1、电子示波器及测量技术电子示波器及测量技术5.1 概述概述 电子示波器（简称示波器）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。5.1.2 电子示波器的类型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
2、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。3记忆示波器和存贮示波器：这两种示波器均具有存储信息功能，前者采用记忆示波管存贮，后者采用数字存贮器存贮。它们能对单次瞬变过程、非周期现象、低重复频率信号进行观测。4数字示波器：被测信号经模/数转换器送入数据存储器，应用微处理器以数字形式处理并记录波形，自动显示测量结果，测量速度更快、重复性更高。5逻辑示波器：又称逻辑分析仪，主要用以分析数字系统的逻辑关系。本章将介绍通用示波器的基本原理、基本使用方法和测试技术。5.2 示波管及波形显示
3、原理示波管及波形显示原理5.2.1 示波管示波管示波管示波管（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：电子枪电子枪、偏转系统偏转系统和荧光屏荧光屏。其结构如图5-1所示。图图5-1 示波管结构示意图示波管结构示意图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，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。去轰击荧光屏使之发光。电子枪由灯丝（电子枪由灯丝（F）、阴极）、阴极（K）、栅极
4、（）、栅极（G）、第一阳极（）、第一阳极（A1）和第二阳极）和第二阳极（A2）组成。）组成。灯丝用于加热阴极；阴极是一个表面涂有氧化物，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。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，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。调节电位器亮点的辉度。调节电位器RP1RP1改变栅、阴极之间的改变栅、阴极之间的电位差，即可达到
5、此目的，故电位差，即可达到此目的，故RP1RP1在面板上的旋钮在面板上的旋钮标以标以“辉度辉度”。除灯丝之外，各电极的结构均为金属圆筒形，且所除灯丝之外，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。有电极的轴心都保持在同一条轴线上。第一阳极和第二阳极对电子束有加速作用，同时和第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。调节可改用。调节可改RP2可改变第一阳极的电位，调节可改变第一阳极的电位，调节RP3可以改变第二阳极的电位，使电子束恰好在荧可以改变第二阳极的电位，使电子束恰好在荧光
6、屏上汇聚成细小的亮点，以保证显示波形的清晰光屏上汇聚成细小的亮点，以保证显示波形的清晰度。因此把度。因此把RP2和和RP3分别称为分别称为“聚焦聚焦”和和“辅助辅助聚焦聚焦”电位器，仪器面板上对应的旋钮分别是电位器，仪器面板上对应的旋钮分别是“聚聚焦焦”和和“辅助聚焦辅助聚焦”旋钮。旋钮。使用中要注意的是：在调节使用中要注意的是：在调节“辉度辉度”旋钮时会影响聚旋钮时会影响聚焦效果，因此，示波管的焦效果，因此，示波管的“辉度辉度”与与“聚焦聚焦”并非并非相互独立，要相互独立，要配合调节配合调节。2偏转系统偏转系统图图5-1中，在第二阳极的后面，用两对相互垂直的偏中，在第二阳极的后面，用两对相互
7、垂直的偏转板组成偏转系统。垂直（转板组成偏转系统。垂直（Y轴）偏转板在前轴）偏转板在前（靠近第二阳极），水平（靠近第二阳极），水平（X轴）偏转板在后，轴）偏转板在后，两对极板间各自形成静电场，分别控制电子束在两对极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。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
