第05章示波器

1、第5章电子示波器第5章电子示波器5.1概述概述5.2示波管示波管5.3电子示波器的结构框图与性能电子示波器的结构框图与性能5.4电子示波器的电子示波器的Y、 X通道及校正器通道及校正器5.5双踪和双线示波器双踪和双线示波器5.6高速和取样示波器高速和取样示波器5.7 记忆示波器与存储示波器记忆示波器与存储示波器*5.8数字化波形处理系统简介数字化波形处理系统简介小结小结习题习题4第5章电子示波器5.1概述概述电子示波器简称示波器。 它是一种用荧光屏显示电量它是一种用荧光屏显示电量随时间变化过程的电子测量仪器。随时间变化过程的电子测量仪器。 它能把人的肉眼无法直接观察到的电信号转换成人眼能够看到

2、的波形， 具体显示在荧光屏上， 以便对电信号进行定性和定量观测， 其他非电物理量亦可经转换成为电量， 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， 它普遍地应用于国防、 科研、 学校以及工、 农、 商业等各个领域。第5章电子示波器电子示波器的基本特点如下：(1) 能显示信号波形， 可测量瞬时值， 具有直观性。 (2) 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可达到10 V/div(微伏/格)。(3) 工作频带， 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1000 MHz， 预计不久将研制出带宽为

3、2 GHz以上的示波器。第5章电子示波器(4) 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， 可作为比较信号用的高速X-Y记录仪。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， 也可配以其他设备组成综合测量仪器。电子示波器的主要用途如下：(1) 观测电信号波形。(2) 测量电压和电流的幅度、 频率、 时间、 相位等电量参数。(3) 显示电子网络的频率特性。(4) 显示电子器件的伏安特性。第5章电子示波器总之， 电子示波器是测量电子电路工作情况的不可或缺的重要工具。电子示波器的发展可溯源到19世纪末研制成的第一支冷阴极静电偏转电子射线示波管。 20世纪40年代末， 逐渐建

4、立起专门生产示波器的厂家。 几十年来， 示波器由电子管示波器发展到晶体管、 集成电路的示波器， 由模拟电路发展到数字电路， 由通用宽带示波器发展到高速取样示波器、 记忆示波器、 数字存储示波器、 逻辑示波器等多种类型示波器， 它还可与微型计算机连接组成智能测量系统。第5章电子示波器建国以后， 我国示波器工业也有了很大的发展， 有些已接近世界先进水平， 但与工业先进的国家还有一定的差距。 目前电子示波器的主要生产厂家和产品系列如表5.1-1所示。本章在介绍示波器组成结构的基础上， 介绍示波器的工作原理、 种类及应用。第5章电子示波器第5章电子示波器5.2示波管示波管示波器的核心部件是示波管， 它

5、在很大程度上决定了整机的性能。 示波管是一种整个被密封在玻璃壳内的大型真空电子器件， 也叫阴极射线管阴极射线管。 电视机的彩色显像管和计算机的监视器都是在电子示波管的基础上发展起来的， 它们的组成结构与原理基本相同。第5章电子示波器示波管由电子枪、示波管由电子枪、 偏转系统和荧光屏三部分组成偏转系统和荧光屏三部分组成， 如图5.2-1所示。 其用途是将电信号转变成光信号并在荧光屏上显示。 电子枪的作用是发射电子并形成很细的高电子枪的作用是发射电子并形成很细的高速电子束，速电子束， 偏转系统由偏转系统由X方向和方向和Y方向两对偏转板组成，方向两对偏转板组成， 它的作用是决定电子束怎样偏转，它的作

6、用是决定电子束怎样偏转， 荧光屏的作用则是显荧光屏的作用则是显示偏转电信号的波形。示偏转电信号的波形。第5章电子示波器图5.2-1示波管及电子束控制电路第5章电子示波器5.2.1电子枪电子枪电子枪由灯丝(h)、 阴极(K)、 栅极(G1)、 前加速极(G2)、 第一阳极(A1)和第二阳极(A2)组成。灯丝h用于对阴极K加热， 加热后的阴极发射电子。 栅极G1电位比阴极K低， 对电子形成排斥力， 使电子朝轴向运动， 形成交叉点F1, 并且只有初速度较高的电子能够穿过栅极奔向荧光屏， 初速度较低的电子则返回阴极， 被阴极吸收。 如果栅极G1电位足够低， 则可使发射出的电子全部返回阴极， 因此， 调

7、节栅极调节栅极G1的电位可控制射向荧光屏的电位可控制射向荧光屏的电子流密度，的电子流密度， 从而改变荧光屏亮点的辉度。从而改变荧光屏亮点的辉度。 第5章电子示波器 图5.2-1中辉度调节旋钮控制电位器RW1进行分压调节， 即调节栅极G1的电位。 控制辉度的另一种方法是以外加电控制辉度的另一种方法是以外加电信号控制栅阴极间电压，信号控制栅阴极间电压， 使亮点辉度随电信号强弱而变化使亮点辉度随电信号强弱而变化(像电视显像管那样像电视显像管那样)， 这种工作方式称为这种工作方式称为“辉度辉度调制调制”。 这个外加电信号的控制形成了除这个外加电信号的控制形成了除X方向和方向和Y方向之方向之外的三维图形

8、显示，外的三维图形显示， 称为称为Z轴控制。轴控制。第5章电子示波器G2、 A1、 A2构成一个对电子束的控制系统。 这三个极板上都加有较高的正电位， 并且G2与A2相连。 穿过栅极交叉点F1的电子束由于电子间的相互排斥作用而散开。 进入G2、 A1、 A2构成的静电场后， 一方面受到阳极正电压的作用加速向荧光屏运动， 另一方面由于A1与G2、 A1与A2形成的电子透镜的作用向轴线聚扰， 形成很细的电子束。第5章电子示波器如果电压调节得适当， 则电子束恰好聚焦在荧光屏S的中心点F2处。 图5.2-1中RW2和和RW3分别是分别是“聚焦聚焦”和和“辅助聚焦辅助聚焦”旋钮所对应的电位器，旋钮所对应

