第3章示波测试与测量技术

1、第三章第三章 示波测试和测量技术示波测试和测量技术 本章要点本章要点概述概述3.1 3.1 示波测试的基本原理示波测试的基本原理3.2 3.2 模拟示波器模拟示波器3.3 3.3 数字存储示波器数字存储示波器3.4 3.4 示波器的应用示波器的应用小结小结习习 题题 三三本章要点本章要点l示波器的功用、分类、组成和波形显示示波器的功用、分类、组成和波形显示原理原理l通用示波器的组成原理、特性与应用通用示波器的组成原理、特性与应用l取样技术在示波器中的应用取样技术在示波器中的应用l数字示波器的组成原理、信号采集处理数字示波器的组成原理、信号采集处理技术、特性与功能技术、特性与功能TEK2465A

2、 350MHz示波器示波器概概 述述TEK 2012 数字存储示波器数字存储示波器概概 述述概概 述述1 1、电子示波器（简称示波器）的功能：、电子示波器（简称示波器）的功能： 一种用荧光屏显示信号（电量）随时间变化过程一种用荧光屏显示信号（电量）随时间变化过程（f(t)）的电子测量仪器。）的电子测量仪器。 把人的肉眼无法直接观察的电信号，转换成人眼能把人的肉眼无法直接观察的电信号，转换成人眼能够看到的波形，具体显示在示波屏幕上，以便对电够看到的波形，具体显示在示波屏幕上，以便对电信号进行定性和定量观测，其它非电物理量亦可经信号进行定性和定量观测，其它非电物理量亦可经转换成为电量使用示波器进行

3、观测，因此示波器是转换成为电量使用示波器进行观测，因此示波器是一种广泛应用的电子测量仪器，它普遍地应用于国一种广泛应用的电子测量仪器，它普遍地应用于国防、科研、学校以及工、农、商业等各个领域。防、科研、学校以及工、农、商业等各个领域。2 2、电子示波器的基本特点是：、电子示波器的基本特点是： 能显示信号波形，可测量瞬时值，具有直观性。能显示信号波形，可测量瞬时值，具有直观性。 输入阻抗高，对被测信号影响小。测量灵敏度高，输入阻抗高，对被测信号影响小。测量灵敏度高，并有较强的过载能力。目前示波器的最高灵敏度并有较强的过载能力。目前示波器的最高灵敏度可达到可达到 。 工作频带宽，速度快，便于观察高

4、速变化的波形工作频带宽，速度快，便于观察高速变化的波形的细节。目前示波器的工作频带最宽可达的细节。目前示波器的工作频带最宽可达1000MHz，预计不久将研制出带宽，预计不久将研制出带宽2GHz以上的以上的示波器。示波器。divV /102 2、电子示波器的基本特点是：、电子示波器的基本特点是： 在示波器的荧光屏上可描绘出任意两个电压或在示波器的荧光屏上可描绘出任意两个电压或电流量的函数关系，故可作为比较信号用的高电流量的函数关系，故可作为比较信号用的高速速 X-Y 记录仪。记录仪。n 由于示波器的上述特点，电子示波器除直接用由于示波器的上述特点，电子示波器除直接用于电量测试外，也可配以其他设备

5、组成综合测于电量测试外，也可配以其他设备组成综合测量仪器。量仪器。 3 3、电子示波器的主要用途是：、电子示波器的主要用途是： 观测电信号波形。观测电信号波形。 测量电压电流的幅度、频率、时间、相位测量电压电流的幅度、频率、时间、相位等电量参数。等电量参数。 显示电子网络的频率特性。显示电子网络的频率特性。 显示电子器件的伏安特性。显示电子器件的伏安特性。4、示波器的分类（性能和结构）示波器的分类（性能和结构） 模拟示波器模拟示波器（1 1）通用示波器：采用单束示波管的示波器。）通用示波器：采用单束示波管的示波器。（2 2）多束示波器：采用多束示波管的示波器。）多束示波器：采用多束示波管的示波

6、器。（3 3）取样示波器：根据取样原理将高频传号转换）取样示波器：根据取样原理将高频传号转换为低频传号，然后再用通用示波器显示其波形。为低频传号，然后再用通用示波器显示其波形。 数字示波器数字示波器（1 1）数字存储示波器）数字存储示波器I.I.（2 2）数字荧光示波器）数字荧光示波器4、示波器的分类（性能和结构）示波器的分类（性能和结构） 混合示波器：是把数字示波器对信号细混合示波器：是把数字示波器对信号细节的分析能力和逻辑分析仪对多通道的节的分析能力和逻辑分析仪对多通道的定时测量能力组合在一起的仪器。定时测量能力组合在一起的仪器。III.III.专用示波器：不属于以上几类、能满专用示波器：

7、不属于以上几类、能满足特殊用途的示波器称为专用示波器或足特殊用途的示波器称为专用示波器或特殊示波器。特殊示波器。示波器的发展示波器的发展100多年前，德国著名物理学家卡尔费丁南德布劳恩发明了世界上第一个阴极射线管示波器；20世纪40年代是电子示波器兴起的时代；1972年，Nicolet公司首创了数字示波器（DSO）；1984年，惠普公司真正实现了DSO的商业化和技术改进；雷达和电视的开发需要性能良好的波形观察工具，带宽10MHz的同步示波器的成功开发，是近代示波器的基础。一、阴极射线管一、阴极射线管(CRT：Cathode Ray Tube) 典型的示波器利用典型的示波器利用CRT作为显示器，

8、作为显示器，CRT是示波器的重要组成部分，其作用就是示波器的重要组成部分，其作用就是是把电信号转换为光信号而加以显示把电信号转换为光信号而加以显示。 CRT构造与电视机显像管（磁偏转）相构造与电视机显像管（磁偏转）相同，同，主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三大部分组成大部分组成，三部分均，三部分均封装在密闭呈真空封装在密闭呈真空的玻璃壳内的玻璃壳内。3.1 3.1 示波测试的基本原理示波测试的基本原理阴 极 K发第 一 阳 极 A1射电 子 枪聚焦灯 丝 FRP1辉 度RP2聚 焦辅 助 聚 焦RP3第 二 阳 极 A2Y1Y2偏 转 板偏 转 板X2X1偏 转

