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1、第7章 信号波形测量,7.1 概述 7.2 CRT显示原理 7.3 通用示波器 7.4 取样示波器 7.5 波形存储及显示技术 7.6 示波器的基本测试技术,7.1 概述,7.1.1 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、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，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
2、器可以用较低频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。,7.1.2 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,7.1.2 主要技术指标,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，
3、因此扫描速度的单位也可表示为“div/s”。 扫描速度的倒数称为“时基因数”，它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。,7.1.2 主要技术指标,3偏转因数 偏转因数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”）。 偏转因数表示了示波器Y通道的放大/衰减能力。 偏转因数的倒数称为“（偏转）灵敏度”。,7.1.2 主要技术指标,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
4、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。,7.2 CRT显示原理,7.2.1 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
5、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，经G1、G2、A1、A2聚焦和加速后进入偏转系统。,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。,2 偏转系统,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： 示波管的Y轴偏转灵敏度（单位为cm/V）：
6、 其倒数为示波管的Y轴偏转因数。偏转灵敏度越大，示波管越灵敏。 为提高Y轴偏转灵敏度，可在偏转板至荧光屏之间加一个后加速阳极A3。,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。,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，光点仍能保持一定的时间，这种现象称为“余辉效应”。,7.2.2 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
7、：,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。,7.2.2 波形显示的基本原理,1显示随时间变化的图形（续）,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。,7.2.2 波形显示的基本原理,1显示随时间变化的图形（续） （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，则光点只在荧光屏的垂直方向来
8、回移动，出现一条垂直线段。,7.2.2 波形显示的基本原理,1显示随时间变化的图形（续）,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。,7.2.2 波形显示的基本原理,1显示随时间变化的图形（续） （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。,7.2.2 波形显示的基本原理,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
9、荧光屏上画出一条与水平轴呈45度角的直线。,7.2.2 波形显示的基本原理,2显示任意两个变量之间的关系（续）,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。,7.2.2 波形显示的基本原理,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”。,7.2.2 波形显示的基本原理,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=n
10、Ty的关系，则称扫描电压与被测电压“同步”。,7.2.2 波形显示的基本原理,4同步的概念（续） （2）TxnTy(n为正 整数)，即不满足同 步关系时，显示的 波形不稳定。,7.2.2 波形显示的基本原理,5连续扫描和触发扫描 扫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。,7.2.2 波形显示的基本原理,5连续扫描和触发扫描（续） 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。,7.2.2 波形显示的基本原理,5连续扫描和触发扫描（续） 触发扫描时，
11、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。,7.2.2 波形显示的基本原理,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,7.3 通用示波器,7.3.1 通用示波器的组成,7.3 通用示波器,7.3.2 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 ：,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。,7.3 通用示波器,（2）输入耦合方式 输入耦合方式设有AC、GND、DC三档
12、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。,7.3.2 通用示波器的垂直通道,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测波形在屏幕上的位置。,7.3.2 通用示波器的垂直通道,3延迟线 触发扫描时，扫描的开始时间总是滞后于被
13、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。,7.3.2 通用示波器的垂直通道,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。,7.3.2 通用示波器的垂直通道,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 ）。,
