模拟示波器显示波形的原理

第5章

时域测量电子测量与仪表第5章时域测量—信号以连续时间为自变量的函数—以f为自变量，P或能量为因变量的函数—以离散时间或事件出现的次序为自变量，把状态值为因变量的函数关系。例：脉冲发生器、函发、示波器、计数器例：频谱仪，布尔和冯·诺依曼奠定了数学基础例：逻辑分析仪，麦克斯韦和傅立叶奠定了数学基础频域数据域时域第5章时域测量在电子技术领域里，各种电信号多为时间的函数。对于非周期性的、变化复杂的信号无法用简单的几个参数去描述它们。最好的办法是使用示波器去观察测量和研究各种时域信号。示波器不仅能定性观察电信号的动态过程，还可以定量地测量表征电信号特性的所有电参数。示波器除了测量电量之外，通过各种传感器还可以测量非电量。第5章时域测量示波器复现电信号时变规律，是用途广泛的综合性仪器。1、示波器可代替一大堆仪表。理由是：基本电信号V、I、P等都表现为幅度的大小；基本电参数T、f、以及调制特性、失真情况等都是时变规律。2、示波器是唯一可选仪器（对某些参数）。如：阻尼振荡，脉冲的上冲、下冲、上升、下降，重合等。tVO第5章时域测量示波器复现电信号时变规律，是用途广泛的综合性仪器。1、示波器可代替一大堆仪表。理由是：基本电信号V、I、P等都表现为幅度的大小；基本电参数T、f、以及调制特性、失真情况等都是时变规律。2、示波器是唯一可选仪器（对某些参数）。如：阻尼振荡，脉冲的上冲、下冲、上升、下降，重合等。3、配合有关电路组成测试系统。如：晶体管特性图示仪，阻抗、频率、网络测试仪等。第5章时域测量5.1示波器的分类5.2模拟示波器★5.3多波形显示5.4取样示波器5.5数字存储示波器5.6示波器的应用★第5章时域测量重点：模拟示波器模拟示波器的基本构成模拟示波器显示波形的原理示波器的应用难点：模拟示波器显示波形的原理第5章时域测量示波器的应用：电信号的时域测量非电信号（如温度、压力等）的变化测量示波器的特点：速度快，工作频率宽，可测高速脉冲—电子束惯性小灵敏度高，可观察微弱信号变化—配有高增益放大器过载能力强—非指针指示输入阻抗高5.1示波器的分类数字示波器模拟示波器模拟示波器★多束示波器取样示波器记忆示波器专用示波器实时取样随机取样顺序取样A/D，D/A中低档B<100MHz高档B>100MHz5.2模拟示波器5.2.1

模拟示波器的基本构成5.2.2

示波器显示波形的原理5.2.3

垂直系统5.2.4

水平系统5.2.1模拟示波器的基本构成由五部分构成。5.2.1模拟示波器的基本构成示波管——信号波形显示，将电信号转换为光信号。5.2.1模拟示波器的基本构成垂直系统（Y通道）——使示波管荧光屏上光点的位置在垂直（Y）方向上线性地反映被测信号幅度。5.2.1模拟示波器的基本构成水平系统（X通道）——产生与被测信号相适应的扫描锯齿波，控制荧光屏上光点的位置在水平（X）方向上由左向右循环移动，或在水平（X）方向上线性地反映X输入信号幅度。5.2.1模拟示波器的基本构成Z轴电路——①增辉：将闸门信号放大，使显示的波形正程加亮，回扫光迹消隐。②调辉：加外调制信号或时标信号，使屏幕显示波形的亮度发生相应地变化。5.2.1模拟示波器的基本构成电源与校准源——①电源：为其他电路提供高、低压工作电源，其中高压提供给示波管。②校准源：产生幅度和频率准确的方波，作为仪器的校准信号。5.2.2示波器显示波形的原理由电子枪、偏转系统、荧光屏组成密封在玻璃壳内，形成大型的电真空器件用途：电信号光信号

