第3章示波测试与测量技术摘要

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1、第三章 示波测试和测量技术,本章要点 概述 3.1 示波测试的基本原理 3.2 模拟示波器 3.3 数字存储示波器 3.4 示波器的应用 小结 习 题 三,本章要点,示波器的功用、分类、组成和波形显示原理 通用示波器的组成原理、特性与应用 取样技术在示波器中的应用 数字示波器的组成原理、信号采集处理技术、特性与功能,TEK2465A 350MHz示波器,概 述,TEK 2012 数字存储示波器,概 述,概 述,1、电子示波器（简称示波器）的功能： 一种用荧光屏显示信号（电量）随时间变化过程（f(t)）的电子测量仪器。 把人的肉眼无法直接观察的电信号，转换成人眼能够看到的波形，具体显示在示波屏幕

2、上，以便对电信号进行定性和定量观测，其它非电物理量亦可经转换成为电量使用示波器进行观测，因此示波器是一种广泛应用的电子测量仪器，它普遍地应用于国防、科研、学校以及工、农、商业等各个领域。,2、电子示波器的基本特点是： 能显示信号波形，可测量瞬时值，具有直观性。 输入阻抗高，对被测信号影响小。测量灵敏度高，并有较强的过载能力。目前示波器的最高灵敏度可达到 。 工作频带宽，速度快，便于观察高速变化的波形的细节。目前示波器的工作频带最宽可达1000MHz，预计不久将研制出带宽2GHz以上的示波器。,2、电子示波器的基本特点是： 在示波器的荧光屏上可描绘出任意两个电压或电流量的函数关系，故可作为比较信

3、号用的高速 X-Y 记录仪。由于示波器的上述特点，电子示波器除直接用于电量测试外，也可配以其他设备组成综合测量仪器。,3、电子示波器的主要用途是： 观测电信号波形。 测量电压电流的幅度、频率、时间、相位等电量参数。 显示电子网络的频率特性。 显示电子器件的伏安特性。,4、示波器的分类（性能和结构） 模拟示波器 （1）通用示波器：采用单束示波管的示波器。 （2）多束示波器：采用多束示波管的示波器。 （3）取样示波器：根据取样原理将高频传号转换为低频传号，然后再用通用示波器显示其波形。 数字示波器 （1）数字存储示波器 （2）数字荧光示波器,4、示波器的分类（性能和结构） 混合示波器：是把数字示波

4、器对信号细节的分析能力和逻辑分析仪对多通道的定时测量能力组合在一起的仪器。 专用示波器：不属于以上几类、能满足特殊用途的示波器称为专用示波器或特殊示波器。,示波器的发展,100多年前，德国著名物理学家卡尔费丁南德布劳恩发明了世界上第一个阴极射线管示波器； 20世纪40年代是电子示波器兴起的时代； 1972年，Nicolet公司首创了数字示波器（DSO）；1984年，惠普公司真正实现了DSO的商业化和技术改进； 雷达和电视的开发需要性能良好的波形观察工具，带宽10MHz的同步示波器的成功开发，是近代示波器的基础。,一、阴极射线管(CRT：Cathode Ray Tube)典型的示波器利用CRT作

5、为显示器，CRT是示波器的重要组成部分，其作用就是把电信号转换为光信号而加以显示。CRT构造与电视机显像管（磁偏转）相同，主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三大部分组成，三部分均封装在密闭呈真空的玻璃壳内。,3.1 示波测试的基本原理,图3-1 电场偏转的阴极射线示波管结构示意图,图3-1 电场偏转的阴极射线示波管结构示意图,（一）电子枪：发射电子并形成强度可控制的电子束,灯丝,第一栅极,第二栅极,第一阳极,第二阳极,阴极,（二）偏转系统,水平、垂直偏转系统,图3-2 偏转系统工作原理图,电子束最终的运动情况取决于水平方向和垂直方向电压的合成作用，当X 、 Y偏转板加不同电压时，荧光屏上亮点可以移

6、动到屏面上的任一位置。,（二）偏转系统,（三）荧光屏 在示波管的玻壳内侧涂上荧光粉，就形成了荧光屏，它不是导电体。 当电子束轰击荧光粉时，激发产生荧光形成亮点。不同成份的荧光粉，发光的颜色不尽相同，一般示波器选用人眼最为敏感的黄绿色。,（三）荧光屏 荧光粉从电子激发停止时的瞬间亮度下降到该亮度的10所经过的时间称为余辉时间。 荧光粉的成份不同，余辉时间也不同，为适应不同需要，将余辉时间分成为长余辉(100ms1s)、中余辉(1ms100ms)和短余辉(10s1ms)等不同规格。普通示波器需采用中余辉示波管，而慢扫描示波器则采用长余辉示波管。,二、图像显示的基本原理 （一）显示随时间变化的图形

