电子测量与仪器课件 第四章 波形测试与仪器2

1、第4章 波形测试与仪器 1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意图 第4章 波形测试与仪器 2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

2、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内内外外电源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 3射极跟随器射极跟随器触发放大器触发放大器触发形成器触发形成器时基闸门时基闸门积分器积分器电压比较器电压比较器外触发输入外触发输入X放大器放大器X偏转板偏转板“X”输入输入从电源来从电源来从从Y通道来通道来射极射极跟随器跟随器触发触发类型类型耦合耦合方式方式触发电平触发电平去去Z通道通道去去Y通道通道+稳定度稳定度自动自动电路电路触发电路触发电路扫描电路扫描电路内内外外电电源源

3、S1S2扫速扫速释抑电路释抑电路扩展扩展移位移位寻迹寻迹“扫描扫描”“X-Y”图图4.11 X通道组成框图通道组成框图4.5 通用示波器通用示波器X通道（水平系统）通道（水平系统）第4章 波形测试与仪器 4C1C2C3DCACAC(H)HFS2S1内内外外电源电源放 大放 大整 形整 形电 路电 路S3+触发电平触发电平触发电平及斜率选择器触发电平及斜率选择器+图图4.12 触发电路组成框图触发电路组成框图扫描扫描电路电路RP4.5.1 触发电路触发电路触发电路用来选择触发源并产生稳定可靠的触发信号，以触发产生稳触发电路用来选择触发源并产生稳定可靠的触发信号，以触发产生稳定的扫描电压。定的扫描

4、电压。（1）触发源）触发源（2）耦合方式）耦合方式（3）触发方式）触发方式（4）触发电平及斜率选择器）触发电平及斜率选择器（5）触发放大及触发形成电路）触发放大及触发形成电路作用是对前级输出信号进行放大整形，产生稳定可靠的触发脉冲。作用是对前级输出信号进行放大整形，产生稳定可靠的触发脉冲。第4章 波形测试与仪器 5触发电平及触发极性可以直接从显示波形上进行判断。触发电平及触发极性可以直接从显示波形上进行判断。图图4.13(a)图图4.13(f)的触发电平及触发极性分别为零电平、正极性，负电平、的触发电平及触发极性分别为零电平、正极性，负电平、正极性，正电平、正极性，零电平、负极性，负电平、负极

5、性，正电平、正极性，正电平、正极性，零电平、负极性，负电平、负极性，正电平、负极性。负极性。(a)(b)(d)(c)(e)(f)图图4.13 触发电平、触发极性与波形显示的关系触发电平、触发极性与波形显示的关系第4章 波形测试与仪器 64.5.2 扫描电路扫描电路(时基电路)产生符合要求的扫描电压；为产生符合要求的扫描电压；为Z通道提供增辉、消隐脉冲；通道提供增辉、消隐脉冲；为双踪示波器电子开关提供交替显示的控制信号。为双踪示波器电子开关提供交替显示的控制信号。扫描电路主要由时基闸门电路、积分器、电压比较器和扫描电路主要由时基闸门电路、积分器、电压比较器和释抑电路等四个呈环状结构的电路组成。释

6、抑电路等四个呈环状结构的电路组成。（1）时基闸门）时基闸门时基闸门电路又称为扫描门，是施密特触发器。它的作时基闸门电路又称为扫描门，是施密特触发器。它的作用是在触发脉冲作用下或在自激状态下产生闸门脉冲，闸门脉用是在触发脉冲作用下或在自激状态下产生闸门脉冲，闸门脉冲是积分器的控制信号。另外，闸门脉冲还通过射随器加到冲是积分器的控制信号。另外，闸门脉冲还通过射随器加到Z通道去实现增辉消隐，以及加到双踪示波器通道去实现增辉消隐，以及加到双踪示波器Y通道电子开关作通道电子开关作为交替显示的控制信号。为交替显示的控制信号。第4章 波形测试与仪器 7扫描正程扫描正程扫描休止扫描休止扫描逆程扫描逆程时基闸门

