第四章 示波器原理及应用

第四章示波器原理及应用

示波器是时域分析的最典型仪器,也是当前电子测量领域中,品种最多、数量最大、最常用的一种仪器;示波测试技术是一种最灵活、多用的综合性技术。

示波器的原理应用广泛，例如逻辑分析仪、晶体管特性图示仪、扫频仪、频谱分析仪等仪器的波形显示部分都有示波器技术的影子。

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（电压表、示波器、电子计数器）之一。本章的主要内容1示波器的分类及其主要技术指标2示波测试的基本原理3通用示波器4取样示波器5记忆和存储示波器6数字存储示波器7示波器的基本测试技术8晶体管特性图示仪第一节示波器分类及其主要技术指标4.1.1示波器的分类1根据示波器对信号的处理方式的不同可分为:★模拟示波器:采用模拟方式对时间信号进行处理和显示。★数字示波器:对信号进行数字化处理后再显示。2模拟示波器按其用途和特点可以分为:★通用示波器:采用单束示波管，又可分为单踪、双踪、多踪示波器;低频(0-1MHz)、普通（5-60MHz）、宽带（5-60MHz以上）示波器。★示波器分类及其主要技术指标★多束示波器：采用多束示波管，荧光屏上显示的每个波形都由单独的电子束扫描产生。★示波器分类及其主要技术指标★取样示波器：采用取样技术把高频快速变化的信号变化成低频慢速变化的信号（周期展宽），以便观察高频信号的细节变化。★记忆示波器：采用有记忆功能的示波管，实现模拟信号的存储、记忆和反复显示。★专用示波器：是能够满足特殊用途的示波器，又称特种示波器。3数字示波器:★数字示波器：将输入信号数字化（时域取样和幅度量化）后，经由D/A转换器再重建波形。★数字示波器具有记忆、存贮被观察信号功能，又称为数字存贮示波器。★根据取样方式不同，数字示波器又可分为实时取样、随机取样和顺序取样三大类。4.1.2示波器的主要技术指标★示波器分类及其主要技术指标1频带宽度BW和上升时间tr:示波器的频带宽度BW一般指Y通道的频带宽度。上升时间tr是一个与频带宽度BW相关的参数,频带宽度BW与上升时间tr的关系可近似表示为:2扫描速度

扫描速度:指荧光屏上光点水平移动的速度,单位为“cm/s”或者(div/s)。扫描速度的倒数称为“时基因素”,它表示单位距离代表的时间，单位为“t/cm”或“t/div”.3偏转因素(垂直灵敏度)指在输入信号作用下,光点在荧光屏上的垂直(Y)方向移动1cm(或1格)所需的电压值,单位为“V/cm”、“mV/cm”（或“V/div”、“mV/div”）。★示波器分类及其主要技术指标偏转因素表示了示波器Y通道的放大/衰减能力.其倒数称为“(偏转)灵敏度”。4输入阻抗当被测信号接入示波器时,示波器输入阻抗Zi(包括直流电阻和并联电容值)形成被测信号的等效负载,一般Ω(MΩ)//pF表示.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,可通过示波器面板选择.

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）、外触发（EXT）、电源触发（LINE）三种。★示波器分类及其主要技术指标7同步（或触发）电压波形稳定的最小输入电压,当输入小于此电压则不能稳定显示.★示波器分类及其主要技术指标第二节示波测试的基本原理★示波测试的基本原理4.2.1示波器的测试过程4.2.2阴极射线示波管(示波管CRT)★示波测试的基本原理CRT主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成,基本结构如下图所示。荧光★示波测试的基本原理1电子枪

电子枪发射电子并形成很细的高速电子束,它由灯丝F、阴极K、栅极G1和G2和阳极A1、A2组成。★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”.★第一、二阳极(A1、A2)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。调节A1的电位器RP2称为“聚焦（FOCUS）”旋钮,对它进行调节可调节G2与A1和A1与A2之间的电位;调节A2电位器RP3的旋钮称为“辅助聚焦（AUXFOCUS）”.★后加速阳极加速电子束,提高示波管的偏转灵敏度。★示波测试的基本原理

