示波器使用课案

1、32 电子示波器的基本组成32 1 示波器的特点和分类作为通用电子测量仪器，电子示波器具有以下一些特点： 1具有良好的直观性，可直接显示信号波形，也可测量信号的瞬时值； 2频带宽、灵敏度高、失真小、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；4过载能力强；5是一种良好的信号比较器，可显示和分析任意两个量之间的函数关系； 电子示波器种类型号繁多，从其性能和结构出发，可将示波器分为五类： 1通用示波器：这类示波器采用单束示波管，有单踪型和多踪型（用单束管和电子开关 组成）之分。它运用了基本显示原理，可对电信号定性，定量地观测信号，如 SR-8 型双踪 示波器。2多束示波器。 是采

2、用多束示波管的示波器。 屏上显示的每个波形都由单独的电子束产 生，它能同时观测、比较两个以上的波形，如 SR-6 型双线示波器。3取样示波器： 它根据取样原理将高频信号转换成低频信号，然后再运用通用示波器的显示原理进行显示。 一般用于观察300MHz以上的高频信号及脉宽为 n纳秒（ns）的窄脉冲 信号。如 SQ-12 型取样示波器。4存贮示波器：是具有记忆、存贮被观察信号功能的示波器。它可将单次过程、非周期 现象或缓慢变化信号长时间地保留在屏幕上或存贮于电路中，供分析比较用。按结构不同，存贮示波器一般只可分为两类：（ 1）屏幕存贮示波器，它是利用示波管来实现存贮功能；（ 2）数字存贮示波器，它

3、是利用半导体数字存贮器实现存贮功能； 5专用或特殊示波器：是能满足特殊用途或具有特殊装置的示波器。例如电视示波器、 矢量示波器和逻辑示波器等。随着数字电子技术的发展， 目前，已有将示波器简单地分为模拟示波器和数字示波器两 大类的趋势。322 通用示波器的基本组成p R-*1 亠衰 Y ；减 输人y前置卄 放大器一延迟线y输岀放大器CJ人举 外触发输入；放大器触发扫描 电路发正誦环1翌$>|入b I :1图3-9通用示波器的主要组成框图通用示波器主要组成如图 3-9所示。它主要包括垂直通道（ Y输系统）、水平通道（X 轴系统）和示波管三部分组成。此外，还包括电源电路，它产生示波管和仪器电路

4、中需要的 多电源。通用示波器中还常附有校准信号发生器。1 示波器的垂直通道（Y轴系统）示波器的垂直通道的主要作用是把被测信号衰减或不失真地进行适当的放大，然后加到示波管的Y轴偏转板上以控制电子束的偏转。其性能的优劣直接影响到测量结果的精确度。Y通道主要由输入衰减器、Y前置放大器、延迟线和 Y输出放大器等部分组成。1）输入衰减器输入衰减器用来衰减强信号，使后面各级电路能正常工作，以保证显示在荧光屏上的信号不致因过大而失真。在实际的示波器中，被测信号在送入Y通道前，先通过探极（探头）进入示波器。使用探极的目的是为了提高示波器的输入阻抗，扩展带宽，减小失真。探极有 无源及有源两种。有源探极具有良好的

5、高频特性，分压比为1:1,适用于探测高频小信号。无源探极应用广泛，常用分压比为10:1或10:1。探极探测的信号，由开关S选择它与衰减器耦合。为了使各种频率信号均能得到良好衰减，电路常采用具有频率补偿的阻容衰减器， 这种衰减器的衰减分压比与被测信号频率无关，称为最佳补偿。实际中，示波器的衰减器是由一系列RC分压器组成，改变分压比即可改变示波器的偏转灵敏度。这个改变分压比的开关即为示波器灵敏度粗调开关，在面板上常用有V/cm标记。2）延迟线如前所述，示波器常利用被测信号产生一个同步触发信号去控制扫描发生器，迫使扫描信号与被测信号同步。事实上开始扫描需要一定的电平，因此扫描开始时间总是滞后于被测信

