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1、第7章 示波测试技术 内容提要 n n 介绍了示波器图象显示的基本原理； 分析了通用示波器、取样示波器、记忆 存储示波器及数字存储示波器的工作原 理；重点介绍了通用示波器电路组成、 测试的基本原理、测试方法；并详细介 绍使用示波器进行电压、时间、相位等 参量测试的方法。 重点与难点 重点： 掌握各种示波器的电路组成、测试的 基本原理、测试方法及应用；掌握扫 描、同步、触发等基本概念。 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 。 模拟示波器 数字示波器 7.1 概述 n 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，品种最多、数 量最大、最常用的一种
2、仪器，使用示波器 可直观地看到电信号随时间变化的图形。 更广泛的，只要能把两个有关系的变量转 化为电参数，分别加至示波器的X、Y通道, 就可以在荧光屏上显示这两个变量之间的 关系。 7.1.1 示波器的分类 7.1.2 示波器的主要技术指标 7.2 示波测试的基本原理 n7.2.1 示波器的测试过程 Y轴 偏转系统 X轴 偏转系统 图7.1示波器结构的框图 被测信号 示波管 7.2.2 阴极射线示波管 n n1电子枪 n 电子枪由灯丝F、阴极K、栅极G1和 G2、阳极A1和A2组成。 n 当灯丝F通电后，加热阴极，涂有氧 化物的阴极发射出大量的电子，电子在 阳极吸引下形成电子束，轰击荧光屏上
3、的荧光粉发光。 n2偏转系统 n 两对相互垂直的、平行的金属板X偏 转板和Y偏转板共同作用，决定任一瞬间 光点在屏上的位置。 n 在偏转电压Uy的作用下，Y方向的偏转 距离为 n 式中 n L 偏转板的长度； n S 偏转板中心到屏幕中心的距 n 离； n b 偏转板之间的距离； n Uy垂直偏转板所加偏转电压； n Ua 第二阳极电压。 n L、b、S均为常数，第二阳极的电压Ua也 基本不变，所以Y方向的偏转距离y正比于偏转 板上的电压 uy ，即 n 式中 n y Y方向的偏转距离； n 比例系数，称为示波管的偏转 因数，单位为cm/V； n uy 垂直偏转板所加的偏转电压。 其中，比例系
4、数 的倒数称为示波 管的垂直灵敏度，单位为V/cm。 垂直偏转灵敏度是示波管的一个重 要参数。 在一定范围内，荧光屏上光点偏移 的距离与偏转板上所加电压成正比，这 是用示波管观测波形的理论根据。 3荧光屏 示波管荧光屏的内壁涂有一层荧 光物质，当高速电子轰击荧光屏上荧 光物质时，荧光将电子的动能转变为 光能，产生亮点。 光点的亮度取决于轰击电子束中 电子的数目、密度和速度。 余辉时间 操作注意 7.2.3 图象显示的基本原理 n1显示随时间变化的图形 n 图(a) Vx=Vy=0 (b) Vx=0，Vy=常量 (c) Vx=常量，Vy=0 (d) Vx=常量，Vy=常量 图7.4固定电压与光点
5、偏移的关系图 (a) Y偏转板加正弦波信号 (b) X偏转板加锯齿波信号 图7.5 可变电压与光点偏移的关系图 +ux -ux t Tn 0 2 3 4 ux 1 +uy TS t 0 2 3 4 uy 1 0 -uy 2 3 4 1 02 34 1 nY偏转板加正弦波信号电压 nX偏转板加锯齿波电压 。 n 即X、Y偏转板同时加电压，假设 ，则电子束在两个电压的同时作用下， 在水平方向和垂直方向同时产生位移， 荧光屏上将显示出被测信号随时间变化 的一个周期的波形曲线。如图7.6所示 。 图7.6 X、Y偏转板同时加信号时光点的轨迹 图 2显示任意两个变量之间的关系 n 示波器两个偏转板上都加
6、正弦电压时显示李 沙育(Lissajous)图形。 3扫描的概念 光点在锯齿波作用下扫动的过程称为 扫描。 能实现扫描的锯齿波电压叫扫描电压 。 光点自左向右的连续扫动称为“扫描 正程”，光点自屏的右端迅速返回起 扫点的过程称为“扫描逆程”。 4同步的概念 同步即荧光屏上显示稳定的波形，即 显示曲线形状相同，并有同一个起点 。 u (n为正整数) u (n为正整数) 图7.7 Tx =2Ty时荧光屏显示的波形情况 Ty t uy Tx =2Ty ux t 0 1 2 3 4 5 0 ， ， 6 7 9 10 Ty t uy 0 1 2 3 4 5 Tx =5/4Ty ux t 图7.9 时荧光
7、屏显示的波形情况 5连续扫描和触发扫描 n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。 (b)连续扫描Tx=Ty (c)连续扫描Tx= (a)被测信号 (d)触发扫描Tx= 图7.10连续扫描和触发扫描的比较 ux 0 Txt 0 uy t Ty ux 0 t Tx ux 0 tTx 7.3 通用示波器 n 7.3.1 通用示波器的组成 n 主要由示波管、垂直通道和水平通 道三部分组成。此外，还包括电源电路， 它产生示波管和仪器电路中需要的多种电 源。通用示波器中还常用附有校准信号发 生器，产生幅度或周期非常稳定的校准信 号，用于示波器的校准，以便
