模拟示波器显示波形的原理

1、第第5章章时域测量时域测量电子测量与仪表Electronic Measurement and Instruments ）信号以信号以连续时间连续时间为自变量的函数为自变量的函数以以f 为自变量，为自变量，P或能量为因变量的函数或能量为因变量的函数以以离散时间离散时间或事件出现的次序为自变量，或事件出现的次序为自变量，把状态值为因变量的函数关系。把状态值为因变量的函数关系。例：例：脉冲发生器、函发、脉冲发生器、函发、示波器示波器、计数器、计数器例：例：频谱仪，频谱仪，布尔和冯布尔和冯诺依曼诺依曼奠定了数学基础奠定了数学基础例：例：逻辑分析仪，逻辑分析仪，麦克斯韦和傅立叶麦克斯韦和傅立叶奠定了数学

2、基础奠定了数学基础频域频域数据域数据域时域时域 Electronic Measurement and Instruments ）在电子技术领域里，各种电信号多为在电子技术领域里，各种电信号多为时间的时间的函数函数。对于非周期性的、变化复杂的信号无法用。对于非周期性的、变化复杂的信号无法用简单的几个参数去描述它们。最好的办法是使用简单的几个参数去描述它们。最好的办法是使用示波器去观察测量和研究各种时域信号。示波器示波器去观察测量和研究各种时域信号。示波器不仅能不仅能定性观察定性观察电信号的电信号的动态过程动态过程，还可以，还可以定量定量地测量地测量表征电信号特性的所有表征电信号特性的所有电参数电

3、参数。示波器除。示波器除了测量电量之外，通过各种传感器还可以测量了测量电量之外，通过各种传感器还可以测量非非电量电量。Electronic Measurement and Instruments ）示波器示波器复现电信号复现电信号时变时变规律，是用途广泛规律，是用途广泛的综合性仪器的综合性仪器。1、示波器可示波器可代替代替一大堆仪表。理由是：一大堆仪表。理由是：基本电信号基本电信号V、I、P 等都表现为幅度的大小；等都表现为幅度的大小；基本电参数基本电参数T、f、 以及调制特性、失真情况等都以及调制特性、失真情况等都是时变规律。是时变规律。2、示波器是示波器是唯一唯一可选仪可选仪器（对某些参数

4、）。如：器（对某些参数）。如：阻尼振荡，脉冲的上冲、阻尼振荡，脉冲的上冲、下冲、上升、下降，重合下冲、上升、下降，重合等。等。tVOElectronic Measurement and Instruments ）示波器示波器复现电信号复现电信号时变时变规律，是用途广泛规律，是用途广泛的综合性仪器的综合性仪器。1、示波器可示波器可代替代替一大堆仪表。理由是：一大堆仪表。理由是：基本电信号基本电信号V、I、P 等都表现为幅度的大小；等都表现为幅度的大小；基本电参数基本电参数T、f、 以及调制特性、失真情况等都以及调制特性、失真情况等都是时变规律。是时变规律。2、示波器是示波器是唯一唯一可选仪器（对

5、某些参数）。如：可选仪器（对某些参数）。如：阻尼振荡，脉冲的上冲、下冲、上升、下降，重合等。阻尼振荡，脉冲的上冲、下冲、上升、下降，重合等。3、配合有关电路配合有关电路组成组成测试系统。如：测试系统。如：晶体管特性图示仪，阻抗、频率、网络测试仪等。晶体管特性图示仪，阻抗、频率、网络测试仪等。Electronic Measurement and Instruments ）5.1 示波器的分类示波器的分类5.2 模拟示波器模拟示波器5.3 多波形显示多波形显示5.4 取样示波器取样示波器5.5 数字存储示波器数字存储示波器5.6 示波器的应用示波器的应用Electronic Measurement

6、 and Instruments ）重点：重点：模拟示波器模拟示波器模拟示波器的基本构成模拟示波器的基本构成模拟示波器显示波形的原理模拟示波器显示波形的原理示波器的应用示波器的应用难点：难点：模拟示波器显示波形的原理模拟示波器显示波形的原理Electronic Measurement and Instruments ）示波器的示波器的应用应用：电信号的时域测量电信号的时域测量非电信号（如非电信号（如温度、压力温度、压力等）的变化测量等）的变化测量示波器的示波器的特点特点：速度快，工作频率宽，可测速度快，工作频率宽，可测高速脉冲高速脉冲电子束惯性小电子束惯性小灵敏度高，可观察灵敏度高，可观察微弱

