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1、第5章 时域测量,5.1 概述 5.2 CRT显示原理 5.3 通用示波器 5.4 采样示波器 5.5 波形存储及显示技术 5.6 示波器的基本测试技术,5.1 概述,5.1.1 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,1 模拟示波器,模拟示波器可分为通用示波器、多束示波器、采样示波器、记忆示波器和专用示波器等 通用示波器采用单束示波管，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 采样示波器可以用较低频
2、率的示波器测量高频信号 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,5.1.2 主要技术指标,1频带宽度BW和上升时间tr 示波器的频带宽度BW一般指Y通道的频带宽度 上升时间tr是一个与频带宽度BW相关的参数，表示由于示波器Y通道的频带宽度的限制，反映了示波器Y通道跟随输入信号快速变化的能力 频带宽度BW与上升时间tr的关系可近似表示为,2扫描速度 扫描速度是指荧光屏上单位时间内光点水平移动的距离，单位为“cm/s” 荧光屏上通常用间隔1cm的坐标线作为刻度线，因此扫描速度的单位可表示为“cm/div” 扫描速度
3、的倒数称“时基因素”，表示单位距离代表的时间，单位为“t/cm”或“t/div”，时间t可为s、ms或s，在示波器的面板上，通常按“1、2、5”的顺序分成很多档,3偏转因素 偏转因素指在输入信号作用下，光点在荧光屏上的垂直（Y）方向移动1cm（即1格）所需的电压值，单位为“V/cm”、“mV/cm”（或“V/div”、“mV/div”） 偏转因素表示示波器Y通道的放大/衰减能力 偏转因素的倒数称为“（偏转）灵敏度”,4输入阻抗 当被测信号接入示波器时，输入阻抗Zi形成被测信号的等效负载 5输入方式 即输入耦合方式，一般有直流（DC）、交流（AC）和接地（GND）三种，可通过示波器面板选择 6触
4、发源选择方式 触发源是指用于提供产生扫描电压的同步信号来源，一般有内触发（INT）、外触发（EXT）、电源触发（LINE）三种,5.2 CRT显示原理,5.2.1 CRT CRT主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成，基本结构如下图所示,1 电子枪,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F、阴极K、栅极G1和G2和阳极A1、A2组成 通过调节G1对K的负电位可控制电子束的强弱，从而调节光点的亮度，即进行“辉度”控制 调节A1的电位器称为“聚焦”旋钮，通过对它进行调节可调节G2与A1和A1与A2之间的电位；调节A2电位的旋钮称为“辅助聚焦”,电子束聚焦的原理是，电子从阴极K发射
5、，经G1、G2、A1、A2聚焦和加速后进入偏转系统 电子在电子枪中的运动轨迹如下图所示,2 偏转系统,示波管的偏转系统由两对相互垂直的平行金属板组成，分别称为垂直偏转板和水平偏转板 当有外加电压作用时，偏转板之间形成电场；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 为了示波器有较高的测量灵敏度，Y偏转板置于靠近电子枪的部位，而X偏转板在Y的右边,3 荧光屏,荧光屏将电信号变为光信号，是示波管的波形显示部分 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，否则将使荧光屏受损。因此在示波器开启后不使用的时间内，可将“辉度”调暗 当电子束停止轰击荧光屏时，
6、光点仍能保持一定的时间，这种现象称为“余辉效应”,5.2.2 波形显示的基本原理,1显示随时间变化的图形 （1）Ux、Uy为固定电压时，有下面四种情况：,光点出现在荧光屏的中心位置,光点仅在垂直方向偏移 ： Uy为正电压时，光点从荧光屏的中心往垂直方向上移； Uy为负电压时，光点从荧光屏的中心往垂直方向下移,光点仅在水平方向偏移 ： Ux为正电压时，光点从荧光屏的中心往水平方向右移； Ux为负电压时，光点从荧光屏的中心往水平方向左移,当两对偏转板上同时加固定的正电压时，光点位置应为两电压的矢量合成,（2）X、Y偏转板上分别加变化电压，有下 面两种情况：,仅在垂直偏转板的两板间加正弦变化的电压，
7、则光点只在荧光屏的垂直方向来回移动，出现一条垂直线段,仅在水平偏转板的两板间加锯齿电压，则光点只在荧光屏的水平方向来回移动，出现一条水平线段,（3）Y偏转板加 正弦波信号电压， X偏转板加锯齿波 电压，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,2显示任意两个变量之间的关系 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育（Lissajous）图形，这种图形在相位和频率测量中常会用到,若两信号的初相相同，且在X、Y方向的偏转距离相同，在荧光屏上画出一条与水平轴呈45度角的直线,若两信号的初相相差90度，且在X、Y方向的偏转距离相同，在荧光屏上画出的图形为圆,3扫描的概念
8、 如果在X偏转板上加一个随时间线形变化的电压，垂直偏转板不加电压，那么光点在水平方向的偏移距离为 ，比例系数Sx称为示波管的X轴偏转灵敏度 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称为扫描电压，光点自左向右的连续扫动称为“扫描正程”，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”,4同步的概念 （1）Tx=nTy(n为正整数)：荧光屏上将稳定显示n个周期的被测信号波形,n=2,如果扫描电压周期Tx与被测电压周期Ty保持Tx=nTy的关系，则称扫描电压与被测电压“同步”,（2）TxnTy(n为正整数)，即不满足同步关系时，显示的波形不稳定,5连续扫描和触发扫描 扫
