第4章-波形测试与仪器课件

1、第4章波形测试与仪器 4.1 概述 4.2 波形测试的基本原理 4.3 通用示波器的基本组成及技术指标4.4 通用示波器Y通道（垂直系统）4.5 通用示波器X通道（水平系统） 4.6 示波器的多波形显示4.7 示波器的选择使用4.8 示波器的应用 4.9 取样示波器4.10 数字存储示波器1第4章 波形测试与仪器学习参考：示波器主要用来观测信号波形、测量电压、频率、时间等参数，是电子测量三大仪器之一。本章主要介绍波形测试原理及示波器的组成原理与应用。要求通过学习了解示波器的组成、理解它的工作原理、掌握它的应用。本章要点：示波管组成及波形显示原理，示波器扫描过程、组成、技术指标及应用。24.1

2、概述电子示波器简称为示波器，它借助阴极射线示波管（CRT，Cathode Ray Tube）电子射线的偏转将电信号变换成可见图像，实现波形的显示，实现电压、周期、频率、时间、相位、调制系数等参数的测量。示波器也是构成特性曲线测试仪器等的重要组成部分，例如晶体管特性图示仪、扫频仪等。示波器按其性能、结构分为：（1）通用示波器通用示波器采用单束示波管，它分为单踪、双踪、多踪示波器。单踪示波器在荧光屏上只能显示一个信号的波形，双踪示波器在荧光屏上可显示两个信号的波形，多踪示波器在荧光屏上可同时显示两个以上信号的波形。3（2）多束示波器多束示波器又称为多线示波器，它采用多束示波管，荧光屏上显示的每个波

3、形都由单独的电子束扫描产生，能同时观测、比较两个以上的波形。（3）取样示波器取样示波器将高频、超高频信号经取样变换为较低频率信号后再显示，适用于测量高频、超高频信号。（4）存储示波器存储示波器具有存储被测信号的功能，适用于异地观测、异地分析测量。（5）专用示波器专用示波器能够满足特殊的用途，如监测调试电视系统的4电视示波器，用于调试彩色电视中有关色度信号幅度和相位的矢量示波器和用于观测调试计算机和数字系统的逻辑示波器等。 本章着重讨论通用示波器的工作原理及其应用。 4.2.1 阴极射线示波管 阴极射线示波管是示波器重要组成部分，用来将电信号变换为光信号而加以显示。CRT主要由电子枪、偏转系统和

4、荧光屏三大部分组成，它们都封装在密闭呈真空的玻璃壳内，其结构如图4.1所示。4.2 波形测试的基本原理5电子枪控制栅极G阴极K灯丝F偏转系统第一阳极A1第二阳极A2Y1Y2X1X2后加速阳极A3荧光屏偏转板辅助聚焦聚焦辉度+RP1RP2RP3图4.1 阴极射线示波管结构示意图 1. 电子枪 电子枪用来发射电子并形成很细的高速电子束。它主要由灯丝F、阴极K、控制栅极G、第一阳极A1、第二阳极A2和后加速阳极A3组成。6阴极是一个表面涂有氧化物的金属圆筒，在灯丝的加热下，阴极散射出大量游离电子。控制栅极是顶端有孔的圆筒，套装在阴极外面，其电位比阴极电位低，用于控制射向荧光屏的电子数量，改变电子束打

5、在荧光屏上亮点的亮度。调节电位器RP1可以调节亮度，称之为“辉度（INTENSITY）”调节旋钮。与控制栅极极性相反的电压加到阴极上时，也可起到与控制栅极相同的作用。第一、二阳极是中间开孔、内有许多栅格的金属圆筒，它们与控制栅极配合完成对电子束的加速和聚焦，聚焦就是使电子束在荧光屏上的亮点直径变小，调节电位器RP2、RP3可使荧光屏亮点鲜明，得到最佳的聚焦效果，RP2、RP37分别称为“聚焦（FOCUS）”调节和“辅助聚焦（AUX FOCUS）”调节旋钮。 后加速阳极用来加速电子束，提高示波管的偏转灵敏度。 2. 偏转系统 偏转系统的作用是：扫描电压、被测信号加到X、Y偏转板上时，各自在X、Y

6、偏转板间形成偏转电场，分别使电子束产生在X、Y方向上的位移，由此确定出亮点在荧光屏上的位置。偏转系统位于第二阳极之后，由两对相互垂直的X（水平）、Y（垂直）偏转板组成，分别控制电子束水平方向、垂直方向的偏转，偏转的距离分别与加在偏转板上的电压大小成正比，该特性称为阴极射线示波管的线性偏转特性。8为了显示出被测信号的波形，扫描电压和被测信号电压分别加在示波管X、Y偏转板上。扫描电压是与时间成正比的锯齿波，因此，电子束在水平方向上的偏转距离与时间成正比，这是示波器测量时间、周期等参数的原理依据。改变扫描电压的大小，可以调整显示波形的宽度。锯齿波和被测信号都变换成极性相反的对称信号后加到偏转板上，如

7、图4.1所示。被测信号变换后加在Y偏转板上，使电子束产生与信号电压成正比的偏移，这是示波器测量电压等参数的原理依据。改变Y偏转板上的信号电压大小，可以调整显示波形的幅度。 当在Y1、Y2偏转板上再叠加上对称的正、负直流电压时，显示波形会整体向上移位，反之，向下移位，调节该直流电压的旋钮称为“垂直移位(VERTICAL)”旋钮。当在X1、X2偏转板上再叠加上对称的正、负直流电压时，显示波形会整体向左移9位，反之，向右移位，调节该直流电压的旋钮称为“水平移位（HORIZONTAL）”旋钮。 3. 荧光屏 荧光屏内壁涂有荧光物质（磷光质），外壁则是玻璃管壳。当荧光物质受到电子枪发射的高速电子束轰击时