6、号一段时间。其结果，被测信号无法被完整地显示出来。因为有一段时间扫描尚未开始。 延迟线的作用就是把加到垂直偏转板的被测信号也延迟一段时间，使信号出现的时间滞后于扫描开始时间。从而保证荧光屏上显示出被测信号的全过程。对延迟线的要求是， 延迟时间应足够长和稳定；必须有良好的频率特性和相位特性，损耗小，阻抗要匹配，以便无失真地传送信号。目前延迟线有分布参数和集中参数两种。前者 采用螺旋平衡式延迟电缆，后者由多节LC延迟网络组成。SR-8双踪示波器采用分布型，延迟时间为150 ns。3) Y放大器Y通道的放大电路分前置放大器和输出放大器。衰减器与延迟线之间的电路为前置放大器，延迟线后的属输出放大器。由

7、于放大器往往要对弱信号进行放大，所以一般常采用多级放大，并在放大器电路中通常采用一定的频率补偿电路和较强的负反馈，以使得在较宽的频率范围内增益稳定。还采用改变负反馈的方法变换放大器的增益，例如有的示波器Y通道有“倍率”开关“X 5”和“X 1”两个位置，在通常情况下“倍率”置“X1 ”位置，若把倍率置于“X 5”，则负反馈减小，增益增加5倍。调整负反馈还可对示波器灵敏度进行微调。 Y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，若在差分电路的输入端馈入不同的直流电位，差分输出到Y偏转板上的直流电位也会改变，从而影响波形在Y方向的位置，这种调节直流电位的旋钮称为“Y轴位移”旋钮。

8、2.示波器的水平通道示波器的水平通道的主要作用是产生一个与时间呈线性关系的电压。当这个电压加到水平偏转板上时，使电子射线沿水平方向随时间线性偏移，形成时间基线。并且能选择适当的同步或触发信号，保持与 Y通道输入信号间的同步关系，以确保显示波形的稳定。另外， 它还能放大扫描电压或外接电压，能产生增辉和消隐信号去控制示波器的Z系统。水平通道主要包括扫描电路，触发电路和X放大器等部分。系统组成见图2 - 2-4。1) .扫描电路扫描电路包括闸门电路、 扫描电压发生器和释抑电路，它们组成闭环，所以又称扫描发生器环。如图3-10所示。(I) 扫描电压发生器：扫描电压是锯齿形的， 它由扫描电压发生器产生。

9、 扫描电压发生器的电路形式较多，早期的示波器一般采用电子管作开关的RC电路。这种电路所产生的锯齿波线性差，幅度也不相等，不能用来观测脉冲信号。现代的示波器一般采用恒流扫描电路、自举电路和密勒积分电路，幡入电路电 °源| 1 -iM i irik 略扫描7ttAS电略发生畢转板斗轴啟尢电為1'.扫描电路图3-10水平系统方框图特别是密勒积分电路因具有良好的线性和较宽的扫描速度范围而得到了广泛的应用。 密勒电 路原理如图所示，当开关 S断开时，积分开始积分，输出负向锯齿波扫描电压 U。，此电压 一路送X放大器，另一路送时基电路的电压比较器。图3-11 :密勒积分电路由于密勒积分电

10、路中A是理想的放大器，输出电压U。为tUo _ - rC 0 Edt _ _ RCt可见，积分器的输出 Uo与时间t成线性关系。一般，Uo可达10V左右。当S闭合时, 时基电容C放电，使Uo迅速上升，回到扫描的起点。时基电容 C、电阻R取值不同，扫描 输出电压率U/t不同，单位时间内光点在荧光屏上的水平偏转距离 （扫描速度cm/t）也不同。 因此改变时基元件可以改变扫描速度。在通用示波器中，通常用改变C、R作为扫描速度的粗调，改变E作为扫描速度的微调。（2）闸门电路扫描闸门电路是用来产生门控信号的。用它作为扫描电压发生器的开关，从而控制锯 齿波的起点和终止点。示波器应该既能连续扫描又能触发扫描

11、。在连续扫描时即使没有触发信号，闸门也应有门控信号输出。在触发扫描时，只有在触发脉冲作用下才会产生门控信号。 目前，在多数示波器中用射极耦合型双稳态触发器即施密特触发器作为闸门电路来巧妙地完 成上述要求。（3）释抑电路释抑电路是一个简单的 RC电路。为获稳定的显示图像， 每一次扫描必须在同一起始 电平上开始，这一点由释抑电路来保证。扫描电路一旦被触发，释抑电路就“抑制”触发脉 冲对时基发生器的触发作用，直至一次扫描结束。扫描电压回到起始电平后，释抑电路“释 放”扫描发生器，使它能够再次被触发脉冲触发。其抑制扫描发生器的时间称为释抑时间。 释抑时间可以调节，但要比扫描电压回程的时间长。（4）电压