7、信号微弱信号变化变化 配有高增益放大器配有高增益放大器过载能力强过载能力强 非指针指示非指针指示输入阻抗高输入阻抗高Electronic Measurement and Instruments ）5.1 示波器的分类示波器的分类A/D，D/AB 100MHzElectronic Measurement and Instruments ）5.2 模拟示波器模拟示波器5.2.1 模拟示波器的基本构成模拟示波器的基本构成5.2.2 示波器显示波形的原理示波器显示波形的原理5.2.3 垂直系统垂直系统5.2.4 水平系统水平系统Electronic Measurement and Instrument

8、s ）5.2.1 模拟示波器的基本构成由五部分构成。由五部分构成。Electronic Measurement and Instruments ）5.2.1 模拟示波器的基本构成示波管示波管信号波形显示信号波形显示，将电信号转换为光信号。，将电信号转换为光信号。Electronic Measurement and Instruments ）5.2.1 模拟示波器的基本构成垂直系统（垂直系统（Y通道）通道）使示波管荧光屏上光点的位置使示波管荧光屏上光点的位置在垂直（在垂直（Y）方向上线性地反映被测信号幅度。）方向上线性地反映被测信号幅度。Electronic Measurement and In

9、struments ）5.2.1 模拟示波器的基本构成水平系统（水平系统（X通道）通道）产生与被测信号相适应的扫描锯产生与被测信号相适应的扫描锯齿波，控制齿波，控制荧光屏上光点的位置在水平（荧光屏上光点的位置在水平（X）方向上由左向右）方向上由左向右循环移动，或在水平（循环移动，或在水平（X）方向上线性地反映）方向上线性地反映X输入信号幅度。输入信号幅度。Electronic Measurement and Instruments ）5.2.1 模拟示波器的基本构成Z轴电路轴电路增辉增辉：将闸门信号放大，使显示的波形正：将闸门信号放大，使显示的波形正程加亮，回扫光迹消隐。程加亮，回扫光迹消隐。

10、调辉调辉：加外调制信号或时标信：加外调制信号或时标信号，使屏幕显示波形的亮度发生相应地变化。号，使屏幕显示波形的亮度发生相应地变化。Electronic Measurement and Instruments ）5.2.1 模拟示波器的基本构成电源与校准源电源与校准源电源电源：为其他电路提供高、低压工：为其他电路提供高、低压工作电源，其中高压提供给示波管。作电源，其中高压提供给示波管。校准源校准源：产生幅度和：产生幅度和频率准确的方波，作为仪器的校准信号。频率准确的方波，作为仪器的校准信号。Electronic Measurement and Instruments ）5.2.2 示波器显示波

11、形的原理 1.示波管示波管(CRT-Cathode Ray Tube，阴极射线管，阴极射线管) 的结构的结构电子枪电子枪栅极栅极G1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后加速极后加速极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前加速极前加速极G2Electronic Measurement and Instruments ）发射电子并形成很细的高速电子束发射电子并形成很细的高速电子束灯丝灯丝F、阴极、阴极K、栅极、栅极G1、前加速极、前加速极G2、第一阳、第一阳极极A1、第二阳极、第二阳极A2灯丝灯丝

12、F 加热加热阴极阴极K，K产生产生电子束电子束负电位栅极负电位栅极G1控制控制电子束的强弱电子束的强弱辉度辉度调节调节A1、A2构成电子束的构成电子束的聚焦聚焦A1聚焦调节聚焦调节 A2辅助聚焦调节辅助聚焦调节(1) 电子枪作用：作用：组成：组成：原理：原理：5.2.2 示波器显示波形的原理1.示波管（示波管（CRT）的结构）的结构Electronic Measurement and Instruments ）栅极栅极G1阴极阴极K第一阳极第一阳极A1第二阳极第二阳极A2荧光屏荧光屏前加速极前加速极G2(1) 电子枪5.2.2 示波器显示波形的原理1.示波管（示波管（CRT）的结构）的结构El

