电子测量第3章示波测试和测量技术讲义教材

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1、第3章 示波测试和测量技术,*3.1 示波测试的基本原理 *3.2 模拟示波器 3.3 示波器的取样 3.4 示波器的多波形显示（补充） 3.5 数字存储示波器 *3.6 示波器的使用, 示波器的波形显示原理, 模拟示波器的使用,本章重点：,1. 示波器是一种基本的、应用最广泛的时域测量仪器。,2. 示波器是一种全息仪器。示波器能让人们观察到信号波形的全貌，能测量信号的幅度、频率、周期等基本参量，能测量脉冲信号的脉宽、占空比、上升（下降）时间、上冲、振铃等参数，还能测量两个信号的时间和相位关系。这些功能是其它电子仪器难以胜任的。,3. 示波器从早期的定性观测，已发展到可以进行精确测量。,4.

2、示波器是其它图式仪器的基础。对扫频仪、频谱仪、逻辑 分析仪以及医用B超等各种图示仪器就容易理解了。,示波器概述,3.1 示波测试的基本原理,3.1.1 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。,3.1.1 示波管（CRT）,示波管属于电真空器件，又称为阴极射线管（CRT）。,1 电子枪,电子枪的作用是发射电子并形成强度可控制的很细的电子束。 它由以下几部分组成：,1.灯丝F在交流低压(如6.3V)下使钨丝烧热,用于加热阴极。,2.阴极K是一个表面涂有氧化钡（其逸出功小，内部自由电子容易逸出） 的金属,3.第一栅极G1调节G1的电位可以调节示波器的亮度，即进行

3、“辉度”调节，常置于示波器面板上供使用。,当控制信号加于G1，其亮度可随之改变，则可以传递信息，称为示波器的 Z轴电路。,4.第二栅极G2隔离开G1和A1，以减小亮度调节与聚焦调节的相互影响。,5.第一阳极A1与第二阳极A2构成一个电子透镜，对电子束起聚焦作用。,6.第二阳极A2是个更大的同轴圆筒，其上电压较高，它主要与A1构成 电子透镜。调节A2电位的旋钮称为“辅助聚焦”。,7.第三阳极A3具有上万伏的高压，用于对电子束加速，故也称后加速 阳极。,1 电子枪（续）,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。 电子在电子枪中的运动轨迹如下图所示。,

4、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,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轴偏转因数（单位为cm/V）： 其倒数为示波管的Y轴偏转灵敏度（单位是V/cm）。偏转灵敏度越小，示波管越灵敏。 为提高Y轴偏转灵敏度，一般在偏转板至荧光屏之间加一个后加速阳极A3 (PDA，先偏转后加速系

5、统) 。 X轴偏转系统原理和Y轴偏转系统类似,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。,在一定范围内，荧光屏上光点的偏移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依据。,3 荧光屏,荧光屏将电信号变为光信号，以显示波形。 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，应将“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”。 由于“余辉效应”和人眼“视觉残留”效应，使我们能够看到动态波形。（电子束每一瞬间都只击中荧光屏上的一个

6、点）,荧光屏,在示波管正面内壁涂上一层荧光物质，荧光物质将高速电子的 轰击动能转变为光能，产生亮点。,余辉时间：当电子束从荧光屏上移去后，光点仍能在屏上保持 一定的时间才消失。从电子束移去到光点：亮度下降为原始值 的10，所延续的时间称为余辉时间,小于10s的为极短余辉；,不同荧光材料余辉时间不一样：,10s1ms为短余辉（通常是蓝色，便于摄影感光）；,1ms0.1s为中余辉（通常为绿色，眼睛不易疲劳）；,0.1s1s为长余辉（通常是黄色）；,大于1s为极长余辉（通常是黄色）。,3.1.2 图像显示的基本原理,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

7、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。,3.1.2 图像显示的基本原理,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。,3.1.2 图像显示的基本原理,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回移动，出现一条

8、垂直线段。,3.1.2 图像显示的基本原理,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（扫描电压），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，称时间基线。 光点自左向右的连续扫动称扫描正程，光点自右端迅速返回起扫点称，扫描回程。,3.1.2 图像显示的基本原理,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。,由0、1、2、3、4各点的显示情况可以理解波形显示过程,3.1.2 图像显示的基本原理,2扫描的概念 如果在X偏转板上加一个随时间线形变化的电压，垂直

9、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轴偏转因数。 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“扫描回程”。,3.1.2 图像显示的基本原理,3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”。,3.1.2 图像显示的基本原理,3同步的概念（续） （2）TxnTy(n为正 整数)，即不满足同 步关系时

10、，显示的 波形不稳定。,3.1.2 图像显示的基本原理,4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。,3.1.2 图像显示的基本原理,4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（Ts不一定是脉冲底宽的整数倍）。,3.1.2 图像显示的基本原理,4连续扫描和触发扫描（续） 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。,3.1.2 图像显示的基本原理,5

11、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,3.2 模拟示波器（通用示波器）,3.2.1 通用示波器的分类和组成 通用示波器的分类： 1 模拟示波器 单束示波管 2 多束示波器 多束示波管。屏上单独显示每个独立波形，用于同时观测、比较两个以上的波形 3 取样示波器 采用非实时取样将高频信号转换为低频信号，然后显示 4 记忆、存储示波器 具有记忆、存储被观察信号功能 5 专用示波器 如：矢量示波器和逻辑示波器,3.2 模拟示波器,3.2.1 通用示波器的分类和组成 通用示波器的组成：,3.2 模拟示波器,3.2.

12、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:保证显示在荧光屏上的信号不因过大而失真,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。,3.2 模拟示波器,（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。,3.2.2 模拟示波器的垂直通道,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

13、。 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。,3.2.2 模拟示波器的垂直通道,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。,3.2.2 模拟示波器的垂直通道,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。,3.2.2 模拟

14、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，“1”可以用来“校正”以进行定量测量 ）。,3.2.3 示波器的水平通道,水平通道包括触发电路、扫描器发生环和X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

15、。,3.2.3 通用示波器的水平通道,1.触发电路,作用-为扫描门提供周期与被测信号有关的触发脉冲,(1)触发源选择,“内”触发：利用从Y通道来的被测信号作触发信号，这是最 常用的情况；,“外”触发：是用外接信号作触发信号，但触发信号的周期应 与被测信号有一定的关系，外触发常用在被测信号不适宜作触 发信号或比较两个信号时间关系的情况。,“电源触发”：在观测与电源有关的信号时，可选“电源”触 发，以便于与电源同步。,(2)触发耦合方式,“DC”直接耦合：用于直流或缓慢变化的信号进行触发时；,“AC”交流耦合：若用交流信号触发，置AC方式，这时电容 C1（约0.47F）起隔直作用；,“低频抑制”：

16、利用C1、C2（约0.01F）串联后的电容，抑 制信号中大约2kHz以下的低频成分，主要目的是滤除信号中 的低频干扰；,“HF”高频耦合：利用C1和更小的C3（约1000pF）串联后 只允许通过频率很高的信号。,3.2.3 通用示波器的水平通道,1触发电路（续） （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。,3.2.3 通用示波器的水平通道,1触发电路（续） （4）触发极性选择和触发电平调节 触发极性和触发电平决定触发脉冲产生的时刻，并决定被显示信号的起始点。 触发极性是指触发点位于触发源信号的上升沿还是下降沿。,3.2.3 通用示波器的水平通道,（4）触发极性选择和触发电平调节,