8、的光点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。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电子束在偏转电场作用下的运动规律可用图5-2来分析。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轴两偏转板间的电压（V）)(22cmUdULlyyA 上式中L、l、d均为常数，当亮点聚焦调整
9、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-峰值）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。)(22cmLldUsAyyyUsy1yUsyy同理，X轴偏转板也有灵敏度的数值。xUSxX3荧光屏荧光屏 荧光屏一般为圆形或矩形的，其内壁沉积有磷光物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，
10、产生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。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，小于不同荧光材料余辉时间不一样，小于10s的为的为极短余辉极短余辉；10s1ms为为短余辉短余辉；1ms0.1s为为中余辉中余辉；0.11s为为长余辉长余辉；大；大于于1s为为极长余辉极长余辉。余辉时间余辉时间：当电子束停止作用后，光点仍能在屏幕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降到
11、原始值的10%所延续的时间称为余辉时间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。示波器均用中余辉管。5.2.2 波形显示原理波形显示原理 用示波器显示被测信号的波形，基本上有两种类型：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；另一种是显示一种是显示任意两个
12、信号与的关系；另一种是显示随时间变化的信号。随时间变化的信号。1电子束沿与作用的合成方向运动电子束沿与作用的合成方向运动 打在荧光屏上亮点的位置取决于同时加在垂直和水打在荧光屏上亮点的位置取决于同时加在垂直和水平偏转板上的电压。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。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）只加uy时的波形时的波形 （
13、b）只加）只加ux时的波形时的波形 （c）同时加）同时加uy、ux时的波形时的波形图图5-3 显示波形与偏转极板所加电压的关系显示波形与偏转极板所加电压的关系 同理，若仅在同理，若仅在X轴偏转板上加正弦波电压，则电子束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，如图沿水平方向运动，轨迹为一条水平线，如图5-3(b)所所示示。在在Y轴和轴和X轴同时加同一正弦波电压时，如果轴同时加同一正弦波电压时，如果ux=uy，亮点在荧光屏上的位置由电压和共同决定。因为在亮点在荧光屏上的位置由电压和共同决定。因为在同一时刻，同一时刻，X、Y方向偏转的距离相同，则在荧光屏方向偏转的距离相同，
14、则在荧光屏上显示一条直线，这条直线与水平轴呈上显示一条直线，这条直线与水平轴呈45，如图，如图5-3（c）。）。1 1、显示随时间变化的图形、显示随时间变化的图形 电子束进入偏转系统后，要受到电子束进入偏转系统后，要受到X X、Y Y两对偏转板间电场的控制，它们对两对偏转板间电场的控制，它们对X X、Y Y的的控制作用有如下几种情况。控制作用有如下几种情况。（1 1）UxUx、UyUy为固定电压的情况为固定电压的情况a a）设）设Ux=Uy=0Ux=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，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 a。b b