1.示波管(CRT-CathodeRayTube，阴极射线管)

的结构电子枪栅极G1阴极K灯丝F偏转系统第一阳极A1第二阳极A2Y1Y2X1X2后加速极A3荧光屏偏转板辅助聚焦聚焦辉度+–RP1RP2RP3前加速极G2发射电子并形成很细的高速电子束灯丝F、阴极K、栅极G1、前加速极G2、第一阳极A1、第二阳极A2灯丝F

加热阴极K，K产生电子束负电位栅极G1控制电子束的强弱—辉度调节A1、A2构成电子束的聚焦—A1聚焦调节

—A2辅助聚焦调节(1)

电子枪①作用：②组成：③原理：5.2.2示波器显示波形的原理1.示波管（CRT）的结构栅极G1阴极K第一阳极A1第二阳极A2荧光屏前加速极G2电子束在电子枪内的运动轨迹：(1)

电子枪为增加聚焦效果：①G2加隔板，截获偏离轴线远的电子②A2中心有一个小孔，利于聚束5.2.2示波器显示波形的原理1.示波管（CRT）的结构(2)

偏转系统垂直偏转板＋水平偏转板外加电压在偏转板之间形成电场；使电子束打向荧光屏上的某个坐标位置。Y偏转板置于靠近电子枪的部位，而X偏转板则更靠近荧光屏。为了示波器有较高的灵敏度。①组成：②放置：③原理：5.2.2示波器显示波形的原理1.示波管（CRT）的结构(2)

偏转系统——以垂直偏转板为例偏转板距离y与偏转电压Uy的关系：板长板间距偏转灵敏度

V/cm提高灵敏度措施：①增大S，垂直偏转置于水平偏转左边（远离荧光屏）②减小UA2，增加后加速（PDA）系统③加屏蔽层，消除偏转板间交叉干扰及外界电磁场作用5.2.2示波器显示波形的原理1.示波管（CRT）的结构板屏距(3)荧光屏②余辉时间—光点亮度下降为最大值的10％的时间①荧光粉—将电信号光信号大部分转化成热能，少部分转化成光能。因此：不能长时间停在一处，否则易损坏荧光粉而形成斑点。③铝膜短余辉—10μs~1ms中余辉—1ms~0.1s长余辉—0.1s~1s——一般示波器

——高频信号——超低频信号5.2.2示波器显示波形的原理1.示波管（CRT）的结构≤1μm—位于荧光屏内侧A、Ux=Uy=0A、Ux=Uy=0A、Ux=Uy=02.示波管波形显示原理(1)显示随时间变化的波形Ux、Uy为固定电压时，有下面四种情况：光点出现在荧光屏的中心位置

A、Ux=Uy=0B、Ux=0，Uy=常量光点仅在垂直方向偏移。Uy>0，上移；Uy<0，下移。5.2.2示波器显示波形的原理C、Ux=常量，Uy=0光点仅在水平方向偏移。Ux>0，右移；Ux<0，左移。D、Ux=常量，Uy=常量光点在象限内，为两者的矢量合成(2)扫描的概念A、Ux=0，Uy为正弦波电压UyUyt01234024135.2.2示波器显示波形的原理2.示波管波形显示原理B、Uy=0，Ux为锯齿波电压01324UxUxt0t01234Ux(2)扫描的概念5.2.2示波器显示波形的原理2.示波管波形显示原理扫描：Ux为周期锯齿波电压（扫描电压），在屏幕上显示一条水平亮线（时间基线），这过程称扫描。(2)扫描的概念C、Ux为锯齿波电压，Uy为正弦波电压（设Tx＝Ty）01324UxUxUyUy012345.2.2示波器显示波形的原理2.示波管波形显示原理UyUxttn=2

