第四章电子示波器

第4章电子示波器4.1概述4.2示波管4.3电子示波器的结构框图与性能4.4电子示波器的Y、X通道及校正器4.5双踪和双线示波器4.6高速和取样示波器4.7记忆示波器与存储示波器习题四4.1概述示波器——把人眼看不见的电信号转换成具体的可见波形显示在屏幕上的仪器。它是典型的时域测量仪器。频谱分析仪——典型的频域测量仪器，也称为频域示波器。逻辑分析仪——典型的数据域测量仪器，也称为逻辑示波器。主要内容一、示波器的基本特点及主要用途二、示波器的分类三、示波器的发展和现状一、示波器的基本特点及主要用途 示波器有捕获、显示及分析时域波形、测量电参数的功能。

1.基本特点：能显示波形，能测信号瞬时值；可显示、分析任意两个量之间的函数关系(X—Y记录仪)；输入阻抗高，对被测信号影响小；测量灵敏度高，有较强的过载能力；工作频带宽，速度快，便于观察高速变化的波形细节。2.主要用途：①观测电信号波形。②测量电压和电流的幅度、频率、时间、相位等电量参数。③显示电子网络的频率特性。④显示电子器件的伏安特性。二、示波器的分类

根据示波器对信号的处理方式的不同可分为模拟、数字两大类：1模拟示波器——采用模拟方式对时间信号进行处理和显示。2数字示波器——对信号进行数字化处理后再显示。二、示波器的分类(续)

模拟示波器按示波器的用途和特点分：

通用示波器(单束示波器)

多束示波器(多线示波器)

取样示波器记忆、存储示波器特种示波器

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。三、示波器的发展和现状大致可分为三个阶段(1)20世纪30~50年代通用示波器的诞生和实用化并且品种缤纷的阶段(2)20世纪60年代示波器技术进一步得到提高，1969年通用示波器的带宽达到300MHz，取样示波器的带宽达到18GHz(3)20世纪70年代以后1979年示波器带宽达到1GHz，创造了通用示波器带宽的高峰，1983年数字存储示波器(DSO)问世。注：数字荧光示波器DPO是Tektronix公司推陈出新的一种示波器平台。美国福禄克

Fluke组合示波器

美国泰克Tek数字存储示波器

泰克TDS7000数字荧光示波器

日本岩崎模拟示波器

美国林科LINK虚拟数字存储示波器

福禄克Fluke手持数字存储示波表泰克

MS04000混合信号示波器(注：混合信号指模拟信号和数字信号)

4.2示波管(CRT) 模拟示波器的核心部件是示波管。示波管又称阴极射线管CRT，是能够把电信号转换为光信号的显示器件。主要内容一、示波管二、波形显示原理一、示波管1.示波管的组成偏转系统电子枪荧光屏密封在一个真空玻璃壳内2.示波管的基本原理SR—8双踪示波器2.示波管的基本原理示波管及电子束控制电路阴极灯丝栅极电子束控制系统Z轴控制电子束聚焦的原理：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。荧光粉偏转系统：电子在偏转板内的运动示波管的偏转灵敏度SV：Ud——偏转电压Ua——第2阳极A2上的电压L，ld，d——与示波管结构有关的尺寸偏转距离：＋－二、波形显示原理1.波形显示原理①加在偏转板上的电压信号（推挽信号）(a)理想的扫描电压(b)实际的扫描电压扫描周期光点轨迹：仅在垂直偏转板上加被测电压UY时，荧光屏显示一条()；仅在水平偏转板上加锯齿波电压UX时，屏幕上显示一条()②电子束运动：电子束沿垂直偏转电压UY和水平偏转电压UX共同作用的合成方向运动。在荧光屏上显示的光点按平行四边形法则合成，光点的轨迹反映UY和UX的关系。垂直亮线水平亮线或时间基线XY(Ux)(Uy)电子束运动的方向与距离分别与偏转板的极性和电场强度有关。电信号的显示过程：③稳定显示波形的条件：同步——