9、的电位器， 调节这两个旋钮调节这两个旋钮使得电子束具有较细的截面，使得电子束具有较细的截面， 射到荧光屏上，射到荧光屏上， 以便在荧以便在荧光屏上显示出清晰的、光屏上显示出清晰的、 聚焦很好的波形曲线。聚焦很好的波形曲线。第5章电子示波器5.2.2偏转系统偏转系统偏转系统由水平偏转板X1、 X2和垂直偏转板Y1、 Y2这两对相互垂直的偏转板组成。 垂直偏转板垂直偏转板Y在前，在前， 水平偏转板水平偏转板X在后在后， 如果仅在Y1、 Y2偏转板间加电压， 则电子束将根据所形成的电场强弱与极性在垂直方向上运动。 如果Y1为正， Y2为负， 则电子束向上运动， 电场强， 运动距离大， 电场弱， 运动

10、距离小； 若Y1为负， Y2为正， 则电子束向下运动。 同理， 在X1、 X2间加电压， 电子束将根据电场的强弱与极性在水平方向上运动， 电子束最终的运动情况取决于水平方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，向和垂直方向电压的合成作用， 当当X、 Y偏转板加不同电压偏转板加不同电压时，时， 荧光屏上的亮点可以移动到屏面上的任一位置。荧光屏上的亮点可以移动到屏面上的任一位置。第5章电子示波器为了显示电信号的波形， 通常在水平偏转板上加一线性锯齿波扫描电压ux， 该扫描电压将Y方向所加信号电压uy作用的电子束在屏幕上按时间沿水平方向展开， 形成一条“信号电压-时间”曲线， 即

11、信号波形， 参见图5.2-2。 水平偏转水平偏转板板X板上所加锯齿形电压称为板上所加锯齿形电压称为“时基信号时基信号”或或“扫描信号扫描信号”。例如， 当当uy信号为正弦波时，信号为正弦波时， 只有在扫描电压只有在扫描电压ux的频率的频率fx与与被观察的信号电压被观察的信号电压uy的频率的频率fy相等或成整倍数相等或成整倍数n时，时， 才能稳定才能稳定地显示一个或地显示一个或n个正弦波形个正弦波形， 如图5.2-2(b)、 (c)所示。第5章电子示波器图5.2-2偏转系统工作原理图第5章电子示波器5.2.3荧光屏荧光屏在荧光屏的玻壳内侧涂上荧光粉， 就形成了荧光屏， 它不是导电体。 当电子束轰

12、击荧光粉时， 激发产生荧光形成亮点。 不同成分的荧光粉， 发光的颜色不尽相同， 一般示波器选用人眼最为敏感的黄绿色。 荧光粉从电子激发停止时的瞬间亮度下降到该亮度的10%所经过的时间称为余辉时间。 荧光粉的成分不同， 余辉时间也不同， 为适应不同需要， 将余辉时间分为长余辉(100 ms1 s)、 中余辉(1100 ms)和短余辉(10 s10 ms)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长余辉示波管。第5章电子示波器5.3电子示波器的结构框图与性能电子示波器的结构框图与性能5.3.1电子示波器的结构框图电子示波器的结构框图电子示波器的基本组成框图如图5.3-1所示

13、。 电子示波器由Y通道、 X通道、 Z通道、 示波管、 幅度校正器、 扫描时间校正器、 电源几部分组成。 被观察的波形通过Y通道探头， 经过衰减加到垂直前置放大器的输入端， 垂直前置放大器的推挽输出信号和经过延迟线、 垂直末级放大器， 输出足够大的推挽信号、10 到示波管的垂直偏转板Y1、Y2上。 由时基发生器产生线性扫描电压， 经水平末级放大器放大后， 输出推挽的锯齿波信号、 加到水平偏转板X1、 X2上。第5章电子示波器图5.3-1示波器组成框图及波形关系图第5章电子示波器为了在示波管上得到稳定的显示波形， 要求每次扫描的锯齿波信号起点应对应于周期性被显示信号的同一相应点， 因此， 将被显

14、示信号的一部分送到触发同步电路， 当该电路得到的信号相应于输入信号的某个电平和极性时， 触发同步电路即产生触发信号去启动时基发生器， 产生一个由触发信号控制的扫描电压。 Z轴电路应在时基发生器输出的正程时间内产生加亮(增辉)信号加到示波管控制栅极上， 使得示波管在扫描正程加亮光迹， 在扫描回程使光迹消隐。第5章电子示波器由图5.3-1(b)中的波形、 、 可见， 触发点即锯齿波的扫描起点并不在被显示信号的起始过零点， 因此， 信号前沿无法观察。 为了克服此缺点， 在垂直前置放大器之后加入延迟线， 对Y方向加入的信号进行延迟， 并且使其延迟时间2略大于由水平通道引起的固有触发延迟1， 以确保触发

15、扫描与显示信号同步。第5章电子示波器来自Y通道的同步信号(即被观察信号)被称为“内”同步； 来自仪器外部的同步信号被称为“外”同步。 示波器除了用于观察信号波形外， 当用于其他测量时， X偏转板上也可不加时基信号， 而是加上待测的或参考的信号， 这个信号可从X输入端直接接入示波器， 经过输入电路和放大器后加于X偏转板。 输入电路一般由衰减器、 射极跟随器和放大器组成。校正器用来校准示波器的主要特性。 常用的有幅度校正器和扫描时间校正器。第5章电子示波器电源一般由两个整流器组成。 高压整流器供给示波管高压电极电压， 低压整流器供给示波器所有其他电路的电压和示波管低压电极电压。 通常低压电源采用稳

