电子示波器及测量技术教学提纲

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1、第5章 电子示波器及测量技术,电子示波器的类型； 掌握示波管及波形显示原理、通用电子示波器的组成及原理； 示波器的双踪显示原理； 通用电子示波器的正解选择与使用； 通用示波器的基本测量方法； 电子示波器的发展。,5.1 概述,电子示波器（简称示波器）是一种以阴极射线管作为显示器的显示信号波形的测量仪器。它对电信号的分析是按时域法进行的，即研究信号的瞬时幅度与时间的函数关系。,5.1.1 电子示波器的主要特点,1具有良好的直观性，可直接显示信号的波形；也可测量信号的瞬时值。 2灵敏度高、工作频带宽、速度快，对观测瞬变信号的细节带来了很大的便利。 3输入阻抗高（兆欧级），对被测电路的影响小。,5.

2、1.2 电子示波器的类型,电子示波器种类型号繁多 ，主要分为以下几大类： 1通用示波器：应用了基本显示原理，可对电信号进行定性和定量观测。 2取样示波器：采用取样技术将高频信号转换成模拟的低频信号，再应用通用示波器的基本显示原理观测信号。取样示波器一般用于观测频率高、速度快的脉冲信号。,5.2 示波管及波形显示原理,5.2.1 示波管,示波管（或称阴极射线管CRT）示波器的核心组件，是一种将被测电信号转换成光信号的显示器件（真空电子管）。,它分为静电偏转式和磁偏转式两大类，在电子示波器中应用最广的是静电偏转式。,示波管（或称阴极射线管CRT）主要由三部分组成：电子枪、偏转系统和荧光屏。其结构如

3、图5-1所示。,图5-1 示波管结构示意图,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，去轰击荧光屏使之发光。电子枪由灯丝（F）、阴极（K）、栅极（G）、第一阳极（A1）和第二阳极（A2）组成。 灯丝用于加热阴极；阴极是一个表面涂有氧化物，在灯丝加热下发射电子。,栅极是一个顶端有小孔的圆筒，套在阴极外边，其电位比阴极低，对阴极发射出来的电子起控制作用，它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。调节电位器RP1改变栅、阴极之间的电位差，即可达到此目的，故RP1在面板上的旋钮标以“辉度”。 除灯丝之外，各电极的结构均为金属圆筒形，且所有电极的轴心都保持在同一条轴线上。,第

4、一阳极和第二阳极对电子束有加速作用，同时和控制栅极构成一个对电子束的控制系统，想聚焦作用。调节可改RP2可改变第一阳极的电位，调节RP3可以改变第二阳极的电位，使电子束恰好在荧光屏上汇聚成细小的亮点，以保证显示波形的清晰度。因此把RP2和RP3分别称为“聚焦”和“辅助聚焦”电位器，仪器面板上对应的旋钮分别是“聚焦”和“辅助聚焦”旋钮。,使用中要注意的是：在调节“辉度”旋钮时会影响聚焦效果，因此，示波管的“辉度”与“聚焦”并非相互独立，要配合调节。,2偏转系统 图5-1中，在第二阳极的后面，用两对相互垂直的偏转板组成偏转系统。垂直（Y轴）偏转板在前（靠近第二阳极），水平（X轴）偏转板在后，两对极

5、板间各自形成静电场，分别控制电子束在垂直方向和水平方向偏转。,从电子枪射出的电子束，若不受电场的作用，则将沿直线向荧光屏方向运行，在荧光屏中心轴线位置显示出静止的光点；若电子束受到电场的作用，则其运动方向就会偏离中心轴线，即荧光屏上的光点位置就会产生位移；如果电场是周期性交变的，则荧光屏上将显示出一条光点的轨迹。,电子束在偏转电场作用下的运动规律可用图5-2来分析。,图5-2 电子束的偏转规律,其偏转位移可由式下式来表示。 式中：l-偏转板长度（cm） L-偏转板右侧边缘到荧光屏之间的距离（cm） d -两偏转板之间的距离（cm） UA2-第二阳极与阴极间的电压（V） Uy -加一起Y轴两偏转