8、能发出荧光，并维持一定的时间，该现象称为荧光物质的余辉现象。按照余辉现象维持时间（即余辉时间）的长短，荧光物质分为短余辉（小于1ms）、中余辉（1ms2ms）和长余辉（大于2s，甚至可达几分钟或更长）等几种。被测信号频率越低，越宜选用余辉长的荧光物质，反之，宜选用余辉短的荧光物质。荧光物质发出的颜色有黄色、绿色、蓝色等几种，普通示波管常选用黄色或绿色的荧光物质。10为了进行定量测试，一般在荧光屏内壁预先沉积一个透明刻度，称为内刻度；或在屏外安置标有刻度的透明塑料板，称为外刻度。刻度区域通常为一矩形，称为测量窗或显示窗，其尺寸是示波器可视尺寸，一般为10div8div（宽高）。4.2.2 波形显

9、示原理1. 波形显示当示波管未加偏转电压时，电子束打在荧光屏中心位置上而产生亮点。当在示波管X、Y偏转板上都只加直流电压时，也可以在荧光屏上得到一个位置产生变化的亮点。每个亮点所在的位置都可以设为起始点。被测信号的波形可以看作是由很多亮点构成的，由示波管的线性偏转特性可知，每个亮点在X、Y方向上的坐标（即相对11于起始点的距离）分别与被测信号波形中该点的时间及瞬时电压成正比。当被测电压、扫描电压分别加至垂直、水平偏转板上时，电子束受到垂直、水平偏转板的共同作用，使电子束每一时刻产生的亮点的垂直位移与被测电压的瞬时电压成正比，而在时间上则一一对应，这样就在荧光屏上得到一个留存时间很短的亮点轨迹，

10、即波形。只要被测信号是周期性信号，每次得到的波形又能完全重复，并且每次重复的间隔时间又很短，就可以得到稳定的被测信号波形，重复间隔时间应少于人眼视觉暂留时间，否则，波形会闪烁，不便于观测。 2. 扫描及同步 图4.2为扫描电压实际波形。12 Ts为扫描正程时间，在此期间电子束产生自左至右的移动，称为“扫描正程”；Tb为扫描逆程时间，在此期间电子束产生自右至左的移动，称为“扫描逆程”或“扫描回程”，以保证下次扫描从起始点开始向右扫描；Tw为扫描休止时间，以保证下次扫描在荧光屏上的起始点能够与本次扫描的起始点重合，为便于分析通常不予考虑。当扫描逆程时间和扫描休止时间均为零时，扫描电压为理想扫描电压

11、。 扫描正程时显示被测信号的波形，要求在此期间增强波TbTSTwTx=TS+Tb+Twtux(t)0图4.2 扫描电压实际波形13形的亮度，即增辉，可以在控制栅极上叠加正极性脉冲或在阴极上叠加负极性脉冲来实现增辉。在扫描逆程时，电子束在向左移动的过程中会出现亮线，该亮线称为回扫线。假如在Y偏转板上加正弦电压，在扫描休止时，电子束会在起始点位置出现一条垂直的亮线，该亮线称为休止线。应对回扫线和休止线进行消隐，否则，将影响波形的观测，如图4.3所示，可以在控制栅极上叠加负极性脉冲或在阴极上叠加正极性脉冲来实现消隐。 正程波形（与被测信号波形相同）回扫线休止线图4.3 不消隐时显示的波形14如果要得

12、到稳定的周期性被测信号波形必须满足同步条件：Tx=Ts+Tb+Tw=nTy（n为正整数） （4-1）式中，Tx为扫描信号周期；Ty为被测信号周期。由此可见，被测信号和扫描电压对电子束的作用时间总是相等的。所以，扫描电压正程、逆程时间等于被测信号的几个周期，就相应地扫描得出被测信号几个周期的波形，其中扫描逆程得到的波形（即回扫线）是紧随扫描正程波形之后的被测信号波形的回折，即以扫描正程结束点所在纵轴为轴线将正程之后的波形向起始方向对折，并且使扫描逆程的结束点与扫描起始点重合，如图4.4所示。图4.4中，扫描电压周期为被测信号周期的三倍，满足式（4-1）的关系，可以得到稳定的波形，这种现象称为同步

13、。否则，15会产生左移或右移的不稳定波形或亮带。 示波管除供电部分外，再加上扫描电压产生部分（即X通道）和输入电压变换部分（即Y通道）则构成示波器。示波器一般采用电平触发的方法获取被测信号的周期信息，从而实现扫描电压与被测信号的同步，这个过程称为触发同步，在这Tx=Ts+Tb=3TyTs=2TyTb=Tyttux(t)uy(t)00正程终点（逆程起点）正程起点（逆程终点）正程波形回扫线对折方向对折 轴线图4.4 显示波形的取得16种状态下的扫描称为触发扫描，是示波器优先采用的扫描方式。有时，扫描电压是在自激状态下产生的，这种扫描方式称为连续扫描。有时扫描电压是在手动控制下产生的，称之为单次扫描

14、，单次扫描适于观测非周期性信号。有时在自动电路控制下，连续扫描和触发扫描可以实现自动变换，这种扫描方式称为自动扫描，是操作示波器时通常选用的扫描方式。 上述扫描电压均为锯齿波电压，如果只在水平偏转板上加扫描电压，在荧光屏上会产生一条可反映时间长短的水平亮线，称之为时间基线，简称为时基线，这种扫描方式称为直线扫描。如果偏转板上加的不是锯齿波，会出现圆形或螺旋形波形，称之为圆扫描或螺旋扫描。如无特别说明，本书不涉及圆扫描和螺旋扫描。174.3 通用示波器的基本组成及技术指标4.3.1 基本组成由上述分析得知，通用示波器主要由X通道（HORIZONTAL）、Y通道（VERTICAL）、主机三大部分组

