第3章 示波测量课件

第3章信号波形测量

3.1概述3.2CRT波形显示原理3.3模拟示波器3.4数字存储示波器3.5示波器的基本测试技术3.1概述3.1.1示波器的分类

1模拟示波器通用示波器（单踪/双踪/多踪）、多束示波器、取样示波器、记忆示波器、专用示波器2数字示波器数字化（时域取样和幅度量化），D/A转换后重建波形或数字化显示。具有记忆、存贮功能，又称为数字存贮示波器。实时取样、随机取样、顺序取样。3.1.2主要技术指标

1．带宽BW和上升时间tr

带宽BW指Y通道的频带宽度。上升时间tr与带宽BW密切相关，反映示波器跟随输入信号快速变化的能力。

2．扫描速度

扫速指显示器上单位时间光点水平移动距离，“cm/s”。通常用间隔1cm的坐标线作为刻度线，“cm/div”。

时基因数：扫速的倒数，表示单位距离代表的时间，“t/cm”或“t/div”，1-2-5步进分档。3．偏转因数在输入信号作用下，光点在显示器垂直方向移动1cm（即1格）所需的电压值，V/cm、mV/cm。偏转因数表示示波器Y通道的放大/衰减能力。垂直（偏转）灵敏度：偏转因数的倒数，V/div、mV/div。4．输入阻抗输入阻抗Zi形成被测信号的等效负载。高阻、低阻//电容。5．耦合方式

直流（DC）、交流（AC）和接地（GND）。6．触发源指用于提供产生扫描电压的同步信号的来源。内触发（INT）、外触发（EXT）、电源触发（LINE）等。

3.2CRT显示原理

3.2.1CRT

由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成。

后加速极A3FKG1G2A1A2Y偏转板X偏转板辉度聚焦辅助聚焦+E-E荧光屏电子枪偏转系统荧光屏1电子枪

作用：发射电子并形成很细的高速电子束。由灯丝F、阴极K、栅极G1和G2和阳极A1、A2组成。通过调节G1对K的负电位可控制电子束的强弱，从而调节光点的亮度，即进行“辉度”控制。调节A1的电位器称为“聚焦”旋钮，通过对它进行调节可调节G2与A1和A1与A2之间的电位；调节A2电位的旋钮称为“辅助聚焦”。电子束聚焦的原理是，电子从阴极K发射，经G1、G2、A1、A2聚焦和加速后进入偏转系统。

2偏转系统

两对相互垂直的平行金属板，垂直偏转板和水平偏转板。电压偏转偏转距离。偏转距离与偏转电压成正比。

偏转灵敏度（cm/V）：为提高偏转灵敏度，Y偏转板靠近电子枪，而X偏转板在Y的右边。偏转板至荧光屏之间加一个后加速阳极A3。3荧光屏

将电信号变为光信号辉度调节、余辉效应

L：偏转板长度；S：偏转板中心到屏幕中心距离；b：偏转板间距；Va：阳极A2上的电压。偏转灵敏度越大，示波管越灵敏。其倒数为偏转因数。3.2.2波形显示的基本原理

1．显示随时间变化的图形（1）Ux、Uy为固定电压

(a)Ux=0、Uy=0(b)Ux=0、Uy=常量xy（2）X、Y偏转板上分别加变化电压Uy0123401324Uy-UytUx0123401324Ux-Uxt（2）X、Y偏转板上分别加变化电压（续）Y偏转板加正弦波，X偏转板加锯齿波，荧光屏上将显示出被测信号随时间变化的一个周期的波形曲线。tUy0123401324Uy-Uyt0UxUx-Ux（2）X、Y偏转板上分别加变化电压（续）李沙育（Lissajous）图形显示，常用在相位和频率测量中两信号的初相相同，且在X、Y方向的偏转距离相同，在荧光屏上画出一条与水平轴呈45度角的直线。

t0123401234uytux01234ut0123401234yux01234024两信号的初相相差90度，且在X、Y方向的偏转距离相同，在荧光屏上画出的图形为圆。3.2.2波形显示的基本原理（续）3．扫描的概念

在X偏转板上加一个随时间线形变化的电压，光点在水平方向的偏移距离为：光点在锯齿波作用下扫动的过程称“扫描”，实现扫描的锯齿波电压称“扫描电压”，光点自左向右的扫动称为“扫描正程”，自右迅速返回左端起扫点的过程称为“扫描逆程”。扫描过程的增辉（逆程消隐）：为使回扫产生的波形不在荧光屏上显示，可以设法在扫描正程期间，给示波器增辉。t015234678012345678uytuxTyTx=2Ty不增辉产生回扫线4．同步的概念

n=2Tx=nTy，扫描电压与被测电压“同步”。荧光屏上将稳定显示n个周期的被测信号波形。

3.2.2波形显示的基本原理（续）ut015(6)234789012345678uytxTy54Tx=101110911TyTx≠nTy，不满足同步关系时，显示的波形不稳定。5．连续扫描和触发扫描

