1、第5章示波测量技术第第5章示波测量技术章示波测量技术5.1 概述概述5.2 通用示波器通用示波器5.3 高速和取样示波器高速和取样示波器5.4 记忆示波器与存储示波器记忆示波器与存储示波器5.5 示波器的基本测量技术示波器的基本测量技术思考与练习思考与练习第5章示波测量技术5.1 概概 述述在对信号的测量中，人们通常希望能直观地看到电信号随时间变化的图形，如直接观察并测量一个正弦信号的波形、幅度、周期(频率)等基本参量,一个脉冲信号的前后沿、脉宽、上冲、下冲等参数。时域波形测量技术即电子示波器实现了人们的愿望，在示波器荧光屏上可用X轴代表时间，用Y轴代表函数关系f(t)，就可描绘出被测信号随时
2、间的变化关系。第5章示波测量技术示波器不但可将电信号作为时间的函数显示在屏幕上，更广义地说，示波器是一种能够反映任何两个参数互相关联的X-Y坐标图形的显示仪器，只要把两个有关系的变量转变为电参数，分别加至示波器的X、Y通道，就可以在荧光屏上显示这两个变量之间的关系，若以示波管中X光迹的方向偏转代表频率，用Y方向的偏转代表各频率分量的幅值，就可以组成一台频率分析仪器。如频谱仪和逻辑分析仪(逻辑示波器)都可以看成广义示波器。第5章示波测量技术 波形显示和测量技术在电子工程、电子技术应用、通信等领域应用十分广泛，它不仅成为电路分析、电参数测量、仪器设备调试的重要手段，而且在生产、科研、国防、医学、地
3、质等领域，以及某些过程的显示和状态监测中也起到重要作用。例如，在电路分析中，用一台示波器可随时检测电路有关节点的信号波形是否正常，各相关波形的时间、相位和幅度等关系是否正确，波形失真，干扰强弱等情况；在医疗仪器中，心电图测量仪、超声波诊断仪等都用了波形的显示和测量技术，可将被检查的部位以波形或图像形象地显示出来，使得诊断更加准确和可靠。第5章示波测量技术 其中很多设备实际上只是给示波器添加了或多或少的配件，在用示波器作为一个图示仪描绘图形这一点上都是一致的。因此，示波测量技术是一类重要的基本测量技术，也是一种最灵活、多用的技术。示波器是时域分析的最典型的仪器，也是当今电子测量领域中品种最多、数
4、量最大、最常用的一类仪器。第5章示波测量技术示波器作为对信号波形进行直观观测和显示的电子仪器，其发展历程与整个电子技术的发展息息相关。首先，阴极射线管(CRT)的发明为示波器能够直观显示波形奠定了基础，它是1878年由英国W.克鲁克斯发现的，至今已有100多年历史。直到1934年，B.杜蒙发明了137型示波器，堪称现代示波器的雏形。随后，国外创立的许多仪器公司，成为示波器研究和生产的主要厂商，对示波器的研究和生产起了很大的推动作用。第5章示波测量技术 示波器的发展过程大致经历了三个时期：(1)20世纪3050年代的电子管时期，它是模拟示波器的诞生和实用化阶段。在这个阶段诞生了许多种类的示波器，
5、如通用的模拟示波器、记忆示波器以及为观测高频周期信号的取样示波器，并已达到实用化。但由于当时的技术水平，示波器的带宽仍很有限，1958年时模拟示波器的最高带宽达到100 MHz。第5章示波测量技术(2)20世纪60年代的晶体管时期，它是示波器技术水平不断提高的阶段。如模拟示波器带宽从100 MHz、150 MHz到300 MHz。(3)20世纪70年代以后的集成电路时期，它是模拟示波器技术指标进一步提高和数字化示波器诞生、发展阶段。随着器件技术的发展和工艺水平的提高，模拟示波器指标得到快速提升，从1971年的500 MHz到1979年1 GHz，创造了模拟示波器的带宽高峰。第5章示波测量技术数
6、字技术的发展和微处理器的问世，对示波器的发展产生了重大的影响。1974年诞生了带微处理器的示波器(智能数字示波器)，当示波器装上微处理器后，使示波器具有数字处理和程序编制功能，可以很方便地分析被测信号，计算波形参数，变换计量单位，自动显示各种数字信息，既提高了测量精度，又扩展了使用功能。1983年带宽为50 kHz的数字存储示波器问世，经过多年的努力，数字存储示波器的性能得到了很大的提高。现在，数字存储示波器无论在产品的技术水平还是在其性能指标上都优于或接近于模拟示波器，大有取代模拟示波器之势。数字存储示波器是示波器发展的一个主要方向。第5章示波测量技术5.1.1 示波器的分类示波器的分类从示