9、系 统荧光屏图图3-1 3-1 电场偏转的阴极射线示波电场偏转的阴极射线示波管结构示意图管结构示意图阴 极 K发第 一 阳 极 A1射电 子 枪聚焦灯 丝 FRP1辉 度RP2聚 焦辅 助 聚 焦RP3第 二 阳 极 A2Y1Y2偏 转 板偏 转 板X2X1偏 转 系 统荧光屏图图3-1 3-1 电场偏转的阴极射线示波电场偏转的阴极射线示波管结构示意图管结构示意图（一）电子枪：发射电子并形成强度可控制的电子（一）电子枪：发射电子并形成强度可控制的电子束束灯丝灯丝第一第一栅极栅极第二第二栅极栅极第一第一阳极阳极第二第二阳极阳极阴极阴极（二）偏转系统（二）偏转系统 水平、垂水平、垂直偏转系统直偏转

10、系统图图3-2 3-2 偏转系统工作原理图偏转系统工作原理图电子束最终的运动情况取决于水平方向和垂直方向电子束最终的运动情况取决于水平方向和垂直方向电压的合成作用，当电压的合成作用，当X 、 Y偏转板加不同电压时，偏转板加不同电压时，荧光屏上亮点可以移动到屏面上的任一位置。荧光屏上亮点可以移动到屏面上的任一位置。（二）偏转系（二）偏转系统统 （三）荧光屏三）荧光屏在示波管的玻壳内侧涂上荧光粉，就形在示波管的玻壳内侧涂上荧光粉，就形成了荧光屏，它不是导电体。成了荧光屏，它不是导电体。当电子束轰击荧光粉时，激发产生荧光当电子束轰击荧光粉时，激发产生荧光形成亮点。不同成份的荧光粉，发光的形成亮点。不

11、同成份的荧光粉，发光的颜色不尽相同，一般示波器选用人眼最颜色不尽相同，一般示波器选用人眼最为敏感的为敏感的黄绿色黄绿色。（三）荧光屏（三）荧光屏荧光粉从电子激发停止时的瞬间亮度下降到荧光粉从电子激发停止时的瞬间亮度下降到该亮度的该亮度的1010所经过的时间称为所经过的时间称为余辉时间余辉时间。荧光粉的成份不同，余辉时间也不同，为适荧光粉的成份不同，余辉时间也不同，为适应不同需要，将余辉时间分成为应不同需要，将余辉时间分成为长余辉长余辉(100ms(100ms1s)1s)、中余辉中余辉(1ms(1ms100ms)100ms)和和短余短余辉辉(10(10s s1ms)1ms)等不同规格。普通示波器

12、需等不同规格。普通示波器需采用中余辉示波管，而慢扫描示波器则采用采用中余辉示波管，而慢扫描示波器则采用长余辉示波管。长余辉示波管。二、图像显示的基本原理二、图像显示的基本原理（一）显示随时间变化的图形（一）显示随时间变化的图形 光点扫描显示光点扫描显示原理原理 只将信号只将信号f(t)=Vmsint加到加到 Y 偏转板上偏转板上，电子束在电子束在 Y 方向按信号的规律变化，但方向按信号的规律变化，但只能在荧光屏上看到一条垂直的直线。只能在荧光屏上看到一条垂直的直线。1.1.只在只在 X 偏转板上加一线性锯齿波扫描偏转板上加一线性锯齿波扫描电压电压u ux x，电子束在，电子束在 X 方向的变化

13、反映了方向的变化反映了时间的变化规律，但只能在荧光屏上看时间的变化规律，但只能在荧光屏上看到一条水平的直线，称为到一条水平的直线，称为时间基线时间基线。ToTo1.1.光点扫描显示光点扫描显示原理原理 光点在锯齿波的作用下扫动的过程称为光点在锯齿波的作用下扫动的过程称为扫描扫描。水。水平偏转板上所加锯齿波电压称为平偏转板上所加锯齿波电压称为扫描电压扫描电压（时基（时基信号）。信号）。扫描正程扫描正程及及扫描回程扫描回程。 在在Y 偏转板加上被观测信号，扫描电压偏转板加上被观测信号，扫描电压u ux x加在加在X 偏转板上偏转板上，则，则Y 方向所加信号电压方向所加信号电压u uy y作用下的电

14、作用下的电子束在屏幕上按时间沿水平方向展开，因扫描电子束在屏幕上按时间沿水平方向展开，因扫描电压与时间成比例，荧光屏上就形成一条压与时间成比例，荧光屏上就形成一条“信号电信号电压压- -时间时间”曲线，即信号波形，参见图曲线，即信号波形，参见图3-3c3-3c。To只加信只加信号电压号电压时间基时间基线的获得线的获得图图3-3 3-3 扫描过程扫描过程信号波形在信号波形在时间轴上展开时间轴上展开二、图像显示的基本原理二、图像显示的基本原理（一）显示随时间变化的图形（一）显示随时间变化的图形 信号与扫描电压的同步信号与扫描电压的同步 当当扫描电压（锯齿波）的周期与垂直方向信号的扫描电压（锯齿波）

15、的周期与垂直方向信号的周期相同周期相同时，可以在荧光屏上显示出一个完整周时，可以在荧光屏上显示出一个完整周期的波形，而且每次扫描出现的波形完全重合，期的波形，而且每次扫描出现的波形完全重合，因而在荧光屏上观察到的波形是稳定的。因而在荧光屏上观察到的波形是稳定的。2.2. 如果如果扫描电压的周期扫描电压的周期T Tn n是垂直方向信号周期是垂直方向信号周期T Ts s的的整数倍整数倍 n，则荧光屏上将显示，则荧光屏上将显示 n 个稳定的垂直个稳定的垂直方向信号波形，此时被测信号与扫描电压同步，方向信号波形，此时被测信号与扫描电压同步，称为称为扫描同步扫描同步。图图3-4 3-4 扫描电压与被测信