15、）设）设Ux=0Ux=0、Uy=Uy=常量，光点在垂直方向偏移。设常量，光点在垂直方向偏移。设UyUy为正电压，则光点从荧光屏的中心往为正电压，则光点从荧光屏的中心往垂直方向上移，若垂直方向上移，若UyUy为负电压，则光点从荧光屏的中心往垂直方向下移。为负电压，则光点从荧光屏的中心往垂直方向下移。c c）设）设Ux=Ux=常量、常量、Uy=0Uy=0，则光点在水平方向偏移。若，则光点在水平方向偏移。若UxUx为正电压，则光点从荧光屏的中心为正电压，则光点从荧光屏的中心往水平方向右移，若往水平方向右移，若UxUx为负电压，则光点从荧光屏的中心往水平方向左移。为负电压，则光点从荧光屏的中心往水平方
16、向左移。d d）设）设Ux=Ux=常量、常量、Uy=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。合成。二、二、图像显示的基本原理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。号的波形。(a)Ux=0、Uy=0(b)Ux=0、Uy=常量(c)Ux=常量、Uy=0(d)Ux=常量、Uy=常量 (2(2）X X、Y Y偏转板上分别加变化电压偏转板上分别加变化电压a)a)设设u ux x=0=0，u
17、uy y=Umsint=Umsint。由于。由于X X偏转板不加电压，光点在水平方向是不偏转板不加电压，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，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，如图如图a a。b b）设）设u ux x=kt=kt，u uy y=0=0，由于，由于Y Y偏转板不加电压，光点在垂直方向是不移动偏转板不加电压，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，出现的也是一条水平线的，则光点在荧光屏的水平方向上来回移动，出现的也是一条水平线段，如图段，如图b b。Uy0123401324Uy-UytUx
18、0123401324Ux-Uxt(a)(b)水平和垂直偏转板上分别加变化电压水平和垂直偏转板上分别加变化电压（3 3）Y Y偏转板加正弦波信号电压偏转板加正弦波信号电压u uy y=Umsint=Umsint，X X偏转板加锯齿波电压偏转板加锯齿波电压u ux x=kt=kt1 1）当时间）当时间t=t0t=t0时，时，u ux x=-Uxm=-Uxm（锯齿波电压的最大负值），（锯齿波电压的最大负值），u uy y=0=0，光点为，光点为点点“0”0”。2 2）当时间）当时间t=t1t=t1时，时，U Uy y=Uy1=Uy1、U Ux x=-Ux1=-Ux1，光点为点，光点为点“1”1”。3
19、 3）当时间）当时间t=t2t=t2时，时，U Uy y=Uy2=Uy2、U Ux x=-Ux2=-Ux2，光点为点，光点为点“2”2”。4 4）当时间）当时间t=t3t=t3时，时，U Uy y=Uy3=Uy3、U Ux x=Ux3=Ux3，光点为点，光点为点“3”3”。5 5）当时间）当时间t=t4t=t4时，时，U Uy y=Uy4=Uy4、U Ux x=Ux4=Ux4，光点为点，光点为点“4”4”。Uy0123401324Uy-Uyt0UxtUx-Ux 2 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 示波器两个偏转板上都加正弦电压时显示的图形称为李沙育（示波器两个偏转板
20、上都加正弦电压时显示的图形称为李沙育（LissajousLissajous）图形，这种图形在相位和频率测量中常会用到。图形，这种图形在相位和频率测量中常会用到。(a)(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 X、Y Y方向的偏转距离相同，这条直线与水平轴呈方向的偏转距离相同，这条直线与水平轴呈4545角角;(b)(b)如果这两个信号初相位相差如果这两个信号初相位相差9090，则在荧光屏上画出一个正椭圆；若，则在荧光屏上画出一个正椭圆；若X X、Y Y方向的偏转距离相同，则荧光屏上画出的图形为圆。方向的偏转距离相