7、波器对信号的处理方式出发，可将示波器分为模拟、数字两大类。示波器荧光屏上显示的波形，是反映被测信号幅值的Y方向的被测信号与代表时间t的X方向的锯齿波扫描电压共同作用的结果。被测信号经Y通道处理(衰减/放大等)后提供给CRT的Y偏转，锯齿波扫描电压通常是在被测信号的触发下，由X通道的扫描发生器产生后提供给CRT的X偏转。第5章示波测量技术模拟示波器的X、Y通道对时间信号的处理均由模拟电路完成，整个处理均采用模拟方式进行，即X通道提供连续的锯齿波电压，Y通道提供连续的被测信号，它们均为连续信号，而CRT屏幕上的图形显示也是光点连续运动的结果，即显示方式是模拟的。数字示波器则对X、Y方向的信号进行数
8、字化处理，即把X轴方向的时间离散化，Y轴方向的幅度量化，获得被测信号波形上的一个个离散点数据。第5章示波测量技术1.模拟示波器模拟示波器模拟示波器又可分为通用示波器、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，它根据能在荧光屏上显示出的信号数目，可分为单踪、双踪、多踪示波器。多束示波器又称多线示波器，它采用多束示波器，荧光屏上显示的每个波形都由单独的电子束扫描产生，能同时观测、比较两个以上的波形。第5章示波测量技术将要观测的信号经衰减、放大后送入示波器的垂直通道，同时用该信号驱动触发电路，产生触发信号送入水平通道，最后在示波器上显示出信号波形。这是最为经典而传统
9、的一类示波器，因此，也通常称为通用示波器，其内部电路均为模拟电路。在100 MHz以下的示波器中，模拟示波器占多数，且具有较高的性价比。第5章示波测量技术取样示波器采用时域采样技术将高频周期信号转换为低频离散信号显示，从而可以用较低频率的示波器测量高频信号。由于信号的幅度尚未量化，这类示波器仍属模拟示波器。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，特别适宜观测单次瞬变信号。第5章示波测量技术专用示波器是能够满足特殊用途的示波器，又称特殊示波器，如矢量示波器、心电示波器、电视示波器、逻辑示波器等。第5章示波测量技术2.数字示波器数字示波器数字示波器将输入信号数字化(时
10、域取样和幅度量化)后，经由D/A转换器再重建波形。它具有记忆、存储被观测信号的功能，可以用来观测单次过程和非周期现象、低频和慢速信号。由于其具有存储信号的功能，又称为数字存储示波器(DSO，Digital Storage Oscilloscope)。根据取样方式不同，又可分为实时取样、随机取样和顺序取样三大类。由于模拟电路的带宽限制，100 MHz以上的示波器中，以数字示波器为主。第5章示波测量技术5.1.2 示波器的主要技术指标示波器的主要技术指标1.频带宽度频带宽度BW和上升时间和上升时间tr示波器的频带宽度BW一般指Y通道的频带宽度，即Y通道输入信号上、下限频率fH和fL之差：BW=fH
11、-fL。一般下限频率fL可达直流(0 Hz)，因此，频带宽度也可以用上限频率fH来表示。第5章示波测量技术上升时间tr是一个与频带宽度BW相关的参数，它表示由于示波器Y通道的频带宽度的限制，当输入一个理想阶跃信号(上升时间为零)时，显示波形的上升沿的幅度从10%上升到90%所需的时间。它反映了示波器Y通道跟随输入信号快速变化的能力，Y通道的频带宽度越宽，输入信号的高频分量衰减越少，显示波形越陡峭，上升时间就越小。第5章示波测量技术频带宽度BW与上升时间tr的关系可近似表示为 (5-1)0.35rtsBW MHz0.35rtnsBW GHz或第5章示波测量技术例如，对于带宽100 MHz的示波器
12、，上升时间约为3.5 ns。以上是认为阶跃信号是理想的(tR=0)，上升时间tr只是由于示波器带宽有限引起的。在用示波器定量测试信号前沿时，如果被观测信号的实际上升沿为tR，示波器对理想阶跃信号产生的上升时间为tr，若tRtr，则示波器的影响可以忽略不计。当这个条件得不到满足时，被测信号的实际上升时间可按下式求得(5-2)22rrRttt第5章示波测量技术式中，为由示波器测得的信号上升时间。2.扫描速度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”。荧光屏上为了便于读数，通常用间隔1 cm的坐标线作为刻度线，每1 cm称为“1格”(用div表示)，因此扫描速度的单
13、位也可表示为“div/s”。rt第5章示波测量技术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“s/cm”或“ms/div”。在示波器的面板上，通常按“1、2、5”的顺序分成很多挡，当选择较小的时基因数时，可将高频信号在水平方向上展开。此外，面板上还有时基因数的“微调”(当调到最尽头时，为“校准”位置)和“扩展”(1或5倍)旋钮，当需要进行定量测量时，应置于“校准”、“1”的位置。第5章示波测量技术3.偏转因数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1 cm(即1 div)所需的电压值，单位为“V/cm”、“mV/cm”(或“V/div”、“m