15、成。单踪示波器的基本组成如图4.5所示。（1）X通道（水平系统） X通道由触发电路、扫描电路和X放大器组成。它的主要作用是：在触发信号的作用下，输出大小合适、极性相反的对称扫描电压，以驱动电子束水平偏转。（2）Y通道（垂直系统）Y通道由衰减器、前置放大器、延迟级、输出放大器等组成。它的主要作用是：对单端输入的被测信号进行变换、处理18探极Y衰减器Y前置放大器延迟级Y输出放大器Y偏转板触发电路扫描电路X放大器标准信号发生器电源增辉电路控制栅极(或阴极)主机Y通道X偏转板“X”输入外同步触发输入标准信号输出“X-Y”X通道“扫描”S2S1内外电源示波管被测信号输入图4.5 通用示波器基本组成19成

16、为大小合适极性相反的对称信号加到Y偏转板上，使电子束产生垂直偏转。 （3）主机部分 主机部分主要包括标准信号源、增辉电路、电源、示波管等部分。增辉电路的作用是在扫描正程时使波形增辉，扫描逆程或扫描休止期时使回扫线和休止线消隐；或在外加高频信号的作用下，对显示波形进行亮度调制，即使波形亮暗变化情况受外加信号的控制，波形由实线变为虚线，由此可测量信号周期或频率。 标准信号源用于提供幅度、周期等都很准确的方波信号，例如1kHz、10mVP-P的方波，以便对示波器有关技术指标进行校准调整。 20由于增辉信号是加在示波管的控制栅极或阴极上，而控制栅极或阴极均与偏转板垂直，符合三维坐标关系，故增辉电路等又

17、称为Z轴系统，有时也将主机部分称为Z轴系统。有关主机部分的内容不再进行详细介绍。4.3.2 主要技术指标1. 频带宽度BW和上升时间tr如不加说明,示波器频带宽度BW均为Y通道的频带宽度，它是Y通道输入信号上、下限频率fH、fL之差，即BW=fHfL。现代示波器的fL一般延伸至0Hz，因此频带宽度可用上限频率fH来表示。上升时间tr用于表示在输入脉冲等瞬变信号时示波器Y通道的过渡特性（瞬态响应特性），即在Y通道输入端加一个理想21的脉冲信号，显示波形从稳定幅度的10%上升到90%所需的时间，它反映出示波器Y通道能否跟得上输入信号变化的性能，上升时间越短，性能越好，可测信号的频率越高。 频带宽度

18、BW与上升时间tr之间存在的关系如下：BWtr0.35式中，BW（或fH）、tr的单位分别为MHz、s。 为了在测量时不产生明显的测量误差，通常要求trtry/3（try为被测信号上升时间），否则，应按下式修正（4-2）式中，tr1为被测脉冲实际上升时间；tr2为根据波形直接测出的被测脉冲上升时间；tr为示波器上升时间。22 2. 扫描速度扫描速度是单位时间内亮点水平移动距离，单位为“cm/s”或“div/s”（1div读作1格，1格一般等于1cm）。扫描速度越快，显示的波形越宽，反之，越窄。扫描速度的倒数称为“时基因数”，单位为“t/cm”或“t/div”，t可取s、ms或s。示波器常用时基

19、因数进行水平方向标度，时基因数一般按“1、2、5”的顺序分成很多挡。另外，示波器还设有时基因数“微调”旋钮或“扩展”旋钮，两旋钮分别是用来连续调节和成倍扩展波形宽度的，它们放在“校准”、“1”位置时，时基因数的实际大小等于“时基因数”旋钮所指示的数值。3. 偏转因数偏转因数是指在输入信号作用下，亮点在荧光屏上移动1cm23或1div所需的电压值，单位为“mV/cm”或“mV/div”或“V/cm”、“V/div”，数值越小，波形幅度越大。偏转因数是通过变换Y通道衰减器的衰减比，从而改变加到Y偏转板上的信号电压大小来实现的。偏转因数的倒数称为“偏转灵敏度”，单位为“cm/V”或“div/V”。

20、示波器常用偏转因数进行垂直方向标度，按“1、2、5”的顺序分成很多挡。另外，示波器还设有偏转因数“微调”旋钮，“微调”旋钮通过改变Y输出放大器的电压增益来连续调节波形的显示幅度。当“微调”旋钮置于“校准”位置时，偏转因数的实际大小等于“偏转因数”旋钮所指示的数值。 4.输入阻抗Zi 示波器输入阻抗Zi，即被测电路的等效负载，可等效为输入24电阻Ri和输入电容Ci的并联。通常规定Ri=（15%）M，要求Ci随频带宽度的增加而减小，Ci一般在35pF左右。测量高频信号时应考虑输入电容的影响。 5. 输入方式 输入方式即输入耦合方式，一般有直流（DC）、交流（AC）和接地（GND）三种耦合方式。 接

21、地耦合将示波器Y通道输入端短路，一般在测量直流电压时，为确定零电平位置而选用。 交流耦合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。 直流耦合即直接耦合，将输入信号所有成分都加到示波器上。25变换交流耦合和直流耦合，可以测出交流信号中直流成分的大小。6. 触发源选择方式触发源是指用于提供产生扫描电压的同步信号来源，一般有内触发(INT，双踪示波器又有CH1、CH2之分)、外触发(EXT)和线触发（LINE）三种方式。内触发是指由被测信号来产生同步触发信号。外触发是指由外部电路提供的信号来产生同步触发信号。线触发又称为电源触发，是指利用示波器内部工频电源来产生同