16、号同扫描电压与被测信号同步步图图3-4 3-4 扫描电压与被测信号同步扫描电压与被测信号同步图图3-4 3-4 扫描电压与被测信号同步扫描电压与被测信号同步图图3-5 3-5 扫描电压与被测电压不同步扫描电压与被测电压不同步T Tn n=T=Ts s5/45/4信号与扫描电压的同步信号与扫描电压的同步为了得到稳定的波形显示，必须使扫描锯齿波电为了得到稳定的波形显示，必须使扫描锯齿波电压周期压周期T Tn n与被测信号周期与被测信号周期T Ts s，保持整数倍的关系，保持整数倍的关系，即即T Tn n= =nTnTs s。由于由于扫描电压是由示波器本身的时基电路产生扫描电压是由示波器本身的时基电

17、路产生，它与被测信号电压是不相关的，为此一般它与被测信号电压是不相关的，为此一般采用被采用被测信号测信号( (或与被测信号相关的信号或与被测信号相关的信号) )产生同步触发产生同步触发信号控制时基电路中的扫描发生器，这个过程称信号控制时基电路中的扫描发生器，这个过程称为同步为同步。利用这种同步方法可使扫描信号发生器。利用这种同步方法可使扫描信号发生器在一定频率稳定度范围内保证在一定频率稳定度范围内保证T Tn n与与T Ts s的整数关系，的整数关系，实现稳定的显示。实现稳定的显示。连续扫描和触发扫描连续扫描和触发扫描连续扫描：连续扫描：观察信号和扫描电压都是连续信观察信号和扫描电压都是连续信

18、号号时的扫描。时的扫描。 此时，在扫描电压的作用下，示波管光点将此时，在扫描电压的作用下，示波管光点将在屏幕上作在屏幕上作连续重复周期的扫描连续重复周期的扫描，若没有，若没有 Y 通道的信号电压，屏幕上只显示出一条时间通道的信号电压，屏幕上只显示出一条时间基线。在时域测量中，在基线。在时域测量中，在 Y 通道加入周期变通道加入周期变化的信号电压，则可显示信号波形。化的信号电压，则可显示信号波形。 连续扫描最主要的问题是如何保证在屏幕上连续扫描最主要的问题是如何保证在屏幕上显示出稳定的信号波形显示出稳定的信号波形, ,即即信号与扫描电压信号与扫描电压的同步的同步。连续信号的连续扫描的波形显示连续

19、信号的连续扫描的波形显示 触发扫描触发扫描 连续扫描时，被测波形与扫描电压的连续扫描时，被测波形与扫描电压的同步问题在同步问题在观测脉冲波形观测脉冲波形时，尤为突时，尤为突出。出。图图3-63-6是连续扫描和触发扫描观是连续扫描和触发扫描观测脉冲波形的比较。测脉冲波形的比较。To 脉冲信号的扫描显示比较脉冲信号的扫描显示比较其中图其中图(a)(a)是被测脉冲波形，可看到脉冲的持续时是被测脉冲波形，可看到脉冲的持续时间与重复周期比间与重复周期比( (/ /T Ts s) )很小，式中很小，式中为被测脉冲为被测脉冲底宽。图底宽。图(b)(c)(b)(c)是用连续扫描方式显示被测脉冲是用连续扫描方式

20、显示被测脉冲波形，扫描周期分别波形，扫描周期分别T Tn n= =T Ts s 和和T Tn n= =。从图。从图(b)(b)上很上很难看清波形的细节，特别是脉冲波的上升沿。难看清波形的细节，特别是脉冲波的上升沿。如果用增加扫描频率如果用增加扫描频率( (图图(c)(c)所示的波形所示的波形) )，虽可以，虽可以观察被测脉冲细节，但光点在水平方向多次扫描观察被测脉冲细节，但光点在水平方向多次扫描中，只有一次扫描出脉冲波形，因此显示的脉冲中，只有一次扫描出脉冲波形，因此显示的脉冲波形本身很暗淡，而时基线却很亮，这不仅观察波形本身很暗淡，而时基线却很亮，这不仅观察困难，而且同步也较难。困难，而且同

21、步也较难。图图(d)(d)所示是所示是触发扫描触发扫描的情形，扫描发生器的情形，扫描发生器平时处于等待工作状态，平时处于等待工作状态，只有送入触发脉只有送入触发脉冲时才产生一次扫描电压冲时才产生一次扫描电压，在屏幕上扫出，在屏幕上扫出一个展宽的脉冲波形，而不显示出时间基一个展宽的脉冲波形，而不显示出时间基线。线。扫描过程的增辉扫描过程的增辉n 实际上实际上回扫是需要一定时间回扫是需要一定时间的，这就对显示波形的，这就对显示波形产生了一定的影响。产生了一定的影响。n 图图3-73-7：仍是扫描周期等于两倍信号周期，只是：仍是扫描周期等于两倍信号周期，只是扫描电压有一定的回扫时间（图中扫描电压有一

22、定的回扫时间（图中7-87-8段）。段）。412356780910t781034567Uy1,90,8Ux0TntTs2123456图图3-7 3-7 扫描回程对显示波形的影响扫描回程对显示波形的影响为使回扫产生的波形为使回扫产生的波形不在荧光屏上显示（或不在荧光屏上显示（或在触发扫描等待期间）：在触发扫描等待期间）：扫描正程：扫描正程：增辉增辉扫描回程：扫描回程：消隐消隐1t1301234Uy023 40,2,4UXt(a)01234210312Uy34t0,4Uxt(b)图图3-8 3-8 两个同频率正弦信号构成的李沙育图形两个同频率正弦信号构成的李沙育图形1t1301234Uy02340