16、压器， 较精密的示波器高压电源也采取稳压措施。电子束控制电路与电源连在一起， 包括亮度、 聚焦、 辅助聚焦和光点位置控制。第5章电子示波器5.3.2示波器的主要性能指标示波器的主要性能指标为了正确选择和使用示波器， 必须了解以下六项最重要的性能指标。1. 频率响应频率响应(频带宽度频带宽度)示波器最重要的工作特性就是频率响应fh(最高工作频率)， 又称带宽。 这是指垂直偏转通道(Y方向放大器)对正弦波的幅频响应下降到中心频率的0.707(3 dB)倍时的频率范围。第5章电子示波器由于信号通过线性电路时， 输出信号的频谱G()等于输入信号的频谱F()乘以电路的频率特性K()， 即G()=K()F

17、()， 因此， 如果要求任意形状信号通过该电路时不产生畸变， 则要求电路对被传输信号的所有频谱分量的幅频特性为常数。 示波器垂直偏转通道的带宽必须足够宽， 如果通道的带宽不够， 则对于信号的不同频率分量， 通道的增益不同， 信号波形便会产生失真。 因此， 为了能够显示窄脉冲， 示波器Y通道带宽必须很宽。 例如， SR-8型二踪示波器带宽fh=15 MHz, SBM-10A示波器的带宽fh=30 MHz， 目前最宽的示波器频率范围fh已达到1000 MHz。第5章电子示波器2. 偏转灵敏度偏转灵敏度(S)单位输入信号电压uy引起光点在荧光屏上偏转的距离H称为偏转灵敏度S， 即S=(5.3-1)则

18、uy=H d(5.3-2)式中，d为灵敏度的倒数1/S， 称为偏转因数。 S的单位为cm/V、 cm/mV或div/V(格/伏)， d的单位为V/cm。yuHSH第5章电子示波器在测量时， 从示波器垂直通道衰减器刻度可读得它的偏转因数d， 根据显示的波形高度H， 按式(5.3-2)可求得显示波形的电压幅度。 例如， d=2 V/cm， 荧光屏上uy波形高度H=2.6 cm， 则所观察波形幅度uy=2 V/cm2.6 cm=5.2 V。第5章电子示波器3. 扫描频率扫描频率示波器屏幕上光点水平扫描速度的高低可用扫描速度、 时基因数、 扫描频率等指标来描述。 扫描速度就是光点水平移动的速度， 其单

19、位是cm/s或div/s(格/秒)。 扫描速度的倒数称为时基因数， 它表示光点水平移动单位长度(cm或div)所需的时间。 扫描频率表示水平扫描的锯齿波的频率。 一般示波器X方向扫描频率可由t/cm或t/div分挡开关进行调节， 此开关标注的是时基因数。 SR-8双踪示波器的时基因数范围为1 s/div0.2 s/div, SBM-10A 型示波器的时基因数范围为0.5 s/cm0.05 s/cm。第5章电子示波器5. 输入阻抗输入阻抗输入阻抗是指示波器输入端对地的电阻Ri和分布电容Ci的并联阻抗。 在观测信号波形时， 把示波器输入探头接到被测电路的观察点， 输入阻抗越大， 示波器对被测电路的

20、影响就越小， 所以要求输入电阻Ri大而输入电容Ci小。 输入电容Ci在频率越高时， 对被测电路的影响越大。以SBM-10型多用示波器为例， 垂直偏转通道的输入电阻Ri=1 M， 电容Ci=27 pF。第5章电子示波器5. 示波器的瞬态响应示波器的瞬态响应示波器的瞬态响应就是示波器的垂直系统电路在方波脉冲输入信号作用下的过渡特性。 图5.3-2显示了一个正向标准方波脉冲经过示波器后波形发生畸变的情况， 与图3.6-1 相似。 示波器的瞬态响应特性一般可用图中所示脉冲的上升时间tr、 下降时间tf、 上冲s0、 下冲sn、 预冲sp及下垂等参数表示。 第5章电子示波器图5.3-2中Um是标准方波脉

21、冲的基本幅度(简称脉冲幅度)， b是上冲量(脉冲前沿高出Um部分的冲击量)， f是下冲量(脉冲后沿低于脉冲底值的突出部分)， U为平顶降落量(方波持续期间顶部幅度的下降量， 也称下垂)。 第3章曾提到， 脉冲的上冲、 下冲、 平顶降落等也可以分别用它们对脉冲幅度的百分比值表示， 因而可以分别定义如下：第5章电子示波器图5.3-2示波器的瞬态响应第5章电子示波器上冲s0是脉冲前沿的上冲量b与Um的百分比值， 即%100m0Ubs下冲s0是脉冲前沿的上冲量b与Um的百分比值， 即%100mUfsn下垂是脉冲平顶降落量U与Um的百分比值， 即%100mUU第5章电子示波器预冲sp是脉冲波阶跃之前的预

22、冲量d与Um的百分比值， 即%100mpUds脉冲上升时间tr和脉冲下降时间tf与第3章中的定义相同， 不再重复。示波器说明书中通常只标示出上升时间tr及上冲s0的数值。 由于示波器中的放大器是线性网络， 因此放大器的频带宽度fB与上升时间tr有确定的关系： 第5章电子示波器 fBtr350。 当知道了频带宽度fB时， 可计算出tr350/fB， 式中fB的单位为MHz， tr的单位为ns。 示波器中， fB=fh。 例如, SBM-10A型示波器的fh=30 MHz， 由此可求得上升时间为s1210303503506hftr不难理解， 上升时间tr越小越好。瞬态响应指标在相当大的程度上决定了