22、步触发信号。264.4 通用示波器Y通道（垂直系统）示波器Y通道主要由输入电路、前置放大器、延迟级和输出放大器等组成，如图4.5所示。它的主要作用是把被测信号变换成为大小合适的双极性对称信号后加到Y偏转板上，使显示的波形适于观测；向X通道提供内触发信号源；补偿X通道的时间延迟，以观测到诸如脉冲等信号的完整波形。4.4.1 输入电路如图4.6所示，输入电路主要包括探极、耦合方式变换开关、衰减器、阻抗变换及倒相放大器等部分。1. 探极被测信号与示波器的连接可以选用引线或附带的探极，通27常选用高频特性良好、抗干扰能力强的高输入阻抗探极。探极分为有源探极和无源探极两种，探极中通常设置有衰减器。有源探

23、极具有良好的高频特性，衰减比为1：1，适于测试高频小信号，但需要示波器提供专用电源，应用较少。应用较多的是无源探极，衰减比（输入/输出）有1：1、10：1和100：1三种，前两种的应用比较普遍，后一种通常用于高频测量。当探极衰减比为10：1或100：1时，被测电压值是示波器测得电压的10倍或100倍。 探极衰减器阻抗变换及倒相放大器偏转因数Y前置放大器DCACGNDS耦合方式被测信号uy(t)图4.6 Y通道输入电路28 无源探极的结构如图4.7所示。如果要正确地测量高频波和方波，需要调节探极补偿电容器C。补偿电容的位置有的在探针处（图4.7(a)），有的在探极末端（图4.7(b)）或在校准盒

24、内。调整补偿电容时，将示波器标准信号发生器产生的方波加到探极上，用螺刀左右旋转补偿电容C，直到调出图4.8(a)所示的方波（即正确补偿）为止。否则，会出现图4.8(b)、图4.8(c)所示的电容过补偿或欠补偿情况。(b)输入示波器探 极CiRi 1M (a)C9M高阻同轴电缆探针地线输入示波器探 极CiRi 1MC9M高阻同轴电缆探针地线图4.7 两种无源探极的结构29原则上，示波器的探极应专用。 正确使用探极，可以提高示波器的输入阻抗，增强示波器的抗干扰能力，扩展示波器的电压量程。接入探极后，一般可以使示波器输入电阻提高到10M、输入电容减小到十几pF。 2. 耦合方式选择开关 耦合方式选择

25、开关一般有DC、AC和GND三个挡位。在不断开被测信号的情况下，GND耦合为示波器提供测量直流电压的参考零电平。其它挡位的作用已在示波器技术指标中做过介绍。 (a)(b)(c)图4.8 探极补偿情况30 3.衰减器 衰减器一般为阻容步进衰减器，其电路原理如图4.9所示。改变衰减器衰减比，也就改变了示波器偏转因数，从而使显示波形的幅度得以调整。偏转因数旋钮每挡所对应的阻容衰减器是唯一的。 对于图4.9所示的阻容衰减器，只有当满足R1C1=R2C2时，衰减器才具有平坦的幅频特性，即示波器偏转因数与输入信号频率无关，其衰减比为R2/(R1+R2)。 4. 阻抗变换及倒相放大器 阻抗变换及倒相放大器的

26、作用是将来自衰减器的单端输入uiR1R2C1C2uo+图4.9 阻容步进衰减器原理图31信号变换为后级差分放大器所需的双端输出信号，以克服放大器零点漂移的影响；提高放大器输入阻抗；隔离前后级的影响；提供Y偏转板所需的对称信号。 与该电路有关的旋钮有直流“平衡” 及偏转因数“微调”等旋钮。“微调”可以连续调节显示波形的幅度；适当调节“平衡”可以避免因为偏转因数的改变而使波形产生位移，示波器面板上一般不予设置。 4.4.2 前置放大器 前置放大器的作用是对前级输出信号进行初步放大，补偿延迟级对信号的损耗；为X通道的触发电路提供大小合适的内触发信号，以得到稳定可靠的内触发脉冲。32与前置放大器有关的

27、开关旋钮有“倒相”开关、垂直“移位”旋钮。“倒相”开关通过改变加在前置放大器的双端输入信号的极性使显示波形倒置；“移位”旋钮通过调节同轴双联电位器反向对称地改变前置放大器双端输出信号中的直流成分而使波形垂直移位。 4.4.3 延迟级 为了显示稳定的脉冲波形，示波器通常采用内触发方式来产生扫描电压。只有当被测信号达到一定的触发电平时，才能产生触发脉冲并形成扫描电压，但被测信号从零电平开始上升到一定的触发电平需要经历一定的时间，这表明扫描电压要比被测信号出现的时间晚，从而使被测信号的前沿无法完整显示。为了完整显示被测信号波形，在Y通道中设置延迟级对被33测信号进行延迟,延迟时间一般为60200ns

28、，常取100ns左右。 图4.10为延迟级原理示意图，图4.10 (a)、图4.10 (b)、图4.10( c)、图4.10 (d)分别为被测信号uy(t)、触发脉冲p(t)、扫描电压ux(t)的波形和被测信号的显示波形，Ut为触发电平。由此可见，经过延迟级适当延迟后即可看到完整的被测信号波形。但观测正弦等缓慢变化的信号时，延迟级的作用却不显著，故简易示无延迟级显示的波形延迟时间有延迟级显示的波形t00ux(t)p(t)tuy(t)Ut0t图4.10 延迟级原理示意图(a)(b)(c)(d)34波器中一般不设置延迟级。 4.4.4 输出放大器 为了克服零点漂移等的影响，输出放大器一般采用差分放

