电子测量与仪器课件 第四章 波形测试与仪器1

1、第4章 波形测试与仪器 14.1 概述概述示波器，借助阴极射线示波管电子射线的偏转将电信号变示波器，借助阴极射线示波管电子射线的偏转将电信号变换成可见图像，实现波形的显示，实现电压、周期、频率、时换成可见图像，实现波形的显示，实现电压、周期、频率、时间、相位、调制系数等参数的测量。示波器也是构成特性曲线间、相位、调制系数等参数的测量。示波器也是构成特性曲线测试仪器等的重要组成部分测试仪器等的重要组成部分.示波器按其性能、结构分为示波器按其性能、结构分为：（1）通用示波器通用示波器:单束示波管，它分为单踪、双踪、多踪示波器。单束示波管，它分为单踪、双踪、多踪示波器。（2）多束示波器）多束示波器:

2、多束示波管，同时观测、比较两个以上的波形。多束示波管，同时观测、比较两个以上的波形。（3）取样示波器）取样示波器取样示波器将高频、超高频信号经取样变换为较低频率信号后再显示，取样示波器将高频、超高频信号经取样变换为较低频率信号后再显示，适用于测量高频、超高频信号。适用于测量高频、超高频信号。（4）存储示波器）存储示波器:可存储被测信号，用于异地观测、分析测量。可存储被测信号，用于异地观测、分析测量。（5）专用示波器）专用示波器: 满足特殊用途，如电视示波器，矢量示波器等满足特殊用途，如电视示波器，矢量示波器等第4章 波形测试与仪器 24.2 波形测试的基本原理波形测试的基本原理4.2.1 阴极

3、射线示波管阴极射线示波管 用来将电信号变换为光信号而加以显示。用来将电信号变换为光信号而加以显示。CRT主要由电子主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三大部分组成，它们都封装在密闭呈枪、偏转系统和荧光屏三大部分组成，它们都封装在密闭呈真空的玻璃壳内，其结构如图真空的玻璃壳内，其结构如图4.1所示。所示。1. 电子枪电子枪电子枪用来发射电子并形成很细的高速电子束。它主要由灯丝电子枪用来发射电子并形成很细的高速电子束。它主要由灯丝F、阴极、阴极K、控制栅极控制栅极G、第一阳极、第一阳极A1、第二阳极、第二阳极A2和后加速阳极和后加速阳极A3组成。组成。2. 偏转系统偏转系统 偏转系统的作用是：扫描电压、

4、被测信号加到偏转系统的作用是：扫描电压、被测信号加到X、Y偏转板上时，各偏转板上时，各自在自在X、Y偏转板间形成偏转电场，分别使电子束产生在偏转板间形成偏转电场，分别使电子束产生在X、Y方向上的位方向上的位移，由此确定出亮点在荧光屏上的位置。移，由此确定出亮点在荧光屏上的位置。3. 荧光屏荧光屏第4章 波形测试与仪器 3电子枪电子枪控制栅极控制栅极G阴极阴极K灯丝灯丝F偏转系统偏转系统第一阳极第一阳极A1第二阳极第二阳极A2Y1Y2X1X2后加速阳极后加速阳极A3荧光屏荧光屏偏转板偏转板辅助聚焦辅助聚焦聚焦聚焦辉度辉度+RP1RP2RP3图图4.1 阴极射线示波管结构示意图阴极射线示波管结构示

5、意图 第4章 波形测试与仪器 44.2.2 波形显示原理波形显示原理1. 波形显示波形显示示波管未加偏转电压示波管未加偏转电压时，电子束打在荧光屏中心位置上而产生亮点。电子束打在荧光屏中心位置上而产生亮点。示波管示波管X、Y偏转板上都只加直流电压时，也可以在荧光屏上得到一偏转板上都只加直流电压时，也可以在荧光屏上得到一个位置产生变化的亮点。每个亮点所在的位置都可以设为起始点。个位置产生变化的亮点。每个亮点所在的位置都可以设为起始点。被测信号的波形可以看作是由很多亮点构成的，由示波管的线性偏转被测信号的波形可以看作是由很多亮点构成的，由示波管的线性偏转特性可知，每个亮点在特性可知，每个亮点在X、

6、Y方向上的坐标（即相对于起始点的距离）分别方向上的坐标（即相对于起始点的距离）分别与被测信号波形中该点的时间及瞬时电压成正比。与被测信号波形中该点的时间及瞬时电压成正比。垂直、水平偏转板上加被测电压、扫描电压时，电子束受到垂直、水垂直、水平偏转板上加被测电压、扫描电压时，电子束受到垂直、水平偏转板的共同作用，使电子束每一时刻产生的亮点的垂直位移与被测电平偏转板的共同作用，使电子束每一时刻产生的亮点的垂直位移与被测电压的瞬时电压成正比，而在时间上则一一对应，这样就在荧光屏上得到一压的瞬时电压成正比，而在时间上则一一对应，这样就在荧光屏上得到一个留存时间很短的亮点轨迹，即波形。个留存时间很短的亮点