电子在电子枪中的运动轨迹如下图所示。2偏转系统

偏转系统的作用：扫描电压、被测信号加到X、Y偏转板上时，各自在X、Y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。►示波管的偏转系统由两对相互垂直的平行金属板X、Y组成，分别称为垂直偏转板和水平偏转板。►当有外加电压作用时,偏转板之间形成电场;在偏转电场作用下,电子束打向由X、Y偏转板共同决定的荧光屏上的某个坐标位置。★示波测试的基本原理►为了示波器有较高的测量灵敏度,Y偏转板置于靠近电子枪的部位,而X偏转板在Y的右边。►电子束在偏转电场作用下的偏转距离与外加偏转电压成正比：★示波测试的基本原理L为偏转板的长度;S为偏转板中心到屏幕中心的距离;b为偏转板间距;Va为阳极A2上的电压。►示波管的Y轴偏转灵敏度（单位为cm/V）：其倒数为示波管的Y轴偏转因数。偏转灵敏度越大，示波管越灵敏。►为提高Y轴偏转灵敏度,可在偏转板至荧光屏之间加一个后加速阳极A3。★示波测试的基本原理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,荧光屏将电信号变为光信号,是示波管的波形显示部分.电子枪发射的高速电子束轰击荧光屏发出荧光,并维持一定的时间,该现象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:►极短余辉:小于10us,超高频示波器;►短余辉:10us～10ms,高频示波器;►中余辉:1ms～0.1s,普通示波器;★示波测试的基本原理►长余辉:0.1s～1s,低频示波器;►极长余辉:大于1s,极缓慢变化信号示波器;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，一般为10div×8div（宽×高）。值得提出的是:在使用示波器时，应避免电子束长时间的停留在荧光屏的一个位置，否则将使荧光屏受损。因此在示波器开启后不使用的时间内，可将“辉度”调暗。★示波测试的基本原理4.2.3图象显示的基本原理1显示随时间变化的图形电子束通过垂直或水平偏转板打到荧光屏上产生亮点，亮点在荧光屏上移动的轨迹，是加到偏转板上的电压信号的波形。★示波测试的基本原理（1）Ux、Uy为固定电压时,有下面四种情况：（2）X、Y偏转板上分别加变化电压：仅在垂直偏转板的两板间加正弦变化的电压，则光点只在荧光屏的垂直方向来回移动，出现一条垂直线段。★示波测试的基本原理仅在水平偏转板的两板间加锯齿电压，则光点只在荧光屏的水平方向来回移动，出现一条水平线段。★示波测试的基本原理(3)X、Y偏转板上同时加变化电压：★示波测试的基本原理2显示任意两个变量之间的关系★示波测试的基本原理若两信号的初相相同，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。若两信号的初相相差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。注:示波器两个偏转板上都加正弦电压时显示的图形称为李沙育(Lissajous)图形,这种图形在相位和频率测量中常会用到.3．扫描的概念

如果在X偏转板上加一个随时间线形变化的电压,为锯齿波电压。垂直偏转板不加电压,那么光点在水平方向的偏移距离为:

比例系数Sx称为示波管的X轴偏转灵敏度。★示波测试的基本原理当锯齿波电压达到最大值时,屏上的光点亦达到最大偏转,然后锯齿波电压迅速返回起始点,光点也迅速返回屏幕最左端,再重复前面的变化。光点在锯齿波作用下扫动的过程称为“扫描”,能实现扫描的锯齿波电压称为“扫描电压”,光点自左向右的连续扫动称为“扫描正程”,自荧光屏的右端迅速返回左端起扫点的过程称为“扫描逆程”。

★示波测试的基本原理扫描正程时间扫描逆程时间扫描休止时间当Tb和Ts均为零时,为理想扫描时间.★示波测试的基本原理

扫描正程时显示被测信号的波形,应该增强波形亮度,即增辉;而需要对回扫线和休止线进行消隐.

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.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.4同步的概念一般的,如果扫描电压周期与被测电压保持:Tx=Ts+Tb+Tw=nTy（n为正整数）则称扫描电压与被测电压“同步”,Tx为扫描信号周期;Ty为被测信号周期。★示波测试的基本原理如果没有同步关系,即:Tx=Ts+Tb+Tw≠nTy（n为正整数）则后一扫描周期描绘的图形与前一扫描周期的图形不重合,显示的波形是不稳定的。

★示波测试的基本原理同步时波形稳定不同步时波形不稳定★示波测试的基本原理5连续扫描和触发扫描★示波测试的基本原理★扫描正程紧跟着逆程,逆程结束又开始新的正程,扫描是不间断的,这种扫描方式称为连续扫描.★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.这种由被测信号激发扫描器的间断工作方式为“触发扫描方式”.★示波测试的基本原理★示波测试的基本原理6扫描过程的增辉第三节通用示波器4.3.1通用示波器的组成★通用示波器的组成通用单通道示波器组成原理示意图通用示波器工作波形示意★通用示波器的组成由前面的组成框图可以看出,通用示波器包括三个部分：垂直系统(Y通道)、水平系统(X通道)、主机系统(Z通道).★通用示波器的组成4.3.2示波器的垂直通道(Y通道)

Y通道由输入电路、前置放大器、延迟级、输出(Y后置)放大器等组成.主要作用是：对单端输入的被测信号进行变换、处理成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。1输入电路：包括衰减器和输入选择开关。①衰减器(探极内):由RC组成，用来衰减输入信号,以保证显示在荧光屏上的信号不致因过大而失真。★通用示波器的组成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。