12、比较器它把来自积分器的扫描电压与参考电压进行比较，当Uo<Ur时，比较器变为一放大器，其输出电压随Uo而下降，并由释抑电路跟随。调节Ur的大小可以改变扫描电压的幅度。（5 ）扫描方式“稳定性”电位器可调节扫描闸门的静态工作电压Eo,改变触发灵敏度，也改变抑制期的长短，从而影响扫描电路工作的稳定性。同时，扫描方式也可由该电位器来控制。当 Eo调至较高电位时，扫描闸门及整个扫描电路呈自激状态，荧光屏的显示为一条水平线， 但它不是同步的扫描线，即时基发生器处于连续扫描方式；此时，若将Eo逐渐调小至刚好看不见扫描线，此后的某一范围（其大小等于触发脉冲的幅度）内，只有触发脉冲到来才开 始扫描，即时

13、基发生器处于触发扫描方式；Eo较低时，时基发生器不工作，此时，示波器处于X Y工作方式。触发扫描时，时基发生器的工作波形，如图所示。结合图，时基发生器的工作过程可总结如下：当有触发脉冲到来时，扫描闸门翻转， 时基电容开始充电，启动扫描。随后，扫描电压线性下降（扫描正程），扫描电压经比较器比较后由释抑电路跟随，释抑电压决定扫描电压的终止时刻。此后，释抑电压上升，扫描闸门等待触发脉冲的到来，以便再次启动扫描。可见，比较电路和释抑电路是一个负反馈环 节，因此发生器输出扫描电压的幅度稳定。“稳定度”电位器可调置时基发生器分别处于连续扫描、触发扫描方式以及不扫描方式（X Y方式）。门控信号还作为扫描正程

14、的增辉脉冲，多波形显示时用作 Y通道等的部分控制信号。触发脉冲门控信号释抑电压扫描门输入扫描电压u0UrQ上限触发电平 0乞下限触发电平 厂图3-11时基发生器的工作波形2）触发电路耦合方式选择、触发极性选择、触发方式选择、 触发信号的耦合方式和极性选择、 比较和整形触发电路的作用在于把触发信号变换成具有陡峭前沿且与被测信号的某一同相点严格 同步的触发脉冲，其主要功能有触发源选择、 触发电平调节等。 触发电路包括触发源选择、 电路等部分。“外”触发和“电源”触发。当用被观测的信号+”触发源的选择有三种，即“内”触发、 作触发源时，应选“内+”或“内-位置，在观测与电源有关的信号时，可选“电源+

15、”或“电源外触发是用外接信号作触发信号，它常用于在被测信号不适宜作触发信号或比较两个信号时间关系的情况。耦合方式是指触发信号送入触发电路的耦合方式，共有DC, AC, AC低频抑制和HF耦合四种方式。如果接入含有直流或缓慢变化的信号进行触发时，用直流（DC）方式，通常用于外触发或连续扫描方式；若用交流信号触发，置（AC）方式，。这时电路中的电容起隔直流作用。AC低频抑制利用串联后的电容增大阻抗，抑制信号中的低频成份（如50Hz的电源信号）；HF是高频耦合方式，它利用另外两个电容串联后只允许通过频率很高的波形， 用来观测5MHz以上的高频信号。触发方式：按工作方式不同，触发有常态、自动、高频、单

16、次等方式。工作在“常态” 触发时，示波器按一般触发扫描方式工作。只是在有触发信号时扫描器才工作。无触发信号时屏幕上无光点。在“自动”状态时，时基发生器将自由振荡，在无触发信号时，屏幕上有 光迹，便于观测和校准时基线在屏上的位置。在使用中，为便于观测和校准扫描线在荧光屏上的位置，要求无触发扫描时，也能显示扫描线，而信号到来时，又能进行触发扫描，这种 方式称为“自动”触发，它适用于观测低频波形。在“单次”触发时，扫描器只能在触发信 号激励下产生一次扫描， 不再受触发信号作用。 如需第二次扫描，必须人工恢复扫描器到待 等状态。这种方式适用于观测单次瞬变和非周期信号。观测频率较高的波形时，用“高频”

