示波器原理及其应用-模电实验

1、示波器原理及其应用示波器原理及其应用 一一 模拟示波器模拟示波器 示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉 眼看不见的电信号变换成看得见的图象，便于人们研究各种眼看不见的电信号变换成看得见的图象，便于人们研究各种 电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的 电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点。电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点。 在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在 屏面上描

2、绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能 观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它 测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅 度等等。度等等。 垂直放大水平放大 电 路 电 路 显示电路 扫描和同步 电 路 电源供给 电 路 x轴输入 扫描 y轴输入 内 外 普通示波器有五个基本组成部分：显示电路、垂直（普通示波器有五个基本组成部分：显示电路、垂直（Y轴）轴） 放大电路、水平（放大电路、水平（X轴）放大电路、扫描

3、与同步电路、电源供轴）放大电路、扫描与同步电路、电源供 给电路。给电路。 普通示波器的原理功能方框图普通示波器的原理功能方框图 。 A1：第一阳极：第一阳极 G：控制栅极：控制栅极 K：阴极：阴极 F：灯丝：灯丝 G：对应亮度旋钮：对应亮度旋钮 A2：第二阳极：第二阳极 K G A1 A2共同完成聚焦共同完成聚焦 X：水平：水平 偏转板偏转板 Y：竖直偏转板：竖直偏转板 荧光屏荧光屏 竖直放大器、水平放大器竖直放大器、水平放大器 扫描发生器、触发电路扫描发生器、触发电路 作用：在偏转板上加足够的电压，使电子束获得明显偏移；作用：在偏转板上加足够的电压，使电子束获得明显偏移； 对较弱的被测信号进

4、行放大对较弱的被测信号进行放大 扫描发生器作用扫描发生器作用：产生一个与时间成正比的电压作为扫描信号：产生一个与时间成正比的电压作为扫描信号 触发电路作用触发电路作用：形成触发信号。示波器工作在自动（：形成触发信号。示波器工作在自动（AUTO) 方式时，扫描发生器始终有扫描信号输出；当示波器处于方式时，扫描发生器始终有扫描信号输出；当示波器处于 AC/DC触发方式工作时，扫描发生器必须有触发信号的激励触发方式工作时，扫描发生器必须有触发信号的激励 才能产生扫描信号。一般对应：才能产生扫描信号。一般对应： 内触发方式时，触发信号由被测信号产生，满足同步要求内触发方式时，触发信号由被测信号产生，满

5、足同步要求 外触发方式时，触发信号由外部输入信号产生外触发方式时，触发信号由外部输入信号产生 示波管显示原理示波管显示原理 产生产生高速高速飞行的飞行的电子束电子束 使电子沿使电子沿Y Y方向方向偏移偏移 使电子沿使电子沿x x方向方向偏移偏移 示波管显示原理示波管显示原理 电子沿电子沿Y Y方向方向向上向上偏移偏移 1 1、Y Y偏转电极板加一直流电压偏转电极板加一直流电压 ( (上正下负上正下负) )，此时，此时， 电子束向上偏移，亮点出现在荧光屏正上方。电子束向上偏移，亮点出现在荧光屏正上方。 一个直流电压加到一对偏转板上时，将使光点在荧光屏一个直流电压加到一对偏转板上时，将使光点在荧光

6、屏 上产生一个固定位移，该位移的大小与所加直流电压成正比。上产生一个固定位移，该位移的大小与所加直流电压成正比。 电子沿电子沿Y Y方向方向向下向下偏移偏移 示波管显示原理示波管显示原理 2 2、Y Y偏转电极板加一直流电压偏转电极板加一直流电压 ( (上负下正上负下正) )，此时，此时， 电子束向下偏移，亮点出现在荧光屏正下方。电子束向下偏移，亮点出现在荧光屏正下方。 电子沿电子沿X X方向方向向里向里偏移偏移 示波管显示原理示波管显示原理 3 3、X X偏转电极板加一直流电压偏转电极板加一直流电压 ( (上正下负上正下负) )，此时，此时， 电子束向里偏移，亮点出现在荧光屏正右方。电子束向

7、里偏移，亮点出现在荧光屏正右方。 电子沿电子沿X X方向方向向外向外偏移偏移 示波管显示原理示波管显示原理 4 4、X X偏转电极板加一直流电压偏转电极板加一直流电压 ( (上负下正上负下正) )，此时，此时， 电子束向外偏移，亮点出现在荧光屏正左方。电子束向外偏移，亮点出现在荧光屏正左方。 只在竖直偏转板上只在竖直偏转板上 加正弦电压的情形加正弦电压的情形 只在水只在水 平偏转平偏转 板上加板上加 一锯齿一锯齿 波电压波电压 的情形的情形 如果将一个频率在如果将一个频率在10Hz20Hz以上的正弦交流电压加以上的正弦交流电压加 到一对偏转板上时，光点在荧光屏上将随电压的变化而移动。到一对偏转