7、轨迹，即波形。被测信号是周期性信号，每次得到的波形又能完全重复，并且每次重被测信号是周期性信号，每次得到的波形又能完全重复，并且每次重复的间隔时间又很短，就可以得到稳定的被测信号波形。复的间隔时间又很短，就可以得到稳定的被测信号波形。第4章 波形测试与仪器 5 2. 扫描及同步扫描及同步 图图4.2为扫描电压实际波形。为扫描电压实际波形。 扫描正程时：增辉扫描正程时：增辉 扫描逆程时：消隐。扫描逆程时：消隐。 扫描休止时：消隐扫描休止时：消隐。TbTSTwTx=TS+Tb+Twtux(t)0图图4.2 扫描电压实际波形扫描电压实际波形正程波形正程波形（与被测信号波形相同（与被测信号波形相同）回

8、扫线回扫线休止线休止线图图4.3 不消隐时显示的波形不消隐时显示的波形第4章 波形测试与仪器 6如果要得到稳定的如果要得到稳定的周期性被测信号波形周期性被测信号波形必须满足同步条件：必须满足同步条件：Tx=Ts+Tb+Tw=nTy（n为正整数） 被测信号和扫描电压对电被测信号和扫描电压对电 子束的作用时间总是相等的。子束的作用时间总是相等的。示波器一般采用电示波器一般采用电平触发的方法获取被测信号平触发的方法获取被测信号的周期信息，从而实现扫描的周期信息，从而实现扫描电压与被测信号的同步，这电压与被测信号的同步，这个过程称为触发同步个过程称为触发同步Tx=Ts+Tb=3TyTs=2TyTb=T

9、yttux(t)uy(t)00正程终点正程终点（逆程起点）（逆程起点）正程起点正程起点（逆程终点（逆程终点）正程波形正程波形回扫线回扫线对折方向对折方向对 折对 折 轴 线轴 线图图4.4 显示波形的取得显示波形的取得第4章 波形测试与仪器 74.3 通用示波器的基本组成及技术指标通用示波器的基本组成及技术指标4.3.1 基本组成基本组成主要由主要由X通道、通道、Y通道、主机三大部分组成。单踪示波器的基本组成如通道、主机三大部分组成。单踪示波器的基本组成如图图4.5所示。所示。（1）X通道（水平系统）通道（水平系统） X通道由触发电路、扫描电路和通道由触发电路、扫描电路和X放大器组成。它的主要

10、作用是：在放大器组成。它的主要作用是：在触发信号的作用下，输出大小合适、极性相反的对称扫描电压，以驱动电子触发信号的作用下，输出大小合适、极性相反的对称扫描电压，以驱动电子束水平偏转。束水平偏转。（2）Y通道（垂直系统）通道（垂直系统）Y通道由衰减器、前置放大器、延迟级、输出放大器等组成。它的主通道由衰减器、前置放大器、延迟级、输出放大器等组成。它的主要作用是：对单端输入的被测信号进行变换、处理要作用是：对单端输入的被测信号进行变换、处理（3）主机部分）主机部分 主机部分主要包括标准信号源、增辉电路、电源、示波管等部分。主机部分主要包括标准信号源、增辉电路、电源、示波管等部分。第4章 波形测试

11、与仪器 8探探极极Y衰减器衰减器Y前置前置放大器放大器延迟级延迟级Y输出输出放大器放大器Y偏偏转板转板触发触发电路电路扫描电路扫描电路X放放大器大器标准信号标准信号发生器发生器电源电源增辉增辉电路电路控制栅极控制栅极(或阴极或阴极)主机主机Y通道通道X偏偏转板转板“X”输入输入外同步外同步触发输入触发输入标准信号标准信号输出输出“X-Y”X通道通道“扫描扫描”S2S1内外电源示波管示波管被测被测信号信号输入输入图图4.5 通用示波器基本组成通用示波器基本组成第4章 波形测试与仪器 94.3.2 主要技术指标主要技术指标1. 频带宽度频带宽度BW和上升时间和上升时间tr Y通道输入信号上、下限频

12、率通道输入信号上、下限频率fH、fL之差，即之差，即BW=fHfL。 上升时间上升时间tr：表示在输入脉冲等瞬变信号时示波器：表示在输入脉冲等瞬变信号时示波器Y通道瞬态响应特性通道瞬态响应特性 即显示波形从稳定幅度的即显示波形从稳定幅度的10%上升到上升到90%所需的时间所需的时间 频带宽度频带宽度BW与上升时间与上升时间tr之间存在的关系如下：之间存在的关系如下：BWtr0.35式中，式中，BW（或（或fH）、）、tr的单位分别为的单位分别为MHz、s。 为了在测量时不产生明显的测量误差，通常要求为了在测量时不产生明显的测量误差，通常要求trtry/3（try为被测信号上升时间）为被测信号上