②输入耦合方式:输入耦合方式设有AC、GND、DC三档选择开关。►观察交流信号时,置“AC”档.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.►确定零电压时,置“GND”档(接地耦合).将示波器Y通道输入端接地,在测量直流电压时,为确定零电平位置而用.►观测频率很低的信号或带有直流分量的交流信号时,置“DC”档(直流耦合).将输入信号所有成分都加到示波器上.2前置放大器★通用示波器的组成将信号适当放大,并从中取出内触发信号,并具有灵敏度调节、校正、Y轴移位等控制作用.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。Y前置放大器大都采用差分放大电路,输出一对平衡的交流电压.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.与前置放大器有关的有“倒相”开关、垂直“移位”旋钮.★通用示波器的组成其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.3延迟线(级)★通用示波器的组成示波器通常采用内触发方式产生扫描电压,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.为了完整显示被测信号波形,在Y通道中设置延迟级对被测信号进行延迟,延迟时间一般为60～200ns,常取100ns左右。★延迟线:一种传输线，起延迟时间的作用。★延迟线的作用:把加到垂直偏转板的信号延迟一段时间,使其滞后于扫描开始时间,保证在屏幕上可以扫出包括上升时间在内的脉冲全过程。★通用示波器的组成★通用示波器的组成4Y输出放大器将延迟线传来的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。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.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。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。4.3.3示波器的水平通道(X通道)★通用示波器的组成X通道主要由触发电路、扫描电路及X放大器组成.主要作用(1)产生扫描电压,使波形在水平方向上展开;(2)给示波管提供增辉、消隐脉冲;(3)提供双踪示波器交替显示时的控制信号.★通用示波器的组成★通用示波器的组成1触发电路为扫描信号发生器提供触发脉冲.包括触发源选择、触发耦合方式选择、触发方式选择、触发极性选择、触发电平选择和触发放大整形等电路.①触发源选择★内触发(INT):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。★外触发(EXT):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。★电源触发(LINE):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。注:双踪示波器内触发源又分为CH1、CH2。②触发耦合方式★通用示波器的组成触发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.★“DC”直流(直接)耦合：用于接入直流或缓慢变化的触发信号,或者频率较低并且含有直流分量的触发信号.★“AC”交流耦合:用于观察从低频到较高频率的信号,有隔直作用.★“AC低频抑制”耦合:是一种通过电容的偶合方式,一般电容很小,容抗很大,用于观察含有低频干扰的信号。★“HFREJ”高频抑制耦合:用于抑制高频成分的耦合,适于5MHz以上信号的观测。③扫描触发方式选择(TRIGMODE)★常态(NORM)触发方式: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(AUTO)触发方式:扫描电路处于自激状态,有连续扫描锯齿波电压输出,荧光屏上总能显示扫描线。★通用示波器的组成★电视(TV)触发方式:是在原有放大、整形电路基础上插入电视同分离电路实现的,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。④触发极性选择和触发电平决定触发脉冲产生的时刻及被显示信号的起始点.★触发极性:触发点位于触发源信号的上升沿(“+”)还是下降沿(“-”).★触发电平:触发脉冲到来时所对应的触发放大器输出电压的瞬时值。零电平,正极性负电平,正极性正电平,正极性★通用示波器的组成★通用示波器的组成零电平,负极性负电平,负极性正电平,负极性⑤触发放大整形电路放大整形电路的作用是对触发信号进行放大、整形,以满足触发信号的要求.其基本形式是电压比较器,当输入的触发源信号与通过“触发极性和电平”选择的信号之差达到某一设定值时,比较电路翻转,输出矩形波,然后经过微分整形,变成触发脉冲.★通用示波器的组成2扫描信号发生电路(环)扫描发生器环又叫时基电路,常由积分器、扫描闸门及比较释抑电路组成.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。★通用示波器的组成产生快速上升或下降的闸门信号,闸门信号启动扫描发生器产生锯齿波电压,同时送到增辉电路,以便在扫描正程加亮扫描的光迹.注:在双踪示波器中,利用闸门信号触发电子开关,使之工作于交替状态。

①扫描方式选择连续扫描时,无触发脉冲,扫描闸门仍产生门控信号,并启动扫描发生器工作;触发扫描时,只有在触发脉冲作用下才产生门控信号.②扫描闸门电路(扫描门,是施密特触发器):★通用示波器的组成★通用示波器的组成③积分器(扫描信号产生电路)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.当S闭合时,积分电容放电,产生扫描逆程电压.④比较和释抑电路★通用示波器的组成★比较电路:二极管与有关电路一起构成电压比较器,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.由于它控制了扫描基线的长度,也称为扫描长度电路。★释抑电路:在扫描逆程开始后,关闭或称抑制扫描闸门,使“抑制”期间扫描电路不再受到同极性触发脉冲的触发,以便扫描电路恢复到扫描的起始电平上.★通用示波器的组成★“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变扫描方式,如连续扫描或触发扫描。3水平放大器★基本作用:选择X轴信号,并将其放大到足以使光点在水平方向达到满偏的程度。★其他:X放大器的输入端置于“内”时,X放大器放大扫描信号;置于“外”时,水平放大器放大由面板上X输入端直接输入的信号.例如:当示波器工作在“X-Y”方式时.★通用示波器的组成★相关开关旋钮有:“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。4.3.4通用示波器的其它电路★通用示波器的组成1高、低压电源低压电源为电路提供所需的直流电压,分若干组,一般采用串联式稳压电路;高压电源多用于示波器高中压供电,一般由直流低压变换迩来.2Z轴增辉与调辉★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。4.3.5示波器的多波形显示★通用示波器的组成实际中常常需要同时观测两个或两个以上的波形(多波形显示),实现多波形显示的方法有两种:1多线示波★原理:利用多枪电子管(多束示波管)来实现的;★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.★优点: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。★缺点:制造困难,成本高,性能有待提高,较少使用。★通用示波器的组成2多踪示波★原理:采用单束示波管制成的多踪示波器。★单束示波管:只有一个电子枪,只有一套Y偏转板,利用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(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器.通常使用的双踪示波器共有5种不同的显示方式:★通用示波器的组成★通用示波器的组成①“Y1”通道(CH1):开关S1、S2、S7、S8断开,开关S3、S4、S5、S6闭合,单踪显示Y1的波形;②“Y2”通道(CH2):开关S3、S4、S5、S6断开,开关S1、S2、S7、S8闭合,单踪显示Y2的波形:③叠加方式(CH1+CH2):开关S1、S2、S5、S6断开，开关S3、S4、S7、S8闭合,将两信号代数“和”或“差”以后显示出来,只有一个波形;④交替方式(ALT):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,使得CH1和CH2输入的信号轮流接通、轮流显示,适合于观察高频信号;★通用示波器的组成⑤断续方式(CHOP):在一个扫描周期内,高速轮流的接通俩个输入信号,被测波形由许多线段时断时续的显示出来.适用于被测信号频率较低的情况。