21、同，则荧光屏上画出的图形为圆。t0123401234uytux01234t0123401234uytux01234024 (a)ux、uy同频同相同频同相 (b)ux、uy同频但相差同频但相差90 2显示随时间变化的波形显示随时间变化的波形 扫描的概念扫描的概念 为了显示为了显示uy的波形，必须在的波形，必须在Y轴偏转板加有轴偏转板加有uy信号的信号的同时，在同时，在X轴偏转板加随时间线性变化的扫描电压轴偏转板加随时间线性变化的扫描电压（锯齿波形电压）（锯齿波形电压）,如图如图5-4所示。所示。0tUmTx图图5-4 锯齿波电压波形锯齿波电压波形 若在若在Y方向不加电压，则光点在荧光屏上构成方
22、向不加电压，则光点在荧光屏上构成一条反映时间变化的直线，称为时间基线，如一条反映时间变化的直线，称为时间基线，如图图5-3（b）所示。）所示。光点在锯齿波作用下移动的过程称为光点在锯齿波作用下移动的过程称为扫描扫描，能，能实现扫描的锯齿波电压叫实现扫描的锯齿波电压叫扫描电压扫描电压，光点自左，光点自左向右的连续移动称为向右的连续移动称为扫描正程扫描正程，光点自屏幕的，光点自屏幕的右端迅速返回起点称为右端迅速返回起点称为扫描回程扫描回程。（1 1）定义：光点在扫描电压作用下扫动的过程。）定义：光点在扫描电压作用下扫动的过程。（2 2）扫描电压实际波形：锯齿波。）扫描电压实际波形：锯齿波。Uxt0
23、TsTb TwTs：扫描正程时间，电子束从左到右运动；：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；：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。：扫描休止时间。扫描电压周期扫描电压周期Tx=Ts+Tb+TwTx=Ts+Tb+Tw。理想状态下：理想状态下：Tb=Tw=0Tb=Tw=0，Tx=TsTx=Ts。Y Y偏转板：加被测信号；偏转板：加被测信号；X X偏转板：加扫描电压信号（设为理想状态）。偏转板：加扫描电压信号（设为理想状态）。当当Y轴加被观测的信号，轴加被观测的信号，X轴加扫描电压，则屏轴加扫描电压，则屏幕上光点的幕
24、上光点的Y和和X坐标分别与这一瞬时的信号电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，如图时间变化的波形，如图5-5所示。所示。图5-5 显示波形原理 图中图中 的周期为的周期为 ，如果扫描电压，如果扫描电压 的周期的周期 等于等于 ，在，在 及及 共同作用下，亮点的轨迹正共同作用下，亮点的轨迹正好是一条与好是一条与 相同的正弦曲线。亮点从相同的正弦曲线。亮点从0点经点经1、2、3至至4点移动为正程，从点移动为正程，从4点迅速返回到点迅速
25、返回到0点的点的移动为回程，如图移动为回程，如图5-5所示。所示。yuyTxuxTyTxuyuyu 同步的概念同步的概念 如果如果 =2 ，其波形显示如图，其波形显示如图5-6所示，可所示，可以观察到两个周期的信号电压波形。如果波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观察到一个稳定的图像。xTyT图5-6 =2 时显示的波形 显示两个周期被测信号xTyT由图由图5-6可见，欲显示多个周期的波形图，应可见，欲显示多个周期的波形图，应增加扫描电压增加扫描电压 的周期，即降低的的周期，即降低的 扫描频扫描
26、频率。在使用示波器时应当根据原理进行适当率。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：调节。荧光屏上显示波形的周期个数为：其中为其中为n整数。整数。xuxuyxTTn 若若n不为整数，会有什么样的结果呢？不为整数，会有什么样的结果呢？设设Y Y偏转板加正弦波信号电压偏转板加正弦波信号电压U Uy y=U=Um msintsint，X X偏转板加锯齿波电偏转板加锯齿波电压压Ux=ktUx=kt，且有，且有Tx=3/2 TyTx=3/2 Ty荧光屏显示的是被测信号随时间变化的荧光屏显示的是被测信号随时间变化的不稳定波形。不稳定波形。tUyt0Ux0第一扫描第一扫描周期周
