电子测量与仪器课件第四章波形测试与仪器2

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2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扫速释抑电路扩展移位寻迹“扫描”“X-Y”图4.11X通道组成框图4.5通用示波器X通道（水平系统）3C1C2C3DCACAC(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RP4.5.1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。（1）触发源（2）耦合方式（3）触发方式（4）触发电平及斜率选择器（5）触发放大及触发形成电路作用是对前级输出信号进行放大整形，产生稳定可靠的触发脉冲。4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54.5.2扫描电路(时基电路)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。（1）时基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。6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7（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。

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。－∞++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8（3）电压比较器如图4.17所示，二极管与有关电路一起构成电压比较器，（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。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。9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104.5.3X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，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。

114.6示波器的多波形显示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。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。4.6.1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，S1～S8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。12CH1S1S2S4S3CH2S5S6S8S7－－++延迟级(a)(b)(c)图4.18双踪波形显示原理示意图13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-YS24.6.2双踪示波器的基本组成14

4.9取样示波器

由于受到垂直放大器通频带、扫描速度、图像亮度等各种因素的影响，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。4.9.1工作原理取样示波器与普通示波器的主要区别在于前者运用了取样技术。取样技术的实质是频率变换，基本的取样方式（又称为顺序取样）有实时取样与非实时取样两种方式。测量高频信号应采用非实时取样技术。15tp(t)τT′0++－－Sui(t)us(t)图4.31取样原理实时取样：实时取样信号的频率比输入信号的频率高，不能用于观测高频非实时取样：取样点分别来自输入信号若干周期式称为，即跨周期取样，16如果输入信号ui(t)的周期为T，取样脉冲的周期为T′=mT+△t,(m=1、2、3…)ui(t)t5T△t2△t3△t4△t5△t61234p(t)t6tt1t2t3t4t5ttus(t)uy(t)612345图4.32非实时取样过程172.取样示波器的波形合成取样示波器两对偏转板上均加阶梯波，如图4.33所示。经展宽、放大的阶梯波uy(t)加至Y偏转板上，每取样一次阶梯上升一级、每一级持续时间为mT+△t的阶梯扫描电压ux(t)信号加到X偏转板上，荧光屏上得到许多单个的亮点，每个亮点的高度反映出样品信号us(t)的幅度，众多亮点就构成了被测信号ui(t)的波形。

4.9.2组成

取样示波器主要由主机、Y通道和X通道三大部分组成，如图4.34所示。主机部分与通用示波器的相同。tuy(t)tux(t)00图4.33取样示波器的波形合成18取样门放大电路延长门取样门脉冲信号源延长门脉冲信号源时基单元取样脉冲△t步进延迟脉冲mT+△tmT同步信号输入信号图4.34取样示波器组成框图取样电路延长电路Y通道X通道19取样示波器与通用示波器的区别主要有：①取样示波器延迟级放在取样门前面，以便在内触发时提前提取一部分被测信号作为触发信号。②取样示波器X通道产生时基扫描信号，是利用每一个△t步进延迟脉冲去触发阶梯波形成电路，使之输出增长一级，扫描信号是线性阶梯波。由于△t步进延迟脉冲的作用，扫描信号与取样脉冲是同步的。③通用示波器中，每触发一次能产生一个完整扫描信号，而取样示波器中，每触发一次只能获得一个样点。(取样示波器中的扫描信号是阶梯波)。④取样示波器显示的波形由许多点组成，它能反映被测信号形状，但它是经过变换得到的，波形经历的时间远大于被测信号的实际经历时间。故取样示波器只能测量频率较高的重复信号，而不能对单次脉冲，极低频信号进行观测.4.9.3技术指标（1）取样密度（2）等效扫描速度（3）取样频率204.10数字存储示波器具有记忆存储功能的示波器.模拟存储示波器:利用记忆示波管进行存储数字存储示波器:利用数字存储技术进行存储，4.10.1工作原理利用A/D变换器将输入的模拟信号变换成数字信号，然后存储于数字存储器中，需要时再将存储器中存储的内容调出（读出），通过相应的D/A变换器，再将数字信号恢复为模拟信号，显示在示波管荧光屏上。21输入前置放大器触发扫描电路Y放大器X放大器A/DD/A地址计数脉冲与逻辑控制D/A存储器模拟输出接口数字输出接口电源地址IEEE—488RS—232C111222示波管图4.35数字存储示波器基本框图S1S2S3uy224.36(e)的波形即能够准确代表图4.36(a)所示的被测波形。将数字存储技术和CPU微处理器用于取样示波器，可以构成存储取样示波器。4.10.2工作方式1.数字存储器的功能数字存储示波器的随机存储器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。uyU1U2U3t1t0t2t3t4t5t6t7ta1a2a3a4a5a6a7a000H01H02H03H04H05H06H07HD0D1D2D3D4D5D6D7(a)(b)(c)(d)图4.36存储器工作过程(e)232.触发工作方式数字存储示波器的触发包括常态触发和预置触发两种方式。（1）常态触发常态触发是在存储工作方式下自动形成的，同模拟示波（2）预置触发:即延时触发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4.面板键操作方式

244.10.3显示方式数字存储示波器的显示方式通常有以下几种：1.存储显示存储显示方式是数字存储示波器的基本显示方式，适于一般信号的观测。在一次触发形成并完成信号数据的存储后，经过显示前的缓冲存储，并控制缓冲存储器的地址顺序，依次将欲显示的数据读出并进行D/A变换，然后将信号稳定地显示在荧光屏上。2.抹迹显示抹迹显示方式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.卷动显示卷动显示方式适于观测缓变信号中随机出现的突发信号，它包括两种方式。25一种是用新波形逐渐代替旧波形，变化点自左向右移动，如图4.37(a)所示。另一种是波形从右端推出向左移动，在左端消失，如图4.37(b)所示。当异常波形出现时，可按下存储键，将此波形存储在荧光屏上或存入参考波形存储器中，以便作更细致的观测与分析。(a)(b)(c)图4.37卷动显示方式和延迟扫描放大显示方式4.放大显示5.X-Y显示26本章小结

本章主要介绍了通用电子示波器的基本组成、工作原理及其应用。（1）阴极射线示波管由电子枪、偏转板和荧光屏三部分组成。电子示波器测量各种物理量的原理依据是示波管的线性偏转特性。示波器扫描过程分为扫描正程、扫描逆程、扫描等待