TsT=Tstt被测脉冲连续扫描t不能观测到脉冲细节3.2.2波形显示的基本原理（续）T=t波形显示暗，不容易同步Tstt被测脉冲连续扫描，T=tt占空比很小的脉冲触发扫描使扫描脉冲只在被测脉冲到来时才扫描一次；没有被测脉冲时，扫描发生器处于等待工作状态。3.3模拟示波器

3.3.1模拟示波器的组成

Y输入电路Y前置放大器触发电路延迟线Y后置放大器水平放大器扫描发生器Y输入外触发内外至X偏转板至Y偏转板校准信号发生器低压电源高压电源电源至各电路正高压负高压X输入校准信号输出1．输入电路：衰减器和输入耦合选择开关（1）衰减器

最佳补偿条件：过补偿：欠补偿：改变分压比的开关为示波器的垂直灵敏度粗调开关，在面板上用“V/cm”标记。

3.3.2垂直通道（2）输入耦合方式

观察交流信号时，置“AC”档。确定零电压时，置“GND”档。观测频率很低或带有直流分量的交流信号时，置“DC”档。2．Y前置放大器、Y输出放大器前置放大器将信号适当放大，取出内触发信号，并具有灵敏度微调、校正、Y轴移位、极性反转等控制作用。前置放大器采用差分放大电路，输出一对平衡交流电压。若在差分电路的输入端输入不同的直流电位，相应的Y偏转板上的直流电位和波形在Y方向的位置也会改变。通过调节“Y轴位移”旋钮，调节直流偏置。Y输出放大器将被测信号放大到足够的幅度，用以驱动示波管的垂直偏转系统，使电子束获得Y方向的满偏转。Y输出放大器应具有稳定的增益、较高的输入阻抗、足够宽的频带、较小的谐波失真。Y输出放大器大都采用推挽式放大器，有利于提高共模抑制比。可采用改变负反馈的方法改变放大器的增益（面板上的“×5”或“×10”开关）。

3．延迟线

触发扫描时，扫描的开始时间总是滞后于被观测脉冲一段时间，这样，脉冲的上升过程就无法被完整地显示出来。延迟线的作用：把加到垂直偏转板上的脉冲信号延迟一段时间，以保证在屏幕上扫描出包括上升时间在内的脉冲全过程。延迟线的输入级需采用低输出阻抗电路驱动，而输出级则采用低输入阻抗的缓冲器。触发点输入信号扫描电压显示波形输入信号延迟后td扫描起点tT3.3.3水平通道水平通道包括触发电路、扫描电路和水平放大器等部分，其主要任务是产生随时间线性变化的扫描电压，再放大到足够的幅度，然后输出到水平偏转板，使光点在荧光屏的水平方向达到满偏转。

输入端置于“内”时，放大扫描信号；输入端置于“外”时，输入外接信号。1．触发电路为扫描信号发生器提供符合要求的触发脉冲。放大、整形电路内外电源C1C2C3ACLFREJHFREJDC常态自动TV触发电平调节至扫描发生器环触发脉冲输出S1S2S4+-S3极性反转电路触发源选择触发耦合方式选择触发极性选择触发方式选择“DC”/“AC”：直流或缓变信号。“HFREJ”：观察低频成分的信号。“HFREJ”：观察高频成分的信号。NORM：有触发脉冲时才有扫描线。AUTO：连续扫描锯齿波电压输出。TV：电视行、场同步分离，观测电视信号。2．扫描发生器环(时基电路)扫描闸门扫描锯齿波发生器比较和释抑电路+E至X放大器+E“稳定度”调节比较电平触发脉冲输入“增辉”脉冲闸门电路：产生快速上升或下降的闸门信号启动扫描发生器工作产生锯齿波电压。控制扫描、增辉。释抑电路：在扫描逆程关闭或抑制扫描闸门。稳定扫描锯齿波的形成、防止干扰和误触发，确保每次扫描都在同样的起始电平上开始以获得稳定的图象。工作方式扫描门的输入信号：“稳定度”电位器提供的直流电位；释抑电路的释抑信号；触发电路的触发脉冲。连续、触发扫描方式。E1E0E2Er来自比较电路的参考电平（比较电平）扫描发生器输出Vo上触发电平下触发电平通过“稳定度”调节的静态工作电平E0触发脉冲12345抑制期回扫期开始下一次扫描跟随Vo6释放闸门输出叠加后的闸门输入触发扫描过程3.3.4其它电路

1．高、低压电源

—分别用于示波器的高、中压和直流供电。2．Z轴的增辉与调辉—增辉：将闸门信号放大，使显示的波形正程加亮。—调辉：加外调制信号或时标信号，使屏幕显示的波形发生相应地变化。3．校准信号发生器