14、V/div”)。示波器面板上，通常也按“1、2、5”的顺序分成很多挡，此外，还有“微调”(当调到最尽头时，为“校准”位置)旋钮。偏转因数表示了示波器Y通道的放大/衰减能力，偏转因数越小，表示示波器观测微弱信号的能力越强。第5章示波测量技术 偏转因数的倒数称为“(偏转)灵敏度”，单位为“cm/V”、“cm/mV”(或“div/V”、“div/mV”)。对灵敏度在V量级，主要用于观测微弱信号(如生物医学信号)的示波器称为高灵敏度示波器，但其带宽较窄，一般为1 MHz。第5章示波测量技术4.输入阻抗输入阻抗当被测信号接入示波器时，输入阻抗Zi形成被测信号的等效负载。当输入直流信号时，输入阻抗用输入电
15、阻Ri表示，通常为1 M；当输入交流信号时，输入阻抗用输入电阻Ri和输入电容Ci的并联表示，Ci一般在33 pF左右，当使用有源探头时，Ri=10 M，Ci10 pF。第5章示波测量技术5.输入方式输入方式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。直流耦合即直接耦合，输入信号的所有成分都加到示波器上；交流耦合用于只需要观测输入信号的交流波形时，它将通过隔直电容去掉信号中的直流和低频分量(如低频干扰信号)；接地方式则断开输入信号，将Y通道输入直接接地，用于信号幅度测量时确定零电平位置。第5章示波测量技术6.触发源选择方式触发源选择方式触发源是指用于提
16、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。内触发即由被测信号产生同步触发信号；外触发由外部输入信号产生同步触发信号，通常该外部输入信号与被测信号具有某种时间同步关系；电源触发即利用50 Hz工频电源产生同步触发信号。第5章示波测量技术5.2 通通 用用 示示 波波 器器通用示波器是示波器中应用最广泛的一种，它通常泛指采用单束示波管组成的示波器，通用示波器的工作原理是其它大多数类型示波器工作原理的基础，只要掌握了通用示波器的结构特性及使用方法，就可以较容易地掌握其它类型示波器的原理与应用。第5章示波测量技术5.2.1 阴极射线示波管阴极射线
17、示波管(CRT)目前示波器的显示器有阴极射线管(CRT)和平板显示器(LCD)两大类，这里主要介绍CRT的结构和显示原理。CRT主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成，它们被密封在真空的玻璃管内，基本结构如图5-1所示。其工作原理是：由电子枪产生的高速电子束轰击荧光屏的相应部位产生荧光，而偏转系统则能使电子束产生偏转，从而改变荧光屏上光点的位置。第5章示波测量技术图5-1 阴极射线管内部结构图第5章示波测量技术1.电子枪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以及阳极A1和A2组成。当电流流过灯丝后对阴极加热(电能转换为热能)，使涂有氧化物的阴极
18、产生大量电子，并在后续电场作用下(电势能转换为动能)轰击荧光屏发光(动能转换为光能和热能)。第5章示波测量技术阴极和第一、第二阳极A1、A2之间为控制栅极G1、G2，G1呈圆桶状，包围着阴极，只有在面向荧光屏的方向开一个小孔，使电子束从小孔中穿过。栅极G1电位比阴极K的电位低，对电子有排斥作用，通过调节G1对K的负电位可控制电子束中电子的数目，从而调节光点的亮度，G1的电位越小，打在荧光屏上的电子束中电子的数目N越少，显示亮度越暗，反之，显示亮度越强，栅极电压与通过栅极孔电子数目N的关系如图5-2所示，所以调节栅极G1的电位即可进行“辉度”调节。1GU第5章示波测量技术图5-2 -N的关系图1
19、GU第5章示波测量技术当电子束离开栅极小孔时电子互相排斥而发散，通过第一阳极A1使电子汇集，通过第二阳极A2使电子加速。A1和A2的电位远高于K，它们与G1形成聚焦和加速系统，对电子束进行聚焦并加速，使到达荧光屏的电子形成很细的一束并具有很高速度的电子流。G2和A2具有等电位，这样只要调节A1的电位，即可调节G2与A1和A2与A1之间的电位，调节A1的电位器称为“聚焦”旋钮；调节A2电位的旋钮称为“辅助聚焦”。第5章示波测量技术电子束聚焦的原理是，电子从阴极K发射，经G1、G2、A1、A2进入偏转系统，其电位关系为：、。根据带电粒子在电场中的运动规律：电子穿越加速场时将得到汇聚并加速；电子穿越