8、板上时，光点在荧光屏上将随电压的变化而移动。 由于荧光屏的余辉现象和人眼的由于荧光屏的余辉现象和人眼的 视觉暂留现象，在荧光屏上看到的就视觉暂留现象，在荧光屏上看到的就 不是一个上下移动的点，而是一根垂不是一个上下移动的点，而是一根垂 直的亮线了。该亮线的长短在示波器直的亮线了。该亮线的长短在示波器 的垂直放大增益一定的情况下决定于的垂直放大增益一定的情况下决定于 正弦交流电压峰一峰值的大小。正弦交流电压峰一峰值的大小。 如果分别将两个交变如果分别将两个交变 电压同时加到垂直和水平电压同时加到垂直和水平 两对偏转板上，则荧光屏两对偏转板上，则荧光屏 上的光点位置就由两个方上的光点位置就由两个方

9、 向的位移所共同决定。向的位移所共同决定。 如果将代表被测信号的正弦波电压加如果将代表被测信号的正弦波电压加 到垂直偏转板上，锯齿波扫描电压加到水到垂直偏转板上，锯齿波扫描电压加到水 平偏转板上，而且被测信号电压的频率等平偏转板上，而且被测信号电压的频率等 于锯齿波扫描电压的频率于锯齿波扫描电压的频率(fX=fY)，则荧光，则荧光 屏上将显示出一个周期的被测信号电压随屏上将显示出一个周期的被测信号电压随 时间变化的波形曲线时间变化的波形曲线 TX=TY 若加到垂直偏转板上的正弦波若加到垂直偏转板上的正弦波 电压频率是加到水平偏转板上的电压频率是加到水平偏转板上的 锯齿波扫描电压频率的二倍锯齿波

10、扫描电压频率的二倍 (2fX=fY) ，则荧光屏上显示出两个，则荧光屏上显示出两个 周期正弦波形曲线。周期正弦波形曲线。 TX=2TY 以此类推，当以此类推，当TX=nTY， ，则屏幕 则屏幕 显示显示n个周期正弦波形。个周期正弦波形。 紊乱的波形紊乱的波形 当被测信号电压的频率与锯齿波电压的频率不成整数倍数时，则当被测信号电压的频率与锯齿波电压的频率不成整数倍数时，则 荧光屏上不能获得稳定的波形荧光屏上不能获得稳定的波形 由此可见，为了在荧光屏上获得稳定的图像，由此可见，为了在荧光屏上获得稳定的图像，TX(包括正程与回程包括正程与回程)与与 TY必须成整数倍关系，即必须成整数倍关系，即TXn

11、TY (n为正整数为正整数)，以保证每次扫描的起始点，以保证每次扫描的起始点 都对应信号电压都对应信号电压uy的相同相位点上，这种过程称为的相同相位点上，这种过程称为“同步同步”。示波器中，。示波器中， 通常利用通常利用被测信号被测信号uy (或用与或用与uy相关的其他信号相关的其他信号)去控制扫描电压发生器的去控制扫描电压发生器的 振荡周期，以迫使振荡周期，以迫使TXnTY。 不稳定波形不稳定波形 形成原因形成原因 扫描时由于锯齿波扫描时由于锯齿波 周期性复原，要求光点周期性复原，要求光点 所画的轨迹和第一周期所画的轨迹和第一周期 的完全重合，再由视觉的完全重合，再由视觉 残留，观察到一个稳

12、定残留，观察到一个稳定 的波形的波形 。 Tx=nTy , fy=nfx 为使荧光屏上的图形稳定，被测信号电压的频率应与锯齿波电压的为使荧光屏上的图形稳定，被测信号电压的频率应与锯齿波电压的 频率保持整数比的关系，即同步关系。需要在其扫描电路上输入一个与频率保持整数比的关系，即同步关系。需要在其扫描电路上输入一个与 被观察信号频率相关的同步信号，当所加同步信号的频率接近锯齿波频被观察信号频率相关的同步信号，当所加同步信号的频率接近锯齿波频 率的自主振荡频率（或接近其整数倍）时，就可以把锯齿波频率率的自主振荡频率（或接近其整数倍）时，就可以把锯齿波频率“拖入拖入 同步同步”或或“锁住锁住”。 拖