23、,2,4UXt(a)01234210312Uy34t0,4Uxt(b)（二）（二） 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 两个同频率正弦信号：两个同频率正弦信号：1 1）若）若X X、Y Y方向的偏转距离相同；方向的偏转距离相同；2 2）初相同，可在荧光屏上画出一条直线初相同，可在荧光屏上画出一条直线 两个同频率正弦信号：两个同频率正弦信号：1 1）若）若X X、Y Y方向的偏转距离相同；方向的偏转距离相同；2 2）初相差初相差9090，在荧光屏上画出一个正椭圆，在荧光屏上画出一个正椭圆Uy与与Ux同相同相位位Uy超超前前Ux 903.2 模拟示波器模拟示波器一、模拟示波器的基

24、本组成一、模拟示波器的基本组成l 通用示波器主要由通用示波器主要由示波管、示波管、垂直偏转（垂直偏转（Y）通道、）通道、水平偏转（水平偏转（X）通道）通道以及电源、校准等部分组成。以及电源、校准等部分组成。校准校准电源电源Y输入模拟示波器组成框图模拟示波器组成框图二、模拟示波器的垂直偏转通道（二、模拟示波器的垂直偏转通道（ Y 通道）通道） Y 通道的任务：通道的任务：为了完成上述任务，垂直偏转系统由为了完成上述任务，垂直偏转系统由组成。组成。To（一）（一） Y 通道输入电路通道输入电路 nY 通道输入电路通道输入电路: :由由输入耦合及衰减器电路输入耦合及衰减器电路和和阻阻抗变换器抗变换器

25、组成。组成。阻 抗 变 换及 倒 相放 大 器衰减器偏 转 灵 敏 度探极Y前 置放 大 器DCACGND被 测 信 号耦 合 方 式(1) (1) 输入耦合输入耦合u被测信号输入端的耦合视需要而定被测信号输入端的耦合视需要而定，可用，可用开关开关 K 来控制是直流耦合或交流耦合，来控制是直流耦合或交流耦合，如如图图3-11所示。示波器面板上布置有所示。示波器面板上布置有DC、AC转换开关。转换开关。 (2) (2) 衰减器衰减器 经常需要观察幅度较小的电压波形经常需要观察幅度较小的电压波形，示波器的示波器的灵敏度设计得较高灵敏度设计得较高，但当需要，但当需要观察幅度较大的信号观察幅度较大的信

26、号时，就时，就必须接入衰必须接入衰减器减器。 ( (2) 2) 衰减器衰减器对衰减器的要求：输入阻抗高，且在示波器对衰减器的要求：输入阻抗高，且在示波器的的整个通频带内衰减的分压比均匀不变整个通频带内衰减的分压比均匀不变。（在下一级的输入及引线都存在分布电容，（在下一级的输入及引线都存在分布电容，分布电容对于被测信号高频分量有严重的衰分布电容对于被测信号高频分量有严重的衰减减，造成信号的高频分量的失真，即脉冲上，造成信号的高频分量的失真，即脉冲上升时间变慢。）不能用简单的电阻分压，必升时间变慢。）不能用简单的电阻分压，必须采用须采用图图3-113-11所示的所示的阻容补偿分压器阻容补偿分压器。

27、 n 图中图中R1 1、R2 2为分压电阻（为分压电阻（R2 2包括下一级的输入电包括下一级的输入电阻），阻），C2 2为下一级的输入电容和分布电容，为下一级的输入电容和分布电容，C1 1为为补偿电容。调节补偿电容。调节C1 1，当满足关系式，当满足关系式C1 1R1 1C2 2R2 2（最佳补偿）（最佳补偿）时，分压比时，分压比K0 0在整个通频带内是均在整个通频带内是均匀的，匀的， 它被表示为：它被表示为：2122120RRRZZZvvKio(3-3)u这时，这时，分压比与频率无关分压比与频率无关。按此分压器做成的。按此分压器做成的衰减器就可以无畸变地传输窄脉冲信号，仅仅是衰减器就可以无畸

28、变地传输窄脉冲信号，仅仅是信号幅度降为原幅度的信号幅度降为原幅度的1 1K0 0。通常通常用一个开关换接不同的用一个开关换接不同的R R2 2C C2 2来改变衰来改变衰减量减量。早期的示波器开关位置都标上衰减。早期的示波器开关位置都标上衰减量，如衰减量，如衰减3030、100100等。现在都标以偏转等。现在都标以偏转因数值，当示波器最高灵敏度为因数值，当示波器最高灵敏度为0.02cm0.02cmmVmV时，最小偏转因数为时，最小偏转因数为50mV50mVcmcm，衰减，衰减2 2、4 4、l0l0倍时，分别标以偏转因数倍时，分别标以偏转因数100mV100mVcmcm、200mV200mVc

29、mcm、0.5V0.5Vcmcm。设计示波器应做。设计示波器应做到开关在不同位置时，示波器的输入阻抗到开关在不同位置时，示波器的输入阻抗不变。不变。(3) (3) 探头（阻容分压器式输入）探头（阻容分压器式输入）n 用示波器观察信号波形时，长长的引线往往会引进各用示波器观察信号波形时，长长的引线往往会引进各种杂散干扰，所以通常使用同轴电缆作为输入引线，种杂散干扰，所以通常使用同轴电缆作为输入引线，以抑制干扰影响。以抑制干扰影响。n 因同轴电缆内外导体间存在电容使输入电容显著增加，因同轴电缆内外导体间存在电容使输入电容显著增加，这对观察高频电路或窄脉冲是很不利的，因此，高频这对观察高频电路或窄脉

30、冲是很不利的，因此，高频示波器常用下图所示的探头检测被观察信号。示波器常用下图所示的探头检测被观察信号。n 探头探头: :一可调的小电容一可调的小电容C2(5(5l0pF)l0pF)与一固定电容与一固定电容C1C1并联再和大电阻并联再和大电阻R并联。如分压比并联。如分压比10:110:1，则设计示，则设计示波器输入电阻波器输入电阻R Ri i=1M=1M时，时，R=9M=9M，同时调整补偿电，同时调整补偿电容容C 2以得到最佳补偿，即满足以得到最佳补偿，即满足 。n 调整调整C 2时的波形如下图，图中时的波形如下图，图中(a)(a)正常补偿的波形，正常补偿的波形，(b)(b)高频过补偿的波形，