当扫描电压周期Tx为被测信号周期TY的整数倍(即Tx＝nTY(n＝1，2，3，…))时，第二个扫描周期显示的波形与第一个扫描周期显示的波形完全重叠，这种现象叫同步。第一个扫描周期第二个扫描周期tUytUx显示稳定的波形？显示正弦波稳定显示！显示什么波形？例：将Ux、Uy信号分别加到X、Y偏转板上，如果Ux

、Uy同步则屏幕上显示如下：稳定显示一个周期稳定显示两个周期请思考：如果Ux

、Uy不同步，屏幕上会显示什么波形？第一个扫描周期第二个扫描周期不稳定显示！2.X－Y显示原理——两个量之间的函数关系两个同频率信号构成的李沙育图形（参考第五章p169图5.6－10）XY(Ux)(Uy)4.3电子示波器的结构框图与性能

(模拟示波器)

电子示波器由Y通道、X通道、Z通道、示波管、幅度校正器、扫描时间校正器、电源几部分组成。主要内容一、示波器的结构框图二、示波器的主要性能指标示波器框图一、示波器的结构框图同步控制核心Y通道X通道1.Y通道：波形关系图推挽信号延迟时间作用：获得时间被延迟、幅度被放大或衰减的

Y方向上的偏转电压。被观测信号?2.X通道：扫描电压内同步触发脉冲同步控制外同步同步方式：同步信号来自被观测信号同步信号来自仪器外部输入同步信号作用：获得X方向上的扫描偏转电压。3.延迟线的作用：延迟被测信号τ2时间，使它略大于触发延迟时间τ1以确保触发扫描与显示信号同步，能观察到信号的前沿。被观测信号扫描电压触发脉冲Y通道X通道4.校正器

校正器是示波器内设的标准，用来校准或检验示波器X轴和Y轴标尺的刻度，一般Y轴校正单位为电压单位，X轴校正单位为时间单位。幅度校正器扫描时间校正器校准信号发生器——

产生基准正弦信号(20MHz)，它为仪器提供校准信号源。二、示波器的主要性能指标频带宽度和上升时间偏转灵敏度(S)和偏转因数扫描频率和时基因数输入阻抗输入方式

扫描方式

一般性能指标

示波管光点显示控制X通道控制Y通道控制校正源输出频带宽度和上升时间Y通道的频带宽度(BW)——

指垂直偏转通道(主要是Y方向放大器)对正弦波的幅频响应下降到中心频率的0.707(－3dB)的频率范围。－3dB点的频率——示波器所显示的信号幅度为示波器输入端真实信号值的71%时的信号频率。上升时间——

是在Y通道输入端加一个理想的阶跃信号，屏上显示波形从稳定幅度的10％上升到90％所需时间。如1GHz带宽示波器的上升时间

tr＝0.35ns示波器的瞬态响应10％Um90％UmUm（tr越小越好）2.偏转灵敏度(S)和偏转因数偏转灵敏度S——单位输入信号电压Uy

引起光点在荧光屏上偏转的距离H。偏转因数d——偏转灵敏度的倒数，单位为V/cm或V/div。控制钮：V/div3.扫描频率和时基因数扫描频率：水平扫描的锯齿波频率。扫描速度——

是光点的水平移动速度，单位是cm／s，或div／s等。时基因数——

扫描速度的倒数，它相当于光点移动单位长度(cm或div)所需时间，单位是s／cm，或s／div等。控制钮：t/div4.输入阻抗 一般可等效为电阻Ri和电容Ci并联。

如SBM—l0型多用示波器的输入阻抗为1MΩ／27pF。5.输入方式被测信号送入Y通道有直流(DC)和交流(AC)耦合方式。

6．扫描方式扫描电压锯齿波是线性时间基线。示波器扫描方式可分为连续和触发扫描两种。①连续扫描电压波形②触发扫描电压波形线性扫描电压类型：周期性7．一般性能指标表示示波管性能的指标：亮度。聚焦、余辉、屏面形状、尺寸、偏转灵敏度等。此外还有：校准信号(频率、幅度)、额定电源电压、功率消耗、外型尺寸、连续工作时间、工作环境等。4.4电子示波器的Y、X通道及校正器