13、ectronic Measurement and Instruments ）(2) 偏转系统5.2.2 示波器显示波形的原理1.示波管（示波管（CRT）的结构）的结构Electronic Measurement and Instruments ）(2) 偏转系统 以垂直偏转板为例以垂直偏转板为例板长板长板间距板间距偏转灵敏度偏转灵敏度 V/cm提高灵敏度措施：提高灵敏度措施：5.2.2 示波器显示波形的原理yUUdSlyA22 1.示波管（示波管（CRT）的结构）的结构板屏距板屏距yySU Electronic Measurement and Instruments ）(3) 荧光屏5.2.2

14、 示波器显示波形的原理1.示波管（示波管（CRT）的结构）的结构Electronic Measurement and Instruments ）2. 示波管波形显示原理示波管波形显示原理(1) 显示随时间变化的波形 5.2.2 示波器显示波形的原理Electronic Measurement and Instruments ）(2) 扫描的概念01234024135.2.2 示波器显示波形的原理2.示波管波形显示原理示波管波形显示原理Electronic Measurement and Instruments ）01324001234(2) 扫描的概念5.2.2 示波器显示波形的原理2.示波管

15、波形显示原理示波管波形显示原理Electronic Measurement and Instruments ）(2) 扫描的概念01324012345.2.2 示波器显示波形的原理2.示波管波形显示原理示波管波形显示原理Electronic Measurement and Instruments ）(3) 同步的概念5.2.2 示波器显示波形的原理2.示波管波形显示原理示波管波形显示原理Electronic Measurement and Instruments ）(3) 同步的概念01234678109110123455678910012345679105.2.2 示波器显示波形的原理2.示

16、波管波形显示原理示波管波形显示原理Electronic Measurement and Instruments ）(4) 扫描过程的增辉0123467801234567855012346785.2.2 示波器显示波形的原理2.示波管波形显示原理示波管波形显示原理Electronic Measurement and Instruments ）(5) 连续扫描和触发扫描5.2.2 示波器显示波形的原理2.示波管波形显示原理示波管波形显示原理Electronic Measurement and Instruments ）(5) 连续扫描和触发扫描5.2.2 示波器显示波形的原理2.示波管波形显示原理

17、示波管波形显示原理t1Tx= t1Electronic Measurement and Instruments ）(5) 连续扫描和触发扫描5.2.2 示波器显示波形的原理2.示波管波形显示原理示波管波形显示原理t扫描扫描等待等待Electronic Measurement and Instruments ）(6) XY方式波形显示012345.2.2 示波器显示波形的原理2.示波管波形显示原理示波管波形显示原理Electronic Measurement and Instruments ）(6) XY方式波形显示012340245.2.2 示波器显示波形的原理2.示波管波形显示原理示波管波形

18、显示原理Electronic Measurement and Instruments ）(7) 主要的性能指标5.2.2 示波器显示波形的原理2.示波管波形显示原理示波管波形显示原理 MHz350ns MHz35. 0sWrWrBtBt或Electronic Measurement and Instruments ）指在输入信号无衰减情况下，光点在荧光屏指在输入信号无衰减情况下，光点在荧光屏Y方方向上移动向上移动1cm（即（即1格）所需的电压值，单位为格）所需的电压值，单位为“V/ /cm”、“mV/ /cm”（或（或“V/ /div”、“mV/ /div”）。）。2.示波管波形显示原理示波管

19、波形显示原理(7) 主要的性能指标(b) 偏转灵敏度偏转灵敏度表示了示波器表示了示波器Y通道的放大通道的放大/ /衰减能力，衰减能力，反映示反映示波器观察微弱信号的能力，越小越好。波器观察微弱信号的能力，越小越好。与与BW相矛盾相矛盾定义定义意义意义5.2.2 示波器显示波形的原理Electronic Measurement and Instruments ）/ / /(7) 主要的性能指标(c) 扫描速度扫描速度/ / /5.2.2 示波器显示波形的原理2.示波管波形显示原理示波管波形显示原理Electronic Measurement and Instruments ）1、作用、作用2、组