—可产生幅度和频率准确的基准方波信号，为仪器本身提供校准信号源。

3.3.5示波器的多波形显示

1．多线示波

利用多枪电子管来实现。测试时各通道、各波形之间产生的交叉干扰可以减少或消除，可获得较高的测量准确度。2．多踪示波

分时复用的原理，电子开关，分别把多个垂直通道的信号轮流接到Y偏转板上，最终实现多个波形的同时显示。

多踪示波交替方式（ALT）：适合于观察高频信号。断续方式（CHOP）：适用于观察低频信号。uy1uy2ux3.3.6双时基扫描显示

有两个独立的触发和扫描电路，特别适用于在观察一个脉冲序列的同时，仔细观察其中一个或部分脉冲的细节。

1234输入信号A触发A扫描延迟触发电平B触发B扫描A增辉B增辉合成增辉A延迟B：同时观测脉冲列的全貌及其中某一部分的细节，设立电子开关，把两套扫描电路的输出交替地接入X放大器。B加亮A：

把A、B扫描门产生的增辉脉冲叠加起来，形成合成增辉信号，给A通道增辉，则A通道所显示的脉冲列中，对应B扫描期间的那个脉冲3被加亮。自动双扫描：包括上两种方式。

思考：用两台示波器构成双时基示波器，模拟“A延迟B”工作方式？3.4数字存储示波器（DSO）3.4.1概述波形存储的需求模拟存储示波器：记忆示波管读出示波器数字存储示波器：数字化（A/D变换）、存储、显示1.DSO的主要特点采样/存储与显示独立，无闪烁地观测极慢变化信号；长时间保存信号，观察单次出现的瞬变信号；数字化计算机控制、自动测试系统；波形存储拷贝输出、比较、后处理；自动参数测量，测量精度高，不受人为因素影响；能够获得触发前或触发后的信息；“采样存储显示”过程，实时能力不如模拟示波器。取样：从被测波形上取得样点的过程。实时取样：从一个信号波形中取得所有取样点。等效取样：从被测信号许多相邻波形上取得样点。 顺序取样、随机取样。

取样脉冲p(t)输入信号Vi(t)取样信号Vo(t)tt2．取样方式3．显示方式CRT显示ADC存储器（RAM）D/A转换器地址计数器D/A转换器控制逻辑水平放大垂直放大LCD显示

点阵显示

分类：黑白、伪彩、真彩 电路：行场扫描控制（专用控制芯片）、显示缓冲器从存储器中读出转换数据，D/A变换，放大加到Y偏转板。地址计数脉冲D/A转换，得到阶梯波扫描电压，驱动X偏转板。3.4.2取样示波器顺序取样，高速重复信号模拟式、数字式取样核心：取样保持器。产生正比于取样值的阶梯电压扫描信号：阶梯波电压。阶梯持续时间，阶梯数对应屏幕上显示的不连续的光点数。垂直放大器水平放大器Y斜波发生器触发电路取样门电压比较器Y延长门延迟线阶梯波发生器取样脉冲发生器输入通道取样保持器解决放大器等电路、示波管的速度限制输入信号mTtD2tD3tD4tD12345tt取样脉冲取样信号经放大和延长电路后的信号（显示波形）Ts=Tm+Dt触发脉冲快斜波、阶梯波3.4.3数字存储示波器

1．DSO的组成原理

CH1CH2信号调理信号调理触发触发A/D变换时基A/D变换时基高速缓存读写控制读写控制高速缓存CPU/存储器及外围电路LCD显示RAM键盘DSP信号调理：抗混叠滤波器时基：分频链，改变采样速率高速缓存：FIFO预触发：3个事件——预触发计数满、触发到来、FIFO满波形恢复：软件内插——线形插值、正弦插值 硬件内插——随机内插（重复信号） 显示控制：显示RAM、显示控制电路显示方式：正常显示、滚动显示（低速）、X-Y显示波形处理：移动平均、滤波、参数测量2．DSO的主要技术指标（1）最高取样速率（2）带宽：实时带宽、等效带宽（3）分辨率：垂直（电压）分辨率和水平（时间）分辨率。（4）存储深度、记录容量（5）显示刷新速度6．DSO的关键技术（1）高速A/D转换并行比较式ADC（FlashA/D）等效采样技术并行采样技术（2）存储器 分相存储技术（3）控制器单处理器系统、多处理器系统：单片机、DSP、嵌入式系统（4）显示DPO3.5示波器及时域测试技术

电压测量直流/交流电压的测量确定零电平探头调平衡垂直灵敏度调节耦合方式峰峰值读数,光标时间和频率测量周期、时间间隔测量时基调节读数,光标相位测量双踪示波测相位差X-Y测量频率或相位差x1x2xTDSO毛刺捕捉功能3.5.1电压、时间/频率、相位测量如图所示的李沙育图形，已知X信号频率为6MHz，问Y信号的频率是多少？

MHz

2x02xm2y02ym3.5.2脉冲参数的时域测量幅度预冲上(过)冲阻尼顶部不平坦度平顶倾斜下冲测量上升时间修正公式Af90%10%50%bcTtrtfτ理想脉冲实际脉冲Awe顶底d3.5.3调幅信号的时域测量1）直线扫描法2）梯形图法将调幅波、调制信号分别加至X和Y轴输入端，测a、b长度计算。3）椭圆法将被测调幅信号用RC移相后，加至X和Y输入端，测a、b长度计算。3.5.4系统的时域特性测量脉冲信号源：广谱信号源。以脉冲与阶跃信号为主的基带