电子示波器的基本部件由垂直偏转通道(Y通道)、水平偏转通道(X通道)、增辉和Z轴调制、校正器及电源组成。1.垂直偏转通道(Y通道)输入电路1)输入电路完成对输入信号的耦合和大小的粗调作用，并在输入信号与前置放大器之间起阻抗变化的作用。2)前置放大器对信号进行适当放大，并同时完成各种功能调节（包括增益微调、Y轴位移、极性转换等）和取出内触发信号。3)延迟线对通过Y轴电路的被观测信号适当延迟。4)末级放大器也称垂直偏转放大器，它将被观测信号放大到足够大的幅度，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。并完成垂直偏转因数“×5”或“×10”扩展功能。面板1）输入电路探头输入耦合电路衰减器阻抗转换器(1)探头①分类：②作用：提高示波器的输入阻抗；衰减；屏蔽；利于观察高频信号有源探头无源探头

实物图③无源探头电路及校准：

示波器在使用前必须进行探头的校准!

(b)RC电路(补偿式分压器)正常补偿过补偿欠补偿

(a)实物图补偿电容同轴电缆(屏蔽线)校准源信号Ri=1MΩR=9MΩ探头工作时：即分压比：探头的作用：①提高示波器输入阻抗②有分压、衰减的作用④探头与示波器带宽的关系：衰减开关分压比使用带宽上升时间10X10:1全带宽短1X1:1变窄变长接入探头后示波器的上升时间：请思考：在使用探头的时候应该注意些什么？提示：①测量前，要校准!②测量前，根据信号的频率成分，正确选择衰减开关的设置③测量中，正确接地!④测量后，设置衰减开关为10X时，被测电压信号的幅值×10(2)输入耦合电路输入耦合电路衰减器耦合方式：AC交流耦合⊥（GND）对地耦合DC直流耦合输入直流、交流信号输入交流信号输入电压为零面板隔直通交(3)衰减器①作用：对幅度较大的输入信号进行衰减。②设计要求：输入阻抗高，同时在示波器的整个通频带内衰减的分压比K0均匀不变，输入阻抗也不变。纯电阻分压？③电路：根据设计要求，采用阻容补偿分压器，且

C1R1＝C2R2

输入耦合电路衰减器补偿电容分压比:输入电阻：输入电容：注：C0——引线分布电容④控制钮：

垂直控制钮中的V/div(伏/格)调节钮(或灵敏度控制开关)，其标注为偏转因数。如：最高灵敏度0.02cm／mV

最小偏转因数50mV／cm

偏转因数100mV／cm衰减2倍

200mV／cm衰减4倍

0.5V／cm衰减

l0倍面板(4)阻抗变换器由射极跟随器构成2)末级放大器(垂直偏转放大器)①作用：

对微弱的信号放大，使通过垂直偏转板的电子束有足够大的偏转能量(获得Y方向的满偏转)。

完成垂直偏转因数“×5”或“×10”扩展功能。②放大器增益K与示波器偏转灵敏度S的关系：注：S——示波器偏转灵敏度，单位为cm/mV，

SV——示波管偏转灵敏度，单位为cm/V如S＝1cm／50mV、SV=0.04cm／V时，则K＝500面板3)扩大示波器带宽的措施①Y通道的前置放大器和末级放大器由多级放大器组成。②电路中引入强的负反馈，如放大器开环增益为K0，反馈系数为F，则加负反馈后，高频截止频率扩展为原来的(1+K0F)倍。③要求扫描电压有很高的扫描速度。④选用截止频率高的器件，尽量减小负载电容和分布电容，并选取小的集电极电阻。⑤在电路中用电抗元件(电容或电感)加以补偿，使放大器截止频率高一些，使总的频率响应在高频端有所提升。2.水平偏转通道(X通道)水平通道结构框图时基连续扫描的波形显示同步性1）扫描分类①连续扫描