31、高频过补偿的波形，(c)(c)高频欠补偿的波形。高频欠补偿的波形。n 应调整应调整C2，使达到图，使达到图(a)(a)的正确补偿情况。的正确补偿情况。iiCRRCC)21( (4) (4) 阻抗变换器：一般可由射极跟随器构阻抗变换器：一般可由射极跟随器构成。成。 射极跟随器的高输入阻抗使得射极跟随器的高输入阻抗使得示波器示波器对外呈现高输入阻抗对外呈现高输入阻抗，射极跟随器的低输，射极跟随器的低输出阻抗容易与后接的低阻延迟线相匹配，出阻抗容易与后接的低阻延迟线相匹配，亦可于发射极接一个电位器，以便微调所亦可于发射极接一个电位器，以便微调所显示波形的幅度。显示波形的幅度。（二）延迟线（二）延迟线

32、当示波器工作在当示波器工作在内触发状态内触发状态时，利用垂直通时，利用垂直通道输入的被测信号去触发水平偏转系统产生道输入的被测信号去触发水平偏转系统产生扫描电压波，扫描电压波，从接受触发到开始扫描需要一从接受触发到开始扫描需要一小段时间；小段时间；这样，这样，会有当被测信号到达会有当被测信号到达 Y 偏转板而扫偏转板而扫描信号尚未到达描信号尚未到达 X 偏转板的情况偏转板的情况。为了正。为了正确显示波形，必须将接入确显示波形，必须将接入 Y 通道的被测信通道的被测信号进行一定的延迟，以便与水平系统的扫描号进行一定的延迟，以便与水平系统的扫描电压在时间上相匹配；电压在时间上相匹配；图图3-12

33、3-12 延迟线的作用延迟线的作用n通常延迟时间在通常延迟时间在5050200ns200ns之间，这个延之间，这个延迟准确性要求不高，但延迟应稳定，否则迟准确性要求不高，但延迟应稳定，否则会导致图像的水平漂移和晃动。会导致图像的水平漂移和晃动。n对延迟线的基本要求：在垂直系统的工作对延迟线的基本要求：在垂直系统的工作频带内，它能够无失真地并有一定延时地频带内，它能够无失真地并有一定延时地传递信号。传递信号。n 在在带宽较窄的示波器里带宽较窄的示波器里，一般采用，一般采用多节多节LC 网络网络作延迟线，在作延迟线，在带宽较宽（大于带宽较宽（大于1515 MHz 时），时），则则采用采用平衡螺旋线

34、（延迟电缆）平衡螺旋线（延迟电缆）作延迟线。无论采作延迟线。无论采用哪种延迟线，其特性阻抗均在几百欧姆以下，用哪种延迟线，其特性阻抗均在几百欧姆以下，延迟线的前边必须用低输出阻抗的电路作驱动级，延迟线的前边必须用低输出阻抗的电路作驱动级，延迟线的后边用低输入阻抗的电路作缓冲器延迟线的后边用低输入阻抗的电路作缓冲器。在。在示波器的实际电路中，还要接入各种补偿电路，示波器的实际电路中，还要接入各种补偿电路，以补偿延迟线及安装过程中引起的失真。以补偿延迟线及安装过程中引起的失真。（三）（三）Y Y放大器放大器被测信号经探头检测引入示波器后，微弱被测信号经探头检测引入示波器后，微弱的信号必须通过放大器

35、放大后加到示波器的信号必须通过放大器放大后加到示波器的垂直偏转板，使电子束有足够大的偏转的垂直偏转板，使电子束有足够大的偏转能量。能量。对对Y Y放大器的要求：稳定的增益、较高的输放大器的要求：稳定的增益、较高的输入阻抗、足够宽的频带和对称的输出级。入阻抗、足够宽的频带和对称的输出级。前置放大器：前置放大器：输出放大器：输出放大器：n 做一个稳定可靠的宽带高增益做一个稳定可靠的宽带高增益 Y 放大器必须采用放大器必须采用下列措施：（了解内容）下列措施：（了解内容） 选用截止频率高的器件，尽量减小负载电容和选用截止频率高的器件，尽量减小负载电容和 分布电容，并选取小的集电极电阻。分布电容，并选取

36、小的集电极电阻。 电路中引入强的负反馈，如放大器开环增益为电路中引入强的负反馈，如放大器开环增益为K K0 0，反馈系数为，反馈系数为F F，则加负反馈后，高频截止频率扩，则加负反馈后，高频截止频率扩展为原来的展为原来的( (1+K0F ) )倍。倍。 在电路中用电抗元件在电路中用电抗元件( (电容或电感电容或电感) )加以补偿，加以补偿，使放大器截止频率高一些，使总的频率响应在高频端使放大器截止频率高一些，使总的频率响应在高频端有所提升。有所提升。三、模拟示波器的水平偏转通道（三、模拟示波器的水平偏转通道（ X 通道）通道）u X 通道的作用：通道的作用：产生一个与时间呈线性关产生一个与时间

37、呈线性关系的电压系的电压，并加到示波管的，并加到示波管的 X 偏转板上，偏转板上，使电子束沿水平方向线性地偏移，形成时使电子束沿水平方向线性地偏移，形成时间基线间基线；接外部信号接外部信号。u设设Dx x为水平方向的偏转灵敏度，水平板上为水平方向的偏转灵敏度，水平板上所加电压为所加电压为 ，偏转距离为，偏转距离为x，则有：，则有：)(tUxxtaxtUDxx0)(u X 通道组成框图及各部分作用：见通道组成框图及各部分作用：见图图3-133-13 扫描发生器环（时基电路）：扫描发生器环（时基电路）：由扫描闸门电由扫描闸门电路、扫描电压发生器和比较释抑电路组成；路、扫描电压发生器和比较释抑电路组