TxTy(3)同步的概念设Tx＝2Ty5.2.2示波器显示波形的原理2.示波管波形显示原理(3)同步的概念设Tx＝5Ty/40123467810911TxUxt0123455678910TyUyt01234567910波形一直往左跑－不同步同步—Tx＝nTy5.2.2示波器显示波形的原理2.示波管波形显示原理(4)扫描过程的增辉（设Tx＝2Ty）01234678tUxt

TxUyTy0123456785501234678正程增辉—使波形不出现回扫线5.2.2示波器显示波形的原理2.示波管波形显示原理TsT＝Tstta.连续扫描(5)连续扫描和触发扫描连续扫描—锯齿波电压连续的扫描触发扫描—只在信号来时才触发，而平时无触发的扫描。应用：占空比小的脉冲信号例：难以观察脉冲细节5.2.2示波器显示波形的原理2.示波管波形显示原理(5)连续扫描和触发扫描例：脉冲展宽，但太暗。而时间基线太亮5.2.2示波器显示波形的原理2.示波管波形显示原理t1Tx=

t1Tsb.连续扫描(5)连续扫描和触发扫描例：触发扫描—信号来时触发，而平时无触发。5.2.2示波器显示波形的原理2.示波管波形显示原理tTs扫描等待c.触发扫描能较好观察脉冲(6)X－Y方式波形显示01234

UyUxtt(a)Ux与Uy都为正弦波，且同相5.2.2示波器显示波形的原理2.示波管波形显示原理(6)X－Y方式波形显示(b)Ux与Uy都为正弦波，不同相，设相位差90o01234024UyUxtt若幅值不同，则为椭圆5.2.2示波器显示波形的原理2.示波管波形显示原理(7)主要的性能指标(a)频带宽度BW和上升时间tr一般指Y通道的频带宽度。反映可观测信号的最高频率，越大越好。表示示波器Y通道随输入信号快速变化的能力。反映脉冲信号的最小宽度，越小越好。两者关系：频带宽度BW——上升时间tr——5.2.2示波器显示波形的原理2.示波管波形显示原理指在输入信号无衰减情况下，光点在荧光屏Y方向上移动1cm（即1格）所需的电压值，单位为“V/cm”、“mV/cm”（或“V/div”、“mV/div”）。2.示波管波形显示原理(7)主要的性能指标(b)偏转灵敏度表示了示波器Y通道的放大/衰减能力，反映示波器观察微弱信号的能力，越小越好。与BW相矛盾定义——意义——5.2.2示波器显示波形的原理指在无扩展情况下，光点在荧光屏X方向上单位时间移动的距离，单位为“s/cm”或“s/div”(7)主要的性能指标(c)扫描速度表示了示波器测量信号的范围，窄脉冲和高频需要高的扫描速度，缓慢变化信号需要低的扫描速度，因此扫描速度范围越宽越好。定义——意义——一般范围——0.1μs/div~0.5s/div5.2.2示波器显示波形的原理2.示波管波形显示原理1、作用2、组成观测mV~几十伏电压，需要放大及衰减电路输入电路前置放大器延迟线后置放大器5.2.4垂直系统一、输入电路包含：耦合方式＋衰减器1、耦合方式——信号直接通过——确定零电压——隔直流及低频，观察交流信号问：如何测纹波电压的幅值和平均值DCGNDACDCACGNDRiCi至衰减器S5.2.3垂直系统一、输入电路2、衰减器目的：测量大信号目的：电阻电容分压器组成：过补偿欠补偿旋钮：示波器面板上的垂直灵敏度粗调开关（V/div）5.2.3垂直系统u1u2R1R2C1C2R1C1>R2C2过补偿：R1C1<R2C2欠补偿：R1C1＝R2C2最佳补偿：二、前置放大器1、单端输入信号变成双端对称输出信号2、还具有增益扩展、微调，垂直位移，极性变换的作用电路：采用差分放大电路5.2.3垂直系统三、延迟线1、必要性从触发信号到来至扫描信号产生有时延tT