13、升时间）第4章 波形测试与仪器 10 2. 扫描速度扫描速度扫描速度是单位时间内亮点水平移动距离，单位为扫描速度是单位时间内亮点水平移动距离，单位为“cm/s”或或“div/s”。扫描速度越快，显示的波形越宽，反之，越窄。扫描速度的倒数称为扫描速度越快，显示的波形越宽，反之，越窄。扫描速度的倒数称为“时基因数时基因数”，单位为，单位为“t/cm”或或“t/div”，t可取可取s、ms或或s。示波器常用时基因数进行水平方向标度。示波器常用时基因数进行水平方向标度。当当“微调微调”旋钮置于旋钮置于“校准校准”位置时，时基因数的实际大小等于位置时，时基因数的实际大小等于“时基因数时基因数”旋钮所指示

14、的数值。旋钮所指示的数值。3. 偏转因数偏转因数偏转因数是指在输入信号作用下，亮点在荧光屏上移动偏转因数是指在输入信号作用下，亮点在荧光屏上移动1cm或或1div所需所需的电压值，单位为的电压值，单位为“mV/cm”或或“mV/div”或或“V/cm”、“V/div”，数值越小，数值越小，波形幅度越大。偏转因数是通过变换波形幅度越大。偏转因数是通过变换Y通道衰减器的衰减比，从而改变加到通道衰减器的衰减比，从而改变加到Y偏转板上的信号电压大小来实现的。偏转因数的倒数称为偏转板上的信号电压大小来实现的。偏转因数的倒数称为“偏转灵敏度偏转灵敏度”，单位为单位为“cm/V”或或“div/V”。 示波器

15、常用偏转因数进行垂直方向标度，。示波器常用偏转因数进行垂直方向标度，。当当“微调微调”旋钮置于旋钮置于“校校准准”位置时，偏转因数的实际大小等于位置时，偏转因数的实际大小等于“偏转因数偏转因数”旋钮所指示的数值。旋钮所指示的数值。第4章 波形测试与仪器 114.输入阻抗输入阻抗Zi 示波器输入阻抗示波器输入阻抗Zi，即被测电路的等效负载，可等效为输入，即被测电路的等效负载，可等效为输入电阻电阻Ri和输入电容和输入电容Ci的并联。测量高频信号时应考虑输入电容的影响。的并联。测量高频信号时应考虑输入电容的影响。 5. 输入方式输入方式 输入方式即输入耦合方式，一般有直流（输入方式即输入耦合方式，一

16、般有直流（DC）、交流（）、交流（AC）和接地）和接地（GND）三种耦合方式。）三种耦合方式。 变换交流耦合和直流耦合，可以测出交流信号中直流成分的大小。变换交流耦合和直流耦合，可以测出交流信号中直流成分的大小。 6. 触发源选择方式触发源选择方式 触发源是指用于提供产生扫描电压的同步信号来源，一般有内触发触发源是指用于提供产生扫描电压的同步信号来源，一般有内触发(INT，双踪示波器又有双踪示波器又有CH1、CH2之分之分)、外触发、外触发(EXT)和线触发（和线触发（LINE）三种方）三种方式。内触发是指由被测信号来产生同步触发信号。外触发是指由外部电路式。内触发是指由被测信号来产生同步触发

17、信号。外触发是指由外部电路提供的信号来产生同步触发信号。线触发又称为电源触发，是指利用示波提供的信号来产生同步触发信号。线触发又称为电源触发，是指利用示波器内部工频电源来产生同步触发信号器内部工频电源来产生同步触发信号。第4章 波形测试与仪器 124.4 通用示波器通用示波器Y通道（垂直系统）通道（垂直系统）示波器示波器Y通道主要由输入电路、前置放大器、延迟级和输出放大器等通道主要由输入电路、前置放大器、延迟级和输出放大器等组成。它的主要作用是把被测信号变换成为大小合适的双极性对称信号后组成。它的主要作用是把被测信号变换成为大小合适的双极性对称信号后加到加到Y偏转板上，使显示的波形适于观测；向