17、触发，此时，触发电路变为射极定时的自激多谐振荡器，产生高频（约2 000kHZ ）自激信号，当用高频信号去触发它时，便于与被测信号同步。 在有的示波器中，将分离出的电视行、场同步信号转换为“ TV ”触发脉冲，还可以显示电视行信号与电视场信号触发电平与触发极性： 触发电平与触发极性都用于触发点的选择。触发电平是与触发信号相比较的电平，它可以由电位器调节。触发电平有正电平、负电平和零电平之分，相应的 触发点就位于触发信号波形的上部、中部或下部。触发极性是指触发点位于触发信号所在的上升或下降部分。对应于触发信号正向斜率部分的触发叫正极性触发（+ ）;对应于触发信号负向斜率部分的触发叫负极性触发（-

18、）。通过极性选择开关， 对调触发信号和触发电平在比较器的输入端（图3- 10中的1、2端），可以转换触发的极性。触发电平和触发极性对波形显示的影响，如图3-12所示。图3-12 （a）为正极性、正电平触发，图3 12 （b）为负极性、负电平触发。触发点图3-12触发电平和触发极性对波形显示的影响触发信号经过触发电平一极性调节,由比较整形电路产生矩形波,最后送微分、限幅电即触发脉冲与被测信路输出单向的尖脉冲， 该脉冲与被测信号的某一相位点保持固定关系,号同步。由于触发点将决定扫描的起点，这样扫描与被测信号同步就得到了保证。表示触发器性质的还有触发信号的频率范围和电平范围、这些范围越宽，示波器适应

19、性就越强。3）X放大器放大器的作用是为示波管的水平偏转板提供对称的推动电压，使电子束能在水平方向满偏转。X放大器的输入端有“内”、“外”两个位置。当开关搬至“内”时，X放大器放大扫描信号；搬至“外”时，放大由面板上X输入端直接输入的信号。 X放大器的输出信号接至X偏转板。X放大器和了放大器相类似，改变放大器的增益可以使光迹在水平方向得到 若干倍的扩展，改变 X放大器有关的直流电位使光迹产生水平位移。由以上讨论电子示波器的基本组成可以看出，垂直通道主要是用来放大被观测的信号 的。水平通道在观测随时间变化的波形时，主要是产生一个与被测信号同步的锯齿波电压。 当直接输入一个任意信号时，使示波器构成一

20、个X Y图示仪。荧光屏上显示的波形由X通道信号与Y通道信号共同构成，这时触发电路和扫描信号发生器环不起作用。3.示波器的双踪显示：在生产和科研中，常常需要同时观测几个信号，测量它们之间的时间、 相位及幅度关系。实现这些多波形显示常采用多线显示、多踪显示和双扫描显示等。1）双线显示和双踪显示把两个相互独立的电子枪及偏转系统封装在同一个示波管内，利用同一个荧光屏进行显示的示波器称为双线示波器。这种示波器的示波管价格较贵，限制了它的普遍应用。双踪示波器与双线示波器不同， 它的组成与普通示波器类似， 只不过在电路中多了一个电子开关并 具有两个垂直通道。电子开关在不同的时间里，分别把两个垂直道道的信号轮

21、流接至Y偏转板，则在荧光屏上可显示两路波形，圄3 1为双踪示波器里直系统框图，丫1、丫2两通道可独立输入信号并进行前置放大、倒相，由电子开关控制门电路。 使两被测信号能按要求进入公共通道进行延迟及后置放大，送至示波管的垂直转板上。 为使荧光屏能清楚显示两个波形，在前置放大器内设置有位移控制，可分别控制两个图形的上下位置。双踪示波器一般有五种显示方式：图3-13双踪示波器垂直框图(1) “Yi”通道Yi独立工作，电子开关电路工作于双稳态的一个稳态，Yi通道信号被 送入垂直偏转板。(2) “ 丫2”通道丫2独立工作，电子开关电路工作于双稳态的另一个稳态，丫2通道信号 被送入垂直偏转板。(3) “Y

22、i+ 丫2”两通过同时工作，电子开关打开，两通道畅通，丫1、丫2信号在公共通道放大器中进行代数相加后送入垂直偏转板。器中进行代数相加后送人垂直偏转板。丫2通道的前置放大器内设有转换开关，可改变输入信号极性，从而实现两信号的“和”或“差”功能。以上三种显示均为单踪显示方式，与普通示波器相同，只显示一个被测信号的波形。图3-14双踪显示方式(4) “交替”转换方式，电子开关将两通道信号轮流加于垂直偏转板，电子开关转换频 率受扫描电路控制，并与扫描频率相等。在“交替”方式工作时，若第一周期电子开关使丫1门接通，显示丫1输入信号波形；第二扫描周期，电子开关接通丫2门，显示丫2输入信号波形，如此重复，并