7、上触发电平时基闸门上触发电平时基闸门输出时基闸门输出稳定度确定的直流电平稳定度确定的直流电平时基闸门下触发电平时基闸门下触发电平扫描电压扫描电压参考电压参考电压Vr触发脉冲触发脉冲抑制抑制释放释放图图4.14 扫描电路工作波形图（触发扫描）扫描电路工作波形图（触发扫描）时基闸门输入时基闸门输入第4章 波形测试与仪器 8 （2）积分器）积分器 积分器又称为扫描电压发生器，是密勒积分器，它具有输入阻抗高、线积分器又称为扫描电压发生器，是密勒积分器，它具有输入阻抗高、线性好的特点，电路结构框图如图性好的特点，电路结构框图如图4.16所示。所示。 改变改变RC的值，即改变了扫描电的值，即改变了扫描电压

8、正程斜率，也就改变了扫描速度。压正程斜率，也就改变了扫描速度。改变积分电阻、积分电容的旋钮称改变积分电阻、积分电容的旋钮称为为“时基因数（时基因数（s/div）”旋钮。旋钮。 当当S闭合时，积分电容放电，产闭合时，积分电容放电，产生扫描逆程电压。生扫描逆程电压。tRCEdtERCut0s)(1 + + 运放运放ERCS时基闸时基闸门电路门电路电压比较器电压比较器X放大器放大器图图4.16 扫描电压发生器电路结构框图扫描电压发生器电路结构框图第4章 波形测试与仪器 9（3）电压比较器）电压比较器如图如图4.17所示，二极管与有关电路一起构成电压比较器，所示，二极管与有关电路一起构成电压比较器，（

9、4）释抑电路）释抑电路释抑电路一般是释抑电路一般是RC电路，如图电路，如图4.17所示。释抑电路的作用是使每次所示。释抑电路的作用是使每次扫描水平方向上起始点在荧光屏上的位置都相同，以保证每次扫描得到的扫描水平方向上起始点在荧光屏上的位置都相同，以保证每次扫描得到的波形能够重合，这是得到稳定波形的重要条件之一。波形能够重合，这是得到稳定波形的重要条件之一。扫描实际过程分为扫描正程、扫描逆程和扫描等待三个过程扫描实际过程分为扫描正程、扫描逆程和扫描等待三个过程。第4章 波形测试与仪器 10射随器射随器RhCh射随器射随器参考电压参考电压Vr积分器积分器电压比较器电压比较器释抑电路释抑电路+稳定度

10、稳定度时基闸门时基闸门图图4.17 电压比较器和释抑电路原理图电压比较器和释抑电路原理图第4章 波形测试与仪器 114.5.3 X放大器放大器 X放大器的作用是：将单端输入的信号进行放大变换成为大小合适的双端信号放大器的作用是：将单端输入的信号进行放大变换成为大小合适的双端信号加在加在X偏转板上，使电子束在水平方向上产生足够的偏转，得到合适的波形。偏转板上，使电子束在水平方向上产生足够的偏转，得到合适的波形。 当示波器用于显示被测信号波形时，当示波器用于显示被测信号波形时，X放大器的输入信号是扫描电压；放大器的输入信号是扫描电压； 当示波器工作在当示波器工作在“X-Y”方式时，输入信号是外加的

11、方式时，输入信号是外加的X信号。信号。“X-Y”方式时，示波方式时，示波器器X偏转板上所加的信号不再是扫描电压而是外加的偏转板上所加的信号不再是扫描电压而是外加的X信号，该信号与信号，该信号与Y信号是各自信号是各自独立的，它们各自在独立的，它们各自在X、Y偏转板间建立偏转电场对电子束共同作用而产生一个新的偏转板间建立偏转电场对电子束共同作用而产生一个新的图形，例如，将两个同频正弦波加到示波器上时，得到的波形为椭圆、圆或直线，图形，例如，将两个同频正弦波加到示波器上时，得到的波形为椭圆、圆或直线，两个正弦波加到示波器得到的图形称为李沙育图形。两个正弦波加到示波器得到的图形称为李沙育图形。 与与X