38、成； X 通道的核心，它通道的核心，它 触发电路：触发电路：其中包括触发源、触发方式选择、其中包括触发源、触发方式选择、触发整形电路；触发整形电路； X 放大器：放大器：放大扫描信号，产生对称的锯放大扫描信号，产生对称的锯齿波输至水平偏转板；放大外部溃入信号。齿波输至水平偏转板；放大外部溃入信号。图图3-13 3-13 模拟示波器的水平通道结构框图模拟示波器的水平通道结构框图扫描闸门扫描电压产生电路比较和释抑电路水平放大器扫描信号发生器X偏转板放大整形电路触发耦合方式选择触发源选择触发电路（一）扫描发生器环（时基电路）：由（一）扫描发生器环（时基电路）：由组成，结构框图及各点波形如图组成，结构

39、框图及各点波形如图3-143-14所示。所示。图图3-14 3-14 扫描发生器环的组成扫描发生器环的组成 扫描电压发生器：是一个扫描电压发生器：是一个密勒积分器密勒积分器，能，能产生高线性度的锯齿波电压，其原理如产生高线性度的锯齿波电压，其原理如图图3-153-15所示。所示。 开关开关S S断开：断开：电源电压通过电阻对电容电源电压通过电阻对电容 C充充电，电，产生负向锯齿波产生负向锯齿波v vo o ，此电压一路送至，此电压一路送至 X 放大器，另一路送入时基电路的电压比放大器，另一路送入时基电路的电压比较器较器( (见图见图3-14)3-14)。 开关开关S S闭合：闭合：电容电容 C

40、 迅速放电，使迅速放电，使v vo o迅速回迅速回升，形成升，形成扫描回程扫描回程电压。电压。Tou扫描电压发生器的工作原理：扫描电压发生器的工作原理： 积分器积分器tRCEvtUox)(xtSsxtaxtUDxx0)(（3-4）（3-5） 扫描时间因数或扫描速度扫描时间因数或扫描速度S Ss s（t/cmt/cm）：水平）：水平方向单位长度所代表的时间。方向单位长度所代表的时间。u时基闸门电路的两个稳态相当于时基闸门电路的两个稳态相当于开关开关S 的断开和闭合；的断开和闭合；u两个稳态分别对应扫描正程和扫两个稳态分别对应扫描正程和扫描回程。描回程。扫描门（时基闸门）：施密特电路，即射极耦合双

41、稳扫描门（时基闸门）：施密特电路，即射极耦合双稳态触发电路，产生扫描电压发生器中的门控信号。态触发电路，产生扫描电压发生器中的门控信号。扫描门（时基闸门）电路的三个输入信号：扫描门（时基闸门）电路的三个输入信号： 稳定度旋钮的电位器提供的稳定度旋钮的电位器提供的直流电位：直流电位：选择连续选择连续/ /触发扫触发扫描描/X/X信号输入；信号输入； 从触发电路来的从触发电路来的触发脉冲：触发脉冲：与被测信号同步；与被测信号同步； 从释抑电路来的从释抑电路来的释抑信号：释抑信号：保证每次扫描都开始在同样的保证每次扫描都开始在同样的起始电平，并决定何时关闭扫描门起始电平，并决定何时关闭扫描门抑制回扫

42、触发抑制回扫触发 比较和释抑电路：与扫描门和积分器构成比较和释抑电路：与扫描门和积分器构成一个闭合的扫描发生器环。一个闭合的扫描发生器环。u 触发扫描时比较和释抑电路：触发扫描时比较和释抑电路：决定何时关闭扫描决定何时关闭扫描门，并保证每次扫描都开始在同样的起始电平上。门，并保证每次扫描都开始在同样的起始电平上。u 连续扫描时比较和释抑电路：连续扫描时比较和释抑电路：决定何时关闭扫描决定何时关闭扫描门，并保证每次扫描都开始在同样的起始电平上。门，并保证每次扫描都开始在同样的起始电平上。u不论是触发扫描还是连续扫描不论是触发扫描还是连续扫描，比较释抑，比较释抑电路与扫描门及积分器配合，都可以产生

43、电路与扫描门及积分器配合，都可以产生稳定的等幅信号，也都可以做到扫描信号稳定的等幅信号，也都可以做到扫描信号与被测信号的同步。与被测信号的同步。u扫描正程，扫描正程，扫描门都输出正脉冲作为门控扫描门都输出正脉冲作为门控信号，可以作为增辉控制信号信号，可以作为增辉控制信号。 比较和释抑电路（触发扫描为例）比较和释抑电路（触发扫描为例）u3 3个时刻：个时刻：t1（扫描开始）、扫描开始）、 （释抑电（释抑电路路Ch充电开始）、充电开始）、t2（扫描结束，积分电（扫描结束，积分电容放电开始，容放电开始，Ch放电开始）；放电开始）；u3 3个时间：个时间：tb（回扫时间）、（回扫时间）、th（Ch放电

44、时放电时间）、间）、tw（等待时间）；（等待时间）；u1 1个关系：个关系：thtb。1t（二）触发电路（二）触发电路触发电路的作用：触发电路的作用：选择触发源并产生选择触发源并产生（与被测信号有关的）稳定可靠的触发（与被测信号有关的）稳定可靠的触发信号，以触发扫描发生器产生稳定的扫信号，以触发扫描发生器产生稳定的扫描电压。描电压。触发电路的组成：触发电路的组成：由触发源选择、触发由触发源选择、触发信号耦合方式选择开关、触发电平及极信号耦合方式选择开关、触发电平及极性选择、比较放大整形电路等组成。性选择、比较放大整形电路等组成。（二）触发电路（二）触发电路(1)(1)触发源选择：内触发；外触发

45、；电源触发触发源选择：内触发；外触发；电源触发(2)(2)触发耦合选择：触发耦合选择：DCDC直接耦合；直接耦合；ACAC交流耦合；交流耦合；ACAC低频抑制；低频抑制；HFHF高频耦合高频耦合(3)(3)触发电平及触发极性选择：让使用者选定触发电平及触发极性选择：让使用者选定在被测信号波形的某一点上产生触发脉冲，在被测信号波形的某一点上产生触发脉冲，即可以自由选定从信号的某一点开始观测。即可以自由选定从信号的某一点开始观测。(4)(4)比较整形电路：产生触发脉冲比较整形电路：产生触发脉冲图图3-19 3-19 不同触发电平、触发极性下的显示波形不同触发电平、触发极性下的显示波形(a) (a)