27、期第二扫第二扫描周期描周期如图5-7所示波形是 =7/8 时的情况。图5-7 =7/8 时显示的波形xTyTxTyT 由此可见，为了在屏幕上获得稳定的图像，由此可见，为了在屏幕上获得稳定的图像，（包括正程和回程）包括正程和回程）与与 之比必须成整之比必须成整数关系，即数关系，即 =n ,以保证每次扫描起始以保证每次扫描起始点都对应信号的相同相位点上，这种过程点都对应信号的相同相位点上，这种过程称为称为“同步同步”。yTyTxTxT5、增辉、消隐现象、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
28、迹。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，即给子枪发射的电子远远多于扫描逆程，即给示波器增辉示波器增辉，这样，这样观测者看的就只有扫描正程显示的波形。或者观测者看的就只有扫描正程显示的波形。或者示波器中要将示波器中要将回程轨迹消隐，即使得回程轨迹消隐，即使得正程轨迹亮度增加，回程轨迹黯淡正程轨迹亮度增加，回程轨迹黯淡，凸显正程。凸显正程。例：例：设设Y Y偏转板加正
29、弦波信号电压偏转板加正弦波信号电压U Uy y=U=Um msintsint，X X偏转板加锯偏转板加锯齿波电压齿波电压UxUx，Tx=Ts+Tb+Tw,Tx=Ts+Tb+Tw,且有且有Ts=2Ty,Tb=Ty,Tw=0,Ts=2Ty,Tb=Ty,Tw=0,荧光荧光屏显示如下波形。屏显示如下波形。Uyt0Ux0t回程扫描回程扫描轨迹轨迹扫描正程扫描正程轨迹轨迹5.3 通用电子示波器通用电子示波器5.3.1 通用电子示波器的基本组成通用电子示波器的基本组成 1电子示波器的结构电子示波器的结构 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
30、管、垂直系统（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（轴系统）和水平系统（X轴系统），如图轴系统），如图5-8所所示。示。图图5-8 电子示波器的基本组成电子示波器的基本组成 垂直系统（垂直系统（Y轴系统或轴系统或Y通道）：由衰减通道）：由衰减器、前置放大器、延迟线和后置放大器等器、前置放大器、延迟线和后置放大器等组成。组成。Y轴主要作用轴主要作用：是放大被测信号电压，控：是放大被测信号电压，控制电子束的垂直偏转。制电子束的垂直偏转。水平系统（水平系统（X轴系统或轴系统或X通道）：由触发整通道）：由触发整形电路、扫描发生器及形电路、扫描发生器及X放大器组成。放大器组成。主机
31、部分（主机部分（Z轴系统）：主机包括示波管、轴系统）：主机包括示波管、Z通道、整机供电电源和校准信号发生器等。通道、整机供电电源和校准信号发生器等。2通用示波器的主要技术性能通用示波器的主要技术性能 为了正确选择和使用示波器，必须了解以下为了正确选择和使用示波器，必须了解以下主要性能指标：主要性能指标：频率响应（频带宽度）频率响应（频带宽度）示波器的频带宽度是指加至输入端的信号示波器的频带宽度是指加至输入端的信号（包括（包括Y轴和轴和X轴轴不加说明时均指不加说明时均指Y轴）轴）其上限频率其上限频率 与下限频率与下限频率 之差。之差。HfLf 一般情况一般情况 ，所以频率响应可用上限频率，所以频
32、率响应可用上限频率 表示表示。时域响应（瞬态响应）时域响应（瞬态响应）表示放大电路在方波脉冲输入信号作用下的过渡特表示放大电路在方波脉冲输入信号作用下的过渡特性。常用参数有上升时间（性。常用参数有上升时间（）、下降时间（）、下降时间（）等。等。Y轴系统的频带宽度轴系统的频带宽度 与上升时间与上升时间 之间有确定的之间有确定的内在联系，一般有：内在联系，一般有：350LfHfHfrtftBfrtBfrt 上式中，上式中，及及 的单位分别为的单位分别为MHz与与ns。因。因为为 ，所以也就有，所以也就有 350。当已。当已知的知的 值时，就可以算出上升时间：值时，就可以算出上升时间：BfrtBfH
