第5章电子示波器11.11

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1、第5章 电子示波器,5.1 概 述 5.2 示 波 管 5.3 电子示波器的结构框图与性能 5.4 电子示波器的基本部件 5.5 双踪和双线示波器 5.6 高速和取样示波器 5.7 记忆示波器与存储示波器,5.1 概 述,概念：电子示波器（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。 作用：把无法直接观察的电信号，转换成人眼能够看到的波形，具体显示在示波屏幕上，以便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行观测 应用广泛：调试电路、实验实训、科学研究、电子产品维修等,示波器的基本特点： 能显示信号波形，可测量瞬时值，具有直观性。 输入阻抗高，对被

2、测信号影响小。测量灵敏度高，并有较强的过载能力。 工作频带宽，速度快，便于观察高速变化的波形的细节。 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。,示波器的主要用途： 观测电信号波形。 测量电压电流的幅度、频率、时间、相位等电量参数。 显示电子网络的频率特性。 显示电子器件的伏安特性。,电子示波器的发展： 19世纪末研制成的第一支冷阴极静电偏转电子射线示波管。 20世纪40年代末， 逐渐建立起专门生产示波器的厂家。 电子管示波器 晶体管、 集成电路的示波器； 模拟电路 数字电路； 通用宽带示波器 多种类型示波器（高速取样示波 器、 记忆示 波器、 数字存储示波器、 逻辑示波器等）

3、 与微型计算机连接组成智能测量系统,5.2 示 波 管,示波器的核心部件是示波管。示波管是一种整个被密封在玻璃壳内的大型真空电子器件， 也叫阴极射线管。 常见类似用途：电视机的彩色显像管和计算机的监视器（CRT）,示波管组成：电子枪、偏转系统和荧光屏 用途：将电信号转变成光信号并在荧光屏上显示。,发射电子，并形成高速电子束,决定电子束的偏转方向,显示偏转电信号的波形,示波器内部详细结构图,5.2.1 电子枪 电子枪由灯丝(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

4、成排斥力，使电子朝轴向运动，形成交叉点F1，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。 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。,图中辉度调节旋钮控制电位器RW1进行分压的调节，即调节栅极G1的电位。 控制辉度的另一种方法：以外加电信号控制栅阴极间电压，使亮点辉度随电信号强弱而变化(像电视显像管那样)，这种工作方式称为“辉度调制”。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。, G2、A1、A2 构成一个对电子束的控制

5、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。 图中RW2和RW3分别是“聚焦”和“辅助聚焦”旋钮所对应的电位器，调节这两个旋钮使得电子束具有较细的截面，射到荧光屏上，以便在荧光屏上显示出清晰的聚焦很好的波形曲线。,5.2.2 偏转系统 偏转系统由水平偏转板 X1、X2和垂直偏转板 Y1、Y2这两对

6、相互垂直的偏转板组成。 垂直偏转板 Y 在前，水平偏转板 X 在后，如果仅在Y1、Y2（或者X1、X2 ）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（或者水平）方向上运动。 如：Y1为正，Y2为负，电子束向上运动，电场强，则运动距离大，电场弱，则运动距离小；若Y1为负，Y2为正，电子束向下运动。,为了显示电信号的波形，通常在水平偏转板上加一线性锯齿波扫描电压 ux ，该扫描电压将 Y 方向所加信号电压 uy作用的电子束在屏幕上按时间沿水平方向展开，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 ux 称为“时基信号”或“扫描信号”。,例：当uy信

7、号为正弦波时，只有在扫描电压 ux 的频率 fx 与被观察的信号电压 uy 的频率 fy 相等或成整倍数 n 时，才能稳定地显示一个或 n 个正弦波形,Tx = 2 Ty,增加显示波形数，则要增大扫描电压的周期,5.2.3 荧光屏 在荧光屏的玻壳内侧涂上荧光粉，就形成了荧光屏，它不是导电体。 一般示波器选用人眼最为敏感的黄绿色（荧光粉成分不同，发光颜色不同）。 当电子束轰击荧光粉时，激发产生荧光形成亮点。,动能,光能,热能,转化,注意：使用示波器时，尽量不要使亮点长时间停留在同一位置。,余辉时间：荧光粉从 电子激发停止时的瞬间亮度 下降到 该亮度的10% 所经过的时间。余辉时间的长短与荧光粉的

8、成分有关。 根据余辉时间不同，将示波管分为长余辉(100ms1s)、中余辉(1ms100ms)和短余辉(10s10 ms )的不同规格。 高频示波器：采用短余辉示波管； 普通示波器：采用中余辉示波管； 超低频示波器：采用长余辉示波管。,5.3 电子示波器的结构框图与性能,5.3.1 电子示波器结构框图 电子示波器组成： Y 通道（垂直通道） X 通道（水平通道） Z 通道（主机部分） 示波管（CRT） 校正器：幅度和扫描时间 电源,图4.3-1 示波器组成框图及波形关系图,？问题：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信号前沿无法观察。 （见波形） ！解决方案：在垂直前置放大器之后

9、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2 略大于由水平通道引起的固有触发延迟1 ，以确保触发扫描与显示信号同步。 “内”同步：来自 Y 通道的同步信号(被测信号) “外”同步：来自仪器外部的同步信号,输入电路一般由衰减器、射极跟随器和放大器组成。 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：由高压整流器（示波管高压电压）和低压整流器（电路等低压电压）两个整流器组成。 电子束控制电路：包括亮度、聚焦、辅助聚焦和光点位置控制，与电源连在一起。,5.3.2 示波器的主要技术性能（六项） 1频率响应（频带宽度） 频率响应 fh：示波器最重要的工作特