7、光点扫描显示原理 只将信号f(t)=Vmsint加到 Y 偏转板上，电子束在 Y 方向按信号的规律变化，但只能在荧光屏上看到一条垂直的直线。 只在 X 偏转板上加一线性锯齿波扫描电压ux，电子束在 X 方向的变化反映了时间的变化规律，但只能在荧光屏上看到一条水平的直线，称为时间基线。,To,To,1.光点扫描显示原理 光点在锯齿波的作用下扫动的过程称为扫描。水平偏转板上所加锯齿波电压称为扫描电压（时基信号）。扫描正程及扫描回程。 在Y 偏转板加上被观测信号，扫描电压ux加在X 偏转板上，则Y 方向所加信号电压uy作用下的电子束在屏幕上按时间沿水平方向展开，因扫描电压与时间成比例，荧光屏上就形成

8、一条“信号电压-时间”曲线，即信号波形，参见图3-3c。,To,Back,只加信号电压,时间基线的获得,图3-3 扫描过程,信号波形在时间轴上展开,二、图像显示的基本原理 （一）显示随时间变化的图形 信号与扫描电压的同步 当扫描电压（锯齿波）的周期与垂直方向信号的周期相同时，可以在荧光屏上显示出一个完整周期的波形，而且每次扫描出现的波形完全重合，因而在荧光屏上观察到的波形是稳定的。 如果扫描电压的周期Tn是垂直方向信号周期Ts的整数倍 n，则荧光屏上将显示 n 个稳定的垂直方向信号波形，此时被测信号与扫描电压同步，称为扫描同步。,图3-4 扫描电压与被测信号同步,图3-4 扫描电压与被测信号同

9、步,图3-4 扫描电压与被测信号同步,图3-5 扫描电压与被测电压不同步,Tn=Ts5/4,信号与扫描电压的同步 为了得到稳定的波形显示，必须使扫描锯齿波电压周期Tn与被测信号周期Ts，保持整数倍的关系，即Tn=nTs。 由于扫描电压是由示波器本身的时基电路产生，它与被测信号电压是不相关的，为此一般采用被测信号(或与被测信号相关的信号)产生同步触发信号控制时基电路中的扫描发生器，这个过程称为同步。利用这种同步方法可使扫描信号发生器在一定频率稳定度范围内保证Tn与Ts的整数关系，实现稳定的显示。,连续扫描和触发扫描 连续扫描：观察信号和扫描电压都是连续信号时的扫描。 此时，在扫描电压的作用下，示

10、波管光点将在屏幕上作连续重复周期的扫描，若没有 Y 通道的信号电压，屏幕上只显示出一条时间基线。在时域测量中，在 Y 通道加入周期变化的信号电压，则可显示信号波形。 连续扫描最主要的问题是如何保证在屏幕上显示出稳定的信号波形,即信号与扫描电压的同步。,连续信号的连续扫描的波形显示,触发扫描 连续扫描时，被测波形与扫描电压的同步问题在观测脉冲波形时，尤为突出。图3-6是连续扫描和触发扫描观测脉冲波形的比较。,To,脉冲信号的扫描显示比较,其中图(a)是被测脉冲波形，可看到脉冲的持续时间与重复周期比(/Ts)很小，式中为被测脉冲底宽。图(b)(c)是用连续扫描方式显示被测脉冲波形，扫描周期分别Tn

11、=Ts 和Tn=。从图(b)上很难看清波形的细节，特别是脉冲波的上升沿。 如果用增加扫描频率(图(c)所示的波形)，虽可以观察被测脉冲细节，但光点在水平方向多次扫描中，只有一次扫描出脉冲波形，因此显示的脉冲波形本身很暗淡，而时基线却很亮，这不仅观察困难，而且同步也较难。,图(d)所示是触发扫描的情形，扫描发生器平时处于等待工作状态，只有送入触发脉冲时才产生一次扫描电压，在屏幕上扫出一个展宽的脉冲波形，而不显示出时间基线。,扫描过程的增辉 实际上回扫是需要一定时间的，这就对显示波形产生了一定的影响。 图3-7：仍是扫描周期等于两倍信号周期，只是扫描电压有一定的回扫时间（图中7-8段）。,图3-7