6、板间的电压（V ）,上式中L、l、d均为常数，当亮点聚焦调整好以后，UA2也基本不变，则荧光屏上的亮点偏转距离y与加于偏转板上的电压Uy成正比。 设 则 称Sy为示波管Y轴偏转灵敏度，表示亮点在荧光屏上偏转1cm所需加于偏转板上的电压值（峰-峰值）。此值愈小表示灵敏度愈高。偏转灵敏度是与外加偏转电压大小无关的常数。,同理，X轴偏转板也有灵敏度的数值。,3荧光屏 荧光屏一般为圆形或矩形的，其内壁沉积有磷光物质，形成荧光膜，面向电子枪的一侧。它在受到高速运动着电子轰击后，将其动能转化为光能，产生亮点。当电子束随信号电压偏转时，这个亮点的移动轨迹就形成了信号的波形。,不同荧光材料余辉时间不一样，小于

7、10s的为极短余辉；10s1ms为短余辉；1ms0.1s为中余辉；0.11s为长余辉；大于1s为极长余辉。,余辉时间 ：当电子束停止作用后，光点仍能在屏幕上保持一定的时间才消失。激励过后，亮点辉度下降到原始值的10%所延续的时间称为余辉时间 。,实际应用中，根据示波器用途不同选用不同余辉的示波管，显示高频信号的示波器宜用短余辉管；观察生物及自动控制等缓慢信号的超低频示波器宜用长余辉管；一般用途的示波器均用中余辉管。,5.2.2 波形显示原理,用示波器显示被测信号的波形，基本上有两种类型：一种是显示任意两个信号与的关系；另一种是显示随时间变化的信号。,1电子束沿与作用的合成方向运动,打在荧光屏上

8、亮点的位置取决于同时加在垂直和水平偏转板上的电压。,当示波管的两对偏转板上不加任何信号时，亮点则打在荧光屏的中心位置。,若仅在Y轴偏转板加一个随时间变化的电压，例如，uy=umsint，则电子束沿垂直方向运动，任一瞬间的偏转距离正比于该瞬间Y偏转板上的电压，其轨迹为一条垂直直线，如图5-3（a）所示 。,（a）只加uy时的波形 （b）只加ux时的波形 （c）同时加uy 、ux时的波形 图5-3 显示波形与偏转极板所加电压的关系,同理，若仅在X轴偏转板上加正弦波电压，则电子束沿水平方向运动，轨迹为一条水平线，如图5-3(b)所示 。,在Y轴和X轴同时加同一正弦波电压时，如果ux=uy，亮点在荧光

9、屏上的位置由电压和共同决定。因为在同一时刻，X、Y方向偏转的距离相同，则在荧光屏上显示一条直线，这条直线与水平轴呈45，如图5-3（c）。,1、显示随时间变化的图形 电子束进入偏转系统后，要受到X、Y两对偏转板间电场的控制，它们对X、Y的控制作用有如下几种情况。 （1）Ux、Uy为固定电压的情况 a）设Ux=Uy=0，则光点在垂直和水平方向都不偏转，出现在荧光屏的中心位置，如图a。 b）设Ux=0、Uy=常量，光点在垂直方向偏移。设Uy为正电压，则光点从荧光屏的中心往垂直方向上移，若Uy为负电压，则光点从荧光屏的中心往垂直方向下移。 c）设Ux=常量、Uy=0，则光点在水平方向偏移。若Ux为正

10、电压，则光点从荧光屏的中心往水平方向右移，若Ux为负电压，则光点从荧光屏的中心往水平方向左移。 d）设Ux=常量、Uy=常量，当两对偏转板上同时加固定的正电压时，应为两电压的矢量合成。,二、 图像显示的基本原理 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。,(2）X、Y偏转板上分别加变化电压a)设ux=0，uy=Umsint。由于X偏转板不加电压，光点在水平方向是不偏移的，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，如图a。b）设ux=kt，uy=0，由于Y偏转板不加电压，光点在垂直方向是不移动的，则光点在荧光屏的水平方向上来回移动，出现的也是一条水

11、平线段，如图b。,(a) (b) 水平和垂直偏转板上分别加变化电压,（3）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 1）当时间t=t0时，ux=-Uxm （锯齿波电压的最大负值），uy=0，光点为点“0”。 2）当时间t=t1时，Uy=Uy1、Ux=-Ux1，光点为点“1”。 3）当时间t=t2时，Uy=Uy2、Ux=-Ux2，光点为点“2”。 4）当时间t=t3时，Uy=Uy3、Ux=Ux3 ，光点为点“3”。 5）当时间t=t4时，Uy=Uy4、Ux=Ux4 ，光点为点“4”。,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