20、减速场时将会发散并减速，这种现象被称做“电子透镜”，如图5-3(a)所示。因此，电子从G1至G2、A1至A2将得到汇聚并加速，而从G2至A1将发散，这样打在荧光屏上的电子流全达到最佳的聚焦效果。电子在电子枪中的运动轨迹如图5-3(b)所示。1GV2GV1GV2GV1AV1AV2AV第5章示波测量技术 图5-3电子束的聚焦原理示意图(a)电子穿越电场时的加速和减速；(b)电子在电子枪中的运动轨迹第5章示波测量技术2.偏转系统偏转系统示波管的偏转系统由两对互相垂直的平行金属板组成，分别称为垂直(Y)偏转板和水平(X)偏转板，采用静电偏转原理，即偏转板在外加电压的作用下使电子枪发出的电子束产生偏转。
21、X、Y偏转板的中心轴线与示波管中心轴线重合，分别独立地控制电子束在水平和垂直方向上的偏转。当偏转板上没有外加电压(或外加电压为零)时，电子束打向荧光屏的中心点；如果有外加电压，则偏转板之间形成电场，在偏转电压的作用下，电子束打向由X、Y偏转板共同决定的荧光屏上的某个位置。第5章示波测量技术通常，为了示波管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(见图5-1)。电子束在偏转电场作用下的偏转距离与外加电压成正比，图5-4所示为在垂直偏转板上当施加有电压Uy时，电子束的偏转示意图。第5章示波测量技术图5-4 电子束的偏转第5章示波测量技术如图5-4所示，设某电子在离开第
22、二阳极A2(设电压为Ua)时速度为v0，由于电子经过A2电场后将其在A2的电势能转换为动能，设电子质量为m，则有2012aeUmv第5章示波测量技术电子将以v0为初速度进入偏转板，根据物理学知识，电子经过偏转板后的运动轨迹将类似抛物线，并可推导出(参考有关资料)偏转距离y如下：(5-3)式中，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；Ua为阳极A2上的电压；Uy为偏转板上所加的电压。2yalsyUbU第5章示波测量技术上式表明，偏转距离与偏转板上所加电压和偏转板结构的多个参数有关，其物理意义可解释如下：若外加电压Uy越大，则偏转电场越强，偏转距离越大；若偏转板长度l越长
23、，偏转电场的作用距离就越长，因而偏转距离越大；若偏转板到荧光屏的距离s越长，则电子在垂直方向上的速度作用下，使偏转距离越大；若偏转板间距b越大，偏转电场将减弱，使偏转距离减小；若阳极A2的电压Ua越大，电子在轴线方向的速度越大，穿过偏转板到荧光屏的时间越小，因而偏转距离减小。对于设计定型后的示波器偏转系数，l、s、b、Ua可视为常数，设 (5-4)/2yalsScm VbU第5章示波测量技术则式(5-3)可写为y=SyUy (5-5)称比例系数Sy为示波管的Y轴偏转灵敏度(单位为cm/V)，Dy=1/Sy为示波管的Y轴偏转因数(单位为V/cm)，它是示波管的重要参数。Sy越大，示波管Y轴偏转灵
24、敏度越高。式(5-5)表示，垂直偏转距离与外加垂直偏转电压成正比，即yUy。同样，对水平偏转系统，亦有xUx。第5章示波测量技术 据此，当偏转板上施加的是被测电压时，可用荧光屏上的偏转距离来表示该被测电压的大小，因此，式(5-5)是示波管用于观测电压波形的理论基础。为提高Y轴偏转灵敏度，可适当降低第二阳极电压，而在偏转板至荧光屏之间加一个后加速阳极A3，使穿过偏转板的电子束在轴向(Z方向)得到较大的速度。这种系统称为先偏转后加速(Post Deflection Acceleration,PDA)系统。后加速阳极上的电压可高达数千至上万伏，可比第二阳极高十倍左右，大大改善了偏转灵敏度。第5章示波
25、测量技术3.荧光屏荧光屏荧光屏将电信号变为光信号，它是示波管的波形显示部分，通常制作成矩形平面(也有圆形平面的)。其内壁有一层荧光(磷)物质，面向电子枪的一侧还常覆盖一层极薄的透明铝膜，高速电子可以穿透这层铝膜轰击屏上的荧光物质而发光，即电子的动能转换为光能和相当一部分热能，透明铝膜的作用可吸收无用的热量，并可吸收荧光物质发出的二次电子和光束中的负离子，因此，不但可以保护荧光屏，而且可消除反光使显示图像更清晰。第5章示波测量技术 在使用示波器时，应避免电子束长时间停留在荧光屏的一个位置，否则将使荧光屏受损(不但会降低荧光物质的发光效率，并可能在屏上形成黑斑)，在示波器开启后不使用的时间内，可将
