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1、第4章 电子示波器,电子示波器简称示波器。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。它能把人的肉眼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观察和定量测量。,4.1 概 述,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，它普遍地应用于国防、科研、学校以及工、农、商业等各个领域。,能显示信号波形，可测量瞬时值，具有直观性。,输入阻抗高，对被测信号影响小。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 (微伏格).,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
2、工作频率最宽可达1000MHz，预计不久将研制出带宽2GHz以上的示波器。,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，故可作为比较信号用的高速XY记录仪。,电子示波器的基本特点是：,4.1 概 述,电子示波器的主要用途是：,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。,观测电信号波形。,由于示波器的上述特点，电子示波器除直接用于电量测试外，也可配以其他设备组成综合测量仪器。,4.1 概 述,4.1 概 述,示波器分类,从示波器对信号的处理方式出发，可将示波器分为模拟、数字两大类。,模拟示波器 模拟示波器的X、Y通道对时间信
3、号的处理均由模拟电路完成，即X通道提供连续的锯齿波电压，Y通道提供连续的被测信号，而CRT屏上的图形显示也是光点连续运动的结果，即显示方式是模拟的。,数字示波器 数字示波器则对X、Y方向的信号进行数字化处理，即把X轴方向的时间离散化，Y轴方向的幅值量化，获得被测信号波形上的一个一个的离散点的数据。,1模拟示波器 模拟示波器可分为通用示波器、多束示波器、取样示波器、记忆示波器和专用示波器等。通用示波器采用单束示波管，它又可分为单踪、双踪、多踪示波器。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。,取样示波器是采用时域采样技术将高频周期信号转换为低频离散时间信号显示的，
4、从而可以用较低频率的示波器测量高频信号。,将要观测的信号经衰减、放大后送入示波器的垂直通道，同时用该信号驱动触发电路，产生触发信号送入水平通道，最后在示波管上显示出信号波形。这是最为经典而传统的一类示波器，因此，也常称为通用示波器。,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。,专用示波器是能够满足特殊用途的示波器，又称特种示波器。,2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。它具有记忆、存贮被观察信号功能，可以用来观测和比较单次过程和非周期现象、低频和慢速信号。,由于其具有存储信号的功能，又称为数字存贮示波器（DSO
5、，Digital Storage Oscilloscope）。根据取样方式不同，又可分为实时取样、随机取样和顺序取样三大类。, 4.2 通用电子示波器,一、示波器的基本组成：,Y通道,X通道,1、示波管(CRT)：仪器的核心，显示波形。,2、X通道 ：产生随时间线形变化的扫描电压。,4、触发同步等附属电路：稳定波形。,3、Y通道：将被测 信号进行衰减或线性放大后，输出符合示波器偏转要求的信号。,示波器各个部份的作用：,一、示波器的基本构成,图3-1-1通用示波器组成框图,5、电源：给各部分电路提供能源。,通用电子示波器SR8面板布置图,扫描速度 选择旋钮,X轴扩展拉 键,Y轴灵敏度 选 择 旋
