单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第7章 波形显示与测量,第,7,章,波形显示与测量,7.1,示波器的功能与分类,7.2 示波显示的基本原理,7.3 模拟示波器,7.4 取样示波器,7.5 数字存储示波器,7.6 示波器的应用,思考题7,7.1 示波器的功能与分类,7.1.1 示波器的功能,示波器是一种电子图示测量仪器，它可以用来观察和测量随时间变化的电信号图形，可以定性地观察电路的动态过程，如观察电压、电流的变化过程，还可以定量测量各种电参数，例如测量脉冲幅值、上升时间、重复周期或峰值电压等由于示波器能够直接对被测电信号的波形进行显示、测量，并能对测量结果进行运算、分析和处理，功能全面，加之具有灵敏度高、输入阻抗高和过载能力强等一系列特点，因此在生产、维修、教学、科学研究等领域中得到了极其广泛的应用7.1.2 示波器的分类,从示波器的性能和结构出发，可将示波器分为模拟示波器、数字示波器、混合示波器和专用示波器1 模拟示波器,（1）通用示波器：采用单束示波管的示波器这类示波器采用单束示波管，有单踪型和多踪型，能够定性、定量地观测信号，是最常用的示波器多踪示波器是采用单束示波管而带有电子开关的示波器，它能同时观测几路信号的波形及其参数，或对两个以上的信号进行比较。
2）多束示波器：采用多束示波管的示波器与通用示波器的叠加或交替显示多个波形不同，其屏上显示的每个波形都由单独的电子束产生，能同时观测、比较两个以上的波形3）取样示波器：它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这样，被测信号的周期被大大展宽，便于观察信号的细节部分，常用于观测300,MHz,以上的高频信号及脉冲宽度为纳秒级的窄脉冲信号目前已被数字存储示波器或数字取样示波器所取代2 数字示波器,（1）数字存储示波器（,DSO，Digital Storage Oscilloscope）：,它能将电信号经过数字化及后置处理后再重建波形，具有记忆、存储被观测信号的功能，可以用来观测和比较单次过程和非周期现象、低频和慢速信号以及在不同时间或不同地点观测到的信号它往往还具有丰富的波形运算能力，如加、减、乘、除、峰值、平均、内插、,FFT、,滤波等，并可方便地与计算机及其它数字化仪器交换数据2）数字荧光示波器（,DPO，Digital Phosphor Oscilloscope）：,采用先进的数字荧光技术，能够通过多层次辉度或彩色显示长时间信号，具有传统模拟示波器和现代数字存储示波器的双重特点。
3 混合示波器,混合信号示波器是把数字示波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4.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例如监测和调试电视系统的电视示波器，主要用于调试彩色电视中有关色度信号幅度和相位的矢量示波器等等7.2 示波显示的基本原理,7.2.1 阴极射线示波管,典型的示波器利用阴极射线示波管,CRT,作为显示器，,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其构造与电视机显像管相同，主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三大部分组成，三大部分均封装在密闭呈真空的玻璃壳内，其结构示意图如图7,.1所示（图中省略了玻璃外壳）图7.1 阴极射线示波管结构示意图,1.电子枪,电子枪的作用是发射电子并形成聚束的高速电子流它主要由灯丝,F、,阴极,K、,控制栅极,G、,第一阳极,A,1,、,第二阳极,A,2,和后加速阳极,A,3,组成除灯丝外，其余电极的结构均是金属圆筒，且它们的轴心都保持在同一轴线上2.偏转系统,偏转系统的作用是使电子束产生在垂直和水平方向上的位移偏转系统位于第二阳极之后，由两对相互垂直且平行的金属板,X、Y,偏转板（水平、垂直偏转板）组成，其中心轴线均与示波管的中心轴线重合，分别控制电子束在水平方向、垂,直方向的偏转。
