失uyux输入输入信号：信号：扫描扫描信号：信号：实际显实际显示波形：示波形：tt前半

42、段前半段保留保留ttuyux延迟线延迟线的作用延迟线的作用:把加到垂直偏转板的信号延迟一段时间,使其滞后于扫描开始时间,保证在屏幕上可以扫出包括上升时间在内的脉冲全过程。延延迟迟时时间间t4 Y4 Y4 Y4 Y输出放大器输出放大器输出放大器输出放大器(后置放大器后置放大器后置放大器后置放大器)作用作用:将延迟线传来的被测信号放大到足够的幅度将延迟线传来的被测信号放大到足够的幅度,用以驱动示波用以驱动示波管的垂直偏转系统管的垂直偏转系统,使电子束获得使电子束获得Y Y方向的满偏转。方向的满偏转。与该电路有关的开关旋钮主要有“倍率倍率”、“偏偏转因数微调转因数微调”、“寻迹寻迹”等开关旋钮.前两

43、个旋钮都是通过调节放大器增益来实现偏转因数调节的.“寻迹”则是将Y放大器输入端接地来实现垂直方向寻迹的。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。X通道主要由触发电路、扫描电路及触发电路、扫描电路及X X放大器放大器组成.主要作用:(1)产生扫描电压产生扫描电压,使波形在水平方向使波形在水平方向上展开上展开;(2)给示波管提供增辉、消隐脉冲提供增辉、消隐脉冲;(3)提供提供双踪示波器交替显示时的控制信号双踪示波器交替显示时的控制信号.4.3.3 4.3.3 示波器的水平通道示波器的水平通道(X(X通道通道)触发电路触 发 耦 合方式选择 触发源 选择放大整形

44、电路扫描信号发生器比较和释抑电路 扫描 闸门扫描电压产生电路X偏转板 水平放大器 图4-3-1水平系统组成框图1 1 1 1 触发电路触发电路触发电路触发电路(1)作用:为扫描信号发生器提供触发脉冲为扫描信号发生器提供触发脉冲.(2)结构: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.图8.14触发源与触发耦合方式选择电路内触发内触发外触发输入外触发输入电源触发电源触发S1触发源选择C1触触发发源源耦耦合合方式选择方式选择S2DCACLF REJC2C3HF REJ触发极性触发极性电平选择电平选择触发放大触发放大 整形电路整形电路同同步步脉脉冲

45、冲1 1）触发源选择）触发源选择 一般有内触发、外触发和电源触发三种类型。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，触发信号和被测信号的频率是完全一致的，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，或者，当被测信号不适于作触发信号时使用。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 2）触发耦合方式）触发耦合方式 一般设有四种触发耦合方式：C1触发源耦合方式选择触发源耦合方式选择S2DCACLF REJC2C3HF REJ“AC高频抑

46、制耦合”（“HF REJ”）：用于抑制高频成分的耦合。(触发信号经电容C1和C3接入耦合)“DC”直流耦合：用于接入直流或缓慢变化,或频率较低并含直流分量的触发信号。(直接耦合方式)“AC”交流耦合：用于观察从低频到较高频率的信号。用“内”、“外”触发均可。(触发信号经电容C1接入耦合,有隔直作用)“AC低频抑制”（LF REJ）耦合：用于观察含有低频干扰的信号。(触发信号经电容C1和C2接入耦合,用于抑制2kHZ以下的频率成分)3 3）扫描触发方式选择）扫描触发方式选择(TRIG MODE)(TRIG MODE)一般设有常态(NORM)和自动(AUTO)两种扫描触发方式：(1)常态(NORM