23、示波器所能观测的脉冲信号的最小宽度。第5章电子示波器6. 扫描方式扫描方式示波器中的扫描电压锯齿波是一种线性时间基线。 线性时基扫描可分成连续扫描连续扫描和触发扫描触发扫描两种方式。 图5.3-3是连续扫描电压波形， 回扫后没有等待时间， 故适用于观测连续信号。 图5.3-4是触发扫描电压波形， 它只在触发信号的激励下才开始扫描， 每完成一次扫描后就处于等待状态， 直到下一次触发信号到来时再进行扫描。第5章电子示波器图5.3-3连续扫描电压波形第5章电子示波器图5.3-4触发扫描电压波形第5章电子示波器5.4电子示波器的电子示波器的Y、 X通道及校正器通道及校正器电子示波器的基本部件由垂直偏转

24、通道(Y通道)、 水平偏转通道(X通道)、 增辉和Z轴调制、 校正器及电源组成。5.5.1垂直偏转通道垂直偏转通道(Y通道通道)垂直通道的任务是检测被观察的信号， 并将它无失真或失真很小地传输到示波管的垂直偏转板上。 同时， 为了与水平偏转系统配合工作， 要将被测信号进行一定的延迟。 为了完成上述任务， 垂直偏转系统由输入电路、 阻抗变换器、 延迟线和放大器组成， 如图5.3-1(a)所示。第5章电子示波器1. 输入电路输入电路输入电路由探头、 衰减器等组成。 被测信号通过垂直偏转通道加到示波管的Y偏转板上， 整个输入电路可以看成一个二端网络， 为了不失真地传输信号， 此二端网络应是一个交直流

25、耦合电路， 通过该耦合电路后， 信号再加到放大器进行放大。 下面先说明输入耦合方式， 再说明对于大信号必须加入衰减器的情况。第5章电子示波器1) 输入耦合方式对于通频带下限不是0的示波器， 放大器为交流耦合放大器， 其输入端也用电容耦合； 对于通频带从0开始的示波器， 可以观察信号的直流分量或变化极慢的信号， 放大器是直接耦合的(直流放大器)。 被测信号输入端的耦合则视需要而定， 可以是直流耦合， 也可以是交流耦合， 可用开关S来控制， 如图5.4-1所示。 当开关S打向DC位置时， 耦合电容C短接， 成为直流耦合， 否则为交流耦合。第5章电子示波器2) 衰减器由于经常需要观察幅度较小的电压波

26、形， 因此示波器的灵敏度设计得较高， 但当需要观察幅度较大的信号时， 就必须接入衰减器对信号先进行衰减。对衰减器的要求是输入阻抗高， 同时在示波器的整个通频带内衰减的分压比均匀不变。 要达到这个要求， 仅用简单的电阻分压是达不到目的的。 因为在下一级的输入及引线都存在分布电容， 这个分布电容的存在对于被测信号高频分量有严重的衰减， 会造成信号的高频分量的失真(脉冲上升时间变慢)。第5章电子示波器为此， 必须采用图5.4-1所示的阻容补偿分压器， 图中R1、 R2为分压电阻(R2包括下一级的输入电阻)， C2为下一级的输入电容和分布电容， C1为补偿电容。 调节C1， 当满足关系式C1R1=C2

27、R2时， 分压比K0在整个通频带内是均匀的， 它可表示为2112120CCCRRRK(5.4-1)这样的分压器做成的衰减器就可以无畸变地传输窄脉冲信号， 仅仅是信号幅度降为原幅度的1/K0。第5章电子示波器图5.4-1阻容补偿分压器第5章电子示波器大多数示波器的输入电阻Ri都设计在1 M左右， 它的大小主要取决于R1， 因为Ri=R1+R2， 而R2R1。 输入电容Ci为C1、 C2的串联值和引线分布电容C0之并联值， 即Ci=C1C2/(C1+C2)+C0， 约为几十皮法。通常用一个多量程开关换接不同的R2、 C2来改变衰减量。 早期的示波器开关位置都标有衰减量， 如衰减30、 100等。

28、现在都标以偏转因数值， 当示波器最高灵敏度为0.02 cm/mV 时， 最小偏转因数为50 mV/cm， 衰减2、 4、 10倍时， 分别标以偏转因数100 mV/cm、 200 mV/cm、 0.5 V/cm。 设计示波器应做到开关在不同位置时， 示波器的输入阻抗不变。 偏转因数的标注请参见图5.5-3中Y通道的两个调节旋钮V/div。第5章电子示波器3) 探头用示波器观察信号波形时， 长长的引线往往会引起各种杂散干扰， 所以通常使用同轴电缆作为输入引线， 以避免干扰影响。 因同轴电缆内外导体间存在电容使输入电容Ci显著增加， 这对观察高频电路或窄脉冲是很不利的， 因此， 高频示波器常用图5

29、.4-2所示的探头检测被观察信号。 探头里有一可调的小电容C(510 pF)和大电阻R并联。 如果设计示波器输入电阻Ri为1 M时， R应取9 M， 同时调整补偿电容C可以得到最佳补偿， 即满足CRRiCi， 则调整补偿电容C时的波形如图5.4-3所示， 图(a)为理想补偿的波形， 图(b)为过补偿的波形。 通常(c)为欠补偿的波形。 通常调整C， 以达到图(a)所示的理想补偿波形。第5章电子示波器图5.4-2示波器探头第5章电子示波器图5.4-3补偿电容的波形第5章电子示波器探头中的电阻电容R、 C与示波器的输入阻抗Ri、 Ci形成补偿式分压器， 一般分压比做成10 1， 此时分压器不会引入

30、被测信号的失真。 同时， 探头和电缆都是屏蔽的， 不会引入干扰， 输入阻抗也大为增加， Ri=10 M, Ci=10 pF。 唯一的缺点是送到示波器输入端的信号减小了10倍， 计算脉冲幅度时， 应将偏转因数乘以10。 为了避免这一缺点， 可采用有源探头， 即探头内有一个场效应管源极跟随器， 它的传输系数近似为1， 同时又具有高输入阻抗和屏蔽性。 另外， 必须强调的是， 探头里的微调电容是对特定的示波器调定的， 各台示波器的Ci值一般都不相同， 所以探头不能互换使用， 否则会引入明显的波形畸变。第5章电子示波器2. 阻抗变换器阻抗变换器阻抗变换器一般可由射极跟随器构成。 射极跟随器的高输入阻抗使