26、“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”。从电子束移去到光点亮度下降为原始值的10%所持续的时间称为余辉时间。余辉时间与荧光材料有关，一般将余辉时间小于10 s的称为极短余辉；10 s1 ms为短余辉；1 ms0.1 s为中余辉；0.11 s为长余辉；大于1 s为极长余辉。第5章示波测量技术正是由于荧光物质的“余辉效应”以及人眼的“视觉残留”效应，尽管电子束每一瞬间只能轰击荧光屏上一个发光点，但电子束在外加电压下连续改变荧光屏上的光点，我们就能看到光点在荧光屏上移动的轨迹，该发光点的轨迹即描绘了外加电压的波形。为便于使用者观测波形，需要对电子束的
27、偏转距离进行定度。为此，有的示波管内侧刻有垂直和水平的方格子(一般每格1 cm，用div表示)，或者在靠近示波管的外侧加一层有机玻璃，在有机玻璃上标出刻度，但读数时应注意尽量保持视线与荧光屏垂直，避免视差。第5章示波测量技术5.2.2 波形显示的基本原理波形显示的基本原理在电子枪中，电子运动经过聚焦形成电子束，电子束通过垂直和水平偏转板打到荧光屏上产生亮点，亮点在荧光屏上垂直或水平方向偏转的距离，正比于加在垂直或水平偏转板上的电压，即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。示波器显示图形或波形的原理是基于电子与电场之间的相互作用原理的。根据这个原理，示波器可显示随时间变化的信号波
28、形和显示任意两个变量X和Y的关系图形。第5章示波测量技术1.显示随时间变化的图形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 sint，只要把被观测的信号转变成电压加到Y偏转板上，则电子束就会在Y方向上按信号的规律变化，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5-5(a)所示。这是因为光束在水平方向上未受到偏转。第5章示波测量技术图5-5 扫描过程(a)只加信号电压;(b)时间基线的获得;(c)信号波形在时间上展开第5章示波测量技术如果在X偏转板上加一个随时间线性变化的电压，即加上
29、一个锯齿波电压ux=kt(k为常数)，垂直偏转板不加电压，那么光点在X方向作匀速运动，光点在水平方向的偏转距离为x=Sxkt=hxt (5-6)式中，x为X方向的偏转距离；Sx为比例系数，称为示波管的X轴偏转灵敏度(单位为 cm/V)；hx为比例系数(单位为 cm/s)，即光点移动的速度。第5章示波测量技术这样，X方向偏转距离的变化就反映了时间的变化。此时光点水平移动形成的水平亮线称为“时间基线”，如图5-5(b)所示。当锯齿波电压达到最大值时，荧光屏上的光点也达到最大偏转，然后锯齿波电压迅速返回起始点，光点也迅速返回到屏幕最左端，再重复前面的变化。光点在锯齿波作用下扫动的过程称为“扫描”，能
30、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”，光点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”。理想锯齿波的回程时间为零。第5章示波测量技术若Y轴加上被观测的信号，X轴加上扫描电压，则屏上光点的Y和X坐标分别与这一瞬间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(c)所示。第5章示波测量技术2)同步的概念(1)Tx=nTy(n为正数)。荧光屏上要显示稳定的波形，就要求每个扫描周期所显示的信号波形在荧光屏上完全重合，即波形形状相同，并有同一个起点。在前面图5-5(c)扫描过程的描述中，由于
31、Tx=Ty，所以荧光屏上稳定地显示了信号一个周期的波形。假设Tx=2Ty，其波形显示过程如图5-6所示，每个扫描正程在荧光屏上都能显示出完全重合的两个周期的被测信号波形。第5章示波测量技术图5-6 Tx=2Ty时荧光屏上显示的波形第5章示波测量技术同理，设Tx=3Ty，则荧光屏上稳定显示3个周期的被测信号波形。依此类推，当扫描电压的周期是被测信号周期的整数倍时，即Tx=nTy(n为正整数)，则每次扫描的起点都对应在被测信号的同一相位点上，这就使得扫描的后一个周期描绘的波形与前一周期完全一样，每次扫描显示的波形重叠在一起，在荧光屏上可得到清晰而稳定的波形。第5章示波测量技术一般地，如果扫描电压周
