第八章电子示波器课件

1、第八章第八章 电子示波器电子示波器 第一节第一节 电子示波器的类型和基本工作原理电子示波器的类型和基本工作原理 第二节第二节 示波管示波管 第三节第三节 液晶显示器液晶显示器 第四节第四节 示波管电源示波管电源 第五节第五节 示波器的示波器的Y Y通道通道 第六节第六节 示波器的示波器的X X通道通道 第七节第七节 通用示波器实例通用示波器实例 第八节第八节 示波器的应用示波器的应用 第九节第九节 数字示波器数字示波器 第十节第十节 逻辑分析仪逻辑分析仪 第十一节第十一节 描绘特性曲线的专用示波器描绘特性曲线的专用示波器 本章要点本章要点 本章介绍电子示波器的电路与器件，包括示波管、液晶显示器

2、、高低压电源、Y通道、X通道、电子开关，以及附属电路的结构、原理与技术性能。并通过第七节的典型实例，进一步了解常用的示波器电路形式，电子示波器的使用方法以及面板上旋钮的功能。 本章还对数字示波器和描绘特性曲线的专用示波器作一般的介绍。第一节 电子示波器的类型和基本工作原理 一、电子示波器分类一、电子示波器分类电子示波器电子示波器模拟示波器模拟示波器数字示波器数字示波器通用示波器通用示波器取样示波器取样示波器多束示波器多束示波器特殊示波器特殊示波器实时显示数字读出示波器实时显示数字读出示波器数字存储示波器数字存储示波器实时显示与存储示波器实时显示与存储示波器逻辑分析逻辑分析仪仪 二、电子示波器工

3、作原理二、电子示波器工作原理 电子示波器是利用被测信号控制电子束在Y轴的位置，同时利用内部的锯齿信号，使电子束重复地沿水平方向匀速扫描，然后在示波管荧光屏或液晶显示器上观察被测信号波形的一种仪器，因此一台电子示波器至少要包括X、Y通道和显示器三个部分。返回本章首页第二节第二节 示波管示波管 一、一、示波管示波管结构结构 示波管又称阴极射线管，由电子枪电子枪、偏转系统偏转系统和荧荧光屏光屏等部分组成，所有部件都密封在一个喇叭状的玻璃管中，内部抽至高真空，其结构如下图。一、一、示波管示波管结构结构 1. 1.电子枪电子枪：电子枪的作用是产生定向运动的高速电子流，它由灯丝T、阴极K、控制栅极G、第一

4、阳极A1、第二阳极A2和第三阳极A3六部分组成。灯丝通电后加热阴极。阴极是一个表面涂有氧化物的金属筒，被加热后发射电子。控制栅极是一个顶端有小孔的圆筒，套在阴极外面。它的电位比阴极低，对阴极发射出来的电子起控制作用，只有初速度较大的电子才能穿过栅极顶端的小孔,然后在阳极加速下奔向荧光屏。示波器面板上的“亮度”调整就是通过调节栅极电位以控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变了屏上的光斑亮度。 阳极电位比阴极电位高很多，电子被它们之间的电场加速形成射线。当控制栅极、第一阳极、第二阳极、第三阳极之间的电位调节合适时，电子枪内的电场对电子射线有聚焦作用，所以第一阳极也称聚焦阳极。第二阳极电位更高，又称加

5、速阳极。面板上的“聚焦”调节，就是调第一阳极电位，使荧光屏上的光斑成为明亮、清晰的小圆点。有的示波器还有“辅助聚焦”，实际是调节第三阳极电位。一、一、示波管示波管结构结构 2.偏转系统偏转系统示波管的偏转系统大都是静电偏转式，它由两对相互垂直的平行金属板组成，分别称为水平偏转板和垂直偏转板。分别控制电子束在水平方向和垂直方向的运动。当电子在偏转板之间运动时，如果偏转板上没有加电压，偏转板之间无电场，离开第二阳极后进入偏转系统的电子将沿轴向运动，射向屏幕的中心。如果偏转板上有电压，偏转板之间则有电场，进入偏转系统的电子会在偏转电场的作用下射向荧光屏的指定位置。 如果两块偏转板互相平行，并且它们的