★通用示波器的组成第四节取样示波器由前面的示波器波形显示原理可知,无论是连续扫描还是触发扫描,都是在信号经历的实际时间内显示信号波形,称为实时(realtime)测量方法.通用示波器都属于这种测量方法.★取样示波器

通用示波器一般不能观测100MHz以上的高频或超高频信号.为了观测高频信号,在普通示波器的前面加一个专门的取样装置,运用取样技术把高频信号变成波形与之相似的低频或中频信号,然后在荧光屏上以断续的亮点显示出被测信号的波形来,这样就构成了取样示波器.取样示波器可以观测吉赫兹以上的超高频信号.4.4.1取样的基本原理1基本概念★取样:就是从被测波形上取得样点的过程;★分类:取样分为实时取样和非实时取样两种;★实时取样:从一个信号(通常为一个周期)波形中取得所有取样点,来表示一个信号波形的方法称为实时取样;★取样示波器★取样示波器★非实时取样:从被测信号的许多相邻波形上取得样点的方法称为非实时取样,或称为等效取样.2取样原理基本原理:观察一个波形,可以连续显示,也可以在这个波形上取很多的点,只要取样点数足够多,显示这些离散点也能够反映原波形的形状,本质就是抽样定理.★核心电路:核心电路为取样保持器;★取样间隔:Ts=mT+Δt,由于波形包络所经历的时间变长了,故可用低频示波器显示较高频率的信号;★取样示波器★步进间隔:步进间隔Δt与信号最高频率fh应满足:抽样定理★需要注意:非实时采样只适用于周期性信号.★取样示波器3取样示波器的波形合成(显示)示波器两对偏转板上均加阶梯波,阶梯波uy(t)加至Y偏转板上,每一次阶梯持续时间mT+△t;阶梯扫描电压ux(t)加到X偏转板上,荧光屏上得到许多单个的亮点,构成了被测信号ui(t)的波形.每个亮点的高度反映出样品信号us(t)的幅度.★取样示波器4.4.2取样的组成及工作原理1取样示波器的基本框图主要由主机、Y通道和X通道三大部分组成★取样示波器★取样示波器★Y通道:在取样脉冲的作用下,把超高频信号变为低频信号.它由取样电路、放大电路及延长电路组成。★X通道:产生时基扫描信号,同时产生△t步进延迟脉冲送Y通道,控制取样门脉冲信号源和延长门脉冲信号源的工作.★主机部分:与通用示波器的相同;★取样示波器2取样示波器的垂直通道垂直通道由延迟线、延长门和Y放大器等电路组成,最关键的电路是取样电路,它产生正比于取样值的阶梯电压.★第一个取样脉冲到来时,取样门闭合,输入的被测信号对取样电容Cs充电；★然后该电压被送到交流放大器A放大,在延长门闭合期间对保持电容Cm充电；★最后保持电压经过反馈电路送回取样电容Cs,故取样电容Cs上最终得到的电压为:★取样示波器

K为取样门的传输函数,若kAβ=1，则取样电路的输出电压值正比于输入电压的取样值。

注意:开关K1和K2在脉冲到来时闭合,脉冲过去时断开．★第二个取样脉冲到来时,取样门闭合,输入的被测信号与Cs上的电压ui1之差给取样电容Cs充电,充电的电压值经过传递系数K和增益A后,将在保持电容上与前一次的输出信号叠加,得到uo2为:★取样电路的输出是由离散的、与被测信号成正比的阶梯波构成的。★取样示波器3取样示波器的水平通道X通道主要包括触发、放大、分频单元、快斜波发生器、比较器、阶梯波发生器和X放大器。阶梯波发生器原理框图如下：★取样示波器★取样示波器图示波形说明了步进脉冲发生器的工作过程：在电压比较器中,快斜波与阶梯波发生器产生的阶梯波进行比较,当快斜波达到阶梯波的幅值时,电压比较器的状态发生变化,此变化经电压脉冲形成器形成脉冲：★取样示波器★一方面使取样脉冲打开Ｙ通道的取样门,开始对被测信号取样；★另一方面驱动泵发生器使阶梯发生器的输出升高一阶．4.取样示波器的主要参数(1)取样示波器的带宽取样门的最高工作频率为:τ为取样脉冲底宽,即与取样脉冲底边的宽度成反比。要提高取样示波器的带宽,取样门用元件的高频特性要足够好;其次取样脉冲本身要足够窄.★取样示波器(2)取样密度扫描时,在示波器屏幕X轴上显示的被测信号每格所对应的取样点数,常用每厘米的光点数来表示.屏幕上的光点总数为:Us为X方向最大偏转电压;ΔUs为阶梯波每级上升的电压.使ΔUs变小,可使总点数增加,即取样密度变大;但取样点过多可能导致波形闪烁。★取样示波器(3)等效扫速等效扫速:相应于被测信号,示波器屏幕上每格所代表的扫描时间t。在取样示波器中,虽然在屏幕上显示n个亮点需要n（mT+Δt）的时间,但它等效于被测信号经过了nΔt的时间。Us为X方向最大偏转电压;N为X轴偏转格数;UF/TF为快斜波的斜率。(4)扫描延迟时间(td)在取样示波器的实际应用中,主要是用来观察高频信号的细节,往往需要观察信号的前沿,需要通过扫描延迟来观察.扫描延迟时间为:td=UdTF/UFUd为阶梯电压的电平.★取样示波器第五节记忆示波器和存储示波器★记忆和存储示波器(模拟)记忆示波器:用记忆示波管的波形记忆特性实现波形较长时间的存储,其核心是记忆示波管:

★示波管内有两种电子枪:一种称为写入枪,另一种称为读出枪,又称为泛射枪。★通过存储栅网实现存储:写入枪发射电子束,实现了存储功能;读出时,在那些被记录枪电子束扫描过的区域,读出枪发出的泛射电子可以通过栅网而到达荧光屏,从而显示波形.★示波器结构:Y偏转系统和时基扫描电路与通用示波器相同,它只是在通用示波器的基础上增加了记忆示波管及控制信号实现的。★记忆和存储示波器8便于进行功能扩展第五节数字存储示波器4.5.1数字存储示波器的性能特点1可长期存储波形2可进行负延时触发3便于观测单次过程和突发信号4具有多种显示方式5便于数据分析和处理6可用数字显示测量结果7具有多种方式输出★数字存储示波器9外部数据通信接口★数字存储示波器4.5.2数字存储示波器的组成原理

★存储工作模式:其工作过程一般分为存储和显示两个阶段.★存储工作阶段:将模拟信号转换成数字信号,在逻辑控制电路的控制下依次写入到RAM,实现信号存储.★显示工作阶段:将数字信号从存储器中读出转换成模拟信号,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.4.5.3数字存储示波器的工作方式1数字存储器的功能★数字存储示波器随机存储器RAM包括信号数据存储器、参考波形存储器、测量数据存储器和显示缓冲存储器四种。2触发工作方式1）常态触发:同模拟示波器基本一样;2）预置触发:可观测触发点前后不同段落上的波形.3测量与计算工作方式数字存储示波器对波形参数的测量分为自动测量和手动测量两种。一般参数的测量为自动测量，特殊值的测量使用手动光标进行测量。★数字存储示波器4面板按键操作方式面板按键分为立即执行键和菜单键两种.★数字存储示波器4.5.4数字存储示波器的显示方式数字存储示波器的显示方式灵活多样,可适应不同情况下波形观测的需要。1存储显示(基本显示方式):适于一般信号的观测.2抹迹显示:适于观测一长串波形中在一定条件下才会发生的瞬态信号。3卷动显示:适于观测缓变信号中随机出现的突发信号.4放大显示:适于观测信号波形细节.5X-Y显示:6显示的内插:★插入技术可以解决点显示中视觉错误的问题。★主要有线性插入和曲线插入两种方式。★数字存储示波器4.5.5数字存储示波器的主要技术指标1最高取样速率指单位时间内取样的次数,用每秒钟完成的A/D转换的最高次数来衡量。N为每格的取样数;t/div为扫描一格所用的时间即扫描时间因数.2存储带宽(B)★数字存储示波器示波器按照存储方式工作时所具有的频带宽度,存储带宽上限值低于最高取样频率的二分之一.3分辨率包括垂直分辨率(电压分辨率)和水平分辨率(时间分辨率)。★垂直分辨率:与A/D转换器的分辨率相对应,常以屏幕每格的分级数(级／div)或百分数来表示.★水平分辨率:由存储器的容量决定,常以屏幕每格含多少个取样点或用百分数来表示。4存储容量★数字存储示波器又称为存储长度,定义为获取波形的取样点数目.5断电存储时间6测量计算功能7测量准确度8触发延迟范围9读写速度用读/写一个字节所用的时间表示,可进行选择.10输出信号★示波器测试技术第六节示波器的基本测试技术

4.6.1示波器的选择1．根据要显示信号数量,选择单踪或双踪示波器;2．根据被测信号的频率特点选择示波器;3．根据被测信号的重现方式选择示波器;4．根据被测信号是否含有交直流成分选择示波器;5．根据被测信号测试重点选择示波器;6．根据是否需存储被测信号选择示波器.示波器是时域测量仪器,可以用来显示信号波形,测量电压、频率、相位、时间、调制系数等参数.4.6.2示波器的正确使用(1)使用前检查电网电压是否与示波器要求的电源电压一致;(2)通电后预热几分钟再调整各旋钮,各旋钮不要马上旋在极限位置,应先大致旋在中间位置,以便找到被测信号波形;(3)示波器的亮度不宜开得过亮,且亮点不宜长期停留在固定位置,暂时不观测波形时,应该将辉度调暗,以免缩短示波管的使用寿命;(4)输入信号电压应控制在示波器的最大允许输入电压范围;(5)示波器的探头有的带有衰减器,读数时需注意;(6)示波器进行定量测量时,一定要注意校准.1使用注意事项:★示波器测试技术2通用示波器面板和主要控键示意图★示波器测试技术★示波器测试技术★示波器测试技术（1）CH1（X）通道1：垂直输入端。（2）CH2（Y）通道2：垂直输入端。（3）VOLTS/DIV输入衰减器。（4）VERTMODE：垂直方式选择开关。（5）SOURCE触发源选择开关。（6）COUPLING触发信号耦合方式开关。（7）TIME/DIV扫描时间选择开关。（8）SWEEPMODE扫描方式选择开关。（9）EXTTRIG和EXTHOR外触发和外水平共用输入端。（10）LEVELHOLDOFF触发电平和释抑时间双重控制旋钮。（11）X-Y方式。