。5.2.3垂直系统输入信号扫描电压显示波形tT无法观察完整波形！触发点扫描起点三、延迟线2、作用将被测信号在偏转板上出现的时刻滞后于扫描开始的时刻（td>tT），从而保证屏幕上显示处被测信号的全过程。5.2.3垂直系统触发点输入信号扫描电压显示波形输入信号延迟后扫描起点tTtd四、后置放大器目的：要求：电路：将经延迟线的被测信号放大到足够的幅度，以驱动垂直偏转系统，使电子束获得Y方向的满偏转。具有稳定的增益、较高的输入阻抗、足够宽的频带、较小的谐波失真采用推挽式放大器，有利于提高共模抑制比5.2.3垂直系统——形成、控制并放大锯齿波扫描电压，以在屏幕上显示稳定、准确的波形。1、作用5.2.5水平系统2、组成一、触发电路1、作用为扫描电路提供一定幅度和宽度的正触发脉冲2、组成放大、整形电路内外电源C1C3ACTVHFREJDC常态自动单次触发电平调节至扫描发生器环触发脉冲输出S1S2

S4+-S3极性反转电路触发源选择触发耦合方式选择触发极选择性触发方式选择电视同步分离电路5.2.4水平系统

——将Y前置放大器输出（延迟线前的被测信号）作为触发信号，适用于观测被测信号。

——用外接的、与被测信号有严格同步关系的信号作为触发源，用于比较两个信号的同步关系。

——用50Hz的工频正弦信号作为触发源，适用于观测与50Hz交流有同步关系的信号。一、触发电路（1）触发源选择内触发（INT）外触发（EXT）电源触发（LINE）5.2.4水平系统一、触发电路（2）触发耦合方式DC直流耦合HFREJ高频抑制电视TV——接入直流或缓慢变化的触发AC交流耦合——观察从低频到较高频率的信号——观察抑制高频成分的交流信号

——观察视频TV信号，以便对电视信号（如行、场同步信号）进行监测与电视设备维修。5.2.4水平系统一、触发电路（3）触发方式选择自动单次——有连续扫描锯齿波电压输出，荧光屏上总能显示扫描线。常态——指有触发源信号并产生了有效的触发脉冲时，荧光屏上才有扫描线。——自动和常态均不用，按下“复位”按钮，扫描一次。