29、大器。其作用是对来自前级的信号进行放大，使电子束在垂直方向上产生足够大的偏转，便于观测微弱信号。 与该电路有关的开关旋钮主要有“倍率”、偏转因数“微调”、“寻迹”等开关旋钮。如果“微调”旋钮已设置在阻抗变换及倒相放大器中，则不再出现在输出放大器中，反之，则不再出现在阻抗变换及倒相放大器中。前两个旋钮都是通过调节放大器增益来实现偏转因数调节的。“寻迹”则是将Y放大器输入端接地来实现垂直方向寻迹的。354.5 通用示波器X通道（水平系统）示波器X通道主要由触发电路、扫描电路及X放大器等三大部分组成，如图4.11所示。它的主要作用是产生扫描电压，使波形在水平方向上展开；给示波管提供增辉、消隐脉冲；提

30、供双踪示波器交替显示时的控制信号。4.5.1 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，以触发产生稳定的扫描电压。如图4.12所示，触发电路主要由触发源选择开关S1、耦合方式选择开关S2、触发电平与斜率选择器、放大整形电路等组成。图中S1为“触发源（TRIG SOURCE）”选择开关；S2为“触发耦合（TRIG COUPLING）”方式选择开关； S3为“触发极性36射极跟随器触发放大器触发形成器时基闸门积分器电压比较器外触发输入X放大器X偏转板“X”输入从电源来从Y通道来射极跟随器触发类型耦合方式触发电平去Z通道去Y通道+稳定度自动电路触发电路扫描电路内外电源S1S2扫速释抑电

31、路扩展移位寻迹“扫描”“X-Y”图4.11 X通道组成框图（SLOPE）”选择开关；电位器RP为“触发电平(LEVEL)”调节器。 37C1C2C3DCACAC(H)HFS2S1内外电源放大整形电路S3+触发电平触发电平及斜率选择器+图4.12 触发电路组成框图扫描电路RP（1）触发源用于产生触发脉冲的信号源，有内触发、外触发、电源触发三种。双踪示波器内触发源又分为CH1、CH2。（2）耦合方式触发信号的耦合方式是指选择触发源中某种成分来产生触发脉冲，有DC、AC、AC（H）和HF四种方式。38DC耦合，即直接耦合，常用于外触发或连续扫描方式；AC耦合是一种常用的方式，因C1的接入，适于低频到

32、高频信号的触发。AC(H)为低频抑制耦合，C1和C2串联，阻抗增大，有利于抑制工频干扰等的低频干扰。HF为高频耦合，耦合电容较小，适于5MHz以上信号的观测。（3）触发方式示波器直线扫描方式分为常态、连续、高频、单次等方式。常态扫描即触发扫描，是示波器优先采用的扫描方式。39只有在有触发信号时，扫描电路才产生扫描信号，无触发信号时，不产生扫描信号，示波器黑屏。该方式适于观测脉冲等的信号。连续扫描时，不管是否有触发信号，扫描电路始终在自激状态下产生扫描信号，较少使用。 自动扫描是连续扫描与常态触发扫描的结合，二者自动变换。当无触发信号（或无被测信号）时，扫描电路工作在连续扫描状态，荧光屏上出现一

33、条时基线；当有触发信号时，采用触发扫描。该方式适于观测低频信号。 高频触发时，触发电路变为自激多谐振荡器，产生高频自激信号（约2MHz）。该方式适于观测高频信号。 单次触发时，扫描电路只在触发信号激励下产生一次扫描以后，不再受触发信号作用。如果需要第二次扫描，必须人工40恢复扫描电路到等待状态。该方式适于观测单次瞬变或非周期性信号。另外，有的示波器带有“TV”触发，将分离出的电视行、场同步信号变换为“TV”触发脉冲，可以显示电视行信号和场信号。 （4）触发电平及斜率选择器 触发电平及斜率选择器用于选择合适稳定的触发点，以控制扫描起始时刻，为了使波形显示稳定，应选择同相位点作为每次扫描的起始点。

34、 触发电平可以由“触发电平”旋钮进行调节，它有正电平、负电平和零电平之分，触发点分别位于触发信号的上部、下部和中部。41触发斜率即触发极性，是指触发点位于触发信号的上升沿还是下降沿，位于上升沿的称为正极性触发，位于下降沿的称为负极性触发。 触发电平及触发极性可以直接从显示波形上进行判断。图4.13(a)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、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。(a)(b)(d)(c)(e)(f)图4.13 触发电平、触发极性与波形显示的关系42（5）触发放大及触发形成电路触发放大及触发形成电路的作用是对前级输出信号

35、进行放大整形，产生稳定可靠的触发脉冲。4.5.2 扫描电路扫描电路又称为时基电路，其作用是产生符合要求的扫描电压；为Z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。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，故又称为扫描环，如图4.11所示。触发扫描时的工作波形如图4.14所示，图中时基闸门输入低电平时，负极性触发脉冲有效，产生扫描正程。 43扫描正程扫描休止扫描逆程时基闸门上触发电平时基闸门输出稳定度确定的直流电平时基闸门下触发电平扫描电压参考电压Vr触发脉冲抑制释放图4.14 扫描电路工作波形图（触发扫描）时基闸门输入（1）时基

36、闸门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，闸门脉冲44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Y通道电子开关作为交替显示的控制信号。 图4.11中，当无信号或触发脉冲超过自动电路（暂稳态触发器）的暂稳维持时间时，自动电路由暂稳态变为稳态输出低电平，二极管导通，时基闸门电路输入信号电平降低，时基闸门电路工作在自激状态下，即连续扫描方式，其工作波形如图4.15所示；当有触发脉冲时，自动电路由稳态变为暂稳态输出高电平，二极管截止，自动电路断开与其它电路的连接，时基闸门电路输入信号电平抬升，时基