33、fHfrtHfrtHf350 例例1知GOS-6013C型示波器 =100MHz，求示波器的上升时间是多少？解：=100MHz 350/=350/10106=3.5ns此值愈小愈好。HfHfHfrt 偏转灵敏度偏转灵敏度 指输入信号在无衰减情况下，亮点在屏幕上偏指输入信号在无衰减情况下，亮点在屏幕上偏转转1cm（或（或1格格div）所需信号电压的峰）所需信号电压的峰峰峰值（值（）。其单位为）。其单位为 /cm或或 /div，它反，它反映示波器观察微弱信号的能力。其值愈小，偏映示波器观察微弱信号的能力。其值愈小，偏转灵敏度愈高。转灵敏度愈高。ppVppVppV 输入阻抗输入阻抗 用在示波器输入端
34、测得的直流电阻值和并联用在示波器输入端测得的直流电阻值和并联电容值分别给出。希望电容值分别给出。希望 值越大、值越大、值越小值越小越好。一般示波器越好。一般示波器 值和值和 值分别在值分别在M和和pF数量级。数量级。iRiCiRiC 扫描因数扫描因数 表示在无扩展情况下，亮点在屏幕上表示在无扩展情况下，亮点在屏幕上x轴方向轴方向移动单位长度移动单位长度1cm（或（或1格格div）所表示的）所表示的时间，其单位为时间，其单位为t/cm。其中。其中t可取可取s、ms或或s。扫描因数愈高（即扫描因数愈高（即t/cm值愈小），表明示波值愈小），表明示波器能够展开高频信号或窄脉冲信号波形的能器能够展开高
35、频信号或窄脉冲信号波形的能力愈强。力愈强。5.3.2 示波器的垂直系统（示波器的垂直系统（Y轴系统）轴系统）Y轴偏转系统是传送被测信号的通道。它的作轴偏转系统是传送被测信号的通道。它的作用是引入被测信号，将其不失真地放大后传送用是引入被测信号，将其不失真地放大后传送到到Y偏转板，使屏幕上显示大小适中的信号波偏转板，使屏幕上显示大小适中的信号波形，主要性能有：足够的频带宽度和灵敏度、形，主要性能有：足够的频带宽度和灵敏度、小的上升时间等。小的上升时间等。Y轴偏转系统（轴偏转系统（Y通道）主要由探极、衰减器、通道）主要由探极、衰减器、前置放大器、延迟级、后置放大器及电子开关前置放大器、延迟级、后置
36、放大器及电子开关（双踪示波器特有）等组成，如图（双踪示波器特有）等组成，如图5-9所示所示。延迟线延迟线前置前置放大放大输入输入电路电路X通道触发触发放大放大后置后置放大放大Y1Y2被测信号被测信号图5-9 Y通道的基本组成1输入电路输入电路 输入电路的基本作用是引入被测信号，为前输入电路的基本作用是引入被测信号，为前置放大器提供良好的工作条件。置放大器提供良好的工作条件。它包括探极、交直流耦合开关、高阻抗输入它包括探极、交直流耦合开关、高阻抗输入衰减器、阻抗转换器等电路，如图衰减器、阻抗转换器等电路，如图5-10所示。所示。图图5-10 输入电路方框图输入电路方框图 探极探极 探极装在示波器
37、机体的外面，用电缆线和仪器探极装在示波器机体的外面，用电缆线和仪器相连接，它用于直接探测被测信号、提高示波相连接，它用于直接探测被测信号、提高示波器的输入阻抗、减小波形失真、展宽示波器的器的输入阻抗、减小波形失真、展宽示波器的带宽。带宽。探极分为无源探极和有源探极两种探极分为无源探极和有源探极两种。无源探极是一个衰减器，衰减比有无源探极是一个衰减器，衰减比有1：1、10：1、100：1三种，多用于观察低频信号；三种，多用于观察低频信号；有源探极内部包括有高输入阻抗放大器，多有源探极内部包括有高输入阻抗放大器，多用于探测高频信号。用于探测高频信号。耦合方式选择开关耦合方式选择开关 有三个档位（仪
38、器面板上有设置）：有三个档位（仪器面板上有设置）：DC、AC、接地接地 ，如图，如图5-10所示耦合方式部分。所示耦合方式部分。在直流在直流DC位，信号可直接通过；在交流位，信号可直接通过；在交流AC位，位，信号经信号经C耦合至衰减器，此时只有输入交流信耦合至衰减器，此时只有输入交流信号才可以通过；在号才可以通过；在“”（接地）位，若无需（接地）位，若无需断开被测信号的情况下，可为示波器提供接地断开被测信号的情况下，可为示波器提供接地参考电平。参考电平。衰减器衰减器 对应示波器面板上的对应示波器面板上的Y轴灵敏度粗调旋钮，衰轴灵敏度粗调旋钮，衰减器是为测量不同幅度的被测信号而设置的减器是为测量
