电子测量技术基础第四章

4.1概述

示波器：是一种用荧光屏显示电量随时间变化过程的电子测量仪器。4.1概述电子示波器的根本特点：①能显示信号波形，可测量瞬时值，具有直观性。②输入阻抗高，对被测信号影响小。测量灵敏度高，并有较强的过载能力。目前示波器的最高灵敏度可到达10µv/div.③工作频带宽，速度快，便于观察高速变化的波形的细节。目前示波器的工作频带最宽可达1000MHz，预计不久将研制出带宽2GHz以上的示波器。④在示波器的荧光屏上可描绘出任意两个电压或电流量的函数关系，故可作为比较信号用的高速X—Y记录仪。4.1概述电子示波器的主要用途：①观测电信号波形。②测量电压电流的幅度、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。示波器开展历程二十世纪四十年代，泰克成功开发带宽10MHz的同步示波器五十年代，电子示波器的带宽到达100MHz六十年代，出现带宽6GHz的取样示波器、带宽4GHz的行波示波管、1GHz的存储示波管；便携式、插件式示波器成为系列产品。七十年代，模拟式电子示波器到达顶峰，出现带宽1GHz的多功能插件，模拟示波器从此没有更大的进展，开始让位于数字示波器八十年代，数字示波器异军突起，成果累累，大有全面取代模拟示波器之势，模拟示波器逐渐从前台退到后台。九十年代，数字示波器除了提高带宽到1GHz以上，更重要的是它的全面性能超越模拟示波器4.1概述模拟示波器〔CRT〕模拟示波器，采用的是模拟电路〔示波管，其根底是电子枪〕电子枪向屏幕发射电子，发射的电子经聚焦形成电子束，并打到屏幕上，屏幕的内外表涂有荧光物质，这样电子束打中的点就会发出光来。4.1概述数字示波器〔DSO〕数字示波器是数据采集，A/D转换，软件编程等一系列的技术制造出来的高性能示波器。数字示波器一般支持多级菜单，能提供给用户多种选择，多种分析功能。还有一些示波器可以提供存储，实现对波形的保存和处理。4.1概述数字荧光示波器实时显示、存贮和分析复杂信号的三维信号信息：幅度、时间和整个时间的幅度分布。4.1概述高灵敏度示波器带宽很低，1MHz左右灵敏度很高，可到几十微伏每格用以测量和显示一般示波器不能观察到的各种微弱的电信号4.1概述虚拟示波器利用计算机资源做数据处理和显示体积小巧可通过互联网进行远程控制模拟和数字示波器的比较