12、李沙育（Lissajous）图形，这种图形在相位和频率测量中常会用到。 (a)若两信号的初相相同，则可在荧光屏上画出一条直线，若两信号在X、Y方向的偏转距离相同，这条直线与水平轴呈45角; (b)如果这两个信号初相位相差90，则在荧光屏上画出一个正椭圆；若X、Y方向的偏转距离相同，则荧光屏上画出的图形为圆。,(a) ux、uy同频同相 (b) ux、uy同频但相差90,2显示随时间变化的波形, 扫描的概念 为了显示uy的波形，必须在Y轴偏转板加有uy信号的同时，在X轴偏转板加随时间线性变化的扫描电压（锯齿波形电压）,如图5-4所示。,图5-4 锯齿波电压波形,若在Y方向不加电压，则光点在荧光屏

13、上构成一条反映时间变化的直线，称为时间基线，如图5-3（b）所示。,光点在锯齿波作用下移动的过程称为扫描，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移动称为扫描正程，光点自屏幕的右端迅速返回起点称为扫描回程。,（1）定义：光点在扫描电压作用下扫动的过程。 （2）扫描电压实际波形：锯齿波。,Ts：扫描正程时间，电子束从左到右运动； Tb：扫描逆程时间或扫描回程时间，电子束从右到左运动； Tw：扫描休止时间。 扫描电压周期Tx=Ts+Tb+Tw。 理想状态下：Tb=Tw=0，Tx=Ts。,Y偏转板：加被测信号； X偏转板：加扫描电压信号（设为理想状态）。,当Y轴加被观测的信号，X轴加扫描

14、电压，则屏幕上光点的Y和X坐标分别与这一瞬时的信号电压和扫描电压成正比。由于扫描电压与时间成比例，所以荧光屏上所描绘的就是被测信号随时间变化的波形，如图5-5所示。,图5-5 显示波形原理,图中 的周期为 ，如果扫描电压 的周期 等于 ，在 及 共同作用下，亮点的轨迹正好是一条与 相同的正弦曲线。亮点从0点经1、2、3至4点移动为正程，从4点迅速返回到0点的移动为回程，如图5-5所示。, 同步的概念 如果 =2 ，其波形显示如图5-6所示，可以观察到两个周期的信号电压波形。如果波形多次重复出现，而且重叠在一起，就可以观察到一个稳定的图像。,图5-6 =2 时显示的波形,显示两个周期被测信号,由

15、图5-6可见，欲显示多个周期的波形图，应增加扫描电压 的周期，即降低的 扫描频率。在使用示波器时应当根据原理进行适当调节。荧光屏上显示波形的周期个数为： 其中为n整数。,若n不为整数，会有什么样的结果呢？,设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，且有Tx=3/2 Ty荧光屏显示的是被测信号随时间变化的不稳定波形。,如图5-7所示波形是 =7/8 时的情况。,图5-7 =7/8 时显示的波形,由此可见，为了在屏幕上获得稳定的图像， （ 包括正程和回程） 与 之比必须成整数关系，即 =n ,以保证每次扫描起始点都对应信号的相同相位点上，这种过程称为“同步”。,

16、5、增辉、消隐现象 实际的扫描电压中，回程时间与休止时间并不为零，则电子从右端回到左端时，也会有扫描轨迹。 回程轨迹的存在影响被测波形的观测，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，使电子枪发射的电子远远多于扫描逆程，即给示波器增辉，这样观测者看的就只有扫描正程显示的波形。或者示波器中要将回程轨迹消隐，即使得正程轨迹亮度增加，回程轨迹黯淡，凸显正程。 例： 设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， Tx= Ts+Tb+Tw,且有Ts=2Ty, Tb=Ty,Tw=0,荧光屏显示如下波形。,扫描正程轨迹,5.3 通用电子示波器,5.3.1 通用电子示波器的基本组成,1电子示波器的结构 通用电子示波器的种类很多，但无论何种类型都有以下几部分组成：示波管、垂直系统（Y轴系统）和水平系统（X轴系统），如图5-8所示。,图5-8 电子示波器的基本组成,