★示波器测试技术3探头的正确使用常见探头为低电容高电阻探头：★示波器测试技术由于示波器放大器的输入阻抗不够高,用它去测试电路时,会对被测电路造成影响,所以示波器一般使用探头输入.常见探头为低电容高电阻探头,它带有金属屏蔽层的塑料外壳,内装一个RC并联电路,其一端接探针,另一端通过屏蔽电缆接到示波器的输入端.★示波器测试技术★低电容探头的应用使输入阻抗大大提高,特别是输入电容大大减小.但是,将使示波器的灵敏度有所下降.★探头和示波器是配套使用的,不能互换,否则将会导致分压比误差增加或高频补偿不当.★低电容高电阻探头的校正方法是以良好的方波电压通过探头加到示波器,微调电容C以达到出现良好的方波.4.6.3用示波器测量电压1直流电压的测量★示波器测试技术例4.6.1示波器测直流电压及垂直灵敏度开关示意图如图所示，h=4cm、V/cm、若k=10：1，求被测直流电压值.V★示波器测试技术2交流电压的测量例4.6.2示波器正弦电压如图所示,h=8cm、V/cm、若K=1:1,求被测正弦信号的峰-峰值和有效值。峰-峰值为:有效值为:★示波器测试技术例4.6.3示波器测量正弦波电压，已知波形垂直幅度(即峰-峰点距离)为8div，偏转因数为1V/div，探极衰减比为10：1，试求正弦波电压是多少？解:由题意得,S=1V/div,Hp-p=8div,衰减比K=10:1.Up-p=8div×1V/div×10=80V有效值电压:4.6.4用示波器测量时间和频率★示波器测试技术测量方法:1）将示波器的扫描速度微调旋钮置于”校准”位置;2）将待测信号送至示波器的垂直输入端。3）将示波器的输入耦合开关置于“AC”位置。4）调节扫描速度开关,记录Dx值。5）读出被测交流信号的一个周期在荧光屏水平方向所占的距离x。6）计算被测交流信号的周期。★示波器测试技术例4.6.4已知示波器时基因数为2ms/div,扫速扩展为10,求图所示的被测信号的频率是多少?解:四个周期宽度L=16div,Dx=2ms/div,K′=10.★示波器测试技术信号周期为：信号频率为:f=1/T=1/0.8ms=1.25kHz例4.6.5荧光屏上的波形如图所示，信号一周期7cm，扫描速度开关置于“10ms/cm”位置，扫描扩展置于“拉出×10”位置，求被测信号的周期。ms★示波器测试技术例4.6.6已知示波器时基因数、偏转因数分别为5ms/div、2V/div,扫速扩展为10,探极衰减系数为10:1,计算如图所示信号的周期是？电压？★示波器测试技术解：已知:Dx=5ms/div,S=2V/div,H=8div,正弦波一个周期的宽度L=10div,扫速扩展K′=10,探极衰减比K=10:1.★示波器测试技术正弦波周期：T=DxL/K′=5ms/div×10div/10=5ms正弦波峰-峰值：Up-p=SH=2V/div×8div=16V正弦波电压：U=KUp-p/2Kp=≈56.6V4.6.5示波器测量相位相位的测量实际是指两个同频率的正弦信号之间的相位差的测量,原理是把一个完整的信号周期定为360,然后将两个信号的时间差换成角度值.★示波器测试技术1用双踪示波法测量相位(也称为线性扫描法)

将两个信号分别接入双踪示波器的两个输入端,选择触发信号源,采用交替显示(用相位超前的信号作内触发信号源).2用李沙育图形法测量频率或相位★示波器测试技术(1)测量频率示波器工作于X-Y方式,X、Y两信号对电子束的作用时间总是相等的,信号频率越高,波形经过垂直线、水平线的次数越多,即垂直线、水平线与李沙育图形的交点数分别与X、Y信号频率成正比.因此,李沙育图形存在关系:NH、NV分别为水平线、垂直线与李沙育图形的交点数；fy、fx分别为示波器Y、X信号的频率。事实上,水平线(或垂直线)与李沙育图形的切点数也与Y（或X）信号频率成正比,即:★示波器测试技术例4.6.7如图4.27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？解:NH=2、NV=6,(NH′=1、NV′=3).(注意必须在交点数最多的位置画线):★示波器测试技术(2)测量相位差两个信号在示波器X、Y偏转板间产生的电场对电子束共同作用而在荧光屏上得到如图所示的椭圆,图中O点为椭圆中心.椭圆形状与两信号的幅度和相位差有关.相位差的计算如下:4.6.6示波器测量调幅系数★示波器测试技术示波器还可以用来测量调频和调幅系数,在此仅讨论调幅系数的测量.调幅系数的测量方法有直线扫描法、梯形图法和椭圆法等三种:1直线扫描法(Y通道输入被测信号)★示波器测试技术

2梯形图法选择X-Y方式,将调幅波、调制信号分别加至示波器X、Y轴输入端,在荧光屏上显示出如图所示的梯形图,则:调制信号:Sm(t)=[A0+m(t)]coswctA=2[A0+|m(t)|max],B=2[A0-|m(t)|max].Ma=A-B/A+B=m(t)|max/A0当B=0时为100%.