23、在荧幕上轮流显示出两个信号波形。若被测信号周期不大长，那么利用 屏幕的余辉和人眼的残留效应，我们感觉到屏幕同时显示出两个波形。(5) “断续”转换方式，电子开关工作于自激振荡状态，其转换频率远高于扫描频率，它不受扫描频率控制，在一次扫描时间内，电子开关转换多次，控制丫1、丫2两个通道轮流显示出两个波形，所以，在屏幕上看到的是由若干取样光点所构成的“断续”波形。只有当转换频率远高于被测信号频率时，人眼看到的波形才像是连续的。323 示波器的主要技术指标 示波器技术指标很多，这里介绍主要的几个技术指标。1 Y 通道的频带宽度、上升时间Y 通道的频带宽度（ BW ），指的是屏上显示的图像高度相对于基

24、准频率下降3dB 时，信号的上、下限频率之差，由 Y 通道电路和 Y 偏转系统的频率响应，即幅频特性决定，它 对于连续信号的显示是很重要的。对于脉冲等瞬变信号而言，更为重要的是通道的过渡特性，对 Y 通道主要是上升时间 和上冲量等参数。其中上升时间是在 Y 通道输入端加一个理想的阶跃信号，屏上显示波形 从稳定幅度的10%上升到90%所需时间。它和频带宽度有内在联系：BW tr=0.35 , BW频带宽度（单位为 MHz），tr是上升时间，单位为 us。为了在测量时不产生明显的测量误差， 要求 tr 至少比被测脉冲信号的上升时间小l3。 BW、tr 是示波器的重要特性，其他工作特性大多要根据它们

25、来确定。2扫描速度它反映示波器在水平方向展开信号的能力。 观察高速瞬变信号或高频连续信号时， 荧光 屏上光点必须进行高速水平扫描； 当观测低频慢变化信号时， 光点又必须进行相应的慢扫描。 光点水平扫描速率的高低，可用扫描速度等指标来描述。扫描速度是光点的水平移动速度， 单位是cm/ s,或div/s。div （格）一般为0.8cm或1cm。扫描速度的倒数称为时间因数， 它相当于光点移动单位长度（ cm 或 d iv ）所需时间，为便于计算被测信号的时间参数，示波 器常用时间因数来标度。示波器的扫描速度要适应 Y 轴通道的频带宽度,时间因数从最低速到最高速（扫描范 围）,一般按 125顺序步进分

26、档（约 20档左右）,每档内能连续调节,以便把显示的图 像调到适当宽度。一般要求时间因数的误差要小于 10%。习惯上,人们将扫描速度和时间因数通称为扫描速度（或扫速）。3偏转灵敏度 它反映示波器观察微弱信号的能力。偏转灵敏度 DY 是指在单位输入信号作用下,光 点在屏幕移动 lcm 或 1div 所需电压,单位为 mV/cm 或 mV/div 。 Dy 按 1 一 2 一 5 顺序步进 转换,分 10档左右。同时还设有连续微调（增益微调）装置,灵敏度可连续调节。Dy 的倒数叫偏转因数,其误差是保证示波器准确测量信号电平的重要指标,要求误差 小于 10%。4输入阻抗 示波器输入阻抗一般可等效为电

27、阻和电容并联。 由于示波器是一种宽带仪器, 因此常把 输入电阻和电容单独列出,测高频信号时要考虑电容影响。SBM 10 型多用示波器的输入阻抗为1M Q/27pF。5输入方式被测信号送入 Y通道有直流（DC）和交流（AC）两种耦合方式，后者可隔离被测信号 中的直流及慢变化分量, 抑制工频干扰, 便于测量高频及交流瞬变信号。 但限制了示波器的 实际下限频率。测持续周期长的脉冲信号时,会使波形失真。6扫描方式示波器扫描方式可分为连续和触发扫描两种, 随示波器功能的扩展, 还出现了多种的双 时基扫描。主要有延迟扫描、组合扫描、交替扫描等,但此时示波器中要有两套扫描系统。7一般性能指标 表示示波管性能的指标：