波形显示示波器类别简单重复信号复杂动态重复信号定时测量非重复单次信号触发功能预触发示波器带宽数据处理稳定信号变化信号异常信息缓变信号随机毛刺快沿信号模拟示波器CRT显示技术好好差差差差好差不能边沿不能低不能DSO示波器等效采样技术好差差好差好差好差多种能高能DSO示波器实时采样技术好好好好好好差好好多种能高能模拟示波器的某些特点，却是数字示波器所不具备的：1.操作简单全部操作都在面板上可以找到，波形反响时，数字示波器往往要较长处理时间。2.垂直分辨率高连续而且无限级，数字示波器分辨率一般只有8位至10位。3.数据更新快每秒捕捉几十万个波形，数字示波器每秒捕捉几十个波形。4.实时带宽和实时显示连续波形与单次波形的带宽相同，数字示波器的带宽与取样率密切相关，取样率不高时需借助内插计算，容易出现混淆波形混合示波器。模拟和数字示波器的比较4.2示波管示波管：是一种整个被封闭在玻璃壳内的大型真空电子器件，也叫阴极射线管。用途是将电信号转变成光信号并在荧光屏上显示。4.2示波管电子枪:电子枪的作用是发射电子并形成很细的高速电子束。它由灯丝h、阴极K、栅极G1和前加速极G2和第一阳极A1、第二阳极A2组成。当电流流过灯丝后对阴极加热，阴极产生大量电子，并在后续电场作用下轰击荧光屏发光。4.2示波管偏转系统：偏转系统由水平偏转板X1、X2和垂直偏转板Y1、Y2这两对相互垂直的偏转板组成。如果仅在Y1Y2偏转板间加电压，那么电子束将根据所形成的电场的强弱与极性在垂直方向上运动。同理，在X1、X2间加电压，电子束将根据电场的强弱与极性在水平方向上运动，电子束最终的运动情况取决于水平方向和垂直方向电压的合成作用，当X、Y偏转板加不同电压时，荧光屏上亮点可以移动到屏面上的任一位置。4.2示波管4.2示波管为了显示电信号的波形，通常在水平偏转板上加一线性锯齿波扫描电压ux，该扫描电压将Y方向所加信号电压uy作用的电子束在屏幕上按时间沿水平方向展开，形成一条“信号电压—时间〞曲线，即信号波形4.2示波管4.2示波管荧光屏：在荧光屏的玻壳内侧涂上荧光粉，就形成了荧光屏，它不是导电体。当电子束轰击荧光粉时，激发产生荧光形成亮点。余辉时间：光电子停止轰击后，亮点不能立刻消失而要保存一段时间，亮点辉度下降到原始值的10%所经过的时间叫余辉时间。4.2示波管示波管的电源：为使示波管正常工作，对电源供给有一定的要求。规定第二阳极与偏转极之间电位接近，偏转板的平均电位为零或接近为零。阴极必须工作在负电位上，栅极G1相对阴极为负电位〔-30v~100v〕第一阳极为正电位〔+100v~+600v〕,用作聚焦调节。第二阳极与前加速极相连，对阴极为正电压〔约+1000v〕,相对于地电位的可调节范围为±50v.示波管结构图4.3电子示波器的结构与性能示波器主要由示波管、Y垂直通道和X水平通道三局部组成。此外，还包括电源电路及扫描信号发生器。4.3电子示波器的结构与性能

4.3.2示波器的主要性能指标1.频率响应示波器最重要的工作特性就是频率响应fh，也叫带宽。这是指垂直偏转通道(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

2.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称为偏转灵敏度S：4.3电子示波器的结构与性能d为灵敏度的倒数1/S,称为偏转因数。S的单位为cm/V、cm／mV或diV／V(格／伏)，d的单位为V／cm。4.3电子示波器的结构与性能在测量时，可从示波器垂直通道衰减器刻度可读得它的偏转因数d，根据显示的波形高度H,可求得显示波形的电压幅度。例如：d＝2V／cm，荧光屏上uy波形高度H＝2．6cm，那么所观察波形幅度uy＝2V／cm×2.6cm＝5.2V。4.3电子示波器的结构与性能3．扫描频率示波器屏幕上光点水平扫描速度的上下可用扫描速度、时基因数、扫描频率等指标来描述。扫描速度就是光点水平移动的速度，其单位是cm／s或div／s(格／秒)。扫描速度的倒数称为时基因数，它表示光点水平移动单位长度(cm或div)所需的时间。扫描频率表示水平扫描的锯齿波的频率。4.3电子示波器的结构与性能4．输入阻抗输入阻抗是指示波器输入端对地的电阻Ri和分布电容Ci的并联阻抗。在观测信号波形时，把示波器输入探头接到被测电路的观察点，输入阻抗越大，示波器对被测电路的影响就越小，所以要求输入电阻大而输入电容小。输入电容在频率越高时，对被测电路的影响越大。4.3电子示波器的结构与性能5．示波器的瞬态响应示波器的瞬态响应就是示波器的垂直系统电路在方波脉冲输入信号作用下的过渡特性。6．扫描方式示波器中的扫描电压锯齿波是一种线性时间基线。线性时基扫描可分成连续扫描和触发扫描两种方式。4.4电子示波器的Y、X通道及校正器