31、得示波器对外呈现高输入阻抗， 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， 亦可在发射极接一个电位器， 以便微调所显示波形的幅度。第5章电子示波器3. 延迟线延迟线当示波器工作在“内”触发状态时， 利用垂直通道输入的被测信号去触发水平偏转系统产生扫描电压波， 从接受触发到开始扫描需要一小段时间， 这样就会出现被测信号到达Y偏转板而扫描信号尚未到达X偏转板的情况， 为了正确显示波形， 必须将接入Y通道的被测信号进行一定的延迟， 以便与水平系统的扫描电压在时间上相匹配。 通常延迟时间在50200 ns 之间， 这个延迟准确性要求不高， 但延迟应稳定， 否则会导致图像的水平漂移和晃动。第5章

32、电子示波器对延迟线的基本要求是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传递信号。 在带宽较窄的示波器里， 一般采用多节LC网络作延迟线， 在带宽较宽(大于15 MHz)时， 则采用平衡螺旋线作延迟线。 无论采用哪种延迟线， 其特性阻抗均在几百欧姆以下， 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。 在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。第5章电子示波器5. 垂直偏转放大器垂直偏转放大器被测信号经探头检测引入示波器后， 微弱的信号必须经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

33、能量。 当示波管灵敏度及示波器偏转因数一定时， 放大器的增益K的计算如下：K= 1000 (5.4-2)式中， S为示波器偏转因数， SV为示波管灵敏度。 当S为1 cm/50 mV时， 高灵敏度示波管的SV=0.5 cm/V， 此时， 要求放大器的放大倍数K=40； 一般示波管的SV=0.04 cm/V， 要求放大器的放大倍数K=500。VSS第5章电子示波器垂直偏转放大器设计中除了要考虑放大器应具有足够大的信号放大倍数外， 还要考虑波形无失真的被放大， 即放大器应具有足够的带宽。 换句话说， 就是具有足够低的低频截止频率和足够高的高频截止频率。第5章电子示波器放大器的低频截止频率受耦合电容

34、或射极旁路电容的限制， 必须加大这些电容以降低低频截止频率或采用直接耦合(直流放大器)。 高频截止频率受两个因素限制： 其一是晶体管放大倍数随频率升高而下降； 其二是晶体管输出端分布电容C0(集电结电容和引线分布电容之和)及负载电容CL对高频的分流使高频增益下降， 由它造成的高频截止频率为LLCRf21h(5.4-3)式中， RL和CL是放大器的等效负载电阻和等效负载电容。第5章电子示波器为了展宽通频带宽度必须采取下列措施：(1) 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。(2) 电路中引入强的负反馈， 如放大器开环增益为K0， 反馈系数为F， 则加负反馈后，

35、 高频截止频率扩展为原来的(1+K0F)倍。(3) 在电路中用电抗元件(电容或电感)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有所提升。第5章电子示波器采用以上各种措施后， 放大器的通带宽度可大大提高， 若要求更高的带宽， 如大于1 GHz， 则可采用取样的方法把观察信号“减慢”， 然后再带宽较窄的放大器放大， 这就是设计新一类取样示波器的基本思想。垂直偏转系统的末级放大器都采用推挽式放大器， 它输出一对平衡的交流电压加到偏转板， 这样当被测电压幅度任意改变时， 偏转的基线电位(即偏转板之间的中心电位)保持不变。第5章电子示波器垂直偏转通道放大器可以设计成输入端为单端放大器，

36、 而在接到示波管之前变换成差动放大器， 也可以从输入端到输出端都设计成差动放大器。 这是因为差动放大器抑制寄生信号的能力强， 而不管这种寄生信号是由附近的干扰源通过空间耦合而来， 还是通过传导而来。 此外， 差动放大器还能大大改善因环境温度、 电源电压、 晶体管参数等变化引起的漂移。示波器后面一般都有插孔， 幅度较大的信号可以不经过垂直偏转通道从插孔直接加到偏转板上， 以减少显示波形的畸变。第5章电子示波器5.5.2水平偏转通道水平偏转通道(X通道通道)水平偏转通道即X通道， 其作用是产生一个与时间呈线性关系的电压， 并加到示波管的X偏转板上， 使电子射线沿水平方向线性地偏移， 形成时间基线。

37、 设Sx为水平方向的偏转灵敏度， 水平板上所加电压为Ux(t)， 则偏转距离x为x=SxUx(t)。由上式可知， 随时间线性增长的扫描电压加在水平偏转板上， 屏幕电子束即能由左向右随时间作水平扫描， 这种扫描称为线性时基扫描。 本书着重介绍线性时基扫描方式， 对于其他扫描方式如圆扫描、 对数扫描等不作介绍。第5章电子示波器1. 扫描分类扫描分类线性时基扫描方式可分为连续扫描和触发扫描两类。1) 连续扫描该方式的扫描电压是周期性的锯齿波电压。 在扫描电压的作用下， 示波管光点将在屏幕上作连续重复周期的扫描， 若没有Y通道的信号电压， 则屏幕上只显示出一条时间基线。 在时域测量中， 在Y通道加入周

38、期变化的信号电压， 即可显示信号波形。 连续扫描最主要的问题是如何保证在屏幕上显示出稳定的信号波形。第5章电子示波器为了得到稳定的波形显示， 必须使扫描锯齿波电压周期T与被测信号周期Ty保持整数倍的关系， 即T=nTy。 由于扫描电压是由示波器本身的时基电路产生的， 它与被测信号电压不相关， 因此一般采用被测信号(或与被测信号相关的信号)控制、 触发时基电路， 使T=nTy， 这个过程称为同步。 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T与Ty的整数倍关系， 实现稳定的显示。 显示情况如图5.4-4所示。第5章电子示波器图5.4-4连续扫描的波形显示第5章电子示波器2) 触