8、对被测信号 进行定量测试。 Y输入Y输入 电路 Y前置 放大器 延迟线 Y后置 放大器 增辉 电路 高压 电源 低压 电源 X放大 电路 扫描 电路 触发 电路 校准信号 发生器 外触 发 输入 X输入 校准信 号输出 正高压 负高压 各电路 7.3.2 通用示波器的垂直通道 n 垂直通道（Y轴通道）是对被测信 号处理的主要通道，它将输入的被测信 号进行衰减或线性放大，并在一定范围 内保持增益稳定，最后，输出符合示波 管偏转要求的信号，以推动垂直偏转板 ，使被测信号在屏幕上显示出来。 n 垂直通道包括输入电路、Y前置放 大器、延迟线和Y后置放大器等部分 。 1输入电路 n 主要是由衰减器和输入
9、选择开关构成。 n衰减器 n 衰减器如图7.12所示。当 时， 衰减器的分压比为 n n n 改变分压比，即改变示波器的偏转灵敏 度。改变分压比的开关即为示波器垂直灵敏度 粗调开关，在面板上常用Vcm标记。 输入衰减器原理图 输入耦合方式 n输入耦合方式设有AC、GND、DC三档选择 开关。 n置“AC”时，输入信号经电容耦合到衰减器 上，只有交流分量可通过，适于观察交流信 号。 n置“GND”时，用于确定零电平，即不需要断 开被测信号，可为示波器提供接地参考电平 。 n置“DC”时，输入信号直接接到衰减器，用 于观测频率很低的信号或带有直流分量的交 流信号。 2前置放大器 前置放大器将信号适
10、当放大，并从中取 出内触发信号，具有灵敏度调节、校正、Y 轴移位等控制作用。 3延迟线 延迟线是一种起延迟时间作用传输线。 目前延迟线主要有两种，一种是采用双 股螺旋平衡式延迟电缆；另一种是利用LC非 线性电路的后滞作用构成的多节LC网络。 4Y输出放大器 Y输出放大器是Y通道的主放大器，它的 功能是将延迟线传输来的被测信号放大到足 够的幅度，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。 7.3.3 通用示波器的水平通道 n 水平通道（X轴通道）的主要 任务是产生随时间线性变化的扫描电 压，再放大到足够幅度，然后输出推 挽信号，加到水平偏转板上，使光点 在荧光屏的水平方向达到满
11、偏转。 水平系统组成框图 水平系统通道包括触发电路、扫描 电路和水平放大器等部分。 触发电路 触发耦合方 式选择 触发源 选择 放大整形 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7.13水平系统组成框图 1触发电路 n触发电路的作用是为扫描信号发生器提供符合要 求的触发脉冲。 n触发电路包括触发源选择、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。 n触发源选择 n触发源一般有3种类型的触发源，用开关S1选择 ，如图7.14所示。 n触发耦合方式 n示波器一般设有4种触发耦合方式，可用开关S2 选择
12、，如图7.14所示。 图7.14触发源与触发耦合方式选择电路 内触发 外触发输入 电源触发 S1 触发源选择 C1 触发源耦合 方式选择 S2DC AC LF REJ C2 C3 HF REJ 触发极性选择 触发放大 整形 电路 扫描触发方式选择（TRIG MODE ） n扫描触发方式通常有常态（NORM）、自动（AUTO ）2种方式。 na. 常态（NORM）触发方式 n是指只有在有触发源信号，并且产生了有效的触发脉 冲时，扫描电路才能被触发，才能产生扫描锯齿波电 压，荧光屏上才有扫描线。 nb. 自动（AUTO）触发方式 n自动触发方式是指在一段时间没有触发脉冲时，扫描 系统按连续扫描方式
13、工作，此时扫描电路处于自激状 态，有连续扫描锯齿波电压输出，荧光屏上显示出扫 描线。 n自动触发方式是一种最常用的触发方式。 触发极性选择和触发电平 图7.15不同触发电平和触发极性下所显示的波形 （a）被测正弦信号 （b）零电平 正极性触发 （d）正电平 负极性触发 （e）负电平 负极性触发 （c）正电平 正极性触发 （f）负电平 正极性触发 0 t 0 2 3 uy 1 4 1 4 3 2 2扫描信号发生电路 n 扫描发生器用来产生线性良好的锯齿波，又 叫时基电路，常由积分器、扫描门及比较和释 抑电路组成，如图7.16所示。 图7.16扫描信号发生器组成框图 比较和 释抑电路 扫描 闸门
14、扫描电 压产生电 路送X 放大器 触发脉 冲 触发 连续 扫描方式选择 n 为了更好地观测各种信号，示波器应 该既能连续扫描又能触发扫描，扫描方 式的选择通过开关进行。在连续扫描时 ，没有触发脉冲信号，扫描闸门也不受 触发脉冲的控制，仍会产生门控信号， 并启动扫描发生器工作；在触发扫描时 ，只有在触发脉冲作用下才产生门控信 号。 扫描门 n扫描门是用来产生闸门信号的，它有 三个作用。 na. 输出时间准确的矩形开关信号，又 称闸门信号，控制积分器扫描。 nb. 闸门信号可作为增辉脉冲控制示波 管，起正程加亮作用。 nc. 在双踪示波器中利用闸门信号触发 电子开关，使之工作于交替状态。 RC2RC1 Rb2 ui +E T1 Re Rb1 T2 uo （a）电路图 （b）工作波形 图7.17施密特触发器构成的扫描门 积分器 n扫描电压是锯齿形的，它由积分器产生。 na. 简单锯齿波的形成 （a）电路图 （b）工作波形 图7.17简单锯齿波的形式 K E C R uo E t b. 线性良好锯齿波的获得 图7.19密勒积分器的电路模型 C R uo ui i 比较和释抑电路 n 比较电路
