电子测量技术第五章

第五章示波测试和测量技术5-1概述一、示波器的特点1、直接观测和真实显示被测波形。可显示脉冲信号的前后沿、脉宽、上升下降时间。2、是时域测试典型仪器，能检测信号波形是否正常，有无失真以及相关关系。3、X-Y图示仪。

4、是多种电量和非电量测试和测量中的基本测试仪器。通过描绘被研究的信号随时间的变化，可用于调试电子电路、维修仪器设备。是构成其他两个测试领域的仪器设备的基础。二、示波器的分类模拟数字示波器模拟示波器数字示波器三、主要技术特点1、通频带fB、上升时间tr2、偏转灵敏度Sy：3、扫描速度：单位为cm/S或div/S4、输入阻抗：为f的函数，等效为RC电路F：灯丝K：阴极G1：栅极A1：第一阳极A2：第二阳极G2：第二栅极5-2示波测试的基本原理一阴极射线示波管（CRT）组成：电子枪、偏转系统、荧光屏1、电子枪（INTENSITY）（FOCUS）（AUXFOCUS）下面分析电子穿越加速场和减速场V1V2〈V1V2〉加速场减速场2、偏转系统组成：X1、X2、Y1、Y2作用：确定任一瞬间光点在荧光屏的坐标以Y板为例A2Vy+-bLVaSyY方向的偏转距离同理，可讨论X偏转系统的位移引入PDA系统（先偏转后加速系统）为使示波器灵敏度高，采用PDA系统PDA系统：降低第二阳极的电压，在偏转板与荧光屏之间，在内壁石墨导电层开几个环状的间隙，加10——15KV的高压，逐渐加速，避免影响偏转分类：分段式和螺旋式比较：普通示波器：采用PDA：≤0.5mm/V5—6mm/V3、荧光屏铝膜荧光物质玻璃铝膜的作用：散热吸收二次电子和负离子反射作用1）结构2）余辉时间：从电子束移去到光点亮度下降到原始值的10%的时间分为：极短余辉、短余辉、中余辉、长余辉、极长余辉连续移动的轨迹？余辉和人眼的惰性二图像显示原理偏转原理：静电场力或磁场力显示信号的类型：

A显示随时间变化的信号B显示任意两个变量的关系1、显示随时间变化的信号（1）Ux、Uy为固定电压时，(a)

Vx=Vy=0

(b)Vx=0，Vy=常量

(c)Vx=常量，Vy=0(d)Vx=常量，Vy=常量

Ux0123401324Ux-Uxt仅在X偏转板加锯齿波信号

，则荧光屏出现一条水平亮线。（2）Ux、Uy为变化电压时（时基亮线）若在Y垂直偏转板的加正弦变化的电压Uy0123401324Uy-Uyt荧光屏出现一条垂直亮线若Y偏转板加正弦波电压，X偏转板加锯齿波电压Uy0123401324Uy-Uyt0UxtUx-Ux荧光屏上将显示出被测信号随时间变化的波形总结：要显示随时间变化的信号，将被观测信号加到Y轴，而X轴加扫描电压（1）、扫描几个概念：扫描、扫描电压、扫描正程、扫描回程扫描：光点在锯齿波作用下扫动的过程扫描电压：能实现扫描的锯齿波电压扫描正程：光点自左向右的连续扫动的过程扫描逆程：光点自荧光屏的右端迅速返回左端起扫点的过程2、一些概念其中Tx：扫描电压的周期Ty：被测信号的周期例：若n=2，即Tn=2Ts，见图3-4（2）同步目的：波形稳定（a）Tx=nTy(n为正整数)如果保持Tx=nTy的关系，则称扫描电压与被测电压“同步”。