37、闸门电路工作在触发状态下，即触发扫描方式。 45 （2）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、线性好的特点，电路结构框图如图4.16所示。 时基闸门电路输出的闸门脉冲控制开关S的断开闭合。当S断开时，积分器开始积分，产生扫描正程电压，扫描正程电压为 改变RC的值，即改变了扫描电压正程斜率，也就改变了扫描速度。改变积分电阻、积分电容的旋钮称为“时基因数（s/div）”旋钮。 + + 运放ERCS时基闸门电路电压比较器X放大器图4.16 扫描电压发生器电路结构框图46当S闭合时，积分电容放电，产生扫描逆程电压。（3）电压比较器如图4.17所示，二极管与有关电路一起构成

38、电压比较器，当扫描电压高于参考电压Vr时，二极管导通，输出信号经释抑电路送至时基闸门电路，以结束闸门脉冲，从而闭合扫描电压发生器开关S，进入扫描逆程。调节参考电压Vr的大小可以改变二极管导通时间，从而调节扫描电压的幅度。（4）释抑电路释抑电路一般是RC电路，如图4.17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波形能够重合，这是得到稳定波形的重要条件之一。47当二极管导通时，扫描电压还对释抑电容Ch充电。当二极管截止时，释抑电容放电，释抑电容的放电速度很慢，这样可以使时基闸门电路输入信号的电平被长时间抬升，使得时基闸门脉冲为低电平，积分器控制开

39、关S长时间处于闭合状态，从而保证积分电容有足够的时间进行放电。只有在积分射随器RhCh射随器参考电压Vr积分器电压比较器释抑电路+稳定度时基闸门图4.17 电压比较器和释抑电路原理图48电容放完电的基础上，积分器才能在触发脉冲的作用下产生扫描正程电压，这样就保证了每次扫描水平方向起始点的位置都相同。释抑电容放完电之前，无论有无触发脉冲，始终不能产生下次扫描，扫描电路处于被抑制状态；释抑电容放完电到下次产生扫描信号之前，释抑电路失效，即扫描电路被释放，释抑电路名称由此而来。 “稳定度”电位器可以调节时基闸门电路输入信号的直流电平，改变触发灵敏度，从而影响扫描电路的工作稳定性，同时也可由该电位器改

40、变扫描方式，如连续扫描或触发扫描。稳定度旋钮一般调整至使时基闸门电路输入信号的直流电平位于时基闸门电路上下触发电平之间接近下触发电平处，调整好后，一般不再对其进行调整。49综合上述分析，图4.14的工作过程如下：当时基闸门接收到触发电路输出的负极性触发尖脉冲时，闸门脉冲由高电平变为低电平，控制积分器开关S断开，积分器开始输出正向电压。积分器输出电压除送至X放大器外，还要送给电压比较器。当积分器输出电压超过电压比较器参考电压Vr时，电压比较器导通，积分器输出电压经释抑电路反馈至时基闸门输入端，使时基闸门输入电平线性增大。当时基闸门输入电平增大到上触发电平时，闸门脉冲状态翻转，积分器开关S闭合，积

41、分器输出电压迅速减小，电压比较器断开，释抑电容开始慢慢放去在电压比较器导通时充上的电荷，并反馈至时基闸门输入端，使时基闸门输入电平开始减小，直至释抑电容放完电，从而保证积分电容放完电之前，时基闸门不被触发脉50冲触发，即第二次扫描必须是在前次扫描进行完毕的情况下才开始。 图4.15与图4.14的工作过程相似，不同之处在于，当无触发脉冲时，自动电路单稳态输出低电平，将时基闸门输入电平拉低而产生扫描。 由此可见，积分电容仅在扫描正程时，才接入到积分器中。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，如果不消隐，实际显示图形如图4.3所示。因为扫描逆程开始时扫速极快，且越靠后速度越慢，所以图

42、4.3中回扫线开始的一段很弱很直，甚至看不出。如果在示波器扫描一次后就通过手动“单次扫描（SGL）”开关切断释抑电容Ch的放电回路，则可以实现单次扫描，如果要进行下次扫描，只需通过开关接通51释抑电容放电回路即可。通过控制开关改变时基闸门输入信号直流电平可以实现连续扫描，如下拉至时基闸门下触发电平之下。 4.5.3 X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。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；当示波器工作在“X-Y”方式时，输入信号是外加的X信号。 “X-Y”方式时

43、，示波器X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Y信号是各自独立的，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524.6 示波器的多波形显示的图形，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，两个正弦波加到示波器得到的图形称为李沙育图形。 与X放大器有关的开关旋钮有：“水平移位”、“扫描扩展”、“寻迹”等开关旋钮。“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波形水平移位的。“扫描扩展”是通过成倍增大X放大器增益来实现波形扩展的。“寻迹”是通过将X放大器输入端接地来实现水平方向寻迹。 实际工作中常常需要同时观测两

44、个或两个以上的波形，即多波形显示，实现多波形显示的方法有两种：53一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，每个电子枪能同时发出一束电子束，每一电子束都有各自独立的Y偏转板，有的还有独立的多个扫描系统。多束示波器制造困难，成本高，性能有待提高，较少使用。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Y偏转板。多踪示波器是利用Y通道上增设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

45、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。544.6.1 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4.18(a)所示，其输入端接前置放大器，S1S8为模拟电子开关。电子开关有“信道1”、“信道2”、“叠加”、“交替”和“断续”五种工作状态。 CH1S1S2S4S3CH2S5S6S8S7+延 迟 级(a)(b)(c)图4.18 双踪波形显示原理示意图55（1）信道1（CH1）开关S1、S2、S7、S8断开，开关S3、S4、S5、S6闭合，CH1输入的信号送到输出端，而信道2（CH2）输入的信号不能到达输出端，只能显示CH1输入的信号。