12、 扫描回程对显示波形的影响,为使回扫产生的波形不在荧光屏上显示（或在触发扫描等待期间）：扫描正程：增辉 扫描回程：消隐,图3-8 两个同频率正弦信号构成的李沙育图形,（二） 显示任意两个变量之间的关系 两个同频率正弦信号：1）若X、Y方向的偏转距离相同；2）初相同，可在荧光屏上画出一条直线 两个同频率正弦信号：1）若X、Y方向的偏转距离相同；2）初相差90，在荧光屏上画出一个正椭圆,Uy与Ux同相位,Uy超前Ux 90,3.2 模拟示波器,一、模拟示波器的基本组成 通用示波器主要由示波管、垂直偏转（Y）通道、水平偏转（X）通道以及电源、校准等部分组成。,模拟示波器组成框图,二、模拟示波器的垂直

13、偏转通道（ Y 通道）Y 通道的任务：调整被观测的信号，并将它无失真或失真很小地传输到示波管的 Y 偏转极板上。同时，为了与水平偏转系统配合工作，要将被测信号进行一定的延迟。 为了完成上述任务，垂直偏转系统由输入电路、延迟线和放大器组成。,图3-10 模拟示波器的垂直通道,To,（一） Y 通道输入电路 Y 通道输入电路:由输入耦合及衰减器电路和阻抗变换器组成。,(1) 输入耦合 被测信号输入端的耦合视需要而定，可用开关 K 来控制是直流耦合或交流耦合，如图3-11所示。示波器面板上布置有DC、AC转换开关。,(2) 衰减器经常需要观察幅度较小的电压波形，示波器的灵敏度设计得较高，但当需要观察

14、幅度较大的信号时，就必须接入衰减器。,(2) 衰减器 对衰减器的要求：输入阻抗高，且在示波器的整个通频带内衰减的分压比均匀不变。（在下一级的输入及引线都存在分布电容，分布电容对于被测信号高频分量有严重的衰减，造成信号的高频分量的失真，即脉冲上升时间变慢。）不能用简单的电阻分压，必须采用图3-11所示的阻容补偿分压器。,图中R1、R2为分压电阻（R2包括下一级的输入电阻），C2为下一级的输入电容和分布电容，C1为补偿电容。调节C1，当满足关系式C1R1C2R2（最佳补偿）时，分压比K0在整个通频带内是均匀的， 它被表示为：,(3-3),这时，分压比与频率无关。按此分压器做成的衰减器就可以无畸变地

15、传输窄脉冲信号，仅仅是信号幅度降为原幅度的1K0。,通常用一个开关换接不同的R2C2来改变衰减量。早期的示波器开关位置都标上衰减量，如衰减30、100等。现在都标以偏转因数值，当示波器最高灵敏度为0.02cmmV时，最小偏转因数为50mVcm，衰减2、4、l0倍时，分别标以偏转因数100mVcm、200mVcm、0.5Vcm。设计示波器应做到开关在不同位置时，示波器的输入阻抗不变。,(3) 探头（阻容分压器式输入） 用示波器观察信号波形时，长长的引线往往会引进各种杂散干扰，所以通常使用同轴电缆作为输入引线，以抑制干扰影响。 因同轴电缆内外导体间存在电容使输入电容显著增加，这对观察高频电路或窄脉

16、冲是很不利的，因此，高频示波器常用下图所示的探头检测被观察信号。,探头:一可调的小电容C2(5l0pF)与一固定电容C1并联再和大电阻R并联。如分压比10:1，则设计示波器输入电阻Ri=1M时，R=9M，同时调整补偿电容C 2以得到最佳补偿，即满足 。 调整C 2时的波形如下图，图中(a)正常补偿的波形，(b)高频过补偿的波形，(c)高频欠补偿的波形。 应调整C2，使达到图(a)的正确补偿情况。,(4) 阻抗变换器：一般可由射极跟随器构成。射极跟随器的高输入阻抗使得示波器对外呈现高输入阻抗，射极跟随器的低输出阻抗容易与后接的低阻延迟线相匹配，亦可于发射极接一个电位器，以便微调所显示波形的幅度。,（二）延迟线 当示波器工作在内触发状态时，利用垂直通道输入的被测信号去触发水平偏转系统产生扫描电压波，从接受触发到开始扫描需要一小段时间； 这样，会有当被测信号到达 Y 偏转板而扫描信号尚未到达 X 偏转板的情况。为了正确显示波形，必须将接入 Y 通道的被测信号进行一定的延迟，以便与水平系统的扫描电压在时间上相匹配；,