18、偏转板上，使显示的波形适于观测；向X通道提供内触发信号源；通道提供内触发信号源；补偿补偿X通道的时间延迟，以观测到诸如脉冲等信号的完整波形。通道的时间延迟，以观测到诸如脉冲等信号的完整波形。4.4.1 输入电路输入电路主要包括探极、耦合方式变换开关、衰减器、阻抗变换及倒相放大器主要包括探极、耦合方式变换开关、衰减器、阻抗变换及倒相放大器等部分。等部分。1. 探极探极被测信号与示波器的连接可以选用引线或附带的探极，通常选用高频被测信号与示波器的连接可以选用引线或附带的探极，通常选用高频特性良好、抗干扰能力强的高输入阻抗探极。正确使用探极，可以提高示特性良好、抗干扰能力强的高输入阻抗探极。正确使用

19、探极，可以提高示波器的输入阻抗，增强示波器的抗干扰能力，扩展示波器的电压量程。波器的输入阻抗，增强示波器的抗干扰能力，扩展示波器的电压量程。第4章 波形测试与仪器 13探极探极衰减器衰减器阻抗变换阻抗变换及倒相放及倒相放大器大器偏转因数偏转因数Y前置前置放大器放大器DCACGNDS耦合方式耦合方式被测信号被测信号uy(t)图图4.6 Y通道输入电路通道输入电路第4章 波形测试与仪器 14 (b)输入输入示波器示波器探探 极极CiRi 1M (a)C9M高阻同高阻同轴电缆轴电缆探针探针地线地线输入输入示波器示波器探探 极极CiRi 1MC9M高阻同轴电缆高阻同轴电缆探针探针地线地线图图4.7 两

20、种无源探极的结构两种无源探极的结构(a)(b)(c)图图4.8 探极补偿情况探极补偿情况第4章 波形测试与仪器 15 2. 耦合方式选择开关耦合方式选择开关 耦合方式选择开关一般有耦合方式选择开关一般有DC、AC和和GND三个挡位。在不断开被测信号的情三个挡位。在不断开被测信号的情况下，况下，GND耦合为示波器提供测量直流耦合为示波器提供测量直流电压的参考零电平。电压的参考零电平。 3.衰减器衰减器 衰减器一般为阻容步进衰减器，其衰减器一般为阻容步进衰减器，其电路原理如图电路原理如图4.9所示。改变衰减器衰减所示。改变衰减器衰减比，也就改变了示波器偏转因数，从而比，也就改变了示波器偏转因数，从

21、而使显示波形的幅度得以调整。使显示波形的幅度得以调整。 对于图对于图4.9所示的阻容衰减器，只有当满足所示的阻容衰减器，只有当满足R1C1=R2C2时，衰减器才具时，衰减器才具有平坦的幅频特性，即示波器偏转因数与输入信号频率无关，其衰减比为有平坦的幅频特性，即示波器偏转因数与输入信号频率无关，其衰减比为R2/(R1+R2)。 uiR1R2C1C2uo+图图4.9 阻容步进衰减器原理图阻容步进衰减器原理图第4章 波形测试与仪器 164. 阻抗变换及倒相放大器阻抗变换及倒相放大器 阻抗变换及倒相放大器的作用是将来自衰减器的单端输入信号变换为阻抗变换及倒相放大器的作用是将来自衰减器的单端输入信号变换

22、为后级差分放大器所需的双端输出信号，以克服放大器零点漂移的影响；提后级差分放大器所需的双端输出信号，以克服放大器零点漂移的影响；提高放大器输入阻抗；隔离前后级的影响；提供高放大器输入阻抗；隔离前后级的影响；提供Y偏转板所需的对称信号。偏转板所需的对称信号。 与该电路有关的旋钮有直流与该电路有关的旋钮有直流“平衡平衡” 及偏转因数及偏转因数“微调微调”等旋钮。等旋钮。“微调微调”可以连续调节显示波形的幅度；适当调节可以连续调节显示波形的幅度；适当调节“平衡平衡”可以避免因为可以避免因为偏转因数的改变而使波形产生位移，示波器面板上一般不予设置。偏转因数的改变而使波形产生位移，示波器面板上一般不予设

23、置。 4.4.2 前置放大器前置放大器 前置放大器的作用是对前级输出信号进行初步放大，补偿延迟级对信前置放大器的作用是对前级输出信号进行初步放大，补偿延迟级对信号的损耗；为号的损耗；为X通道的触发电路提供大小合适的内触发信号，以得到稳定通道的触发电路提供大小合适的内触发信号，以得到稳定可靠的内触发脉冲。可靠的内触发脉冲。 与前置放大器有关的开关旋钮有与前置放大器有关的开关旋钮有“倒相倒相”开关、垂直开关、垂直“移位移位”旋钮。旋钮。“倒相倒相”开关通过改变加在前置放大器的双端输入信号的极性使显示波形开关通过改变加在前置放大器的双端输入信号的极性使显示波形倒置；倒置；“移位移位”旋钮通过调节同轴双联电位器反向对称地改变前置放大器旋钮通过调节同轴双联电位器反向对称地改变前置放大器双端输出信号中的直流成分而使波形垂直移位双端输