3椭圆法★示波器测试技术本节作业题1P181习题8.82P181习题8.93P181习题8.15★示波器测试技术4.6.7数字存储示波器的测试应用★示波器测试技术1Δt和ΔV的测量数字存储示波器对屏幕上要测量的信号部位加上游标,记录这两个采样点的位置和相应的数据,并通过计算,最后以字符自动表示测量结果.2捕捉尖峰干扰适合在较大时基设定范围内捕捉重复的尖峰干扰或单脉冲干扰.3非电信号测试只要配有适当的传感器就能测量振动、加速度、角度、位移、功率以及压力等机电参数.4.6.8示波器功能的扩展★示波器测试技术所谓功能扩展,是指在上述基本测量内容的基础上,测量电流、功率、电阻、电位器及观察射极输出器的跟随特性等。1．电位器噪声的测量(P179图8.46)2．继电器的测量(P179图8.47)3．病人监护系统的构建(P180图8.48)4．射极输出器的跟随特性的测量

晶体管特性图示仪利用电子扫描原理,在示波管的荧光屏上直接观察和测试晶体管特性曲线和直流参数的仪器.有用途广泛、直接显示、使用方便、操作简单等优点,但不能测量晶体管的高频参数。第七节晶体管特性图示仪

★晶体管特性图示仪

晶体管特性图示仪可以直接显示共发射极、共基极、共集电极的输入特性、输出特性和正向转移特性等,还可以迅速比较两个同类晶体管的特性.另外,它还可以用来测试场效应管和某些集成电路及光电器件的特性曲线。★晶体管特性图示仪

★晶体管特性图示仪

★晶体管特性图示仪

4.7.1晶体管图示仪的工作原理下图是共发射极NPN型三极管输出特性曲线及其逐点测量法示意图.图(a)中,先固定基极电流IB,改变EC值,可测得一组uCE和iC值;再改变基极电流IB,重复上述过程,可测得多组数值.适当选取坐标,即可得到三极管输出特性曲线,如图(b)所示。★晶体管特性图示仪

晶体管特性仪的测量为动态测量法,逐点测量法是晶体管特性图示仪的测量原理基础.晶体管特性图示仪应具备以下功能:①能够提供测试过程所需的各种基极电流IB.②每一个固定IB期间,集电极电压EC应作相应改变.③能够及时取出各组uCE及iC值送显示电路.★晶体管特性图示仪

所以晶体管特性图示仪主要由阶梯波发生器、集电极扫描信号源、测试变换电路、控制电路、X-Y方式示波器等部分组成。★阶梯波发生器(信号源):用来提供测试所需的各种基极阶梯电压或电流IB;★晶体管特性图示仪

★晶体管特性图示仪

一般选用右图占空比可调的脉冲阶梯波,可使晶体管导通时间减小,避免损坏被测管,还可提高图示仪的性能。②集电极扫描电路:使每一个固定IB期间,集电极电压uCE(t)作相应改变,通常是由50Hz市电经全波整流得到的100Hz正弦半波电压。③X放大器和Y放大器:对取自被测器件上的电压信号进行放大,然后送示波管偏转板形成扫描曲线.④示波管:与X和Y轴放大器一起构成X-Y方式的示波器。⑤测试变换电路:为适应测试NPN、PNP管而设立的,通过测试变换电路可使晶体管基极电压、电流和阶梯波、集电极扫描电压的极性按不同要求而改变.★晶体管特性图示仪

4.7.2晶体管图示仪的使用★晶体管特性图示仪

1XJ4810型晶体管特性图示仪面板功能介绍:★晶体管特性图示仪

1.集电极电源极性按钮,极性可按面板指示选择.2.集电极峰值电压保险丝:1.5A。3.峰值电压%:峰值电压可在0～10V、0～50V、0～100V、0～500V之连续可调,面板上的标称值是近似值,参考用.4.功耗限制电阻:它是串联在被测管的集电极电路中,限制超过功耗,亦可作为被测半导体管集电极的负载电阻.5.峰值电压范围:0～10V/5A、0～50V/1A、0～100V/0.5A、0～500V/0.1A四挡。当由低挡改换高挡观察半导体管的特性时，须先将峰值电压调到零值，换挡后再按需要的电压逐渐增加，否则容易击穿被测晶体管。AC挡的设置专为二极管或其他元件的测试提供双向扫描,以便能同时显示器件正反向的特性曲线。6.电容平衡:由于集电极电流输出端对地存在各种杂散电容,将形成电容性电流,而在电流取样电阻上产生电压降,造成测量误差.测试前应调节电容平衡,使容性电流减至最小。7.辅助电容平衡:是针对集电极变压器次级绕组对地电容的不对称,而再次进行电容平衡调节。8.电源开关及辉度调节:旋钮拉出,接通仪器电源,旋转旋钮可以改变示波管光点亮度。9.电源指示:接通电源时灯亮。10.聚焦旋钮:调节旋钮可使光迹最清晰。11.荧光屏幕:示波管屏幕,外有座标刻度片。12.辅助聚焦:与聚焦旋钮配合使用。13.Y轴选择开关:具有22挡四种偏转作用的开关,可以进行集电极电流、基极电压、基极电流和外接的不同转换。14.电流/度×0.1倍率指示灯:灯亮时，仪器进入电流/度×0.1倍工作状态。★晶体管特性图示仪