（b）Tx≠nTy(n为正整数)，即不满足同步关系时显示的波形不稳定（3）、扫描的分类

Ts被测脉冲连续扫描Tn=Tst

TntTn连续扫描Tn=t触发扫描tvy**连续扫描的特点：1、扫描发生器连续工作；2、无输入信号时显示一条时基线；**触发扫描的特点：1、被测脉冲到来时扫描一次；2、平时为等待扫描状态；3、主要用于观测占空比很小的脉冲，扫描电压持续时间的选择应等于或稍大于脉冲底宽。在有的示波器上，会有一个按钮来进行选择。（4）增辉实际扫描回程需要时间，即解决措施：增辉----在扫描正程期间使电子枪发射更多的电子3、显示两个任意波形的关系若X、Y板分别加任意信号，图形由两信号共同决定X-Y图示仪a、同振幅同频同相：b、同振幅、同频、相位差为90度如：两个偏转板上都加正弦电压时显示李沙育(Lissajous)图形一、模拟示波器的基本组成示波管、垂直通道、水平通道5-3、通用示波器Y轴偏转系统X轴偏转系统Y输入示波管X输入Y输入Y输入电路Y前置放大器延迟线Y后置放大器增辉电路高压电源低压电源X放大电路扫描电路触发电路校准信号发生器外触发输入X输入校准信号输出正高压负高压

（1）输入耦合方式：AC、GND、DC三档置“AC”时，输入信号经电容耦合到衰减器上，只有交流分量可通过，适于观察交流信号。置“GND”时，用于确定零电平，即不需要断开被测信号，可为示波器提供接地参考电平。置“DC”时，输入信号直接接到衰减器，用于观测频率很低的信号或带有直流分量的交流信号。二、Y通道（垂直通道）1、输入电路：包括输入选择开关和衰减器。

(2)、输入衰减器最佳补偿条件过补偿欠补偿改变分压比示波器的偏转灵敏度粗调在面板上用“V/cm”标记2．前置放大器

作用：将信号适当放大，从中取出内触发信号，并具有偏转因数微调、校正、Y轴位移、极性反转等控制作用。

电路：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。

“Y轴位移”旋钮：调节直流电位以改变被测波形在屏幕上垂直方向的位置。

3、延迟线没有延迟线时屏幕上显示的脉冲有延迟线时屏幕上显示的脉冲4．Y输出放大器作用：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。要求：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。电路：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（面板上的倍率“×5”或“×10”开关）。三、X通道作用：(1)产生一个与时间成线性关系的电压，产生增辉和消隐信号控制Z系统（2）选择适当的同步触发信号，保持与Y输入同步（3）放大扫描电压或外接电压组成：扫描发生器环、触发电路、X放大器触发电路触发耦合方式选择

触发源选择放大整形电路扫描信号发生器比较和释抑电路

扫描闸门扫描电压产生电路X偏转板

水平放大器1．触发电路作用：为扫描信号发生器提供符合要求的触发脉冲，加至扫描门。。内触发外触发输入电源触发S1触发源选择C1触发源耦合方式选择S2DCACLFREJC2C3HFREJ触发极性选择触发放大整形电路+–DCHFAC低抑内外+–+–+–电源电平方式极性AC“极性”决定上升沿或下降沿触发“电平”决定正半周或负半周触发方式开关决定不同的耦合方式：AC、DC组成：方式开关、电平旋钮、极性开关、S1开关组成。（1）触发源选择：一般有3种类型内触发（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（2）触发耦合方式：一般设有4种“DC”直流耦合用于接入直流或缓慢变化的触发信号“AC”交流耦合用于观察从低频到较高频率的信号“LFREJ”低频抑制耦合：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（4）触发极性选择和触发电平调节触发极性触发电平指触发点位于触发源信号的上升沿还是下降沿。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极性和触发电平决定触发脉冲产生的时刻，并决定被显示信号的起始点。（3）扫描触发方式选择（TRIGMODE）常态（NORM）触发方式自动（AUTO）触发方式电视（TV）触发方式