32、期Tx与被测电压周期Ty保持Tx=nTy的关系，则扫描电压与被测电压“同步”。如果增加Tx(扫描频率降低)或降低Ty(信号频率增加)时，显示波形的周期数将增加。(2)TxnTy(n为正数)。即不满足同步关系时，则后一个扫描周期描绘的图形与前一扫描周期的图形不重合，显示的波形是不稳定的，如图5-7所示。第5章示波测量技术图5-7 扫描电压与被测电压不同步时显示波形出现晃动第5章示波测量技术在图5-7中，Tx=Ty(TxTy)。第一个扫描周期开始，光点沿012345轨迹移动(实线所示)。当扫描结束时，锯齿波电压回到最小值，相应地，光点迅速回到屏幕的最左端，而此时被测电压幅值最大，所以光点从5回到6
33、点，接着，第二个扫描周期开始，这时光点沿67891011的轨迹移动(虚线表示)。这样，第一次显示的波形为图中实线所示，而第二次显示的波形则为虚线所示，两次扫描的轨迹不重合，看起来波形好像从右向左移动，也就是说，显示的波形不稳定了。可见，保证扫描电压周期与被测信号的同步关系是非常重要的。45第5章示波测量技术但实际上，扫描电压是由示波器本身的时基电路产生的，它与被测信号是不相关的。因此，为了实现扫描电压与被测信号同步，常利用被测信号产生一个触发信号，去控制示波器的扫描发生器，迫使扫描电压与被测信号同步。也可以用外加信号产生同步触发信号，但这个外加信号的周期应与被测信号有一定的关系。第5章示波测量
34、技术3)连续扫描和触发扫描前面所讨论的都是观察连续信号的情况，这时扫描电压是连续的，即扫描正程紧跟着回程，回程结束后又立即开始新的正程，扫描是不间断的，这种扫描方式称为连续扫描。当欲观测脉冲信号，尤其是占空比/Ty很小的脉冲(见图5-8(a)时，采用连续扫描存在一些问题。第5章示波测量技术(1)若选择扫描周期等于脉冲重复周期，即Tx=Ty。此时，屏幕上出现的脉冲波形集中在时间基线的起始部分(见图5-8(b)，即图形在水平方向上被压缩，以致难以看清脉冲波形的细节，也很难观测它的前后沿时间。第5章示波测量技术(2)若选择扫描周期等于脉冲底宽，即Tx=。为了将脉冲波形的一个周期显示在屏幕上，必须扫描
35、一个周期，而此时占空比/Ty很小，即Tx比Ty小得多。因此，在一个脉冲周期内，光点在水平方向完成的多次扫描中，只有一次扫描到脉冲图形，其他的扫描信号幅度为零，结果在屏幕上显示的脉冲波形非常暗淡，而时间基线由于反复扫描却很明亮，如图5-8(c)所示。这样，观测者不易观测波形，而且扫描的同步很难实现。第5章示波测量技术我们设想，能否在观测此类脉冲时，控制扫描脉冲，是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。只要选择扫描电压的持续时间等于或稍大于脉冲底宽，则脉冲波形就可展宽得几乎布满横轴。同时由于在两个脉冲间隔时间内没有扫描，故不会产生很亮的时间基线，如图5-
36、8(d)所示。这种由被测信号激发扫描发生器的间断的工作方式称为“触发扫描”方式。实际上，现代通用示波器的扫描电路一般均可调节在连续扫描或触发扫描等多种方式下工作。第5章示波测量技术图5-8 连续扫描和触发扫描方式下对脉冲波形的观测(a)被测脉冲；(b)连续扫描，且Tx=Ty；(c)连续扫描，且Tx=;(d)触发扫描第5章示波测量技术4)扫描过程的增辉与消隐在前面的讨论中假设扫描回程时间为零，但实际上，回扫总是需要一定时间的，在这段时间内，回扫电压和被测信号共同作用，对欲显示的被测信号波形产生影响。如图5-9所示，实线是扫描正程显示的波形，虚线表示回扫轨迹，也会显示在荧光屏上，虽然显示较暗，但也
37、会给测量带来不便。第5章示波测量技术图5-9 扫描回程中的回扫轨迹第5章示波测量技术为了使回扫轨迹不在荧光屏上显示，可以设法在扫描正程期间，使电子枪发射更多的电子，即给示波器增辉；在扫描回程期间，使电子枪发射少的电子，即给示波器消隐。这种增辉可以通过在扫描正程期间给示波器第一栅极G1加正脉冲或给阴极K加负脉冲，在扫描回程期间给示波器第一栅极G1加负脉冲或给阴极K加正脉冲来实现。这样相对来说，扫描正程电子枪发射的电子远远多于扫描回程，观测者看到的就只有扫描正程显示的波形了。第5章示波测量技术利用扫描期间的增辉与消隐还可以保护荧光屏。因为在被测脉冲出现的扫描期间，由于增辉脉冲的作用，显示波形较亮，