15.垂直移位及电流/度倍率开关：调节迹线在垂直方向的移位.旋钮拉出,放大器增益扩大10倍,电流/度各挡IC标值×0.1,同时指示灯14亮.16.Y轴增益：校正Y轴增益。17.X轴增益：校正X轴增益。18.显示开关：分转换、接地、校准三挡，其作用是：⑴转换：使图像在Ⅰ、Ⅲ象限内相互转换，便于由NPN管转测PNP管时简化测试操作。⑵接地：放大器输入接地，表示输入为零的基准点。⑶校准：按下校准键，光点在X、Y轴方向移动的距离刚好为10度，以达到10度校正目的。19.X轴移位：调节光迹在水平方向的移位。20.X轴选择（电压/度）开关：可以进行集电极电压、基极电流、基极电压和外接四种功能的转换，共17挡。21.“级/簇”调节：在0～10的范围内可连续调节阶梯信号的级数。★晶体管特性图示仪

22.调零旋钮：测试前，应首先调整阶梯信号的起始级零电平的位置。当荧光屏上已观察到基极阶梯信号后，按下测试台上选择按键“零电压”，观察光点停留在荧光屏上的位置，复位后调节零旋钮，使阶梯信号的起始级光点仍在该处，这样阶梯信号的零电位即被准确校正。23.阶梯信号选择开关：可以调节每级电流大小注入被测管的基极，作为测试各种特性曲线的基极信号源，共22挡。一般选用基极电流/级，当测试场效应管时选用基极源电压/级。24.串联电阻开关：当阶梯信号选择开关置于电压/级的位置时，串联电阻将串联在被测管的输入电路中。25.重复－－关按键：弹出为重复，阶梯信号重复出现；按下为关，阶梯信号处于待触发状态。26.阶梯信号待触发指示灯：重复按键按下时灯亮，阶梯信号进入待触发状态。★晶体管特性图示仪

27.单簇按键开关：单簇的按动其作用是使预先调整好的电压（电流）/级，出现一次阶梯信号后回到等待触发位置,因此可利用它瞬间作用的特性来观察被测管的各种极限特性。28.极性按键：极性的选择取决于被测管的特性。29.测试台：其结构如图A-24所示。★晶体管特性图示仪

30.测试选择按键：⑴“左”、“右”、“二簇”：可以在测试时任选左右两个被测管的特性，当置于“二簇”时，即通过电子开关自动地交替显示左右二簇特性曲线，此时“级/簇”应置适当位置，以利于观察。二簇特性曲线比较时，请不要误按单簇按键。⑵“零电压”键：按下此键用于调整阶梯信号的起始级在零电平的位置，见（22）项。⑶“零电流”键：按下此键时被测管的基极处于开路状态，即能测量ICEO特性。31、32.左右测试插孔：插上专用插座（随机附件），可测试F1、F2型管座的功率晶体管。33、34、35.晶体管测试插座。36.二极管反向漏电流专用插孔（接地端）。在仪器右侧板上分布有图A-25所示的旋钮和端子：★晶体管特性图示仪

★晶体管特性图示仪

37.二簇移位旋钮：在二簇显示时，可改变右簇曲线的位置，更方便于配对晶体管各种参数的比较。38.Y轴信号输入：Y轴选择开关置外接时，Y轴信号由此插座输入。39.X轴信号输入：X轴选择开关置外接时，X轴信号由此插座输入。40.校准信号输出端：1V、0.5V校准信号由此二孔输出。2概括起来主要分为这样几类功能按钮：(1)电源及示波管控制部分:包括聚焦、辅助聚焦、辉度及电源开关,各自的使用方法与示波器相似.★晶体管特性图示仪

(2)集电极电源部分:1）“峰值电压范围”选择开关2）“峰值电压%”旋钮调节“峰值电压%”旋钮使集电极电源在确定的峰值电压范围内连续变化。3）“+、—”极性按键开关

按下时集电极电源极性为负，弹起时为正。4）“电容平衡”、“辅助电容平衡”旋钮调节可使仪器内部容性电流最小，使荧光屏上的水平线基本重叠为一条。一般情况下无需调节。5）“功耗限制电阻”旋钮用于改变集电极回路电阻的大小。测量正向特性时应置于低电阻挡，测量反向特性时应置于高阻挡。(3)Y轴部分:1）“电流/度”旋钮

测二极管反向漏电流IR及三极管集电极电流IC的量程开关.当开关置于“”(该挡称为基极电流或基极源电压)位置时,可使屏幕Y轴代表基极电流或电压;当开关置于“外接”时,Y轴系统处于外接收状态,外输入端位于仪器左侧面.2）“移位”旋钮可进行垂直移位外,还兼作倍率开关,当旋钮拉出时,指示灯亮