46、 被测正弦信号被测正弦信号 (b) (b) 零电平正极性触发零电平正极性触发 (c) (c) 正电平正极性触发正电平正极性触发 (d) (d) 正电平负极性触发正电平负极性触发(e) (e) 负电平负极性触发负电平负极性触发 (f) (f) 负电平正极性触发负电平正极性触发Uy01234(a)(b)01(c)(d)(e)( f )234t (1) (1) 触发源选则触发源选则内触发：内触发信号来自于示波器内的内触发：内触发信号来自于示波器内的Y Y通道触发放大器，通道触发放大器，它位于延迟线前。当需要利用被测信号触发扫描发生器时，它位于延迟线前。当需要利用被测信号触发扫描发生器时，采用这种方式

47、。采用这种方式。 外触发：用外接信号触发扫描，该信号由触发外触发：用外接信号触发扫描，该信号由触发“输入输入”端接端接入。当被测信号不适于作触发信号或为了比较两个信号的入。当被测信号不适于作触发信号或为了比较两个信号的时间关系等用途时，可用外触发。例如，观测微分电路输时间关系等用途时，可用外触发。例如，观测微分电路输出的尖峰脉冲时，可以用产生此脉冲的矩形波电压进行触出的尖峰脉冲时，可以用产生此脉冲的矩形波电压进行触发，更便于使波形稳定。发，更便于使波形稳定。电源触发：来自电源触发：来自50Hz50Hz交流电源交流电源( (经变压器经变压器) )产生的触发脉冲，产生的触发脉冲，用于观察与交流电源

48、频率有时间关系的信号。例如，整流用于观察与交流电源频率有时间关系的信号。例如，整流滤波的纹波电压等波形，在判断电源干扰时也可以用它。滤波的纹波电压等波形，在判断电源干扰时也可以用它。 (2)(2)触发耦合方式：为了适应不同的信号频率，触发耦合方式：为了适应不同的信号频率，示波器设有四种触发耦合方式，可用开关进行选示波器设有四种触发耦合方式，可用开关进行选择。见图择。见图3-203-20。 “DCDC”直流耦合：用于接入直流或缓慢变化的直流耦合：用于接入直流或缓慢变化的信号，或者频率较低并且有直流成分的信号，一信号，或者频率较低并且有直流成分的信号，一般用般用“外外”触发或连续扫描方式。触发或连

49、续扫描方式。 “ACAC”交流耦合：触发信号经电容交流耦合：触发信号经电容C C1 1接入，用接入，用于观察由低频到较高频率的信号，用内触发或外于观察由低频到较高频率的信号，用内触发或外触发均可。使用方便，所以常用这一耦合方式。触发均可。使用方便，所以常用这一耦合方式。“ACAC低频抑制低频抑制”：触发信号经电容：触发信号经电容C C1 1及及C C2 2接接入，电容量减小，阻抗较大，用于抑制入，电容量减小，阻抗较大，用于抑制 2kHz2kHz以下的低频成分。例如观测有低频干扰以下的低频成分。例如观测有低频干扰(50Hz(50Hz噪声噪声) )的信号时，用这一种耦合方式较的信号时，用这一种耦合

50、方式较合适，可以避免波形晃动。见图合适，可以避免波形晃动。见图3-203-20。“HFHF”高频耦合：触发信号经电容高频耦合：触发信号经电容C C1 1及及C C3 3接接入，电容量较小，用于观测大于入，电容量较小，用于观测大于5MHz5MHz的信号。的信号。(3)(3)触发整形电路：常采用双端输入的单稳触发整形电路：常采用双端输入的单稳电路，其一端接一个可调的直流电压电路，其一端接一个可调的直流电压（触发电平），另一端接触发信号。（触发电平），另一端接触发信号。（三）（三）X X放大器放大器触发电路和扫描发生器环：产生扫描电压，以显触发电路和扫描发生器环：产生扫描电压，以显示随时间变化的信号

51、。示随时间变化的信号。X X放大器输入信号：放大器输入信号：内输入：放大扫描信号；内输入：放大扫描信号；外输入：放大外输入：放大X X通道直接馈入信号。通道直接馈入信号。1.1. 与与Y Y通道类似，当改变通道类似，当改变X X放大器的增益，即调节扫放大器的增益，即调节扫描时间开关，可以使电子束在水平方向得到若干描时间开关，可以使电子束在水平方向得到若干倍的扩展，或对扫描速度进行微调，以校准扫描倍的扩展，或对扫描速度进行微调，以校准扫描速度。速度。SR-8型双踪示波器面板布置图To3.3 数字存储示波器（数字存储示波器（DSO:Digital Storage DSO:Digital Stora

52、ge OscilloscopeOscilloscope）DSODSO有以下优点：有以下优点： 有数据存储能力：可以永久地存贮信息，在荧有数据存储能力：可以永久地存贮信息，在荧光屏上再现波形信息，迹线既不会衰减也不会模光屏上再现波形信息，迹线既不会衰减也不会模糊；信息在存储器中存储，动态分析之后即可更糊；信息在存储器中存储，动态分析之后即可更新存贮器内容；既能观测触发后的信息，也能观新存贮器内容；既能观测触发后的信息，也能观测触发前的信息。测触发前的信息。 能与能与PCPC交换数据。多种数字信号处理功能。交换数据。多种数字信号处理功能。 能观测单次或缓慢变化信号。能观测单次或缓慢变化信号。DSO