10、性，也称最高工作频率，即带宽。 定义：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。 示波器 Y 通道带宽越大越好。,2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 称为偏转灵敏度S：,（4.3-1）,（4.3-2）,则,式中，d 为灵敏度的倒数1/S，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,3扫描频率 扫描速度：光点水平移动的速度。cm/s或div/s(格/秒) 时基因数：扫描速度的倒数，它表示光点水平移动单位长度(cm或div)所需的时间。 扫描频率

11、：水平扫描的锯齿波的频率。一般示波器 X 方向扫描频率可由t/cm或t/div分档开关进行调节，此开关标注的是时基因数。 扫描速度越高：示波器能够展开高频信号或窄脉冲信 号波形 的能力越强。 扫描速度越低：便于观察缓慢变化的信号 示波器的扫描频率范围越宽越好。,4输入阻抗 输入阻抗：示波器输入端对地的电阻 Ri 和分布电容 Ci 的并联阻抗。 在观测信号波形时，把示波器输入探头接到被测电路的观察点，输入阻抗越大，示波器对被测电路的影响就越小，所以要求输入电阻 Ri 大而输入电容 Ci 小。 输入电容 Ci 在频率越高时，对被测电路的影响越大。,5示波器的瞬态响应 示波器瞬态响应：示波器的垂直系

12、统电路在方波脉冲输入信号作用下的过渡特性。 示波器的瞬态响应特性一般脉冲的上升时间 tr ，下降时间 tf ，上冲 s0 ，下冲 sn ，预冲 sp 及下垂 等参数表示。,图4.3-2 示波器的瞬态响应,示波器说明书中通常只标示出上升时间tr及上冲s0的数值。由于示波器中的放大器是线性网络，因此放大器的频带宽度 fB与上升时间 tr 有确定的关系：fBtr350。 由频带宽度 fB 可计算出 tr350/fB，其中fB的单位为MHz，tr的单位为ns。示波器中， fB=fh。 例：SBM-10A型示波器的 fh=30 MHz，由此可求得上升时间为,上升时间 tr 越小越好 瞬态响应指标：决定了

13、示波器所能观测的脉冲信号的最小宽度。,6扫描方式 线性时基扫描可分成连续扫描和触发扫描两种方式。 连续扫描电压波形，回扫后没有等待时间，适用于观测连续信号。 触发扫描电压波形，只在触发信号的激励下才开始扫描，每完成一次扫描后就处于等待状态，直到下一次触发信号到来再进行扫描。,连续扫描电压波形,触发扫描电压波形,5.4 电子示波器的基本部件,5.4.1 垂直偏转通道（Y 通道） 垂直通道的任务： 检测被观察的信号，并将它无失真或失真很小地传输到示波管的垂直偏转极板上 为了与水平偏转系统配合工作，要将被测信号进行一定的延迟 垂直偏转系统由输入电路、阻抗变换器、延迟线和放大器组成。,1输入电路 输入

14、电路由探头、衰减器组成。 1）输入耦合方式 通频带下限不是零的示波器，放大器为交流耦合放大器，其输入端用电容耦合； 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，放大器是直接耦合的(直流放大器)。,2）衰减器 示波器的灵敏度设计得较高（经常需要观察幅度较小的电压波形），但当需要观察幅度较大的信号时，就必须接入衰减器。 对衰减器的要求：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。 简单的电阻分压：不能达到这个要求（分布电容会对被测信号高频分量有严重的衰减） 阻容补偿分压器：可以无畸变地传输窄脉冲信号，仅仅对信号幅度衰减。,3）探头 用示波器观察信号波形时，长

15、长的引线往往会引进各种杂散干扰，所以通常使用同轴电缆作为输入引线，以避免干扰影响。 而同轴电缆内外导体间存在电容使输入电容 Ci 显著增加，不利于观察高频电路或窄脉冲。,图4.4-2 示波器探头,探头里有一可调的小电容 C (510pF)和大电阻 R 并联。如果设计示波器输入电阻 Ri 为 1M时，R 应取 9M，同时调整补偿电容 C 可以得到最佳补偿，即满足 CRRiCi 。,调整补偿电容 C 时可得到相应的补偿波形。图(a)为理想补偿的波形， 图(b)为过补偿的波形。 通常(c)为欠补偿的波形。 通常调整 C ， 以达到图(a)所示的理想补偿波形。,2阻抗变换器 阻抗变换器一般可由射极跟随

16、器构成。 射极跟随器的高输入阻抗：使得示波器对外呈现高输入阻抗 射极跟随器的低输出阻抗：容易与后接的低阻延迟线相匹配，也可在发射极接一个电位器，以便微调所显示波形的幅度,3延迟线 为了正确显示波形，必须将接入 Y 通道的被测信号进行一定的延迟，以便与水平系统的扫描电压在时间上相匹配。 通常延迟时间在50200ns之间，延迟应稳定。 对延迟线的基本要求：在垂直系统的工作频带内，它能够无失真地并有一定延时地传递信号。 在带宽较窄的示波器里，一般采用多节 LC 网络作延迟线,4垂直偏转放大器 放大器对信号放大倍数应足够：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。 当示波管灵敏度及示波器偏转因数一定时，放大器的增益 K 为：,(4.4-2),式中，S 为示波器偏转因数，SV 为示波管灵敏度。 当