6、 钮,显示模式 选择旋钮,输入信号 耦合方式,示波管主要作用是把被测的电压变换成发光的图形，它由电子枪、偏转系统和荧光屏三个部分组成，如图所示。,二、示波管,图4.2l 示波管及电子束控制电路,（阴极射线管CRT）,1、电子枪（好比画图的笔）,电子枪的作用是发射电子并形成很细的高速电子束。它由灯丝h、阴极K、栅极G1和G2和阳极A1、A2组成。当电流流过灯丝后对阴极加热，阴极产生大量电子，并在后续电场作用下轰击荧光屏发光。,1、电子枪,控制栅极G1呈圆筒状，包围着阴极，只在面向荧光屏的方向开一个小孔，使电子束从小孔中穿过。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G
7、1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,即进行“辉度”控制。调节G1的旋钮叫“辉度”旋钮。,1、电子枪,1、电子枪,第一阳极A1使电子汇聚；第二阳极A2使电子加速。A1和A2与G1对电子束进行聚焦并加速，使到达荧光屏的电子形成很细的一束并具有很高速度。调节A1的电位，即可调节G2与A1和A1与A2之间的电位，调节A1的电位器称为“聚焦”旋钮；调节A2电位的旋钮称为“辅助聚焦”旋钮。,示波管的偏转系统由两对相互垂直的平行金属板组成，分别称为垂直（Y）偏转板和水平（X）偏转板。,2、偏转系统,偏转板在外加电压信号的作用下使电子枪发出的电子束产生偏转。通常，为了示波器有较高的
8、测量灵敏度，Y偏转板置于靠近电 子枪的部位，而 X板在Y的右边。,（控制电子束移动方向）,偏转系统 工作原理图,当偏转板上没有外加电压时，电子束打向荧光屏的中心点；如果有外加电压，则在偏转电场作用下，电子束打向由X、Y偏转板共同决定的荧光屏上的某个坐标位置。,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。,Y = SyVy,Y-偏转距离, Sy-偏转灵敏度, Vy-偏转板电压,（1）垂直偏转板,如果仅在Y1Y2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，产生一条竖线。,若Y1为正，Y2为负，电子束向上运动；而Y1为负，Y2为正，电子束向下运动；电场强则运动距
9、离大，电场弱则运动距离小 。,（2）水平偏转板,同理，在X1、X2偏转板间加锯齿波电压，电子束将根据电场的极性与强弱在水平方向上运动。,当UX 0,则电子束向左偏移,光点出现在屏幕左边；当UX 0,则电子束向右偏移,光点出现在屏幕右边。,锯齿波电压由扫描电路产生。,电子束最终的运动情况取决于水平方向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。,（3）波形显示原理,电子束在荧光屏上产生的亮点在屏幕上移动的轨迹，是加到偏转板上的电压信号的波形。根据这个原理，示波器可显示随时间变化的信号波形和显示任意两个变量X与Y的关系图形。,以后，在被测信
10、号的第二个周期、第三个周期等都将重复第一个周期的情形，光点在荧光屏上描出的轨迹也将重叠在第一次描出的轨迹上，因此，荧光屏显示的是被测信号随时间变化的稳定波形。,当Y偏转板加正弦波信号电压 uy=Umsint，X偏转板加锯齿波电压ux=kt 的情况：,如上所述，如果在X偏转板上加上一个锯齿波电压ux=kt（k为常数），垂直偏转板不加电压，那么光点在X方向做匀速运动，光点在水平方向的偏移距离与扫描电压成线性关系。,（4）扫描的概念,这样，X方向偏转距离的变化就反映了时间的变化。此时光点水平移动形成的水平亮线称为“时间基线”。,X ux,X ux t,光点在锯齿波作用下扫动的过程称为“扫描”，能实现
11、扫描的锯齿波电压称为扫描电压，光点自左向右的连续扫动称为“扫描正程”，光点自荧光屏的右端迅速返回左端起扫点的过程称为“扫描逆程”。理想锯齿波的逆程时间为0。,当锯齿波电压达到最大值时，荧光屏上的光点也达到最大偏转，然后锯齿波电压迅速返回起始点，光点也迅速返回屏幕最左端，再重复前面的变化。,（4）扫描的概念,同步时，则每次扫描的起点都对应在被测信号的同一相位点上，这就使得扫描的后一个周期描绘的波形与前一周期完全一样，每次扫描显示的波形重叠在一起，在荧光屏上可得到清晰而稳定的波形。,（5）同步的概念,当扫描电压的周期是被观测信号周期的整数倍时，即Tx=nTy(n为正整数)，称扫描电压与被测电压“同