（a）被测正弦信号（b）零电平正极性触发（d）正电平负极性触发（e）负电平负极性触发（c）正电平正极性触发（f）负电平正极性触发0t023uy141432作用:对触发信号进行放大、整形，以满足触发信号的要求。（5）放大整形电路基本形式:电压比较器2、扫描发生器环时基电路作用：产生扫描电压组成：闸门电路、扫描电压发生器、释抑电路扫描门积分器比较和释抑电路增辉至X放大器E（1）扫描门（时基闸门）作用1）控制积分器扫描。2）起正程加亮作用。3）使双踪示波器工作于交替状态。

E2E1tt0V0连续扫描时，没有触发信号也有门控信号输出；触发扫描时只有在触发脉冲作用下才应产生触发信号。输入端由三个方面信号控制：稳定度——提供直流电位触发电路——触发脉冲释抑电路——释抑信号S打开V0与t成线形S闭合C放电，v0迅速上升（2）积分器：产生锯齿形的扫描电压-+Ev0RCSA来自扫描闸门t常用密勒（Miller）积分器荧光屏上单位长度所代表的时间的大小扫描速度SS=t/X改变R或C：“扫描速度”粗调改变E：“扫描速度”微调决定何时关闭扫描门，保证锯齿波为稳定等幅信号（3）释抑电路作用：比较和释抑电路（b）施密特电路及有关输入输出信号

比较和释抑VTb积分器扫描门RPRh+ECh+_稳定度-EVD+E来自释抑电路VT1去扫描环+E稳定度-EVD来自触发电路VT2+EE1E0E2Er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E0E1E2Vrt12t1t1´t2t3t4t5稳定度旋钮电平E0大于上触发电平E1----E1E0E2Vr释抑电路充电释抑电路放电释抑电路充电释抑电路放电下面讨论E0对触发方式的影响E0介于E1与E2之间脉冲到来时触发----连续扫描触发扫描3、X放大器作用：为X板提供对称的推动电压，使电子束能在水平方向满偏与Y放大器相似通用示波器面板和主要控键示意图四、示波器的多波形显示1、多线示波器发射多个相互独立的电子束，多枪多束或单枪多束；常用双线示波器。缺点：工艺要求较高，价格较贵。2、多踪示波器组成与普通示波器类似，增加了一个电子开关，具有多个垂直通道。电子开关的切换或转换方式有交替和断续两种，属于时间分割方式。以双踪为例：根据开关信号的工作方式的不同，分为5种显示方式：①交替方式（ALT）：适合于观察高频信号

（a）被测信号与扫描信号tuytuxuyt（b）荧光屏显示的波形交替显示的波形②断续方式（CHOP）：适用于被测信号频率较低的情况。（a）被测信号与扫描信号tuytuxuyt（b）荧光屏显示的波形断续显示的波形1234567891011③“Y1”通道（CH1）④“Y2”通道（CH2）

⑤叠加方式（CH1+CH2）Y1Y2Y1+Y25-4高速和取样示波器一般示波器观察高频快速信号发生失真，原因：①示波器偏转板电容C与引线电感L的影响。②电子渡越时间的影响。③Y偏转放大器带宽不足④扫描速度不够快。⑤亮度不够。一、高速示波器高速示波器要显示ns、ps级的脉冲或微波信号，它不同于普通示波器，其关键是示波管、Y放大器和时基发生器。二取样示波器1、取样：就是从被测波形上取得样点的过程。分类：实时取样与非实时取样(1)实时取样（2）非实时取样特点：并不是在一个信号波形内完成全部取样过程，而是分别取若干信号波形的不同位置取样脉冲的周期核心电路取样保持器示意图两个取样脉冲的时间间隔为 ，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。2、显示信号的合成过程一系列不连续光点构成Y板：对应信号取样值的阶梯波X板：电压值等距离跳变的阶梯波输入信号Y放大器输出tmTtD2tD3tD4tDsTmTt=+D12345tX放大器输出（扫描阶梯波电压）3、取样示波器的基本组成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通道取样示波器与通用示波器的差别：（1）X通道作用不同（2）通用示波器：每触发一次，产生一个完整的扫描电压。取样示波器：每触发一次，只获取一个取样信号停留再触发，故其扫描电压为阶梯式的，即非线形。（3）取样示波器适用于观测f较高的周期信号1、取样密度：表示水平方向单位长度内的亮点个数。(…/cm)当荧光屏的有效宽度和X方向的偏转灵敏度(mv/div)确定，则X方向的最大偏转电压Vs确定。VxtVs固定屏上总点数：只要确定n确定(…/cm)4、取样示波器的主要指标除通用示波器的性能指标以外的特有参数。非实时取样中n点实时取样中n点通用示波器取样示波器快斜波斜率,可调整kF来调整Ses3、取样示波器的带宽τ为取样脉冲底宽2、等效扫描KGA1A2G11G12G21G22K1K2收集极存储介质存储栅网荧光屏YX写入电子枪偏转系统读出电子枪记忆与显示记录系统泛射系统5-5记忆示波器和存储示波器模拟记忆示波器是利用记忆示波管的波形记忆（存储）特性实现波形较长时间的存储，其核心是记忆示波管一、记忆示波器二、数字存储示波器1、组成原理图5-32数字存储示波器基本框图(1)．A/D和D/A变换器A/D变换器将模拟量进行数字化。即取样、量化和编码。D/A变换器用于产生阶梯波。