9、描电压是连续的方式称为连续扫描 当欲观测脉冲信号，尤其是占空比很小的脉冲时，采用连续扫描存在一些问题：选择扫描周期等于脉冲重复周期时，难以看清脉冲波形的细节,选择扫描周期等于脉冲底宽时，观测者不易观察波形，而且扫描的同步很难实现,触发扫描时，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，扫描发生器处于等待工作状态,6扫描过程的增辉 为了使回扫产生的波形不在荧光屏上显示，可以设法在扫描正程期间，给示波器增辉,若不增辉将产生如图的回扫线,5.3 通用示波器,5.3.1 通用示波器的组成,5.3.2 通用示波器的垂直通道 1输入电路：包括衰减器和输入选择开关 （1）衰减器,最佳补偿条件：,
10、过补偿：,欠补偿：,改变分压比的开关为示波器的垂直灵敏度粗调开关，在面板上用“V/cm”标记,（2）输入耦合方式 输入耦合方式设有AC、GND、DC三档选择开关 观察交流信号时，置“AC”档 确定零电压时，置“GND”档 观测频率很低的信号或带有直流分量的交流信号 时，置“DC”档,2前置放大器 前置放大器将信号适当放大，从中取出内触发信号，并具有灵敏度微调、校正、Y轴移位、极性反转等控制作用 Y前置放大器大都采用差分放大电路，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位，相应的Y偏转板上的直流电位和波形在Y方向的位置也会改变 可通过调节“Y轴位移”旋钮，调节直流电位以改变被
11、测波形在屏幕上的位置,3延迟线 触发扫描时，扫描的开始时间总是滞后于被观测脉冲一段时间，这样，脉冲的上升过程就无法被完整地显示出来,左图为没有延迟线时屏幕上显示的脉冲,3延迟线（续） 延迟线的作用就是把加到垂直偏转板上的脉冲信号延迟一段时间，以保证在屏幕上扫描出包括上升时间在内的脉冲全过程 延迟线的输入级需采用低输出阻抗电路驱动，而输出级则采用低输入阻抗的缓冲器,4Y输出放大器 Y输出放大器是将延迟线传来的被测信号放大到足够的幅度，用以驱动示波管的垂直偏转系统，使电子束获得Y方向的满偏转 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 Y输出放大器大都采用推挽式放大
12、器，有利于提高共模抑制比。可采用改变负反馈的方法改变放大器的增益 （面板上的“5”或“10”开关 ）,5.3.3 通用示波器的水平通道,水平通道包括触发电路、扫描电路和水平放大器等部分，其主要任务是产生随时间线性变化的扫描电压，再放大到足够的幅度，然后输出到水平偏转板，使光点在荧光屏的水平方向达到满偏转,1触发电路 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。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,（1）触发源选择 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，适用于观测被测信号 外触发（EXT）：用
13、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 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）触发耦合方式 “DC”直流耦合：用于接入直流或缓慢变化的触发信号 “AC”交流耦合：用于观察从低频到较高频率的信号 “AC低频抑制”耦合：用于观察含有低频干扰的信号 “HF REJ”高频抑制耦合：用于抑制高频成分的耦合,（3）扫描触发方式选择（TRIG MODE） 常态（NORM）触发方式：指有触发源信号并产生了有效的触发脉冲时，荧光屏上才有扫描线 自动（AUTO）触发方式：有连续扫描锯齿波电压输出，荧光屏上总能
14、显示扫描线 电视（TV）触发方式：是在原有放大、整形电路基础上插入电视同步分离电路实现的，以便对电视信号（如行、场同步信号）进行监测与电视设备维修,（5）放大整形电路 放大整形电路的作用是对触发信号进行放大、整形，以满足触发信号的要求。 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扫描发生器环 扫描发生器环又叫时基电路，常由积分器、扫描闸门及比较释抑电路组成,（1）扫描方式选择： 包括连续扫描和触发扫描。 （2）扫描门 1）控制积分器扫描 2）起正程加亮作用 3）使
15、双踪示波器工作于交替状态,3水平放大器 其基本作用是选择X轴信号，并将其放大到足以使光点在水平方向达到满偏的程度 X放大器的输入端置于“内”时，X放大器放大扫描信号；置于“外”时，水平放大器放大由面板上X输入端直接输入的信号,5.3.4 通用示波器的其他电路,1高、低压电源 分别用于示波器的高、中压和直流供电 2Z轴的增辉与调辉 增辉：将闸门信号放大，使显示的波形正程加亮 调辉：加外调制信号或时标信号，使屏幕显示的波形发生相应地变化 3校准信号发生器 可产生幅度和频率准确的基准方波信号，为仪器本身提供校准信号源,5.3.5 示波器的多波形显示,1多线示波 利用多枪电子管来实现的 测试时各通道、
16、各波形之间产生的交叉干扰可以减少或消除，可获得较高的测量准确度 2多踪示波 在单线示波的基础上增加了电子开关，利用分时复用的原理，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时显示,2多踪示波,“Y1”通道（CH1）、“Y2”通道（CH2）和叠加方式（CH1+CH2）都只显示一个波形,交替方式（ALT）：适合于观察高频信号,断续方式（CHOP）：适用于被测信号频率较低的情况,5.3.6 双时基扫描显示,双时基示波器有两个独立的触发和扫描电路，特别适用于在观察一个脉冲序列的同时，仔细观察其中一个或部分脉冲的细节,5.4 采样示波器,5.4.1 概述 1取样的基本概念 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 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称为实时取样 从被测信号的许多相邻波形上取得样点的方法称为非实时取样，或称为等效取样,实时取样示意图,非实时取样示意图,2取样原理 核心电路取样保持器示意图 两个取样脉冲的时间