39、发扫描被测波形与扫描电压的同步问题在观测脉冲波形时尤为突出。 图5.4-5是连续扫描和触发扫描观测脉冲波形的比较。 其中， 图(a)是被测脉冲波形， 可看到脉冲的持续时间与重复周期比(t0/Ty)很小， t0为被测脉冲底宽。 图(b)、 (c)是用连续扫描方式显示被测脉冲波形， 扫描周期分别为T=Ty和T=t0。 从图(b)上很难看清波形的细节， 特别是脉冲波的上升沿。 第5章电子示波器如果增加扫描频率(如图(c)所示的波形)， 则虽可以观察被测脉冲的细节， 但光点在水平方向多次扫描中只有一次扫描出脉冲波形， 因此显示的脉冲波形本身很黯淡， 而时基线却很亮， 这不仅观察困难， 而且同步也较难。

40、 图(d)所示是触发扫描的情形， 扫描发生器平时处于等待工作状态， 只有送入触发脉冲时才产生一次扫描电压， 在屏幕上扫出一个展宽的脉冲波形， 而不显示出时间基线。第5章电子示波器图5.4-5脉冲信号的连续扫描与触发扫描显示第5章电子示波器2. 水平通道的组成框图水平通道的组成框图如图5.4-6所示， 示波器的水平通道包括三部分： 触发电路， 其中包括触发方式选择、 脉冲整形电路； 时基发生器， 由闸门电路、 扫描发生器、 电压比较器和释抑电路组成； 水平放大器。 时基发生器是水平通道的核心， 用来产生线性度好、 频率稳定、 幅度相等的锯齿波电压； 水平放大器用来放大锯齿波电压， 输出对称的锯齿

41、波电压， 加至水平偏转板； 触发电路控制时基的扫描闸门， 以实现与被测信号的严格同步。第5章电子示波器图5.4-6水平通道的结构框图第5章电子示波器3. 时基发生器时基发生器时基发生器由时基闸门、 扫描发生器、 电压比较器和释抑电路组成， 其结构框图及各点波形如图5.4-7所示。时基闸门电路是一个典型的施密特电路， 它是双稳态触发电路， 当触发脉冲在t1时刻到来时， 电路翻转， 输出高电平， 使得扫描电压发生器开始工作。第5章电子示波器图5.4-7时基发生器第5章电子示波器扫描电压产生器是一个密勒积分器， 它能产生高线性度的锯齿波电压， 其原理如图5.4-8 所示。 当开关S断开时， 电源电压

42、E通过电阻R对电容C充电， 产生负向锯齿波U0， 此电压一路送入水平放大器， 另一路送入时基发生器的电压比较器(见图5.4-7)。 时基闸门电路的两个稳态相当于开关S的断开和闭合， 开关S闭合时， 电容C迅速放电， 使U0迅速回升， 形成扫描回程电压。第5章电子示波器图5.4-8密勒积分电路第5章电子示波器电压比较器将送入的电压U0与参考电压Ur进行比较， 当U02.5 1。扩展“10”时， 其最快扫描速度可以达到20 ns/div， 误差除0.2 s/div挡15%外， 其余各挡均10%。X外接： 灵敏度3 V/div； 频带宽度100 Hz250 kHz, 3 dB; 输入阻抗， 1 M，

43、 40 pF。触发同步性能如表5.5-1所示。第5章电子示波器3) 主机示波管12 SJ 102型矩形屏示波管的加速电压为2 kV， 屏幕有效工作面积为6 div 10 div(1 div=0.8 cm)， 中余辉。校准信号： 矩形波1 kHz, 误差2%, 幅度1 V, 误差3%。第5章电子示波器2. 使用使用SR-8型双踪示波器的面板布置如图5.5-3所示。接通电源时， 将各控制件置于适中位置， 如果看到光点， 即可调整辉度， 使光点或时基线的亮度适当； 如果找不到光点， 则可按下“寻迹”按键， 以辨别光点的偏向， 再调整“Y轴移位”或“X轴移位”使光点居中。第5章电子示波器图5.5-3S

44、R-8型双踪示波器的面板布置图第5章电子示波器示波器的Y轴灵敏度开关“V/div”位于0.2挡， 其“微调”位于“校准”位置， 此时如果被测波形占Y轴的坐标幅度H为5 div， 则此时信号电压Uy幅度为(见图5.5-4)Uy=V/divH(div) =0.2 V/div5 div =1 V第5章电子示波器图5.5-4电压测量第5章电子示波器若被测信号经探头输入， 则应将探头衰减10倍的因素考虑在内， 被测信号Uy幅度为Uy=0.2 V/div5 div10=10 V直流电压的测量也可如此计算， 将直流电压信号线与时基线比较， 求出直流电压占Y轴的坐标幅度H， 得到直流电压幅度值。第5章电子示波

45、器2) 时间测量首先将X通道扫描控制开关“t/div”的“微调”置于“校准”位置上， 这样可以由开关的指示值直接计算出时基线上X方向被测两点之间距离D的时间间隔为T=t/divD(div)例如， 扫描控制开关置于0.2 ms/div， 被测波形两点间距离D为6 div， 则时间间隔T为(见图5.5-5)T=0.2 ms/div6 div=1.2 ms当距离D为某一周期波形的一个周期距离时， 计算出的T为该波形的周期。当距离D为某两个波形间的距离时， 计算出的T为这两个波形间的时间差， 参见图5.5-6。第5章电子示波器图5.5-5时间间隔测量第5章电子示波器图5.5-6时间差测量第5章电子示波