脉冲信号的连续扫描与触发扫描显示②触发扫描2)触发电路(1)触发源与触发耦合方式触发源触发耦合电路(2)触发方式(TRIGMODE）作用：控制触发整形电路，以便产生不同形式的扫描触发信号，由该触发信号去触发扫描电压发生器，形成不同形式的扫描电压。常态自动高频扫描触发信号①常态触发方式(触发电平/同步调节)(上升沿触发)(下降沿触发)触发极性触发电平触发条件触发点扫描起始点请思考：在常态触发方式下，如何操作才能观察到稳定的显示波形？●触发电平++—（提示：选择触发极性、调节触发电平和时基因数t/div）—②自动触发方式（AUTO）a.一般测量均使用自动触发方式；b.在无被测信号输入时仍产生扫描电压；c.一旦有触发信号，自激多谐振荡器由触发信号同步而形成触发扫描。③高频触发方式a.原理同自动触发方式；b.高频触发方式常用于观测高频信号；c.高频触发信号作为自激多谐振荡器的同步信号，使同步较为稳定。密勒积分电路触发脉冲闸门电压扫描电压3)时基发生器释抑电路的作用：用来保证每次扫描都开始在同样的起始电平上。触发脉冲扫描电压时基闸门电路是一个典型的施密特电路，它是双稳态触发电路。释抑时间调节的应用：1)当信号波形复杂，用(触发)电平(Level)旋钮不能稳定触发时，用释抑(Holdoff)旋钮调节波形的释抑时间，且适当调节扫描周期t/div(扫描速度)，能使扫描与波形稳定同步。观察周期脉冲序列信号实质：用来阻止脉冲序列中除第一个脉冲之外的其它脉冲产生的触发。释抑时间调节的应用：2)产生间歇性的扫描电压信号，以观察脉冲信号的局部，或者抑制无用触发同步脉冲。抑制无用触发同步脉冲释抑时间内不响应触发脉冲3.校正1)幅度校正①校正的目的：

校正器用以检验Y通道灵敏度或偏转因数的标度是否准确；每次实验前检验过后就不必每次测量都作校正②校正的方法：

一般校准信号(方波)为1V，灵敏度开关置于“1”档(偏转因数d＝1V/cm)上，波形显示为1cm(或1格)。或2)扫描时间校正①校正的目的：

用于校正X轴时间标度，或用来检验时基因数是否正确。②校正的方法：

校准正弦波输出到y输入端，使显示波形的一个周期正好占据标尺上1cm(或1格)时，时基因数应等于1／f(s／cm)。

一般水平标尺全长为10cm，为减小读数误差，应调到标尺的满度范围内正好显示10个周期。如f＝20MHz，按上述方法校正时对应的时基因数正好为50ns／cm。4.5双踪和双线示波器双踪示波器组成优缺点双踪示波器优点：性价比高；可观察同一波形通过不同电路时的时间关系缺点：无法观察两个快速的单次信号或短时间的非周期信号双线示波器优点：可以同时观察两个相互独立的信号波形缺点：技术指标较低两个Y通道(共用一个主通道)一个示波管两个独立的Y通道两个示波管(共用一个荧光屏)一、双踪和双线示波器的比较控制示波器的工作状态主通道双踪示波器垂直偏转通道框图工作状态：①“A”②“B”③交替④断续⑤“A+B”示波管双线示波器框图二、示波器的基本测量方法：

(l)电压测量

(2)时间测量

(3)频率测量

(4)相位测量(l)电压测量Y轴灵敏度开关未接探头：接入探头：时基线(2)时间测量m应用：①周期波形的周期T②两个波形的时间差Δt③脉冲宽度X通道扫描控制开关时间差测量脉宽测量提示：以B通道的信号为触发源。50％UmUm50％Um

(3)频率测量1)测量对象：周期信号的重复频率2)测量步骤：①测周期T②按照频率f与周期T的倒数关系计算频率，即如上图T=1.2ms，则f=1/(1.2ms)=833.3Hz(4)相位测量同频率周期信号扫描起点此信号为内触发源周期T时间间隔D思考：将原理图填写完整。Y1Y2S通道转换器前置放大门1门2后置放大触发放大整形电路X放大器外触发X输入4.6高速和取样示波器一、高速示波器