38、便于观测；而在等待扫描期间，即波形为一个光点的情况下，由于没有增辉脉冲，光点很暗，避免了较亮的光点长久集中于荧光屏上一点的现象。第5章示波测量技术2.显示任意两个变量之间的关系显示任意两个变量之间的关系在示波管中，电子束同时受X和Y两个偏转板的作用。若两个偏转板的信号都为正弦波，且两信号的初相位相同，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，这条直线与水平轴成45，如图5-10(a)所示；如果这两个信号的初相位相差90，则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是圆，如图5-10(b)所示。第5章示波测量技术图5-10 水平和垂直偏转板同时
39、加同频率的 正弦波时显示的李沙育图形(a)Ux、Uy同频同相；(b)Ux、Uy同频但相差90 第5章示波测量技术 示波器两个偏转板上都加正弦波电压时显示的图形称为李沙育图形，这种图形在相位和频率测量中常会遇到，表5-1为几种不同频率和相位的李沙育图形。利用这个特点就可以把示波器变为一个X-Y图示仪。X-Y图示仪在显示图形前，先把两个变量转换成与之成比例的两个电压后，再分别加在X、Y偏转板上，屏幕上任意瞬间光点的位置都是由偏转板上的瞬时电压所决定。由于荧光屏有余辉时间及人眼的视觉残留效应，所以从荧光屏看到的是由全部光点构成的曲线，它反映了两个变量之间的关系。这种X-Y图示仪在很多领域中得到应用。
40、第5章示波测量技术表表5-1 常用的李沙育图形常用的李沙育图形 第5章示波测量技术5.2.3 通用示波器的组成通用示波器的组成通用示波器的组成可用图5-11表示，它主要由示波管、垂直通道和水平通道三部分组成。此外，还包括电源电路，它产生示波管和仪器电路中需要的多种电源。通用示波器中还常附有校准信号发生器，产生幅度和周期非常稳定的校准信号(如1 kHz、0.5Vpp的方波)，用于示波器的校准，以便对被测信号进行定量测量。第5章示波测量技术图5-11 通用示波器的组成框图 第5章示波测量技术5.2.4 通用示波器的垂直通道通用示波器的垂直通道垂直通道(Y通道)是对被测信号处理的主要通道，它将输入的
41、被测信号进行衰减或线性放大，并在一定范围内保持增益稳定，最后，输出符合示波器偏转要求的信号，以推动垂直偏转板，使被测信号在屏幕上显示出来。垂直通道包括输入电路、Y前置放大器、延迟线和Y后置放大器等部分。第5章示波测量技术1.输入电路输入电路输入电路主要由衰减器和输入选择开关构成。(1)衰减器：衰减器由R、C阻容分压器组成，用来衰减输入信号，以保证显示在荧光屏上的信号不致因过大而失真，并具有频率补偿的作用，其原理如图5-12所示。第5章示波测量技术 图5-12 输入衰减器原理图第5章示波测量技术衰减器的衰减量为输出电压uo与输入电压ui之比，它等于R1、C1的并联阻抗Z1与R2，C2的并联阻抗Z
42、2的分压比，即其中当调节C1使得R1C1=R2C2 时，Z1、Z2表达式中分母相同，则衰减器的分压比 (5-7)0212iuZuZZ11111RZj C R22221RZj C R0221121212iuZRCuZZRRCC，。第5章示波测量技术此时，分压比与频率无关。这就意味着，当衰减器输入含有丰富的高次谐波成分的理想阶跃信号时，输出波形不失真，这正是我们所希望的。式R1C1=R2C2称为最佳补偿条件，输出波形如图5-13(a)所示；当R1C1R2C2时，将出现过补偿，输出波形如图5-13(b)所示；当R1C1R2C2时为欠补偿，输出波形如图5-13(c)所示。第5章示波测量技术 图5-13
43、 补偿原理图(a)最佳补偿；(b)过补偿；(c)欠补偿第5章示波测量技术这种衰减器是高阻分压器，它由一系列RC分压器组成，用开关来控制分压比的大小。改变分压比即可改变示波器的偏转灵敏度，改变分压比的开关即为示波器垂直灵敏度粗调开关，在面板上常用“V/cm”或“V/div”标记。(2)输入耦合方式：输入耦合方式设有AC、GND、DC三挡选择开关。置“AC”挡时，输入信号经隔直电容耦合到衰减器，只有交流分量可以通过，适合于观测交流信号；置“GND”挡时，用于确定零电压，即不用断开被测信号，可为示波器测量时提供接地参考电平；置“DC”挡时，输入信号直接接到衰减器，用于观测频率很低的信号或带有直流分量
44、的交流信号。第5章示波测量技术2.前置放大器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，它输出一对平衡的交流电压，这样，即使被测信号的幅度改变时，偏转的基线电位也保持不变。若在差分电路的输入端输入不同的直流电位，差分输出电路的两个输出端的直流电位会改变，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。利用这一原理，可通过调节直流电位，即调节“Y轴位移”旋钮，改变被测波形在屏幕上的位置，以便定位和测量。第5章示波测量技术3.延迟线延迟线延迟线是一种信号传输网络或者传输线，起延迟时间的作用。