46、器当距离D为脉冲宽度时， 计算出的T为该脉冲的持续时间， 见图5.5-7。3） 频率测量对周期性的重复频率来说， 可按时间测量的公式测定其每一周的时间T， 按照频率f与周期T的倒数关系来计算频率， 即Tf1第5章电子示波器图5.5-7脉宽测量第5章电子示波器4) 相位测量双踪显示可测得两个相同频率信号的相位关系。 测量相位时触发点正确与否很重要， 应将Y轴触发源开关置于“YB”的位置， 然后用内触发形式启动扫描， 测两信号的相位差。如图5.5-8所示的被测波形， 其一个周期占横坐标刻度上8个div， 则1 div对应45相位， 即3601/8， 两波形相位间隔D为1.5 div， 则两波形间相

47、位差为f=D(div)45/div=1.5 div45/div=67.5第5章电子示波器图5.5-8相位测量第5章电子示波器5.6高速和取样示波器高速和取样示波器产生畸变的主要因素如下：(1) 示波器偏转板电容C与引线电感L的影响。 当测量高频信号时， 偏转板电容C与引线电感L构成的谐振回路将使阶跃信号产生畸变， 在上升沿处形成过阻尼、 临界阻尼或阻尼振荡(欠阻尼)三种情况。 过阻尼使得上升沿变坏。 欠阻尼时， 在上升沿顶部叠加振荡信号。 其等效电路及波形情况如图5.6-1所示。第5章电子示波器图5.6-1分布参数的影响第5章电子示波器为了减小分布参数的影响， 应尽量减小L和C。 所以， 快速

48、示波管的偏转板引线从旁边引出以缩短其长度， 从而减小了引线电感； 同时增大偏转板间距可减小C， 但带来的问题是偏转灵敏度也随之降低， 这是人们所不希望的。(2) 电子渡越时间的影响。 当电子束通过偏转板时， 偏转板上的电压不变， 那么电子束的偏转量正比于偏转电压。 第5章电子示波器普通示波管中电子通过偏转板的时间即电子渡越时间为110ns 量级。 如果显示波形周期或脉宽比它大得多， 则可以认为在波形显示期间， 偏转板上的电压近似不变。 但是， 当显示高频信号， 即显示纳秒级脉冲或几百兆赫兹的正弦波时， 因电子通过偏转板期间偏转板上电压会有明显变化， 故所显示的波形也会有很大失真。 对于正弦波，

49、 会使得波形振幅变小， 且引入相位差； 对于脉冲波形， 表现为上升沿和下降沿均变慢， 甚至畸变为三角形波。第5章电子示波器(3) Y偏转放大器带宽不足。 放大器高频截止频率不够高， 对于高频信号将产生前、 后沿失真。(4) 扫描速度不够快。 当显示高频信号时， 要有足够快的扫描速度。 例如， 要求光迹在5 ns时间内扫过10 cm长的距离， 扫描速度为0.5 ns/cm， 普通示波器无法达到。(5) 亮度不够。 对于高速脉冲， 例如宽为5 ns的脉冲， 扫出一个波形的时间仅为5 ns， 即使扫描重复频率为每秒1000次， 图形亮度仍很弱。第5章电子示波器5.6.1高速示波器高速示波器高速示波器

50、要显示ns、 ps级的脉冲或微波信号， 它不同于普通示波器的关键之处是示波管、 Y放大器和时基发生器。1. 示波管示波管高速示波器采用专用示波管。 如前所述， 高速示波管的偏转系统接线要短(从管旁引出)， 偏转板间距离d要大， 以减小分布电容， 加速电压要高， 以减小电子渡越时间， 因而导致偏转灵敏度将很低。 为了保证示波器的灵敏度， 要求Y轴放大器必须有更大的放大倍数， 这无疑增加了Y轴放大器实现上的困难。 因此， 在要求更高速度时， 可采用行波示波管。第5章电子示波器2. 放大器放大器Y轴放大器是宽带放大器， 目前集成电路放大器带宽可达1000 MHz以上。3. 时基发生器时基发生器高速示

51、波器的时基发生器在扫描期间的扫描速度很高， 因而扫描电容充、 放电电流很大。 例如， 扫描因数为1 ns/cm时， 回扫速度可达du/dt=51010 V/s， 电容为40 pF时， 因i=Cdu/dt， 故流过开关的电流达2 A， 这就对充、 放电开关提出较苛刻的要求。 由于高速示波管的偏转灵敏度很低， 因此常常要求形成几百伏的扫描电压。 另外， 回扫时间应很短， 因为它限制被测脉冲的最高重复频率。 上述要求都必须有较大功率的电路才能满足要求。第5章电子示波器一般频宽为100 MHz以上的示波器称为高速示波器， 主要用于国防、 科研等领域。 目前， 美国泰克公司生产的DP4000其带宽达35

52、0 MHz1 GHz， 美国泰克、 安捷伦、 力科三大公司推出的TDS3000B/TDS5000等系列， 其带宽为60 MHz2 GHz。 国内江苏绿扬电子仪器集团也生产出带宽达1 GHz的示波器。第5章电子示波器5.6.2取样示波器取样示波器将高频(一般为1000 MHz以上)的重复性的周期信号经过取样(取样速率可调节)变换成低频的重复性的周期信号， 再运用通用示波器的原理进行显示和观测的示波器称为取样示波器。第5章电子示波器前面介绍的示波器都是“实时信号”显示的示波器， 而取样示波器则经过频率转换， 是一种“非实时取样”的示波器。 这种非实时取样技术把一个高频或超高频的信号经过跨周期的取样

53、， 形成一个波形和相位完全相同、 幅度相等或形成某种严格比例的低频(或中频)信号。 对低频信号的测量， 要比对高频或超高频信号的测量在技术上成熟得多， 测量精度也易于得到保证。第5章电子示波器取样装置加普通示波器就是取样示波器的结构， 取样装置可将频率上限扩展到十几GHz。 1969年HP公司试制的1811A型取样示波器频宽为18 GHz。 我国普源精电公司2004年研发生产的DS5000系列可达1 GS/s实时采样率。1. 非实时取样原理非实时取样原理图5.6-2是一个非实时取样保持电路的原理图。 图中， S为取样脉冲p(t)控制的电子开关， 也叫取样门， 在脉冲持续期tw相当于开关S闭合，