20、成、组成观测观测mV 几十伏电压，几十伏电压，需要放大及衰减电路需要放大及衰减电路5.2.4 垂直系统Electronic Measurement and Instruments ）一、输入电路一、输入电路5.2.3 垂直系统Electronic Measurement and Instruments ）一、输入电路一、输入电路5.2.3 垂直系统Electronic Measurement and Instruments ）二、前置放大器二、前置放大器5.2.3 垂直系统Electronic Measurement and Instruments ）三、延迟线三、延迟线5.2.3 垂直系统输

21、入信号输入信号扫描电压扫描电压显示波形显示波形tT触发点触发点扫描起点扫描起点Electronic Measurement and Instruments ）三、延迟线三、延迟线2、作用、作用5.2.3 垂直系统触发点触发点输入信号输入信号扫描电压扫描电压显示波形显示波形输入信号输入信号延迟后延迟后扫描扫描起点起点tTtdElectronic Measurement and Instruments ）四、后置放大器四、后置放大器5.2.3 垂直系统Electronic Measurement and Instruments ）1、作用、作用5.2.5 水平系统2、组成、组成Electronic

22、 Measurement and Instruments ）一、触发电路一、触发电路 为扫描电路提供一定幅度和宽度的正触发脉冲为扫描电路提供一定幅度和宽度的正触发脉冲放大、整形放大、整形电路电路内内外外电源电源C1C3ACTVHF REJDC常态常态自动自动 单次单次触发电平调节触发电平调节至扫描至扫描发生器环发生器环触发脉触发脉冲输出冲输出S1S2 S4 +- S3极性反极性反转电路转电路触发源触发源选择选择触发耦合方式选择触发耦合方式选择触发极触发极选择性选择性触发方式选择触发方式选择电视同步电视同步分离电路分离电路5.2.4 水平系统Electronic Measurement and

23、Instruments ）一、触发电路一、触发电路5.2.4 水平系统Electronic Measurement and Instruments ）一、触发电路一、触发电路5.2.4 水平系统Electronic Measurement and Instruments ）一、触发电路一、触发电路5.2.4 水平系统Electronic Measurement and Instruments ）一、触发电路一、触发电路+ + 触发点位于触发信号的触发点位于触发信号的上升上升沿沿- - 触发点位于触发信号的触发点位于触发信号的下降下降沿沿5.2.4 水平系统Electronic Measurem

24、ent and Instruments ）一、触发电路一、触发电路(a) 正电平、正极性正电平、正极性(b) 正电平、负极性正电平、负极性(c) 负电平、负极性负电平、负极性(d) 负电平、正极性负电平、正极性5.2.4 水平系统Electronic Measurement and Instruments ）二、扫描发生器环二、扫描发生器环至至X X放大器放大器稳定度稳定度调节调节比较电平比较电平触发脉触发脉冲输入冲输入扫描闸门扫描闸门积分器积分器比较释抑比较释抑电路电路增辉脉冲增辉脉冲 +E+E5.2.4 水平系统Electronic Measurement and Instruments

25、）二、扫描发生器环二、扫描发生器环5.2.4 水平系统Electronic Measurement and Instruments ）5.2.4 水平系统二、扫描发生器环二、扫描发生器环来自扫来自扫描闸门描闸门- -+ +RC+E扫描锯齿波输出扫描锯齿波输出Vot tt tttRCEtRECV0 ,d10O Electronic Measurement and Instruments ）作用：作用：控制扫描信号的始终点，使电路产生等幅扫描。控制扫描信号的始终点，使电路产生等幅扫描。5.2.4 水平系统二、扫描发生器环二、扫描发生器环 在比较电路中，输入电压与预置的参考电平进行比较，在比较电路中