12、放大器有关的开关旋钮有：放大器有关的开关旋钮有：“水平移位水平移位”、“扫描扩展扫描扩展”、“寻迹寻迹”等开等开关旋钮。关旋钮。“水平移位水平移位”是通过改变水平偏转板上叠加的对称直流电压的大小来实现是通过改变水平偏转板上叠加的对称直流电压的大小来实现波形水平移位的。波形水平移位的。“扫描扩展扫描扩展”是通过成倍增大是通过成倍增大X放大器增益来实现波形扩展的。放大器增益来实现波形扩展的。“寻迹寻迹”是通过将是通过将X放大器输入端接地来实现水平方向寻迹。放大器输入端接地来实现水平方向寻迹。 第4章 波形测试与仪器 124.6 示波器的多波形显示示波器的多波形显示一种是采用多束示波管（又称为多线示

13、波管）制成的多束示波器。多一种是采用多束示波管（又称为多线示波管）制成的多束示波器。多束示波管内装有两个或两个以上的电子枪。束示波管内装有两个或两个以上的电子枪。另一种方法是采用单束示波管制成的多踪示波器。单束示波管内只有另一种方法是采用单束示波管制成的多踪示波器。单束示波管内只有一个电子枪，示波管内只有一套一个电子枪，示波管内只有一套Y偏转板。多踪示波器是利用偏转板。多踪示波器是利用Y通道上增设通道上增设的电子开关控制被测信号轮流快速地接入的电子开关控制被测信号轮流快速地接入Y偏转板而显示出多个波形的，即偏转板而显示出多个波形的，即采用了时分复用技术，这一技术充分利用了电子开关的高速变换特性

14、和人采用了时分复用技术，这一技术充分利用了电子开关的高速变换特性和人眼的视觉惰性。比较常用的是双踪示波器，即能够显示两个波形的多踪示眼的视觉惰性。比较常用的是双踪示波器，即能够显示两个波形的多踪示波器。本节只讨论双踪示波器的多波形显示原理，即双踪显示原理。波器。本节只讨论双踪示波器的多波形显示原理，即双踪显示原理。4.6.1 双踪显示原理双踪显示原理电子开关又称为通道变换器，基本工作原理如图电子开关又称为通道变换器，基本工作原理如图4.18(a)所示，其输入所示，其输入端接前置放大器，端接前置放大器，S1S8为模拟电子开关。电子开关有为模拟电子开关。电子开关有“信道信道1”、“信道信道2”、“

15、叠加叠加”、“交替交替”和和“断续断续”五种工作状态。五种工作状态。 第4章 波形测试与仪器 13CH1S1S2S4S3CH2S5S6S8S7+延延 迟迟 级级(a)(b)(c)图图4.18 双踪波形显示原理示意图双踪波形显示原理示意图第4章 波形测试与仪器 14输入耦合输入耦合方式选择方式选择1衰衰减减器器1阻抗变换及阻抗变换及倒相放大器倒相放大器1前置放前置放大器大器1门电路门电路延迟级延迟级Y输出输出放大器放大器输入耦合输入耦合方式选择方式选择2衰衰减减器器2阻抗变换及阻抗变换及倒相放大器倒相放大器2前置放前置放大器大器2Y偏转板偏转板CH1CH2射极跟随器射极跟随器触发电路触发电路扫描

16、电路扫描电路电子开关电子开关增辉消隐电路增辉消隐电路图图4.19 双踪示波器基本组成框图双踪示波器基本组成框图X放大器放大器X偏偏转板转板控制栅极控制栅极外触发外触发或或“X”输入输入CH2外外CH1S1扫描扫描X-YS24.6.2 双踪示波器的基本组成双踪示波器的基本组成第4章 波形测试与仪器 15 4.9 取样示波器取样示波器 由于受到垂直放大器通频带、扫描速度、图像亮度等各种因素的影由于受到垂直放大器通频带、扫描速度、图像亮度等各种因素的影响，通用示波器一般不能观测响，通用示波器一般不能观测100MHz以上的高频或超高频信号。为了观以上的高频或超高频信号。为了观测高频信号，在普通示波器的