54、 在脉冲间歇期T0相当于开关S断开。 第5章电子示波器图5.6-2取样门及取样脉冲第5章电子示波器开关S闭合时， 取样电路的输出us(t)=ui(t)， 由于脉冲宽度tw很窄， 因此可以认为在此期间ui(t)的电压幅度是不变的。 us(t)是宽度与脉冲宽度tw相同的离散取样信号， 在脉冲间歇期T0期间， 开关S断开， 输入信号ui(t)不能通过开关， 则us(t)输出信号幅度为0， 这样通过取样脉冲的作用即将连续的输入信号ui(t)变成了离散的信号us(t)。第5章电子示波器非实时取样过程与实时取样过程的不同之处在于取样脉冲与输入信号之间时序上的差别。 非实时取样过程对于输入信号是进行跨周期采

55、样。 如图5.6-3所示， 图(a)为被测的高频信号ui(t)， 图(b)为取样脉冲， 通常取样脉冲的间隔为输入信号ui(t)的周期T+t(取样脉冲的间隔也可以是mT+t, 当被测信号频率特别高时， m可取大于1的整数)。第5章电子示波器每次取样点相当于前一个取样点时间延迟t， 经过多次取样， 最后将被测信号的波形展宽显示出来， 如图5.6-3(c)和(d)所示， 图(c)为采样值， 图(d)是经过保持及延长后形成的量化信号。 这样， 通过若干周期对波形的不同点的采样， 就将高频信号转换成了低频信号， 以通用示波器显示uy(t)的包络波形来反映和表现被测的实际高频信号波形， 这就是取样示波器的

56、基本原理。 简言之， 图(d)中的uy(t)波形即为展宽了的ui(t)波形的一个周期， 当取样点足够多时， uy(t)就能比较准确地反映ui(t)的波形了。第5章电子示波器图5.6-3非实时取样过程第5章电子示波器2. 取样示波器的组成取样示波器的组成取样示波器的组成框图见图5.6-4。 被测信号ui通过取样门后， 变成窄脉冲信号， 经放大后， 送入延长电路， 形成信号包络。 Y通道由取样门、 放大电路及延长电路组成， 延长电路中有保持电容及直流放大器， 以便将窄脉冲取样信号us(t)展宽， 得到量化的包络信号。第5章电子示波器图5.6-4取样示波器的组成框图第5章电子示波器为了在屏幕上显示出

57、由不连续的亮点构成的取样信号波形， 必须采用与取样信号同步的阶梯波作扫描电压。 其波形对应关系如图5.6-5所示。 在量化信号（见图5.6-5(a)与阶梯扫描信号(见图5.6-5(b)的共同作用下， 就可在荧光屏上显示出被测高频信号的波形如图(c)所示， 当取样点足够密时， 即图(c)中亮点足够密时， 该波形便能无失真地表现被测高频波形。第5章电子示波器图5.6-5显示过程第5章电子示波器取样示波器的X通道中的时基单元， 除了产生阶梯波电压外， 还产生与扫描电压同步的t延迟脉冲， 用以同步取样门及延长门脉冲发生器， 使整个系统协调地工作。取样示波器是一种非实时取样过程， 它只能观测重复信号，

58、对非重复的高频信号或单次信号， 只能用高速示波器进行观测。第5章电子示波器5.7记忆示波器与存储示波器记忆示波器与存储示波器通用示波器不具有存储信息的能力， 记忆示波器与存储示波器分别利用模拟存储技术和数字存储技术将信息进行存储， 当需要显示时， 再在荧光屏上进行显示。 这两种示波器主要用于记录瞬变的单次信号。 存储技术与示波技术的结合给研究单次瞬变信号的波形带来了极大的方便。 下面分别介绍这两种示波器的存储原理和工作方式。第5章电子示波器5.7.1记忆示波器记忆示波器记忆示波器的记忆功能是由记忆示波管完成的。 利用具有记忆能力的材料制成的示波管结合相应的电子线路， 就形成了记忆示波器。1.

59、记忆示波管记忆示波管记忆示波管可分为可变余辉存储方式和快速转移存储方式两种示波管， 它们都是将记忆信号存储于示波管的栅网上， 需要显示时将它显示出来。 栅网存储示波管的结构如图5.7-1 所示。第5章电子示波器图5.7-1栅网式记忆示波管的结构及泛射示意图第5章电子示波器借用计算机术语， 信号的存储称做“写”， 存储信号的取出称做“读”， 因此， 在记忆示波管中存在两套电子枪， 即“写入电子枪”和“读出电子枪”， 这两套电子枪分别控制被测信号的“存储”和“显示”。 构成记忆功能的部件是荧光屏前的栅网， 栅网g3上涂有氟化镁一类的电介质， 作为存储介质， 形成存储体。 由于栅网上的介质材料具有良

60、好的绝缘性能， 因此可以使电子较长时间地停留在上面， 这是实现存储电信号的关键。第5章电子示波器示波管内的写入电子枪与普通示波管电子枪的结构相同， K为阴极， g为栅极， A1、 A2为两个阳极， 调节栅网g3上的电压， 可使栅网不起作用， 则该示波管可像普通示波管一样显示波形。 作记忆示波管使用时， 写入电子枪发射的电子束轰击栅网， 该电子束称为一次电子。 受到轰击， 栅网电介质发出二次电子， 当二次发射比=二次电子数/一次电子数1时， 栅网靶面区失去的电子多， 呈现一个相对正的电位(原来栅网对地电位为10 V)， 形成对波形的记录。 栅网的收集极C专门收集发射的二次电子，以免二次电子的自由