26、，输入电压与预置的参考电平进行比较，当输入电压等于预置的参考电平时，输出端电位产生跳变，当输入电压等于预置的参考电平时，输出端电位产生跳变，并把它作为控制信号输出。并把它作为控制信号输出。它决定扫描的终止时刻。它决定扫描的终止时刻。 释抑电路在扫描逆程开始后，关闭或抑制扫描闸门，释抑电路在扫描逆程开始后，关闭或抑制扫描闸门，使使“抑制抑制”期间扫描电路不再受到同极性触发脉冲的触发。期间扫描电路不再受到同极性触发脉冲的触发。每次扫描都开始在同样的起始电平上。每次扫描都开始在同样的起始电平上。Electronic Measurement and Instruments ）5.2.4 水平系统二、扫

27、描发生器环二、扫描发生器环上触发电平上触发电平E1下触发电平下触发电平E2闸门输入闸门输入闸门输出闸门输出比较电平比较电平Ur扫描电压扫描电压E0Electronic Measurement and Instruments ）5.3 多波形显示多波形显示Electronic Measurement and Instruments ）5.3.1 多踪显示Y1输入输入电路电路Y1前置前置放大器放大器Y1门电路门电路电子电子开关开关延迟线延迟线Y后置后置放大器放大器门电路门电路至至Y偏转板偏转板Y1输入输入控制信号控制信号Y2输入输入电路电路Y2前置前置放大器放大器Y2Y2输入输入Electroni

28、c Measurement and Instruments ）uy1uy2ux5.3.1 多踪显示Electronic Measurement and Instruments ）uy1uy2ux5.3.1 多踪显示Electronic Measurement and Instruments ）前置放大前置放大延长线延长线Y Y后置放大后置放大A A触发触发A A扫描扫描电子开关电子开关X X放大放大电压比较电压比较B B触发触发选择门选择门Y Y线光迹线光迹分离电路分离电路+ +- -B B扫描扫描R RP PY Y输入输入A A增辉增辉B B增辉增辉1 12 23 34 45.3.2 双扫描

29、显示Electronic Measurement and Instruments ）5.4 取样示波器取样示波器经放大和延长电路后的信号经放大和延长电路后的信号tt输入信号输入信号取样脉冲取样脉冲取样信号取样信号显示波形显示波形TD DtTD Dt1 12 23 34 45 52D Dt3D Dt4D DtElectronic Measurement and Instruments ）数字储存示波器（数字储存示波器（Digital Storage OscilloscopeDSO），先将输入的），先将输入的模拟模拟信号经信号经A/ /D变换为变换为数字数字信号，信号，存储存储在存储器在存储器RA

30、M中；需要中；需要显示显示时，读出时，读出RAM中的中的数据数据，通过，通过D/ /A恢复为模拟量，显示在恢复为模拟量，显示在屏幕上。屏幕上。信号处理与显示功能独立信号处理与显示功能独立。数字储存示波器的数字储存示波器的性能指标性能指标，主要取决于，主要取决于A/ /D、D/ /A和和RAM。5.5 数字存储示波器数字存储示波器Electronic Measurement and Instruments ）1. 数字存储示波器的基本组成数字存储示波器的基本组成5.5 数字存储示波器数字存储示波器Electronic Measurement and Instruments ）5.5 数字存储示波

31、器数字存储示波器2. 数字存储示波器的基本原理数字存储示波器的基本原理DSO处于处于存储工作模式存储工作模式时，其工作过程一般分为时，其工作过程一般分为存储存储和和显示显示两个阶段。两个阶段。 存储工作阶段存储工作阶段：将：将模拟模拟信号经信号经A/ /D转换成转换成数字数字化信化信号，在号，在逻辑控制逻辑控制电路的控制下依次写入到存储器电路的控制下依次写入到存储器RAM中。中。 显示工作阶段显示工作阶段：将：将数字数字信号从信号从RAM中读出，经中读出，经D/ /A转换成模拟信号，经垂直放大器放大加到转换成模拟信号，经垂直放大器放大加到CRT的的Y偏转板偏转板。同时同时，CPU的的读地址计数

32、脉冲读地址计数脉冲加至加至D/ /A转转换器，得到一个阶梯波换器，得到一个阶梯波扫描扫描电压，驱动电压，驱动CRT的的X偏转偏转板板。Electronic Measurement and Instruments ）5.5 数字存储示波器数字存储示波器3.主要技术指标主要技术指标 最高取样速率最高取样速率fs 单位时间单位时间内的内的最高取样次数最高取样次数，由，由A/ /D的转换速率的转换速率决定决定。 存储容量存储容量 获取获取波形波形的的取样点数取样点数，用存储单元数来表示。，用存储单元数来表示。也称为也称为记录长度记录长度。 分辨力分辨力 量化量化的最小单元。包括的最小单元。包括垂直垂直