6、电位差等于零，那么通过偏转板空间的，具有速度v的电子束就会沿着原方向（设为轴线方向）运动，并打在荧光屏的坐标原点上。如果两块偏转板之间存在着恒定的电位差，则偏转板间就形成一个电场，这个电场与电子的运动方向相垂直，于是电子就朝着电位比较高的偏转板偏转。这样，在两偏转板之间的空间，电子就沿着抛物线在这一点上做切线运动。最后，电子降落在荧光屏上的A点，这个A点距离荧光屏原点（0）有一段距离，这段距离称为偏转量，用y表示。偏转量y与偏转板上所加的电压Vy成正比。同理，在水平偏转板上加有直流电压时，也发生类似情况，只是光点在水平方向上偏转。 偏转原理偏转原理y =L0lUy2Ua3d一、一、示波管示波管

7、结构结构 3.荧光屏荧光屏 它是示波器的显示部分，它的作用是将偏转后的电子束显示出来，以便观察。当加速聚焦后的电子打到荧光上时，屏上所涂的荧光物质就会发光，从而显示出电子束的位置。当电子停止作用后，荧光剂的发光需经一定时间才会停止，称为余辉效应。余辉时间的长短与发光物质的成分有关。 在使用示波器时，不宜让很亮的光点固定出现在示波管荧光屏一个位置上，否则该点荧光物质将因长期受电子冲击而烧坏，从而失去发光能力。 二、示波管电路二、示波管电路 通常的情况下，被观察的波形信号加在 Y 偏转板，时间扫描信号加在 X 偏转板，为了控制荧光屏上显示图象的亮度和聚焦，在示波管的栅极和各阳极加上不同的直流电压。

8、二、示波管电路二、示波管电路 1、扫描系统：、扫描系统： 扫描系统是用来产生一 个随时间作线性变化的扫描电压，这种扫描电压随时间变化的关系如同锯齿，故称锯齿波电压，这个电压经X轴放大器放大后加到示波管的水平偏转板上，使电子束产生水平扫描。这样，屏上的水平坐标变成时间坐标，Y轴输入的被测信号波形就可以在时间轴上展开。扫描系统是示波器显示被测电压波形必需的重要组成部分。 2、同步电路：、同步电路： 为了观察稳定的波形，要求每次扫描起点的相位等于前一次扫描终点的相位，或者说，要求被测信号频率 fg 是扫描信号频率的整数倍。返回本章首页第三节第三节 液晶显示器液晶显示器 一、液晶显示器结构一、液晶显示

9、器结构 液晶显示器由两片玻璃基板黏合而成，板间留有微米级空隙，将液晶封存在间隙中。 液晶材料是由脂类、联苯类、笨基环已烷类、毗啶类、乙烷类等多种液晶混合而成。 当基板上的电极施加反相电压时，经偏振片的室内光线，无法通过液晶返回，即可形成图像。 二、二、液晶显示器的电极液晶显示器的电极 液晶显示器的电极有两种结构，一种是分段式结构，另一种是矩阵式结构。 分段式结构中的上基板电极分七段可组成 0 9 十个数码，下基板电极各段连接在一起，作为公共电极。这种结构多用于仪表的数字显示。 矩阵式结构中的上基板作为行电极，下基板作为列电极，行列交叉组成的点阵，可用于显示图像或文字。 三、三、液晶显示器驱动方

10、式液晶显示器驱动方式 1.1.分段式的驱动方式分段式的驱动方式 分段式液晶显示器要显示图像时，可向液晶显示器的两电极分别施加幅度相等相位相反的方波电压（不能加直流电压），使得液晶显示器的基板显出相应的数码图像。如果两电极加上同相电压，液晶显示器则呈熄灭状态。 2.矩阵式矩阵式驱动方式驱动方式 矩阵式液晶显示器的两基板电极分别为行、列电极。行列交点形成像素。如要某像素发亮，行列电极间须加选择点波形的电压，如要某像素呈暗态,电极间须加非选择点波形的电压,如果一个电极为选择点,另一电极为非选择点,该像素为半选择点仍保持暗态。加于行电极加于列电极行列电极间返回本章首页四、液晶显示器模块四、液晶显示器模