17、前面加一个专门的取样装置，运用取样技术测高频信号，在普通示波器的前面加一个专门的取样装置，运用取样技术把高频信号变成波形与之相似的低频或中频信号，然后在荧光屏上以断续把高频信号变成波形与之相似的低频或中频信号，然后在荧光屏上以断续的亮点显示出被测信号的波形来，这样就构成了取样示波器。取样示波器的亮点显示出被测信号的波形来，这样就构成了取样示波器。取样示波器可以观测吉赫兹以上的超高频信号。可以观测吉赫兹以上的超高频信号。 4.9.1 工作原理工作原理取样示波器与普通示波器的主要区别在于前者运用了取样技术。取样技术取样示波器与普通示波器的主要区别在于前者运用了取样技术。取样技术的实质是频率变换，基

18、本的取样方式（又称为顺序取样）有实时取样与非的实质是频率变换，基本的取样方式（又称为顺序取样）有实时取样与非实时取样两种方式。测量高频信号应采用非实时取样技术。实时取样两种方式。测量高频信号应采用非实时取样技术。第4章 波形测试与仪器 16tp(t)T0+Sui(t)us(t)图图4.31 取样原理取样原理实时取样：实时取样信号的频率比输入信号的频率高，不能用于观测高频实时取样：实时取样信号的频率比输入信号的频率高，不能用于观测高频非实时取样：取样点分别来自输入信号若干周期式称为，即跨周期取样，非实时取样：取样点分别来自输入信号若干周期式称为，即跨周期取样，第4章 波形测试与仪器 17如果输入

19、信号如果输入信号ui(t)的周期为的周期为T，取样脉冲的周期为，取样脉冲的周期为T=mT+t,(m=1、2、3)ui(t)t5Tt2t3t4t5t61234p(t)t6tt1t2 t3t4 t5ttus(t)uy(t)612345图图4.32 非实时取样过程非实时取样过程第4章 波形测试与仪器 182. 取样示波器的波形合成取样示波器的波形合成 取样示波器两对偏转板上均加阶梯波，如图取样示波器两对偏转板上均加阶梯波，如图4.33所示。经展宽、放大所示。经展宽、放大的阶梯波的阶梯波uy(t)加至加至Y偏转板上，每取样一次阶梯上升一级、每一级持续时偏转板上，每取样一次阶梯上升一级、每一级持续时间为

20、间为mT+t的阶梯扫描电压的阶梯扫描电压ux(t)信号加到信号加到X偏转板上，荧光屏上得到许多偏转板上，荧光屏上得到许多单个的亮点，每个亮点的高度反映出样品信号单个的亮点，每个亮点的高度反映出样品信号us(t)的幅度，众多亮点就构的幅度，众多亮点就构成了被测信号成了被测信号ui(t)的波形。的波形。 4.9.2 组成组成 取样示波器主取样示波器主要由主机、要由主机、Y通道通道和和X通道三大部分通道三大部分组成，如图组成，如图4.34所所示。主机部分与通示。主机部分与通用示波器的相同用示波器的相同。tuy(t)tux(t) 00图图4.33 取样示波器的波形合成取样示波器的波形合成第4章 波形测

21、试与仪器 19取样门取样门放大电路放大电路延长门延长门取样门脉冲取样门脉冲信号源信号源延长门脉冲延长门脉冲信号源信号源时基单元时基单元取样脉冲取样脉冲t步进延迟脉冲步进延迟脉冲mT+tmT同步信号同步信号输入信号输入信号图图4.34 取样示波器组成框图取样示波器组成框图取样电路取样电路延长电路延长电路Y通道通道X通道通道第4章 波形测试与仪器 20取样示波器与通用示波器的区别主要有：取样示波器与通用示波器的区别主要有：取样示波器延迟级放在取样门前面，以便在内触发时提前提取一取样示波器延迟级放在取样门前面，以便在内触发时提前提取一部分被测信号作为触发信号。部分被测信号作为触发信号。取样示波器取样