47、)触发方式：指有触发源信号并且产生了有效的触发脉冲时,扫描电路才能被触发,才能产生锯齿波电压,荧光屏上才有扫描线.不足点是：在没有输入触发源信号,或触发源为直流信号,或信号幅度不适当时，就没有触发脉冲输出，扫描电路不会产生扫描锯齿波电压，也无扫描基线。故不知道扫描基线的位置，也不能正确判断有无正常脉冲,或者示波器故障.(2)自动(AUTO)触发方式：指一段时间内没有触发脉冲时,扫描系统切换到连续扫描的方式工作.此时电路处于自激状态,会有连续的扫描锯齿波电压输出,荧光屏上现实扫描线.一旦有脉冲信号输入,扫描电脑能自动返回触发扫描的工作方式工作.优点是：没有输入的触发源信号或信号幅度不适当时，荧光

48、屏上也能显示被测信号的波形,只不过波形可能是不稳定的.自动触发方式是一种最常用的触发方式.4 4）触发极性选择和触发电平调节）触发极性选择和触发电平调节(1)(1)作用：作用：触发极性和触发电平决定触发脉冲产生的时刻，并决定扫描的起点，调节它们可便于对波形的观测和比较。(2)(2)定义：定义：触发极性：指触发点位于触发源信号的上升沿还是下降沿。触发点处于触发源信号的上升沿为“+”极性；触发点位于触发源信号的下降沿为“”极性。触发电平：指触发脉冲到来时所对应的触发放大器输出电压的瞬时值。图图8.15 8.15 不同触发电平和触发极性下所显示的波形不同触发电平和触发极性下所显示的波形（a a）被测

49、正弦信号）被测正弦信号（b b）零电平正极性触发）零电平正极性触发（d d）正电平）正电平 负极性触发负极性触发（e e）负电平）负电平 负极性触发负极性触发（c c）正电平）正电平 正极性触发正极性触发（f f）负电平）负电平正极性触发正极性触发0t023uy1414324 4）放大整形电路）放大整形电路 扫描信号发生器要稳定工作，对触发信号有一定的要求，如边沿的陡峭、极性和幅度中等.因此，需对触发信号进行放大、整形。整形电路的基本形式是电压比较器，当输入的触发源信号与通过“触发极性”和“触发电平”选择的信号之差达到某一设定值时，比较电路翻转，输出矩形波，然后经过微分整形，变成触发脉冲。2

50、2 2 2 扫描信号发生电路扫描信号发生电路扫描信号发生电路扫描信号发生电路（1）作用：作用：扫描发生器用来产生线性良好的锯齿波，通常用扫描发生器环(时基电路)来产生扫描信号。（2）结构：结构：积分器、扫描闸门及比较释抑电路积分器、扫描闸门及比较释抑电路组成。时基闸门扫描电压产生电路比较和释抑电路触发脉冲至X放大器触发连续图图8.16 扫描信号发生器组成框图扫描信号发生器组成框图（3）扫描发生器环的基本工作过程：扫描发生器环的基本工作过程：触发脉冲到来后，打开时基闸门，扫描电压产生电路开始产生线性变化的锯齿波电压，此电压送至X放大器，控制电子束自左向右扫描；同时也送往增辉电路，以便在扫描正程加

51、亮扫描光迹；同时还送往比较电路;当锯齿波电压达到预定的幅度后，电压比较器输出经释抑电路产生停止信号，关闭时基闸门，使扫描电压产生电路进入回程期；在回程期，释抑电路起“抑止”作用，防止后续触发脉冲去开启时基闸门，直到闸门输入端及扫描电路完全恢复到初始状态才释放闸门。扫描正程：扫描正程：从时基闸门打开到闸门关闭的一段时期。释抑期：释抑期：从扫描正程开始到闸门“释放”时为止的一段时间为释抑 期，比逆程期长。一次扫描至少包括扫描正程和释抑期，释抑期内既完成扫描回程，又保证电路恢复到初始状态，等待下一个触发脉冲触发。1)1)扫描方式选择扫描方式选择（1）连续扫描：连续扫描时,没有触发脉冲信号,扫描闸门也