46、（2）信道2开关S3、S4、S5、S6断开，开关S1、S2、S7、S8闭合，CH2输入的信号送到输出端，而CH1输入的信号不能到达输出端，只能显示CH2输入的信号。（3）叠加开关S1、S2、S5、S6断开，开关S3、S4、S7、S8闭合，CH1和CH2输入的两路信号均送到输出端，并在负载中互相叠加，显示叠加（ADD）后的波形。当CH2输入的信号未倒相时，实56现求和（CH1+CH2），当CH2输入的信号被倒相后，实现求差（CH1CH2）。 （4）交替 交替（ALT）状态时，开关S3、S4、S5、S6和S1、S2、S7、S8断开或闭合的状态受时基闸门脉冲的控制，并且每间隔一个扫描周期变换一次状态

47、，使得CH1和CH2输入的信号轮流接通、轮流显示，只要轮流显示的间隔时间较短，就可交替显示出两个信号的波形。设CH1、CH2的输入分别为梯形波、三角波信号，示波器显示的波形如图4.18(b)所示。 交替方式适于观测高频信号。这是因为被测信号频率较低时，所需扫描电压的周期长，即交替显示同一信号的间隔时间长，当间隔时间接近或超过人眼视觉暂留时间时，显示波形会产生闪烁，不便于观测。57（5）断续 断续（CHOP）状态时，在每一次扫描过程中，开关S3、S4、S5、S6和S1、S2、S7、S8的断开或闭合受电子开关内断续器（自激多谐振荡器）产生的高频振荡信号（如200kHz的方波）的控制，快速轮流接通两

48、个输入信号，从而显示出每个被测信号的某一段，以后各次扫描重复以上过程。这样显示出的波形是由许多线段组成的，只要开关变换频率很快、水平扫速又较慢，这些线段就很短，看起来显示的波形好象是连续的，如图4.18(c)所示。断续方式时，断续器还产生“断续”消隐信号，以对信号变换过程中产生的扫描线进行消隐。断续方式适于观测频率较低的信号，这是因为，被测信号频率较高时，所需扫描电压的周期短，亦即电子束水平移动速58度快，但显示每一线段的时间是相等（断续器频率不变）的，这样显示出的波形的断续感比较明显，不便于观测；另外，当被测信号频率很高时，要求断续器的振荡频率也很高，但断续器的频率一般是不可调的，因此，断续

49、方式不适于观测高频信号。 4.6.2 双踪示波器的基本组成 双踪示波器基本组成框图如图4.19所示，主要有两个Y输入通道、一个X通道和主机等部分组成。双踪示波器一般可以工作于扫描方式和X-Y方式，分别用于显示被测信号波形和作为X-Y图示仪使用。内触发信号源在延迟前引入到X通道，两个Y通道后半部分是共用的。当工作于X-Y方式时，X输入信号通常由外触发输入端加到示波器经射随器隔离后，再经变换开关接59入到X放大器的，或经CH1衰减器引到X放大器。 4.7.1 示波器的选用 虽然示波器种类繁多，但使用方法相似。示波器的选用方法如下： 1. 根据被测信号特性选择合适的示波器 定性观察频率不高的一般的周

50、期性信号，可选用普通示波器（BW=560MHz）或简易示波器（BW=100kHz500kHz）。 观察非周期性信号、宽度很小的脉冲信号，应选用具4.7 示波器的选择使用60有触发扫描或单次扫描的宽带示波器（BW60MHz）。 观察快速变化的非周期性信号，应选用高速示波器。 观察频率很高的周期性信号，应选用取样示波器。 观察低频缓慢变化的信号，可选用低频示波器或长余辉慢扫描示波器。 需要对两个信号进行比较时，应选用双踪示波器。 需要对两个以上信号比较时，则选用多踪示波器或多束示波器。 若要将波形存储起来，应选用存储示波器。61输入耦合方式选择1衰减器1阻抗变换及倒相放大器1前置放大器1门电路延迟

51、级Y输出放大器输入耦合方式选择2衰减器2阻抗变换及倒相放大器2前置放大器2Y偏转板CH1CH2射极跟随器触发电路扫描电路电子开关增辉消隐电路图4.19 双踪示波器基本组成框图X放大器X偏转板控制栅极外触发或“X”输入CH2外CH1S1扫描X-YS2622. 根据示波器性能选择合适的示波器（1）频带宽度和上升时间一般要求频带宽度BW3fmax(fmax为被测信号最高频率)；示波器上升时间trtr2/3，否则，按式（4-2）加以修正。（2）垂直偏转灵敏度 若要观测微弱信号，应选择较高偏转灵敏度的示波器，即V/div值较小，反之，应选择较大V/div值的示波器。（3）输入阻抗 尽量选用高输入阻抗的示

52、波器。（4）扫描速度 被测信号频率越高，所需示波器扫描速度越快，反之，扫描速度越慢。3. 使用注意事项63选择好示波器类型以后，使用过程中要注意以下事项：选择合适的电源，并注意机壳接地，用前预热。经探极衰减后的输入信号不能超过示波器输入电压的允许范围，并注意防止触电。根据需要，选择合适的输入耦合方式。辉度要适中，不宜过亮，亮点不能长时间停留在同一点上。尽量避免在阳光直射或明亮环境下使用示波器。聚焦要合适，不宜太散或过细。测量前要注意调节“轴线校正”，使荧光屏刻度轴线与显示波形的轴线平行。尽量在荧光屏有效尺寸内测量。64探极要专用，用前要校正。注意正确使用探极衰减器。连接示波器与被测电路时，如果