39、不同幅度的被测信号而设置的。衰减器常使用阻、容分压器电路，其原理示意衰减器常使用阻、容分压器电路，其原理示意图如图图如图5-11所示。所示。图5-11 阻容衰减器原理图C2C1R2R1Uoui 衰减器的衰减量为输出电压衰减器的衰减量为输出电压uo与输入电压与输入电压ui之之比，也等于比，也等于R1C1的并联阻抗的并联阻抗Z1与与R2C2的并联阻的并联阻抗抗Z2的分压比。的分压比。其中其中C1做成可调电容，当满足做成可调电容，当满足R1C1=R2C2时，时，则衰减器的分压比为：则衰减器的分压比为：221212=oiuZRuZZRR 这时分压比与频率无关。满足上式的情况称为这时分压比与频率无关。满
40、足上式的情况称为最佳补偿。如图最佳补偿。如图5-12所示的几种补偿情况。所示的几种补偿情况。图5-12 几种补偿的波形 阻抗变换器阻抗变换器 阻抗变换器用于变换阻抗。为了保证阻抗变换器用于变换阻抗。为了保证Y轴输入轴输入端为高阻抗，在衰减器和放大电路之间必须插端为高阻抗，在衰减器和放大电路之间必须插入阻抗转换电路，并且把单端输入的被测信号入阻抗转换电路，并且把单端输入的被测信号变成对称输出的平衡信号。变成对称输出的平衡信号。2延迟线延迟线 因为扫描信号的引出是从因为扫描信号的引出是从Y轴系统分离出来，轴系统分离出来，并且要经过一定的过程才能产生，它和被观测并且要经过一定的过程才能产生，它和被观
41、测信号相比总是滞后一段时间，如图信号相比总是滞后一段时间，如图5-13所示。所示。图5-13 没有延迟线时的情况3Y轴系统的放大器轴系统的放大器 Y放大器使示波器具有观测微弱信号的能力。放大器使示波器具有观测微弱信号的能力。通常把通常把Y放大器分成前置放大器和输出放大器放大器分成前置放大器和输出放大器两部分两部分。前置放大器的输出信号一方面引至触。前置放大器的输出信号一方面引至触发电路，作为同步触发信号；另一方面经过延发电路，作为同步触发信号；另一方面经过延迟线延迟以后引至输出放大器。迟线延迟以后引至输出放大器。Y轴采用变换放大器的增益的方法，进行轴采用变换放大器的增益的方法，进行“倍率倍率”
42、调调节。节。例如，例如，许多示波器许多示波器Y轴的轴的“倍率倍率”开关有开关有“5”和和“1”两个位置，在通常情况下两个位置，在通常情况下“倍率倍率”开关置开关置“1”位置，若把位置，若把“倍率倍率”开关置于开关置于“5”，则放大，则放大器增益增加器增益增加5倍，这便于观测微弱信号或看清波形某倍，这便于观测微弱信号或看清波形某个局部的细节。但在进行定量计算时要注意其中的换个局部的细节。但在进行定量计算时要注意其中的换算。算。Y轴通过调节放大器的增益还可以实现灵敏度微调。轴通过调节放大器的增益还可以实现灵敏度微调。当灵敏度微调电位器处于极端位置时，示波器灵敏处当灵敏度微调电位器处于极端位置时，示
43、波器灵敏处于于“校正校正”位置，在用示波器作定量时，放大器的增位置，在用示波器作定量时，放大器的增益应是固定的，此时应将灵敏度微调于益应是固定的，此时应将灵敏度微调于“校正校正”。Y放大器的输出级常采用差分电路，以使加在偏转板放大器的输出级常采用差分电路，以使加在偏转板上的电压能够对称。上的电压能够对称。Y轴轴“移位移位”调节就是改变差分调节就是改变差分电路的直流电位，它能使屏幕上的电路的直流电位，它能使屏幕上的波形上下平移波形上下平移，以，以便观察和读数。便观察和读数。4双踪显示基本原理双踪显示基本原理 在实际测试中，常常希望把两个相关的信号波在实际测试中，常常希望把两个相关的信号波形同时显
44、示在屏幕上，以便进行信号之间的比形同时显示在屏幕上，以便进行信号之间的比较，或显示两个信号叠加波形：较，或显示两个信号叠加波形：“和和”、“差差”的显示。的显示。常用的方法在通用示波器的常用的方法在通用示波器的Y轴系统中加入电子开关轴系统中加入电子开关S1、S2，其工作过程如图，其工作过程如图5-14所示。所示。图5-14 电子开关的工作原理 采用单束示波管采用单束示波管“同时同时”显示两个被测信号波显示两个被测信号波形的示波器形的示波器双踪示波器。双踪示波器。双踪示波器是在双踪示波器是在Y通道中多设一个前置放大器、通道中多设一个前置放大器、两个电子开关。通过电子开关的切换，可使示两个电子开关