52、不受触发脉冲的控制,自动产生门控信号,并启动扫描发生器工作。扫描电压是连续的，即扫描正程紧跟着逆程，逆程结束又开始新的正程，扫描是不间断的。（2）触发扫描：由被测信号激发扫描发生器的间断的工作方式，适用于测量脉冲信号。组合为自动扫描方式：无触发信号时，连续扫描；有触发信号时，触发形成扫描。2)2)扫描门扫描门扫描门是用来控制闸门信号的扫描门是用来控制闸门信号的,有三个作用有三个作用:（1）输出时间准确的矩形开关信号，或称为闸门信号，控制积分器扫描;（2）由于闸门信号和扫描正程同时开始、同时结束,可利用闸门信号作为增辉脉冲控制示波管,起正程加亮作用;（3）在双踪示波器中,利用闸门信号触发电子开关

53、，使之工作于交替状态。常用的闸门电路有双稳态、施密特触发器和隧道二极管整形电路;RC2RC1Rb2ui+ET1ReRb1T2uo（a）电路图 （b）工作波形 图8.17施密特触发器构成的扫描门3)3)积分器积分器扫描电压是锯齿形的，它由积分器产生。扫描电压是锯齿形的，它由积分器产生。（1）简单锯齿波的形成:（a）电路图 （b）工作波形 图8.18简单锯齿波的形式KECRuoE t（2）线性良好的锯齿波的获得:密勒积分电路原理如下图所示。积分器的输出电压：图图8.198.19密勒积分器的电路模型密勒积分器的电路模型CRuoui i此电路的输入信号是由扫描门来的矩形脉冲,积分器的作用是将其输出为锯

54、齿波信号,送入X放大器中放大,再加至水平偏转板上.在示波器中通常用改变R或C值作为”扫描速度”粗调,改变E值作为”扫描速度”微调.4)4)比较电路和释抑电路比较电路和释抑电路比较电路利用它的比较、识别电平的功能来控制锯齿波的幅比较电路利用它的比较、识别电平的功能来控制锯齿波的幅度度,使电路产生等幅扫描。使电路产生等幅扫描。释抑电路用来使扫描发生器电路在扫描逆程开始后释抑电路用来使扫描发生器电路在扫描逆程开始后,“抑止抑止”扫描闸门，使扫描闸门，使“抑止抑止”期间不再受同极性触发脉冲的触发，期间不再受同极性触发脉冲的触发，以便扫描锯齿波产生电路恢复到扫描的起始电平上。以便扫描锯齿波产生电路恢复到

55、扫描的起始电平上。（a）比较和释抑电路 （b）施密特电路及有关输入输出信号 图8.20扫描环的工作过程比较和释抑VTb积分器扫描门RPRh+ECh+_稳定度-EVD+E来自释抑电路VT1去扫描环+E稳定度-EVD来自触发电路VT2+E3 3 3 3 3 3水平放大器水平放大器水平放大器水平放大器水平放大器水平放大器 作作用用:选选择择X X轴轴信信号号，并并将将其其放放大大到到足足以以使使光光点点在在水平方向达到满偏的程度。水平方向达到满偏的程度。示示波波器器除除了了显显示示随随时时间间变变化化的的波波形形外外，还还可可以以作作为为一一个个X-YX-Y图图示示仪仪来来显显示示任任意意两两个个函

56、函数数间间的的关关系系，因因此此X X放放大大器器的的输输入入端端有有“内内”、“外外”信信号号的的选选择择。置置于于“内内”时时，X X放放大大器器放放大大扫扫描描信信号号；置置于于“外外”时时，水水平平放放大大器器放放大大由由面面板板上上X X输输入端直接输入的信号。入端直接输入的信号。4.3.4 4.3.4 通用示波器的其他电路通用示波器的其他电路1高、低压电源 低压电源为电路各级提供所需的直流电压。高压电源电路多用于示波器的高、中压供电。2Z轴增辉与调辉 增辉作用是将闸门信号放大，加到示波器管上，使显示的波形正程加亮。调辉电路的作用是将外调制信号或时标信号加到示波管上，使屏幕显示的波形