53、DSO的缺点：相对价格高；用于处理、显示而不是的缺点：相对价格高；用于处理、显示而不是数据采集的时间过长等。数据采集的时间过长等。一、数字存储示波器的组成和工作原理一、数字存储示波器的组成和工作原理P P系统：单处理器；多处理器系统：单处理器；多处理器电源：电源：采样存储：采样存储：衰减及放大；采样衰减及放大；采样/ /保持及保持及A/D A/D ；采样存储器采样存储器触发与时基：触发与时基：显示：显示：3.3 数字存储示波器（数字存储示波器（DSODSO）数字存储示波器（数字存储示波器（DSO）的组成）的组成（一）采样存储：衰减及放大；采样（一）采样存储：衰减及放大；采样/ /保持及保持及A

54、/D A/D ；采；采样存储器样存储器1 1、采样方式（掌握）、采样方式（掌握）：在信号实际经历的时间内完成全部采样，：在信号实际经历的时间内完成全部采样，每间隔一定时间每间隔一定时间t t采样一点，需要遵循采样定理。采样一点，需要遵循采样定理。：经过若干次信号波形才完成采样，：经过若干次信号波形才完成采样，每经每经mT+mT+t t采集一点，使示波器的通频带可以做得采集一点，使示波器的通频带可以做得很宽。很宽。：每个采样周期采集一定数量的采：每个采样周期采集一定数量的采样点，经过多个采样周期的样点积累，最终恢复出样点，经过多个采样周期的样点积累，最终恢复出被测信号波形。被测信号波形。返回返回

55、2 2、数字示波器的、数字示波器的混淆失真混淆失真（掌握）（掌握）产生原因：欠采样产生原因：欠采样解决方法：解决方法：、3 3、数字示波器的存储（掌握）、数字示波器的存储（掌握）存储容量：存储容量：超快、超长的存储器超快、超长的存储器是现代是现代DSODSO的重的重要改进措施之一要改进措施之一DSODSO的采样存储器的的采样存储器的循环存储循环存储功能：可以观测触功能：可以观测触发点前后的波形，对于观测单次非周期信号意义发点前后的波形，对于观测单次非周期信号意义重大（如故障检测，毛刺触发识别尖峰干扰等。）重大（如故障检测，毛刺触发识别尖峰干扰等。）触发与延迟：触发点只是开启存储门的参考点；触发

56、与延迟：触发点只是开启存储门的参考点；而延迟可以改变采集窗口与触发点的相对位置。而延迟可以改变采集窗口与触发点的相对位置。预采样：能观测触发前的波形预采样：能观测触发前的波形（二）信息显示（二）信息显示1 1、CRTCRT光栅增辉显示（掌握）光栅增辉显示（掌握） 示波管：电场偏转的示波管：电场偏转的CRTCRT 显像管：磁场偏转的显像管：磁场偏转的CRTCRT CRTCRT光栅增辉显示基本原理：光栅增辉显示基本原理： 暗光栅的形成：电子束在行和场（即暗光栅的形成：电子束在行和场（即x x、y y偏转偏转线圈）扫描的配合下，从左到右、从上到下扫线圈）扫描的配合下，从左到右、从上到下扫描出略有倾斜

57、的水平亮线。描出略有倾斜的水平亮线。光栅显示的扫描过程光栅显示的扫描过程 光栅显示：是三维光栅显示：是三维(x,y,z)(x,y,z)坐标显示，坐标显示，x x、y y偏转决偏转决定光点在屏幕上的位置，定光点在屏幕上的位置，z z轴（即示波管的轴（即示波管的G1G1）用）用于控制光点显示的强弱亮暗，与被测信号有关。于控制光点显示的强弱亮暗，与被测信号有关。2 2、平板显示原理、平板显示原理：EL屏、屏、PDP显示器、显示器、LCD、VFD等等u LCDLCD（液晶显示）原理：（液晶显示）原理： 液晶的特点：液晶的特点： LCDLCD的一个像素结构原理图：的一个像素结构原理图： u LCDLCD

58、（液晶显示）原理：（液晶显示）原理： LCDLCD的驱动：数码的驱动：数码LCDLCD的驱动；点阵的驱动；点阵LCDLCD的驱动：的驱动：3 3、波形显示的样点抽取与、波形显示的样点抽取与内插技术（掌握）内插技术（掌握）n采样点少，则信号观测效果差采样点少，则信号观测效果差n解决办法：提高采样频率，增加采样点解决办法：提高采样频率，增加采样点利用计算机软件内插技术，插补采样点利用计算机软件内插技术，插补采样点间的部分间的部分pDSPDSP内插器的内插点数控制：内插倍数内插器的内插点数控制：内插倍数= =内内插后总点数插后总点数/ /原波形样点数原波形样点数p内插点间的曲线拟合算法：正弦内插、线

59、内插点间的曲线拟合算法：正弦内插、线性内插：性内插： 二、数字示波器的特性二、数字示波器的特性（一）（一）DSODSO功能：功能：（二）（二）DSODSO的主要技术指标的主要技术指标：（掌握）：（掌握）带宽带宽：B B3 3 (3(35)5)fh h上升时间上升时间：tr r =0.35/ B=0.35/ B3 3 tx x /(3(35)5)采样率：采样率：单位单位S/sS/s（ fs s =N/ (=N/ (t/div) )）存储深度：存储深度：存储容量大，采样率不必随扫速改变存储容量大，采样率不必随扫速改变垂直偏转因数（垂直灵敏度）：垂直偏转因数（垂直灵敏度）：单位单位V/cmV/cm或

60、或V/divV/div扫描速度（扫描速度（时间因数：时间因数：s/divs/div）：）：单位单位cm/scm/s或或div div /s/s垂直垂直/ /水平分辨率：水平分辨率：1.1. 显示更新率：显示更新率：（三）采样速率受存储深度及扫描时间因数的影响（三）采样速率受存储深度及扫描时间因数的影响（掌握）（掌握）存储显示密度存储显示密度(SDD)(S/div)=(SDD)(S/div)=实际采样率实际采样率(S/s)(S/s) 扫描时间因数扫描时间因数(S/div)(S/div)u超快、超长的存储器超快、超长的存储器：是现代：是现代DSODSO的重要改进措的重要改进措施之一；可以看信号的全