33、分辨率（电压分辨分辨率（电压分辨率）和率）和水平水平分辨率（时间分辨率）分辨率（时间分辨率）。 准确度准确度 通过通过游标游标来测量，准确度可达来测量，准确度可达1%。 扫描时间因数扫描时间因数 存储带宽存储带宽 分分单次单次存储带宽和存储带宽和重复重复存储带宽。存储带宽。 X-Y存储带宽存储带宽 X、Y通道相同通道相同，与与重复重复存储带宽相同。存储带宽相同。Electronic Measurement and Instruments ）5.5 数字存储示波器数字存储示波器4. 数字存储示波器的功能特点数字存储示波器的功能特点 触发点位置可任意设定触发点位置可任意设定 观测观测单次单次信号尤

34、为方便。信号尤为方便。 滚动方式滚动方式 左左右右、右右左左和和静止静止。 峰值检测功能峰值检测功能 可显示高频信号波形的可显示高频信号波形的包络包络。 累计峰值检测功能累计峰值检测功能 平均功能平均功能 可将湮没在可将湮没在噪声噪声中的中的微弱微弱信号检测出来。信号检测出来。 屏幕读出功能屏幕读出功能 可显示可显示仪器仪器和和信号信号的有关的有关参数参数。 游标测量功能游标测量功能 可测量波形可测量波形任意两点任意两点的电压和时间间的电压和时间间隔；隔；屏幕屏幕直读直读显示显示测量数据，减小测量数据，减小人为误差人为误差。Electronic Measurement and Instrume

35、nts ）5.5 数字存储示波器数字存储示波器4. 数字存储示波器的功能特点数字存储示波器的功能特点 存储波形的缩放存储波形的缩放 软件软件技术，方便观测波形技术，方便观测波形细节细节 具有记录输出功能具有记录输出功能 菜单功能菜单功能 简化简化硬件硬件面板面板。 接口功能接口功能 输出数据供输出数据供打印打印和进一步和进一步处理处理；进行；进行遥控遥控和和构成构成自动测试自动测试系统系统。Electronic Measurement and Instruments ）5.5 数字存储示波器数字存储示波器5. 数字存储示波器与模拟数字存储示波器与模拟 (通用通用) 示波器的比较示波器的比较信号

36、信号可分为两大类：可分为两大类： 周期性周期性重复信号重复信号 非周期、单次非周期、单次或或随机随机信号信号Electronic Measurement and Instruments ）5.5 数字存储示波器数字存储示波器5. 数字存储示波器与模拟（通用）示波器的比较数字存储示波器与模拟（通用）示波器的比较与与模拟模拟示波器相比，示波器相比，数字储存数字储存示波器有以下优点：示波器有以下优点： 具有存储触发前信息的功能具有存储触发前信息的功能：可：可捕获捕获和和显示显示故障发生故障发生前的信号，便于检测分析。前的信号，便于检测分析。 长久保存波形，观测低速信号无闪烁：长久保存波形，观测低速信

37、号无闪烁：采用采用RAM，可可慢写快读慢写快读；有些示波器外部电源中断后仍能保存数据。；有些示波器外部电源中断后仍能保存数据。 数据处理功能强：数据处理功能强：快速傅里叶变换快速傅里叶变换等。等。 存储波形与实时波形同屏同时显示：存储波形与实时波形同屏同时显示：便于便于比较比较。 精确度高：精确度高：利用利用微处理器微处理器及及软件软件技术的强大功能，技术的强大功能，光光标标测量和测量和自动自动测量。测量。Electronic Measurement and Instruments ）5. 5. 1 电压的测量电压的测量5. 5. 2 时间的测量时间的测量5. 5. 3 相位的测量相位的测量5. 5. 4 频率的测量频率的测量5.5 示波器的应用示波器的应用Electronic Measu