11、块 包括液晶显示器本体、驱动器、控制器、接口电路第四节第四节 示波器电源示波器电源 示波器必须为内部各种元、器件及电路提供不同电压的电源，包括 一、示波管灯丝电源一、示波管灯丝电源 示波管灯丝电压由工频电源经变压器降压后提供，虽然灯丝电压本身只有几伏或十几伏，属于低压。但是因为灯丝与阴极极为靠近，为减小两者电位差，通常也置以高电位，如图加-1kV电位。 二、直流低压电源二、直流低压电源 示波器内部所需的低压电源，可用工频经降压、整流、滤波获得。也可以利用直流-交流-直流转换器，后一种方法因工作频率较高，所需的变压器体积小，并可用较小的滤波电容，使得性能与价格都比工频优越。 有工频变压器的直流-

12、交流-直流转换器 无工频变压器直流-交流-直流转换器工频变压器 三、直流高压电源三、直流高压电源 示波管需要1000V以上的直流高压电源，通常使用直流-高频交流-直流变换器，这种变换器因工作频率高，可以用体积较小高压变压器和电容量较小的高压滤波电容，以节省费用和空间。振荡管稳压电路降压整流返回本章首页第五节第五节 示波器的示波器的Y通道通道 一、一、Y 通道的技术性能通道的技术性能 由于被测信号要从示波器的Y通道输入，因此它的性能直接影响示波器的测量准确度，所以要求Y通道 1.1.频率宽度：频率宽度：必须满足测量对象的需要，例如测量视频信号至少要有6MHz带宽。 2.输入阻抗：输入阻抗：例如5

13、MHz带宽的示波器，其输入电阻至少必须大于1M，输入电容小于40F 。 3.灵敏度：灵敏度：一般示波器Y灵敏度约为毫伏级，特殊的场合要求Y通道灵敏度能达到微伏级。 4.非线性失真非线性失真：一般要求小于3% 10%。 5.抗干扰与抗漂移能力：抗干扰与抗漂移能力： Y通道应具备抗干扰与抗漂移能力。 二、二、Y 通道的结构通道的结构 Y 通道包括探头、衰减、放大、电子开关与延迟线。 1.探头：探头：提高输入阻抗，补偿输入引线对频率特性的影响。 2.衰减器：衰减器：调节Y 通道的灵敏度。 3.前置放大与输出级：前置放大与输出级：增加Y 通道放大倍数，提高灵敏度。 4.电子开关：电子开关：双踪显示时，

14、用于选择A 通道或B 通道。 5.延迟线：延迟线：延迟Y 通道信号到达偏转板的时间，防止Y 通道信号比扫描信号到达偏转板的时间早，使被测信号开始部分无法显示。三、三、Y 通道的调节通道的调节 1衰减器调节衰减器调节: 通常利用RC分压衰减器，改变RC值，达到改变Y 通道的输出幅度的目的，调节时应注意正确补偿。调节微调电容C1 1，使满足R1C1=R2C2=R2(C2+C0)调节电容C1，若 R1C1R2(C2+C0) ，为过补偿 R1C1R2(C2+C0) ，为欠补偿 R1C1R2(C2+C0) ，为正确补偿三、三、Y 通道的调节通道的调节 2.信号幅度微调信号幅度微调: 衰减器调节通常作为输

15、出幅度的粗调，还要通过调节放大器的放大倍数对输出幅度进行微调。两者结合以后可使荧光屏所显示的波形大小适中，以便于观察。例如输入信号幅度为1mV，若示波管 的Y 轴偏转灵敏度为20V/cm，要使显示波形的幅度达到5cm，就要求Y 通道输出幅度达 100V，这就要求粗调与微调能使Y 通道的放大倍数在0至100000之间进行调节。 四、双踪显示四、双踪显示 如示波器有两个Y 通道，可以通过电子开关，打开其中一个通道，显示该通道的波形，也可以同时打开两个通道，实现双踪显示，双踪显示有交替和断续两种方式，如果交换周期等于扫描周期，则每次扫描都可以有一个完整的扫描波形，称为交替。如果交换周期小于扫描周期，