13、入同步拖入同步 t t 0 0 uY uX 选择触发时机。选择触发时机。 连续扫描与触发扫描连续扫描与触发扫描 1、连续扫描、连续扫描 触发扫描的特点是，只有在外加输入信号触发扫描的特点是，只有在外加输入信号(称为触发信称为触发信 号号)的作用下光屏上才有时基线；反之，无触发信号荧光的作用下光屏上才有时基线；反之，无触发信号荧光 屏上只显示一个亮点。屏上只显示一个亮点。 触发扫描不仅可用于观察连续信号波形，而且适用于触发扫描不仅可用于观察连续信号波形，而且适用于 观测脉冲信号波形。观测脉冲信号波形。 连续扫描是扫描电压为周期性锯齿波电压。其特点连续扫描是扫描电压为周期性锯齿波电压。其特点 是即

14、使没有外加信号，在荧光屏上也能显示一条时基线。是即使没有外加信号，在荧光屏上也能显示一条时基线。 前面介绍过的扫描即为连续扫描。前面介绍过的扫描即为连续扫描。 2、触发扫描、触发扫描 触发扫描的特点是，只有在外加输入信号触发扫描的特点是，只有在外加输入信号(称为触发信号称为触发信号)的作用下，的作用下， 扫描发生器才工作。扫描发生器才工作。 触发扫描不仅可用于观察连续信号波形，而且适用触发扫描不仅可用于观察连续信号波形，而且适用 于观测窄脉冲信号波形。于观测窄脉冲信号波形。 为了在示波器上观察到稳定不动的信号波形：用被测为了在示波器上观察到稳定不动的信号波形：用被测 信号或其他信号来控制扫描电

15、压的产生时刻，称为扫描触信号或其他信号来控制扫描电压的产生时刻，称为扫描触 发。该系统的主要作用是用来产生锯齿波信号，并保证被发。该系统的主要作用是用来产生锯齿波信号，并保证被 测信号波形与扫描信号波形之间有确定的相位关系。扫描测信号波形与扫描信号波形之间有确定的相位关系。扫描 系统所需的触发信号可选用内触发信号，也可选用外触发系统所需的触发信号可选用内触发信号，也可选用外触发 信号，一般多选用内触发信号进行扫描显示，仅在同步困信号，一般多选用内触发信号进行扫描显示，仅在同步困 难时才选用外触发的方式。当被测信号达到某一选择的电难时才选用外触发的方式。当被测信号达到某一选择的电 平时，触发电路

16、就输出一个脉冲信号去启动扫描电路使光平时，触发电路就输出一个脉冲信号去启动扫描电路使光 点开始水平扫描。点开始水平扫描。 触发系统包括触发信号源、触发方式、触发电平和触触发系统包括触发信号源、触发方式、触发电平和触 发极性。合理地选择触发信号源对正确观察被测信号之间发极性。合理地选择触发信号源对正确观察被测信号之间 的相位关系是十分重要的。的相位关系是十分重要的。 双踪示波器的基本组成双踪示波器的基本组成 电子 前置放大 YA 前置放大 YB 门 控 电 路 开关 混 合 电 电 路 路 延 迟 Y轴后置 放大电路 内触发 放大电路 时 基 触发电路 时 基 发生电路 X轴放大 电 路 Z轴放

17、大 电 路 校准信号 电 路 低压电源 供给电路 高压电源 供给电路 YA YB 拉 按 (常态) 扫描 外接 外触发 X外接 内 外 1V 1kHz 至各电路至示波管 显示系统 YB 输入A 输入B 通道A 通道B 电子 开关 K 0 1234 01 234 t t v v A B 接扫描电压 (a)(b) 双踪示波器基本原理双踪示波器基本原理 双踪（或多踪）示波是在单线示波器的基础上，增设一个双踪（或多踪）示波是在单线示波器的基础上，增设一个 专用电子开关，用它来实现两种（或多种）波形的分别显示。专用电子开关，用它来实现两种（或多种）波形的分别显示。 电子开关电子开关K的作用是使加在示波管

18、垂直偏转板上的两种信的作用是使加在示波管垂直偏转板上的两种信 号电压作周期性转换。两个信号在荧光屏上虽然是交替显示号电压作周期性转换。两个信号在荧光屏上虽然是交替显示 的，但由于人眼的视觉暂留现象和荧光屏的余辉（高速电子的，但由于人眼的视觉暂留现象和荧光屏的余辉（高速电子 在停止冲击荧光屏后，荧光屏上受冲击处仍保留一段发光时在停止冲击荧光屏后，荧光屏上受冲击处仍保留一段发光时 间）现象，就可在荧光屏上同时看到两个被测信号波形。间）现象，就可在荧光屏上同时看到两个被测信号波形。 电子开关的工作方式有电子开关的工作方式有“交替交替”转换和转换和“断续断续”转换两种。转换两种。 0 1234 01