22、示波器X通道产生时基扫描信号，是利用每一个通道产生时基扫描信号，是利用每一个t步进延迟步进延迟脉冲去触发阶梯波形成电路，使之输出增长一级，扫描信号是线性阶梯波。脉冲去触发阶梯波形成电路，使之输出增长一级，扫描信号是线性阶梯波。由于由于t步进延迟脉冲的作用，扫描信号与取样脉冲是同步的。步进延迟脉冲的作用，扫描信号与取样脉冲是同步的。通用示波器中，每触发一次能产生一个完整扫描信号，而取样示通用示波器中，每触发一次能产生一个完整扫描信号，而取样示波器中，每触发一次只能获得一个样点。波器中，每触发一次只能获得一个样点。(取样示波器中的扫描信号是阶取样示波器中的扫描信号是阶梯波梯波)。取样示波器显示的波

23、形由许多点组成，它能反映被测信号形状，取样示波器显示的波形由许多点组成，它能反映被测信号形状，但它是经过变换得到的，波形经历的时间远大于被测信号的实际经历时间。但它是经过变换得到的，波形经历的时间远大于被测信号的实际经历时间。故取样示波器只能测量频率较高的重复信号，而不能对单次脉冲，极低频故取样示波器只能测量频率较高的重复信号，而不能对单次脉冲，极低频信号进行观测信号进行观测. 4.9.3 技术指标技术指标 （1）取样密度）取样密度 （2）等效扫描速度）等效扫描速度 （3）取样频率）取样频率第4章 波形测试与仪器 21 4.10 数字存储示波器数字存储示波器具有记忆存储功能的示波器具有记忆存储

24、功能的示波器. 模拟存储示波器模拟存储示波器:利用记忆示波管进行存储利用记忆示波管进行存储数字存储示波器数字存储示波器:利用数字存储技术进行存储，利用数字存储技术进行存储， 4.10.1 工作原理工作原理利用利用A/D变换器将输入的模拟信号变换成数字信号，然后变换器将输入的模拟信号变换成数字信号，然后存储于数字存储器中，需要时再将存储器中存储的内容调出存储于数字存储器中，需要时再将存储器中存储的内容调出（读出），通过相应的（读出），通过相应的D/A变换器，再将数字信号恢复为模拟变换器，再将数字信号恢复为模拟信号，显示在示波管荧光屏上。信号，显示在示波管荧光屏上。第4章 波形测试与仪器 22输入

25、前置输入前置放大器放大器触发触发扫描电路扫描电路Y放大器放大器X放大器放大器A/DD/A地址计数脉冲地址计数脉冲与逻辑控制与逻辑控制D/A存储器存储器模拟输模拟输出接口出接口数字输数字输出接口出接口电源电源地址地址IEEE488RS232C111222示波管示波管图图4.35 数字存储示波器基本框图数字存储示波器基本框图S1S2S3uy第4章 波形测试与仪器 234.36(e)的波形即能够准确代表图的波形即能够准确代表图4.36(a)所示的被测波形。所示的被测波形。将数字存储技术和将数字存储技术和CPU微处理器用于取微处理器用于取样示波器，可以构成存储取样示波器。样示波器，可以构成存储取样示波

26、器。 4.10.2 工作方式工作方式 1.数字存储器的功能数字存储器的功能 数字存储示波器的随机存储器数字存储示波器的随机存储器RAM包括信号数据存储器、参考波形存储器、包括信号数据存储器、参考波形存储器、测量数据存储器和显示缓冲存储器四种。测量数据存储器和显示缓冲存储器四种。uyU1U2U3t1t0t2t3t4t5t6t7ta1a2a3a4a5a6a7a000H 01H 02H 03H 04H 05H 06H 07HD0D1D2D3D4D5D6D7(a)(b)(c)(d)图4.36 存储器工作过程(e)第4章 波形测试与仪器 24 2. 触发工作方式触发工作方式 数字存储示波器的触发包括常态