16、显示波形会呈现为断续状，称为断续。返回本章首页第六节第六节 示波器的示波器的X X通道通道 一、一、X 通道的技术性能通道的技术性能 1.扫描电压幅度：扫描电压幅度：为便于观察，一般示波管要求扫描线长度有10cm，液晶显示器要求占满显示板。 因此要求X通道的输出电压达到300V以上。 2.扫描电压线性：扫描电压线性：一般示波器要求X通道的非线性失真小于3%-10%。 3 .扫描速度调节范围扫描速度调节范围: 扫描速度要与被测信号的频率相适应，至少能观察到一个完整的波形，若 Y 通道最高频率为0 100MHz，扫描速度调节范围要求为1s 0.01s，调节扫速实际上就是调节扫描波的正程时间。vx=

17、Uxp Sxtf 二、二、X 通道的结构通道的结构 X通道结构有连续扫描和触发扫描两种方式，现在示波器都采用由密勒电路组成的触发扫描结构。 这种结构由触发放大与整形、闸门与密勒积分、释抑电路以及X 放大等几部分组成。其中X 放大与一般放大器没有什么区别，频宽约为Y 通道频宽的十分之一，其输出要保证扫描线的宽度占满全屏。 （一）触发信号放大与整形（一）触发信号放大与整形 触发信号可以是被测信号本身(内)，也可从外部引入(外)。触发信号经放大后还需整形，整形利用施密特电路在它翻转时输出的方波脉冲作为触发输出，调节参考电平可改变触发输出方波前沿与后沿的位置。（二）时基闸门（二）时基闸门 它是控制锯齿

18、波起点的一种电路。具有两种状态：闸门开启状态开启状态和关闭状态关闭状态触发放大与整形后的输出方波又称为闸门触发脉冲，闸门触发脉冲的下降沿将打开时基闸门，相当于闸门开启，闸门开启时闸门输出将启动密勒电路开始扫描，所以闸门触发脉冲的下降沿也代表扫描正程的开始位置。方波的上升沿对应锯齿波正程的终点，关闭闸门。 （三）密勒电路（三）密勒电路 密勒电路实际是一个他激锯齿波发生器，由高增益放大器A和反馈电容（也称密勒电容）C 组成。反馈电容可等效为在输入端接上一个大电容C（A+1）。以便充电时利用其充电曲线的直线部分。经施密特电路整形后闸门触发脉冲，启动时基闸门，时基闸门的输出方波加在密勒电路输入端，密勒

19、电容开始充电，相当于扫描正程的开始，直至闸门输出的方波翻转，密勒电容开始放电，对应于正程结束与逆程开始。 （四）释抑电路（四）释抑电路 释抑电路用来控制扫描波的终点与起点。扫描电压升到一定高度后，通过释抑电路，使时基闸门翻转，关闭闸门，结束正程转为逆程。 考虑到逆程开始之后，闸门随时都可能被触发信号重新打开，造成扫描波未回到起点，又开始新的正程。为此，扫描发生器通过释抑电容将逆程电压下降速度变慢，用它抑制闸门不使过早打开。保证扫描波形回到起点之后，才会产生新的一轮扫描。返回本章首页 （五）（五）X X 放大器放大器 主要用于放大扫描发生器输出的锯齿波，由于锯齿周期大约为被测信号周期的10倍左右

20、，所以 X 放大器的频带宽度大约为 Y 放大器的1/10，且频率下限不一定要扩展到直流，可以采用交流放大器电路。 X 放大器的增益大约为几百倍。第八节第八节 示波器的应用示波器的应用一、电子示波器的使用 1开机前的准备工作及注意事项检查电源电压是否在220V10的范围之内。使用环境温度应为040。输入端不应馈入过高电压。显示光点的辉度不宜过亮，以免损坏屏幕。各控制器件转换时，不要用力过猛。一、电子示波器的使用一、电子示波器的使用 2接通电源后的操作步骤 把各控制件置于表表中所列的位置后，接通电源，寻找光点。如果看到光点，可调整辉度，使光点或时基线的亮度适当；如果找不到光点，可按下“寻迹”按键，