高速示波器要显示ns、ps级的脉冲或微波信号，因此设计要求采用高速示波管、宽带的Y放大器和时基发生器的扫描速度快。二、取样示波器1.概述①适用对象：

高频(一般为1000MHz以上)的重复性的周期信号。②原理：

经过取样(取样速率可调节)，将高频的周期信号变换成低频的周期信号，再运用通用示波器的原理进行显示和观测。③特点：

是一种“非实时取样”的示波器。2.非实时取样原理和过程取样门及取样脉冲取样脉冲间隔顺序取样过程被测高频信号取样脉冲取样信号取样信号的展宽信号Ts跨周期采样周期信号一个周期的采样值量化的包络波形f=50MHz,T=20nsΔt=3.3ns,Ts=23.3nsT1=140ns,f1=7.14MHzTs=7Δt,f=7f1阶梯扫描信号被测信号的量化信号3．取样示波器波形显示过程电压保持不变持续时间相同（即同步）4．取样示波器组成取样示波器框图示波管阶梯波作扫描电压量化信号4.7记忆示波器与存贮示波器

与通用示波器和取样示波器相比较，记忆示波器和存贮示波器是具有存储信息功能的示波器。 这两种示波器都能对单次瞬变(高频)信号、非周期现象、低重复频率(周期长)的信号进行观测。①使用技术：存贮技术示波技术模拟存贮技术(如记忆示波器)数字存贮技术(如数字存贮示波器)②特点：

存贮和显示是分开进行的。一、记忆示波器(CRT/模拟存贮示波器)①记忆部件：记忆示波管栅网式记忆示波管结构及泛射示意图存贮作用显示作用泛射电子潜波形(电荷图)②记忆材料和部件：

具有二次电子发射特性的介质材料，如氟化镁。记忆的部件是荧光屏前的栅网。③波形存储机理：阴极栅网一次电子二次电子n1n2>n1栅网记录的潜波形（电荷图）④波形显示原理：泛射电子泛射电子荧光屏读出电子枪栅网读出电子枪栅网荧光屏⑤记录波形的过程：1)清除栅网上的潜波形(抹迹)2)存储波形3)显示波形⑥工作方式：1)可变余辉方式2)存贮方式3)清除方式4)最大记录方式5)常态方式记忆示波器控制电路方框图二、数字存贮示波器(DSO)1.工作原理2.主要特点3.主要性能指标美国泰克Tek数字存储示波器

1.工作原理数字存储示波器原理框图采样模拟信号存贮输入信号模拟输入信号存贮部分显示部分重建模拟信号？扫描电压数字存贮示波器基本框图模拟示波器数字存贮示波器地址？存贮示波器工作过程：模拟输入信号存贮单元地址扫描阶梯波显示波形存贮的数据D/A变换(X轴)D/A变换(Y轴)实时取样应用例子：存贮取样示波器2.主要特点①可以永久地存贮信息和反复地再现波形，迹线既不会衰减也不会模糊。

特别地，可以捕获、分析复杂的单次瞬变信号。②存贮是动态的。③既能观测触发后(后触发观测)的信息，也能捕捉触发前的信号(预触发观测）

。

DSO的触发点只是一个参考点，而不是获取的第一个数据点。3.主要性能指标最高采样速率存储长度

测量分辨力

存储带宽①采样率fs——

单位时间获取被测信号的采样点数,单位为S/s。注：N—每格的采样点数(固定的)；t/div—每格的扫描时间即时基因数。如X通道采用10位D/A，则N=210／10≈100S③采样速率的控制：

可以根据示波器的时基因数(t／div)进行选择和控制。②最高采样速率fsmax——

相应于示波器最快扫描速度(最小时基因数)档位例如：最快(最小)时基因数为1ns／div时，则

fsmax＝100点／1纳秒或1011S／s(1)最高采样速率④假象现象输入模拟信号重建的波形(示波器显示)1个周期采3个点，fs=3f0一个周期采5个点，fs=5f0假象信号,fs=f0<2f0,发生频谱混叠请思考：为了避免假象现象,怎样选择采样率？答：满足采样定理，操作从最小t/div开始(2)存储带宽①理论带宽：根据采样定理，定义DSO理论带宽为最高采样速率(fsmax)的一半，即式中fh——带宽的上限频率。②实际带宽：有效存储带宽(BWa)表征DSO的实际带宽。其定义为式中k——带宽因子。例如：某示波器的fsmax

＝8GS／