19、234 t t v vA B t v 0 1 234 正程 回程 0 1 2 (a)(b)采用采用“交替交替”转换方式转换方式 采用采用“断续断续”转换方式转换方式 当电子开关用断续转换工作方式时，在当电子开关用断续转换工作方式时，在X轴扫描的每一个轴扫描的每一个 过程中，电子开关都以足够高的转换频率，分别对所显示的每过程中，电子开关都以足够高的转换频率，分别对所显示的每 个被测信号进行多次取样。个被测信号进行多次取样。 亮度：轨迹亮度：轨迹 亮度调节亮度调节 电源开关电源开关电源指示灯电源指示灯 聚焦：轨迹聚焦：轨迹 清晰度调节清晰度调节 荧光屏荧光屏 校准信号校准信号 CH1或或CH2：被

20、测信号输入端口：被测信号输入端口 注意双通道 被测信号耦合方式被测信号耦合方式 AC：交流输入：交流输入 DC： 直流输入直流输入 GND： 输入零信号输入零信号 垂直位移垂直位移 水平位移水平位移 被测信号输入被测信号输入 ALT：两个通道：两个通道 交替显示交替显示 CH1或或CH2：1 或或2单独显示单独显示 CHOP：两个通：两个通 道断续显示道断续显示 ADD：显示两个：显示两个 通道信号幅度的通道信号幅度的 代数和或差代数和或差 通道通道2极极 性转换性转换 ：调节垂直：调节垂直 偏转灵敏度，指示垂直方偏转灵敏度，指示垂直方 向每格的偏转电压值向每格的偏转电压值 ：连续调：连续调

21、节垂直偏转灵敏度节垂直偏转灵敏度 ：调节扫：调节扫 描速率，指示水平方描速率，指示水平方 向每格的扫描时间向每格的扫描时间 ：CH1 输入输入X轴信号轴信号 ： 连续调节扫连续调节扫 描速率描速率 自动（自动（AUTO)：扫：扫 描发生器自动工作描发生器自动工作 常态（常态（NORM)单次（单次（SINGLE) 被触发或准被触发或准 备指示灯备指示灯 调节被测信号在某调节被测信号在某 一电平触发扫描一电平触发扫描 外：外：LINE EXT 触发极性选择：选择上触发极性选择：选择上 升或下降沿触发扫描升或下降沿触发扫描 接地接地 外触发输入外触发输入 CH1或或CH2选择：选择： “交替交替”或

22、或“断续断续” 工作方式时，选择工作方式时，选择 频率低的通道触发频率低的通道触发 单踪显示时，任选单踪显示时，任选 其一，触发信号均其一，触发信号均 来自于被显示通道来自于被显示通道 选择触发信号选择触发信号 耦合方式：耦合方式： AC/DC TV AC常态常态 触发耦合方式触发耦合方式 （COUPL ING） 顺时针旋足顺时针旋足微调（微调（VIRIABLE） CH1 触发源触发源 （TRIGGER SOURCE） 0.1V(X) 电压衰减电压衰减 （VOLTS/DIV） 0.5ms扫描速率（扫描速率（SEC/DIV）CH1垂直方式（垂直方式（MODE） 触发极性（触发极性（SLOPE）居

23、中居中 位移（三只）位移（三只） （POSITION） 自动自动 扫描方式扫描方式 （SWEEP MODE） 居中居中聚焦（聚焦（FOCUS ） DC输入耦合输入耦合居中居中亮度（亮度（INTENSITV） 作用位置作用位置控制件名称控制件名称作用位置作用位置控制件名称控制件名称 测量前示波器面板控件的位置测量前示波器面板控件的位置 注意：测量时对控件进行适当的调节注意：测量时对控件进行适当的调节 ：调节扫描速率，指示：调节扫描速率，指示 ：调节垂直偏转灵敏度：调节垂直偏转灵敏度,指示指示 调节被测信号在某一电平触发描。调节被测信号在某一电平触发描。 旧示波器：旧示波器：顺时针到底，波形中心电

24、平附近顺时针到底，波形中心电平附近 显示两个相关量的函数图形。显示两个相关量的函数图形。 CH1输入输入x轴信号，同时设置为轴信号，同时设置为状态。状态。 （1）信号发生器输出）信号发生器输出 接接CH1。 （2）调节信号发生器）调节信号发生器 的输出频率和电压及波的输出频率和电压及波 形。形。 （3）调节示波器）调节示波器CH1 通道偏转因数、扫描速通道偏转因数、扫描速 率、电平等，使显示波率、电平等，使显示波 形稳定。形稳定。 测量原理测量原理 YU pp 偏转因数偏转因数V/div XT 时基因数时基因数T/div 10div 峰峰 U 8div T 电压：电压：Upp=24=8V 假设：假设：“ V/div ” 档位置于档位置于 2V/div “ TIME/div ”的档位在 的档位在0.5ms/div 周期周期 T=60.5=3mS 频率频率 f=1/T=333HZ 4格 1.6格 T=1.6t/div UPP=4v/div 将不