27、触发和预置触发两种方式。数字存储示波器的触发包括常态触发和预置触发两种方式。 （1）常态触发）常态触发 常态触发是在存储工作方式下自动形成的，同模拟示波常态触发是在存储工作方式下自动形成的，同模拟示波 （2）预置触发）预置触发:即延时触发即延时触发3.测量与计算工作方式测量与计算工作方式 数字存储示波器对波形参数的测量分为自动测量和手动测量数字存储示波器对波形参数的测量分为自动测量和手动测量4.面板键操作方式面板键操作方式 第4章 波形测试与仪器 254.10.3 显示方式显示方式 数字存储示波器的显示方式通常有以下几种：数字存储示波器的显示方式通常有以下几种： 1.存储显示存储显示 存储显示

28、方式是数字存储示波器的基本显示方式，适于一般信号的存储显示方式是数字存储示波器的基本显示方式，适于一般信号的观测。在一次触发形成并完成信号数据的存储后，经过显示前的缓冲存储，观测。在一次触发形成并完成信号数据的存储后，经过显示前的缓冲存储，并控制缓冲存储器的地址顺序，依次将欲显示的数据读出并进行并控制缓冲存储器的地址顺序，依次将欲显示的数据读出并进行D/A变换，变换，然后将信号稳定地显示在荧光屏上。然后将信号稳定地显示在荧光屏上。 2.抹迹显示抹迹显示 抹迹显示方式适于观测一长串波形中在一定条件下才会发生的瞬态信抹迹显示方式适于观测一长串波形中在一定条件下才会发生的瞬态信号。号。3.卷动显示卷

29、动显示 卷动显示方式适于观测缓变信号中随机出现的突发信号，它包括两种卷动显示方式适于观测缓变信号中随机出现的突发信号，它包括两种方式。方式。第4章 波形测试与仪器 26一种是用新波形逐渐代替旧波形，变化点自左向右移动，如图一种是用新波形逐渐代替旧波形，变化点自左向右移动，如图4.37(a)所示。另一种是波形从右端推出向左移动，在左端消失，如图所示。另一种是波形从右端推出向左移动，在左端消失，如图4.37(b)所示。所示。当异常波形出现时，可按下存储键，将此波形存储在荧光屏上或存入参考当异常波形出现时，可按下存储键，将此波形存储在荧光屏上或存入参考波形存储器中，以便作更细致的观测与分析。波形存储

30、器中，以便作更细致的观测与分析。(a)(b)(c)图图4.37卷动显示方式和延迟扫描放大显示方式卷动显示方式和延迟扫描放大显示方式4.放大显示放大显示 5. X-Y显示显示第4章 波形测试与仪器 27本章小结本章小结 本章主要介绍了通用电子示波器的基本组成、工作原理及其应用。本章主要介绍了通用电子示波器的基本组成、工作原理及其应用。（1 1）阴极射线示波管由电子枪、偏转板和荧光屏三部分组成。电子）阴极射线示波管由电子枪、偏转板和荧光屏三部分组成。电子示波器测量各种物理量的原理依据是示波管的线性偏转特性。示波器扫描示波器测量各种物理量的原理依据是示波管的线性偏转特性。示波器扫描过程分为扫描正程、扫描逆程、扫描等待三个过程。扫描正程时显示波形；过程分为扫描正程、扫描逆程、扫描等待三个过程。扫描正程时显示波形；扫描逆程和扫描等待时，电子束回到起始点，要对回扫线和休止线消隐。扫描逆程和扫描等待时，电子束回到起始点，要对回扫线和休止线消隐。示波器得到稳定波形的条件是扫描电压的周期等于被测信号周期的整数倍。示波器得到稳定波形的条件是扫描电压的周期等于被测信号周期的整数倍。（2 2）示波器的扫描方式分为圆扫描、螺旋扫描和直线扫描三大类。）示波器的扫描方式分为圆扫描、螺旋扫描和直线扫描