3.荧光屏,荧光屏是示波器的显示部分，为圆形曲面或矩形平面，其内壁涂有荧光物质，形成荧光膜当荧光物质受到电子枪发射的高速电子束轰击时就能产生荧光亮点，亮点的亮度取决于电子束中电子的数目、密度和速度7.2.2 示波管显示原理,1.显示随时间变化的图形,1)扫描的概念,若想观测一个随时间变化的信号，例如,f,(,t,)=,Um,sin,t,，,那么只要把被观测的信号转变成电压加到,Y,偏转板上，电子束就会在,Y,方向上随信号的规律变化，任一瞬间的偏转距离正比于该瞬间,Y,偏转板上的电压但是如果水平偏转板间没加电压，则荧光屏上只能看到一条垂直的直线，如图7,.2（,a）,所示时间基线（简称时基线），如图7.2（,b）,所示被测信号随时间变化的波形，如图7.2（,c）,所示图7.2 扫描过程,(,a）,只加信号电压;(,b）,时间基线的获得;,(,c）,信号波形在时间轴上展开,2）信号与扫描电压的同步,图,7.3,为扫描电压与被测信号同步时的情况如果没有这种同步关系，则后一扫描周期描绘的图形与前一扫描周期描绘的图形不重合，,如图7.4所示图7.3 扫描电压与被测信号同步,图7.4 扫描电压与被测电压不同步,3）连续扫描和触发扫描,连续扫描与触发扫描的比较如图7.5所示。
其中图7.5（,a）,为被测脉冲，若用连续扫描来显示它，扫描信号的周期有两种可能的选择：,(1)选择扫描周期,T,n,等于脉冲重复周期,T,s,，,这种情况如图7.5（,b）,所示不难看出，屏幕上出现的脉冲波形集中在时间基线的起始部分，即图形在水平方向被压缩，以致难以看清脉冲波形的细节，例如很难观测它的前后沿时间2)选择扫描周期,T,n,等于脉冲底宽,为了将脉冲波形在水平方向展宽，必须,图7.5 连续扫描和触发扫描的比较,4）扫描过程的增辉,在以上的讨论中假设了扫描回程时间接近于零，但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7.6仍是扫描周期等于两倍信号周期的情况，只是扫描电压,有一定的回扫时间（图中7-8段）图7.6 扫描回程对显示波形的影响,2.显示任意两个变量之间的关系,如果这两个信号初相相同，则可在荧光屏上画出一条直线；若,X、Y,方向的偏转距离相同，这条直线与水平轴呈45，如图7.7（,a,）,所示如果这两个信号初相相差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，则在荧光屏上画出一个圆，如图,7.7,（,b,）,所示图7.7 两个同频率信号构成的李沙育图形,(,a),U,y,与,U,x,同相位；(,b),U,y,超前,U,x,90,7.3 模拟示波器,7.3.1 模拟示波器的基本组成,通用模拟示波器主要由示波管、垂直（,Y,轴）通道、扫描（锯齿波）信号发生器、水平(,X,轴）通道以及电源等部分组成，其结构框图如图7.8所示。
图7.8 通用模拟示波器的基本结构框图,1.示波管,2.,Y,轴通道,1）输入电路,输入电路主要包括探极、耦合方式转换开关、衰减器、阻抗变换及倒相放大器等部分，如图7.9所示图7.9,Y,通道输入电路框图,(1)探极无源探极的结构如图7.10所示图7.10 无源探极的结构,具体做法是将示波器标准信号发生器产生的方波加到探极上，用螺丝刀左右旋转补偿电容,C,，,直到调出如图7.11（,a,）,所示正确的方波（即正确补偿）为止否则，会产生如图7.11（,b）、（c）,所示电容过补偿或欠补偿的波形图7.11 探极的补偿结果,(2)耦合方式选择开关3)衰减器4)阻抗变换及倒相放大器2）前置放大器,3）延迟级,4）输出放大器,3.,X,轴通道,X,轴通道由触发电路、扫描电路和,X,轴放大器组成其组成框图如图7.12所示图7.12,X,轴通道组成框图,1）触发电路,触发电路的作用在于选择触发源并产生稳定可靠的触发信号，以触发扫描发生器产生稳定的扫描电压其组成框图如图7.13所示，主要由触发源选择、耦合方式选择开关、触发电,平与斜率选择器、放大整形电路等组成图7.13 触发电路组成框图,(1)触发源选择。