5.2.4水平系统一、触发电路（4）触发极性和触发电平触发极性触发电平——指触发脉冲到来时所对应的触发放大器输出电压的瞬时值。

+——触发点位于触发信号的上升沿-——触发点位于触发信号的下降沿——二者共同决定触发脉冲产生的时刻，并决定被显示信号的起始点。总体作用：5.2.4水平系统一、触发电路（4）触发极性和触发电平(a)正电平、正极性(b)正电平、负极性(c)负电平、负极性(d)负电平、正极性5.2.4水平系统二、扫描发生器环至X放大器稳定度调节比较电平触发脉冲输入扫描闸门积分器比较释抑电路增辉脉冲+E+E5.2.4水平系统二、扫描发生器环1、扫描闸门产生快速上升或下降的闸门信号作用：目的：②控制正程增辉①控制积分器扫描③使双踪示波器工作于交替状态5.2.4水平系统5.2.4水平系统二、扫描发生器环2、密勒积分器产生线性变化的锯齿波电压作用：组成：来自扫描闸门-+RC+E扫描锯齿波输出Vott3、比较和释抑电路作用：控制扫描信号的始终点，使电路产生等幅扫描。5.2.4水平系统二、扫描发生器环在比较电路中，输入电压与预置的参考电平进行比较，当输入电压等于预置的参考电平时，输出端电位产生跳变，并把它作为控制信号输出。它决定扫描的终止时刻。释抑电路在扫描逆程开始后，关闭或抑制扫描闸门，使“抑制”期间扫描电路不再受到同极性触发脉冲的触发。每次扫描都开始在同样的起始电平上。3、比较和释抑电路5.2.4水平系统二、扫描发生器环上触发电平E1下触发电平E2闸门输入闸门输出比较电平Ur扫描电压E0——多个电子枪和偏转系统——单线，通过电子开关控制多线显示多踪显示多扫描显示——X系统有两个扫描电路特点：实时显示，准确度高；工艺复杂、成本高特点：非实时显示；要求低、应用广泛特点：非实时显示，显示脉冲的某一细节变化5.3多波形显示一、组成二、显示波形的原理单波形——Y1、Y2、Y1±Y2双波形——Y1和Y2同时显示5.3.1多踪显示Y1输入电路Y1前置放大器Y1门电路电子开关延迟线Y后置放大器门电路至Y偏转板Y1输入控制信号Y2输入电路Y2前置放大器Y2Y2输入uy1uy2ux二、显示波形的原理交替显示方式断续显示方式双波形——高频测量，非实时——低频测量，准实时1、交替显示方式——电子开关受扫描频率控制5.3.1多踪显示uy1uy2ux二、显示波形的原理2、断续显示方式——电子开关受自激振荡控制5.3.1多踪显示前置放大延长线Y后置放大A触发A扫描电子开关X放大电压比较B触发选择门Y线光迹分离电路+-B扫描RPY输入A增辉B增辉一、组成1234二、作用观察由不同幅度、形状组成脉冲中任一脉冲细节变化5.3.2双扫描显示一、原理二、应用——周期、高频信号5.4取样示波器经放大和延长电路后的信号tt输入信号取样脉冲取样信号显示波形TDtT＋Dt123452Dt3Dt4Dt数字储存示波器（DigitalStorageOscilloscope——DSO），先将输入的模拟信号经A/D变换为数字信号，存储在存储器RAM中；需要显示时，读出RAM中的数据，通过D/A恢复为模拟量，显示在屏幕上。信号处理与显示功能独立。数字储存示波器的性能指标，主要取决于A/D、D/A和RAM。5.5数字存储示波器1.数字存储示波器的基本组成5.5数字存储示波器5.5数字存储示波器2.数字存储示波器的基本原理DSO处于存储工作模式时，其工作过程一般分为存储和显示两个阶段。存储工作阶段：将模拟信号经A/D转换成数字化信号，在逻辑控制电路的控制下依次写入到存储器RAM中。显示工作阶段：将数字信号从RAM中读出，经D/A转换成模拟信号，经垂直放大器放大加到CRT的Y偏转板。同时，CPU的读地址计数脉冲加至D/A转换器，得到一个阶梯波扫描电压，驱动CRT的X偏转板。5.5数字存储示波器3.主要技术指标最高取样速率fs

单位时间内的最高取样次数，由A/D的转换速率决定。存储容量获取波形的取样点数，用存储单元数来表示。也称为记录长度。分辨力量化的最小单元。包括垂直分辨率（电压分辨率）和水平分辨率（时间分辨率）。准确度

通过游标来测量，准确度可达1%。扫描时间因数存储带宽

分单次存储带宽和重复存储带宽。X-Y存储带宽

X、Y通道相同，与重复存储带宽相同。5.5数字存储示波器4.数字存储示波器的功能特点触发点位置可任意设定

观测单次信号尤为方便。滚动方式左→右、右→左和静止。峰值检测功能可显示高频信号波形的包络。累计峰值检测功能平均功能

可将湮没在噪声中的微弱信号检测出来。屏幕读出功能

可显示仪器和信号的有关参数。游标测量功能

可测量波形任意两点的电压和时间间隔；屏幕直读显示测量数据，减小人为误差。5.5数字存储示波器4.数字存储示波器的功能特点存储波形的缩放

软件技术，方便观测波形细节具有记录输出功能菜单功能

简化硬件面板。接口功能

输出数据供打印和进一步处理；进行遥控和构成自动测试系统。5.5数字存储示波器5.数字存储示波器与模拟(通用)示