45、在前面讨论触发扫描时已经介绍，触发扫描发生器只有当被测的信号到来时才工作，而且需要达到一定的电平才开始扫描，因此，一般的扫描开始时间总是滞后于被观测脉冲一段时间tT，这样，脉冲的上升过程就无法被完整地显示出来，因为有一段时间扫描尚未开始。延迟线的作用就是把加到垂直偏转板的脉冲信号延迟一段时间td，且tdtT，使信号出现的时间滞后于扫描开始时间，这样就能够保证在屏幕上扫描出包括上升时间在内的脉冲全过程，图5-14表示了延迟线的作用。第5章示波测量技术图5-14 延迟线的作用(a)没有延迟线时的情况;(b)加入延迟线后的情况 第5章示波测量技术对延迟线的要求是，它只起时间延迟的作用，而不丢失输入信
46、号的频率成分，即脉冲通过它时不应产生失真。在带宽较窄的示波器中，一般采用多节LC延迟网络；在带宽较宽的示波器中，一般采用双芯平衡螺旋导线作延迟线，它可等效为多节延迟网络，延迟时间约为75 ns/m，在200300 MHz示波器中，则多采用射频同轴电缆，延迟时间约为5 ns/m。为防止信号反射，需注意延迟线前后级的阻抗匹配，延迟线的特性阻抗一般在几百欧姆，因此，延迟线的输入级需采用低输出阻抗电路驱动，而输出级则采用低输入阻抗的缓冲器。第5章示波测量技术4.Y输出放大器输出放大器Y输出放大器的功能是将延迟线传来的被测信号放大到足够的幅度，用于驱动示波管的垂直偏转系统，使电子束获得Y方向上的满偏转，
47、它是Y通道的主放大器。对Y输出放大器的要求是，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，以使荧光屏能不失真地重现被测信号。第5章示波测量技术Y输出放大器都采用推挽式放大器，以使加在偏转板上的电压能够对称，有利于提高共模抑制比。电路中采用一定的频率补偿电路和较强的负反馈，以使得在较宽的频率范围内增益稳定。还可以采用改变负反馈的方法变换放大器的增益，例如一般示波器中都设有垂直偏转因数“5”挡或“10”挡的扩展功能(面板上的“倍率”开关)，它把放大器的放大量提高5倍或10倍，这有利于观测微弱信号或看清波形某个局部的细节。第5章示波测量技术5.2.5 通用示波器的水平通道通用示波
48、器的水平通道示波器的水平通道(X通道)的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。水平通道包括触发电路、扫描电路和水平放大器等部分，如图5-15所示。第5章示波测量技术图5-15 水平通道的组成框图第5章示波测量技术1.触发电路触发电路触发电路的作用是提供符合扫描信号发生器要求的触发脉冲。触发电路包括触发源选择、触发耦合方式选择、触发极性选择、触发方式选择、触发电平选择和触发放大整形等电路，如图5-16所示。第5章示波测量技术图5-16 触发电路的组成第5章示波测量技术(1)触发源选择。触发源一般有内触发、外触发和电源
49、触发三种类型(由图5-16中开关S1选择)。触发源的选择应该根据被测信号的特点来确定，以保证荧光屏上显示的被测信号波形稳定。内触发(INT)：将Y前置放大器输出(延迟线之前的被测信号)作为触发信号，触发信号与被测信号的频率是完全一致的，适用于观测被测信号。第5章示波测量技术 外触发(EXT)：用外接的、与被测信号有严格同步关系的信号作为触发源，这种触发源用于比较两个信号的同步关系，或者当被测信号不适合作触发信号时使用。电源触发(LINE)：用50 Hz的工频正弦信号作为触发源，适用于观测与50 Hz交流信号有同步关系的信号。第5章示波测量技术(2)触发耦合方式。选择好触发源后，为了适应不同的触
50、发信号频率，示波器一般设有四种耦合方式，如图5-16所示，可用开关S2选择。“DC”直流耦合：是一种直接耦合方式，用于接入直流或缓慢变化的触发信号，或者频率较低并含有直流分量的触发信号。“AC”交流耦合：是一种通过电容耦合的方式，有隔直流作用。触发信号经电容C1接入，用于观察从低频到较高频率的信号。这是一种常用的耦合方式，用“内”“外”触发均可。第5章示波测量技术“AC低频抑制(LFREJ)”耦合：是一种通过电容耦合的方式。触发信号经电容C1及C2(串联)接入，一般电容较小，阻抗较大，用于抑制2 kHz以下的频率成分。如观察含有低频干扰(50 Hz噪音)的信号时，用这种耦合方式比较适合，可以避