2)触发耦合选择3)触发方式选择4)触发电平及斜率选择触发电平及触发极性可以直接从显示波形上进行判断，如图7.14所示5)放大整形电路图7.14 不同触发电平、触发极性下的波形,被测正弦信号；(,b),零电平正极性触发；,(,c),正电平正极性触发；(,d),正电平负极性触发；,(,e),负电平负极性触发；(,f),负电平正极性触发,2）扫描信号发生器,现代示波器通常用扫描发生器环来产生扫描信号，常由积分器,、扫描闸门及比较和释抑电路组成，如图7.15所示图7.15 扫描信号发生器组成框图,3）,X,轴放大器,4.,电源部分,7.3.2 示波器的多波形显示,1.多线示波,多线示波是指采用多线示波管（又称为多束示波管）制成的多线示波器来显示多路波形多线示波管内装有多个（一般有两个）独立的电子枪，每个电子枪能同时发出一束电子束，每一电子束都有各自独立的偏转系统，偏转系统各自控制电子束的偏转，共用一个荧光屏显示多线示波器各通道间相互独立，交叉干扰小，测量准确度高，但它制造困难，成本高，所以较少使用2.多踪示波,多波形显示常用的方法是多踪示波其组成及原理与单踪示波器类似，是在单踪示波器的基础上增加了电子开关而形成的。
它也采用单束示波管，其内只有一个电子枪、一套,Y,偏转板，通过在,Y,通道上增设的电子开关来高速控制几个被测信号轮流地接入,Y,偏转板而在荧光屏上显示出多个波形，即采用了时分复用技术，这一技术充分利用了电子开关的高速转换特性和人眼的视觉惰性它具有实现简单、价格低的优点，因而得到了广泛应用最常用的是双踪示波器，即能够显示两个波形的多踪示波器，其简要原理框图如图7.16所示图7.16 双踪示波器的简要原理框图,(3)“叠加（,CH1+CH2）”：,两通道同时工作，,Y,1,、Y,2,通道的信号在公共通道放大器中进行代数相加后送入垂直偏转板，显示两路信号叠加后的波形4)“交替（,ALT）”：,若通道1输入正弦波，通道2输入同频率的三角波,，则屏上显示的波形如图7.17（,a）,所示5)“断续（,CHOP）”：,这样显示出的波形是由许多线段组成的，只要转换频率远远高于被测信号的频率,这些线段及其间隔就很短，看起来显示的波形好像是连续的，如图7.17（,b）,所示图7.17 交替和断续时显示的波形,（,a）,交替;（,b）,断续,7.3.3 通用模拟示波器的主要技术性能指标,通用模拟示波器的主要技术性能指标有：,（1）频带宽度,BW：,通常指,Y,通道的工作频率范围，即,Y,通道输入信号上、下限频率之差。
现代示波器的下限频率都已延伸至0,Hz，,因而示波器的频带宽度可用上限频率来表示通常要求：,BW,3,f,max,（7-1）,式中,f,max,为被测信号的最高频率2）输入灵敏度：,（3）输入阻抗：,（4）扫描速度：,（5）时域响应：,当输入理想的矩形脉冲波后，从示波器显示的波形中可看出上升时间,t,r,、,下降时间,t,f,、,上冲,、,反冲,、,平顶跌落,等脉冲参数频带宽度,BW,与上升时间,t,之间一般有确定的内在关系，即,（7-2）,7.3.4,YB4365,型双踪示波器,1.主要特点,（1）屏幕显示设定状态，多种参数均可在屏幕上以字符形式显示2）具有光标卡尺线，可对光标线之间的,U、T、1/T,等参数进行测量3）可自动设定最佳扫描速度，并跟随输入信号自动设定扫速4）采用先进的表面贴装工艺，体积小，可靠性高5）开关电源供电，确保仪器在市电压90260,V,之间正常使用2.技术指标,（1）带宽：,DC100 MHz（-3 dB）2）Y,轴偏转灵敏度：2,mV/div5 V/div，,按1-2-5进制，。