21、借以找出光点的所在位置。 调节Y轴和X轴的移位，把光点（或时基线）移至屏幕的中心位置，然后用“聚焦”及“辅助聚焦”旋钮调节使波形最清晰。 二、用于测量波形的电压与周期二、用于测量波形的电压与周期对波形进行定量测量可用两种方法：1）比较法：）比较法： 就是用一已知的标准电压波形与被测电压波形进行比较求得被测电压值。 将被测电压Vx输入示波器的Y轴通道，调节Y轴灵敏度选择开关“V/div”及其微调旋钮，使荧光屏显示出便于测量的高度Hx并做好记录，且“V/div”开关及微调旋钮位置保持不变。去掉被测电压，把一个已知的可调标准电压s输入轴，调节标准电压的输出幅度，使它显示与被测电压相同的幅度。此时，标

22、准电压的输出幅度等于被测电压的幅度。比较法测量电压可避免垂直系统引起和误差，因而提高了测量精度。 2）直读法）直读法 就是直接从屏幕上量出被测电压波形的尺寸，然后换算成电压值或周期值。 波形电压=在Y 轴所占格数 Y 轴偏转因数 波形周期=在X 轴所占格数 单位格数扫描时间三、用于测量李沙育图形三、用于测量李沙育图形X轴加电压 u1 = U1m sin1tY轴加电压 u2 = U2m sin(1t+ )sincos(22xAxABy当两电压的频率相同时，所形成的轨迹方程为 利用本式可以测量两电压的相位差，若频率不同图形与图形方程都比较复杂。但可以根据与Y、X 轴的交点数推算两频率的比值。 1.

23、频率比值为频率比值为1:2时形成的李沙育图形时形成的李沙育图形 求频率比可以在李沙育图形上引进一条水平线和一条垂直线，注意不要通过交点，也不要相切，力求交点最多。则 Y 向交点数 / X 向交点数 = X通道信号频率 / Y 通道信号频率 2.频率相同相位不同形成的李沙育图形频率相同相位不同形成的李沙育图形 三、调辉法测量周期三、调辉法测量周期 调辉法必须使用示波器的 Z 轴通道，将标准时间间隔脉冲加在 Z 轴，就会在被测波形上嵌入加亮的时间标志，从而测出被测波形的周期。加亮的时间标志 四、用方波测量网络的频率特性四、用方波测量网络的频率特性 将方波信号输入被测网络输入端，用示波器观察网络输出

24、端的波形。可以评估网络的频率特性。返回本章首页第九节第九节 数字示波器数字示波器 一、实时显示数字读出示波器一、实时显示数字读出示波器 这种示波器是在模拟示波器的基础上，增加电压间隔或时间间隔的数字显示功能。除实时显示波形外，可以移动叠放在波形上的光标，指定始点和终点，用数字方式在荧光屏上显示出指定间隔内的电压或时间值。 1.实时显示数字读出示波器结构实时显示数字读出示波器结构 X、Y 通道与一般模拟示波器相同，增设（图中有色方框）数据采集，光标间隔的读出，字符形成、字符位置控制与显示等电路。整个数据的采集、读出由内嵌微处理器控制。 2.数据读出原理数据读出原理 调节光标移动电位器RP的两个动

25、点，一方面改变荧光屏上的始点光标和终点光标的位置，另一方面将始点电位与终点电位送入比较器跟实时采集到的电压相比较，当实时电压与始点电位相等时打开控制门，与终点电位相等时关闭控制门，计数器显示的就是始点与终点的间隔，读出电路有两套，一套用于读出 X 通道的时间间隔，另一套读出 Y 通道的电压间隔。 二、数字存储示波器二、数字存储示波器 1.数字存储示波器结构数字存储示波器结构 这种示波器先将采集到的信号转换为数字并存于存储器，显示时再从存储器中取出，转换为模拟信号。 2.数字存储示波器特点数字存储示波器特点 1)数字存储示波器是先存储、后显示。所以所显示的波形不是实时的，而是过去捕捉的。 2)对捕捉的波形信号进行存储，就可以在任意时刻取出显示，所以这种示波器具备记忆功能，也可以在测量过程中对波形进性“定格”或 “冻结”。 3)对捕捉的波形信号进行存储时，要求存储与A/D转换的速度要跟的上信号的变化速度，否则可能出现丢失和遗漏。 三、实时显示与数字存储