12、步” 。,当uy信号为正弦波时，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 相等或成整倍数时，才能稳定地显示一个或n个正弦波形，如图422(b)、(c)所示。,（5）同步的概念,不满足同步关系时， 即TxnTy时，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，显示的波形是不稳定的，屏幕上的波形会有“移动” 现象。,不同步的情况,在图3-1-4所示的例子中,Tx=(5/4)Ty,在第一个扫描周期开始,光点沿0123 45轨迹移动,扫描结束时,光点迅速从5回到0 ；,接着第二个扫描周期开始,这时光点从0 678910轨迹移动,可见与第一次扫描轨迹不重合,第一次显示的波形为图
13、中实线示。,第二次显示的波形则为 图中虚线所示,这样我 们看到的是波形从右向左移动,即显示的波形不是稳定的。,不同步的情况, 示波器可通过调节扫描锯齿波电压信号的周期(或频率) ，使 Tx=nTy(n为正整数) ，来实现“同步”,当被测信号的频率fy发生微小变化时,示波器内还有频率自动跟踪电路,调整其参数可以使扫描信号的频率自动跟踪被测信号的频率变化,这称为整步或同步,示波器上的“整步(或同步)调节”旋纽即为此而设。,调同步方法,（6）扫描方式,、连续扫描扫描电压是连续的，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。,采用连续扫描观测占空比小的脉冲信号将存在以下的问题：,（1
14、）扫描周期等于脉冲周期时，即Tx=Ty。此时，屏幕上出现的脉冲波形集中在时间基线的起始部分，难以看清脉冲波形的细节，如图所示。,（2）扫描周期等于脉冲底宽时，即Tx=。为了将脉冲波形的一个周期显示在屏幕上，必须扫描一个周期，而此时Tx比Ty小得多。因此，在一个脉冲周期内，光点只有一次扫描到脉冲图形，结果在屏幕上显示的脉冲波形非常暗淡，而时间基线由于反复扫描却很明亮，如图所示。这样，观测者不易观察波形，而且扫描的同步很难实现。,扫 描 频率过高,、触发扫描：由被测信号激发扫描发生器的间断的工作方式。观测脉冲信号可控制扫描脉冲，使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
15、于等待工作状态。只要选择扫描电压的持续时间等于或稍大于脉冲底宽，则脉冲波形就可展宽得几乎布满横轴。同时由于在两个脉冲间隔时间内没有扫描，故不会产生很亮的时间基线，如图所示。,触发扫描,（7）增辉电路（Z轴）,为了使回扫线不在荧光屏上显示，可以设法在扫描正程期间，使电子枪发射的电子远远多于扫描逆程，即给示波器增辉，这样观测者看到的就只有扫描正程显示的波形，因此设置了增辉电路。另外扫描期间的增辉还可以保护荧光屏。,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。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，发光的颜包不尽相同，一般示波器选用人眼最为敏感的黄绿
16、色。,荧光粉从电子激发停止时的瞬间亮度下降到该亮度的10所经过的时间称为余辉时间。荧光粉的成份不同，余辉时间也不同，为适应不同需要，将余辉时间分成为长余辉(100ms1s)、中余辉(1ms100ms)和短余辉( 10 s10ms )的不同规格。普通示波器需采用中余辉示波管，而慢扫描示波器则采用长余辉示波管.,（好比黑板或画纸）,垂直通道的作用：将输入的被测信号进行衰减或线性放大后，输出符合示波器偏转要求的信号，以推动垂直偏转板，使被测信号在屏幕上显示出来。,三、通用示波器的Y(垂直)通道,垂直通道的构成：1、输入电路，2、延迟线， 3、Y前置放大器， 5、Y后置放大器等。,输入电路主要是由衰减器和输入选择开关构成的。衰减器的作用是衰减输入信号，进行频率补偿。,1、输入电路,Y通道的输入耦合方式,输入耦合方式设有AC、GND、DC三档选择开关。置“AC”档时，适于观察