53、被测信号为几百kHz以下的连续信号，可用一般导线连接；若信号幅度较小，可以使用屏蔽线连接；测量脉冲信号或高频信号时，必须用高频同轴电缆连接。尽管如此，应尽量使用探极连接。波形不稳定时，通常按“触发源”、“触发耦合方式”、“触发方式”、“扫描速度”、“触发电平”的顺序进行调节。如果仍不稳定，可反复调节上述旋钮或试验调节“偏转因数”旋钮等。 直接测量电压（或时间量）时，偏转因数(V/div) “细调”或时基因数(t/div) “细调”旋钮务必置于“校准”位置，否则，将产生大的测量误差。11654.7.2 示波器的正确使用Y-TEKTRONIX2261型双踪示波器是20MHz带宽的精密便携式通用示波

54、器，它选用高清晰示波管，具有图形显示明亮、清晰、操作方便、构造新颖等特点。1. 主要技术性能（1）Y轴信道1）偏转灵敏度5mV/div5V/div，按1-2-5顺序分9挡，误差为5；扩展5时误差为10。2）频带宽度DC耦合为020MHz，AC耦合为10Hz20MHz。663）输入阻抗直接输入时：（12）M30pF5pF；经10：1探极输入时：（105）M16.2pF2pF。4）最大输入电压400VPK，即输入电压的峰值不能超过400V。5）工作方式CH1（信道1）、CH2（信道2）、ALT（交替）、CHOP（断续）、ADD（叠加）。6）Y通道延迟时间Y通道延迟时间在100ns以上。67（2）X

55、轴信道1）时基因数0.1sdiv0.2sdiv，按1-2-5顺序分20挡，误差为5；扩展5时，误差为8，最小时基因数为20ns/div。2）工作方式直线扫描方式：AUTO（自动）、NORM（触发）、SGL（单次），X-Y方式。3）触发方式CH1，CH2，LINE（电源），EXT（外）。4）耦合方式AC，DC，TV（电视场同步信号），NORM。685）外触发最大输入电压400VPK（DC+AC peak，直流与交流峰值之和）。（3）主机1）显示尺寸8Div10Div(1Div=1cm)2）后加速阳极电压2kV3）显示颜色绿色4）Z调制（亮度调制）频率范围：DC1MHz；最大输入电压：50VPK；

56、输入69电阻：10k。 5）X-Y方式频率范围 01MHz。 6）校准信号 方波，（0.52）Vp-p，（12）kHz。 2. 2261型双踪示波器面板结构 2261型双踪示波器前面板结构如图4-20所示，各开关旋钮的作用如下： （1）主机部分 1）INTENSITY（辉度） 控制显示波形的亮暗，测量前一般置于中间位置，见图4.20中。 702）FOCUS（聚焦）调节聚焦可使波形清晰可辨，测量前一般置于中间位置，见图4.20中。VOLTS/DIVVOLTS/DIVSEC/DIVVARIABLEPULL5ONOFFVARIABLE321456789101112131415161718192021

57、2223242526272829VERTICALHORIZONTAL图4.20 Y-TEKTRONIX 2261型示波器前面板图NORMINVERT713）TRACE ROTATION（轴线校正或光迹旋转）使扫描时基线同内刻度水平线平行，见图4.20中。一般情况下无需调整，除非发现波形有倾斜。4）POWER INDICATOR（电源指示）电源开关（POWER）按下时，电源接通，指示灯亮，见图4.20中。5）POWER（电源开关）电源总开关，按下时，接通电源，见图4.20中。6）PROBE ADJUST（探极调整信号或标准信号输出端）提供0.5VP-P、1kHz标准方波信号，用于调整探极补偿电容

58、、偏转因数或时基因数，见图4.20中。72（2）垂直通道（VERTICAL）1）VERTICAL POSITION（垂直移位）改变CH1、CH2端输入波形在荧光屏垂直方向上所处的位置。顺时针方向旋转时，波形向上移动，反之，向下移动，见图4.20中和。2）VERTICAL MODE（垂直工作方式）改变电子开关的工作状态，按下自左至右的按键可分别显示CH1、CH2、ALT（交替）、CHOP（断续）、ADD（叠加）波形。交替方式适于观测需要中、高速扫描的高频信号。断续方式适于观测需要低速扫描的低频信号，选用的时基因数不小于1ms/DIV，但不能使显示波形产生闪烁。测量前一般按下CH1键，见图4.20

59、中。733）INVERT（CH2倒相开关）按下INVERT按键时（见图4.20中），显示被倒相的CH2信号。按下INVERT键和ADD键实现CH1CH2的叠加；只按下ADD键实现CH1+CH2的叠加。测量前一般不按下该键。4）VOLTS/DIV（偏转因数）改变CH1、CH2的垂直偏转因数，调节显示波形幅度。测量前一般置于“1”处的“.1V”挡，见图4.20中 和 。5）VARIABLE（偏转因数细调）连续调节CH1、CH2输入偏转因数，用于连续调节显示波形的幅度。顺时针旋转到底为“校准（CAL，Calibrate）”位置。测量前或直接测量电压时，应置于“校准”位置，见图4.20111274中

60、和 。 6）AC-GND-DC（输入耦合方式：交流、接地、直接）分别选择CH1、CH2的输入耦合方式。选定输入信号中的某种成分进行显示。测量前一般选择“DC”，见图4.20中 和 。 7）CH1 OR X（CH1或者X）、CH2 OR Y（CH2或者Y） 被测信号输入端，见图4.20中 和 。当SEC/DIV处于“X-Y”（示波器工作于“X-Y”方式）时，CH1输入的信号加到X通道，CH2输入的信号加到Y通道。 （3）水平通道（HORIZONTAL） 1）HORIZONTAL POSITION（水平移位） 改变波形在荧光屏水平方向的位置。顺时针方向旋转13141516171875波形向右，反之