(2)．存储器

高速大容量存储器。(3)．控制系统主要包括时基控制电路、存储控制电路和功能控制电路。数字存储示波器在控制系统的管理下完成各种测量任务，控制系统的核心是微处理器。（1）波形的采样/存储与波形的显示是独立的。因而可以无闪烁地观测极慢变化信号；对于观测极快信号来说，数字存储示波器可采用低速显示。（2）能长时间地保存信号。便于观察单次出现的瞬变信号。（3）先进的触发功能。不仅能显示触发后的信号，而且能显示触发前的信号。2、数字存储示波器的特点（4）测量准确度高。采用了晶振和高分辨率A/D转换器。（5）很强的数据处理能力。内含微处理器，能自动实现多种波形参数的测量与显示；还具有自检与自校等多种自动操作功能。（6）外部数据通信接口。可以很方便地将存储的数据送到计算机或其他的外部设备，进行更复杂的数据运算和分析处理。（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。实时取样速率 （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)与取样速率密切相关。3、数字存储示波器的主要技术指标（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）存储容量由采集存储器（主存储器）的最大存储容量来表示。5-6、示波器的使用一、示波器的选用运用示波器对V、f、T等测量，应考虑：1、根据被测信号的特点。低频——普通、简易示波器同时观测比较两个信号：双踪或双线2、根据被测信号的频率通常：目的：使高频成分不衰减。（显示细节部分）3、根据示波器的上升时间tR来选择(单位：）要求：示波器对阶跃信号的上升时间被测信号的上升时间例：信号上升时间/示波器对信号的上升时间测量误差

1/141%3/15.2%5/12%10/10.5%结论:示波器带宽越宽，上升时间越短，测量误差越小。4、由示波器的Y轴灵敏度来选择（对微弱信号尤为重要）如：测量一正弦选用：5、由示波器的Ss：10S/cm--1nS/cm观察窄脉冲或高频信号，要求Ss高（即Ss的数小）二、使用注意事项（1）检查电源电压。（2）通电预热后再调整各旋钮，同时注意各旋钮应先大致旋在中间位置。（3）亮度不宜开得过高，且亮点不宜长期停留在固定位置，不观测波形时，应该将辉度调暗。（4）输入信号电压的幅度应控制在示波器的最大允许输入电压范围内。

vivoRRiCCiZ1Z2C0输入探头示波器最佳补偿过补偿欠补偿显示波形注意事项：

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

校正方法: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。三、探头的正确使用常见探头为低电容高电阻探头（a）补偿合适的波形（b）欠补偿的波形不同补偿时的波形图（c）过补偿的波形四、测量实例1、电压的测量（Y系统）直接法为例直流交流a.垂直灵敏度微调置于校准（CAL）b.输入信号c.耦合开关置于“