57、与调制发生相应的变化。3校准信号发生器 校准信号发生器可产生基准方波信号，它为仪器提供校准信号源，以便随时校准示波器的垂直灵敏度和扫描时间因数。4.3.5 4.3.5 示波器的多波形显示示波器的多波形显示1.多线示波 多线示波利用多枪电子管来实现。即在示波管中有多个独立的电子枪产生多束电子，同时每束电子束都配备独立的偏转系统,各自控制电子束的运动，共用荧光屏.缺点:制作工艺要求高，成本高.图图3 双线示波器框图双线示波器框图2.多踪示波 多踪示波是在单线示波的基础上，增加电子开关实现多个波形的同时显示。电子开关采用分时取样的原理,分别把多个垂直通道的信号轮流接到Y偏转板上,最终实现多个波形的同

58、时显示.图8.23双踪示波器垂直系统框图 延迟线 电子 开关Y1输入 Y输入 电路 Y前置 放大器 Y1 门电路Y2输入 Y输入 电路 Y前置 放大器 Y2 门电路 Y后置 放大器控制信号缺点缺点:工作于交替方式时，需两次扫描才能显示两个波形，因而无法观察两个快速的单次信号或短时间的非 周期信号。(1)“Y1”通道(CH1)：电子开关将Y1通道信号接于Y偏转板，单踪显示Y1的波形;(2)“Y2”通道(CH2)：电子开关将Y2通道信号接入，单踪显示Y2的波形;(3)叠加方式(CH1 CH2)：Y1,Y2两通道信号在公共通道进行代数相加后，接到Y偏转板，显示两信号迭加后的波形。Y2通道的前置放大器

59、内设有极性转换开关，可改变输入信号的极性，实现“和”与“差”的功能由面板开关控制的电子开关，可使双踪示波器工作于由面板开关控制的电子开关，可使双踪示波器工作于种不同的状态：种不同的状态：以上种显示均为单踪显示，只显示一个波形(4)交替方式(ALT)：将Y1,Y2两通道信号轮流加于Y偏转板，荧光屏上交替显示两个通道的信号波形。具体实现时，是以时基发生器的回扫脉冲控制电子开关的触发电路，每次扫描后，改变所接通道，使得每两次扫描分别显示一次Y1通道波形和一次Y2通道波形.（a）被测信号与扫描信号tuytuxuyt（b）荧光屏显示的波形图8.24 交替显示的波形显然，电子开关的切换频率是扫描频率的一半

60、此方式适用于观测高频信号(5)断续方式(CHOP)：当输入信号频率较低时，交替显示会发生明显的闪烁。此时采用断续工作方式，使电子开关工作于自激振荡状态(不受扫描频率的控制)，振荡频率高达500kHz1MHz，自动高速地轮流将Y1,Y2两通道信号加于Y偏转板上，显示图形由许多点线组成，这样就可使每扫描一次，完成两个通道波形的显示。如图所示：（a）被测信号与扫描信号tuytuxuyt（b）荧光屏显示的波形图8.25 断续显示的波形1234567891011第四节第四节 取样示波器取样示波器前述的宽频带示波器都是在被测信号经历的实际时间内显示其波形的，称为实时示波器实时示波器的上限工作频率受到放大器频带、示波管上限频率及扫描速度的控制，一般最高大约为几百兆赫兹而当前高速计算机、高频通信广播等信息系统要求示波器有更宽的频率响应，取样技术是解决上述问题的方法之一4.4.1 4.4.1 概概述述1取样的基本概念（1）取样：就是从被测波形上取得样点的过程。取样分为实时取样和非实时取样两种。（2）实时取样：从一个信号波形中取得所有取样点，来表示一个信号波形的方法；