45、。通过电子开关的切换，可使示波器的显示方式有五种：波器的显示方式有五种：YA、YB、YA YB、交替和断续。交替和断续。前三种均为单踪显示，前三种均为单踪显示，YA、YB与普通示波器与普通示波器相同，此时的相同，此时的S1或或S2处于恒接通状态；处于恒接通状态；YA YB 显示的波形为两个信号的和或差（与显示的波形为两个信号的和或差（与“极极性性”选择开关相配合），此时把选择开关相配合），此时把S1和和S2恒接通。恒接通。下面重点讨论后两种显示方式。下面重点讨论后两种显示方式。“交替交替”显示方式显示方式 当扫描电压第一次扫描时，当扫描电压第一次扫描时，S1闭合、闭合、S2断开；断开；第二次扫
46、描时，第二次扫描时，S1断开、断开、S2闭合，如此重复闭合，如此重复下去。下去。如图如图5-15所示。所示。“交替交替”方式适用于显示高频方式适用于显示高频信号。信号。图5-15“交替”显示方式 “断续断续”显示方式显示方式 这种方式就是在一次扫描时间内轮番开闭和，这种方式就是在一次扫描时间内轮番开闭和，显示出被测信号的某一段，以后各次扫描重复显示出被测信号的某一段，以后各次扫描重复以上过程。以上过程。这种工作方式适用于观测低频信号。如图这种工作方式适用于观测低频信号。如图5-16所示。所示。图5-16“断续”显示方式5.3.3 示波器的水平系统（示波器的水平系统（X轴系统）轴系统）X轴系统（
47、轴系统（X通道）的作用是产生一个与时间呈通道）的作用是产生一个与时间呈线性关系的锯齿波电压，当这个扫描电压的正线性关系的锯齿波电压，当这个扫描电压的正程加到水平偏转板上时，电子束就沿水平方向程加到水平偏转板上时，电子束就沿水平方向偏转，形成偏转，形成时间基线时间基线。X通道主要包括触发整形电路、扫描电路、通道主要包括触发整形电路、扫描电路、X放放大器等部分，如图大器等部分，如图5-17所示。所示。图5-17 X通道的基本组成1触发整形电路触发整形电路 触发整形电路的作用在于把来源不同的触发触发整形电路的作用在于把来源不同的触发信号整形为具有一定波形、一定幅度的触发信号整形为具有一定波形、一定幅
48、度的触发脉冲。其主要功能有触发源选择、耦合方式脉冲。其主要功能有触发源选择、耦合方式选择、触发极性选择、触发电平调节、触发选择、触发极性选择、触发电平调节、触发放大整形电路等，其方框图如图放大整形电路等，其方框图如图5-18所示。所示。到时基发生器到时基发生器触发源触发源选选 择择输入耦合输入耦合方式选择方式选择触触 发发放大器放大器触发极性触发极性转转 换换触发脉冲触发脉冲整形电路整形电路图5-18 触发整形电路方框图触发整形电路的原理图如图触发整形电路的原理图如图5-19所示所示。图5-19 触发整形电路原理图 触发源选择触发源选择 触发源选择一般有两种，即内触发和外触发；触发源选择一般有
49、两种，即内触发和外触发；前者的触发信号取自前者的触发信号取自Y通道中的被测信号，后通道中的被测信号，后者取自外部信号源。由转换开关者取自外部信号源。由转换开关S1（对应面板（对应面板上上“极性极性”开关）选择不同的触发信号源。开关）选择不同的触发信号源。触发耦合方式触发耦合方式 为适合不同的信号频率示波器设有多种耦合为适合不同的信号频率示波器设有多种耦合方式。由开关方式。由开关S2选择。选择。“DC”：直流耦合。用于接入直流或缓慢变：直流耦合。用于接入直流或缓慢变化的信号，或者频率较低且有直流成分的信化的信号，或者频率较低且有直流成分的信号。号。“AC”：交流耦合。用于观察由低频到较高：交流耦
50、合。用于观察由低频到较高频率的信号。频率的信号。“AC（H）”：高频耦合。用于观察高频：高频耦合。用于观察高频（一般大于（一般大于5MHz）的信号。）的信号。触发极性选择触发极性选择 触发极性开关用于确定在触发信号的那一点上触发极性开关用于确定在触发信号的那一点上产生触发脉冲。当触发点在触发脉冲的上升段产生触发脉冲。当触发点在触发脉冲的上升段时，称之为时，称之为正极性触发正极性触发；当触发点在下降段时，；当触发点在下降段时，称之为称之为负极性触发负极性触发。触发电平调节触发电平调节 触发电平是指触发点位于触发信号波形的触发电平是指触发点位于触发信号波形的上部上部、中部中部及及下部下部，由，由R