4.4.1垂直偏转通道〔Y通道〕垂直通道的作用——将输入的被测信号进行衰减或线性放大后，输出符合示波器偏转要求的信号，以推动垂直偏转板，使被测信号在屏幕上显示出来。垂直通道的构成——输入电路、阻抗变换器、延迟线和放大器等。1．输入电路输入电路主要是由探头、衰减器构成。整个输入电路可以看成是一个二端网络〔交直流耦合电路〕1〕输入耦合方式输入耦合方式设有AC、GND、DC三档选择开关。置“AC〞档时，适于观察交流信号；置“GND〞档时，用于确定零电压；置“DC〞档时，用于观测频率很低的信号或带有直流分量的交流信号。4.4电子示波器的Y、X通道及校正器

4.4.1垂直偏转通道〔Y通道〕2〕衰减器〔阻容补偿分压器〕衰减器作用——衰减输入信号，进行频率补偿。衰减器的衰减量为调节C1使得满足Z1、Z2表达式中分母相同，衰减器的分压比

4.4电子示波器的Y、X通道及校正器

4.4.1垂直偏转通道〔Y通道〕3〕探头用示波器观察信号波形时，长长的引线往往会引进各种杂散干扰，所以通常使用同轴电缆作为输入引线。2.阻抗变换器阻抗变换器一般可由射极跟随器构成。

4.4电子示波器的Y、X通道及校正器

4.4.1垂直偏转通道〔Y通道〕3.延迟线延迟线的作用是把加到垂直偏转板上的脉冲信号延迟一段时间，使信号出现的时间滞后于扫描开始时间，保证在屏幕上扫描出包括上升时间在内的脉冲全过程。迟线的输入级需采用低输出阻抗电路驱动，而输出级那么采用低输入阻抗的缓冲器。4.4电子示波器的Y、X通道及校正器

4.4.1垂直偏转通道〔Y通道〕4.垂直偏转放大器垂直偏转放大器功能是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。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。垂直偏转放大器大都采用推挽式放大器，以使加在偏转板上的电压能够对称，有利于提高共模抑制比。电路中采用一定的频率补偿电路和较强的负反响，以使得在较宽的频率范围内增益稳定。还可采用改变负反响的方法变换放大器的增益。4.4电子示波器的Y、X通道及校正器

4.4.2水平偏转通道〔X通道〕作用：水平通道的主要任务是产生随时间线形变化的扫描电压，再放大到足够的幅度，然后输出到水平偏转板，使光点在荧光屏的水平方向到达满偏转。1.扫描分类线性时基扫描方式可分为连续扫描和触发扫描两类。1)连续扫描4.4电子示波器的Y、X通道及校正器

4.4.2水平偏转通道〔X通道〕1)触发扫描4.4电子示波器的Y、X通道及校正器

4.4.2水平偏转通道〔X通道〕2.水平通道的组成框图时基发生器是水平通道的核心，用来产生线性度好、频率稳定、幅度相等的锯齿波电压；水平放大器用来放大锯齿波电压，输出对称的锯齿波电压，加至水平偏转板；触发电路控制时基的扫描闸门，以实现与被测信号的严格同步。4.4电子示波器的Y、X通道及校正器

4.4.2水平偏转通道〔X通道〕3.时基发生器由时基闸门、扫描发生器、电压比较器和释抑电路组成。4.4电子示波器的Y、X通道及校正器

4.4.2水平偏转通道〔X通道〕1〕时基闸门电路〔施密特电路〕施密特触发电路是一种波形整形电路，当任何波形的信号进入电路时，输出在正、负饱和之间跳动，产生方波或脉波输出。施密特触发电路有两个临界电压且形成一个滞后区，可以防止在滞后范围内的噪声干扰电路的正常工作。如遥控接收线路，传感器输入电路都会用到它整形。4.4电子示波器的Y、X通道及校正器

4.4.2水平偏转通道〔X通道〕2〕扫描电压产生器〔密勒积分器〕扫描电压产生器是一个密勒积分器，它能产生高线性度的锯齿波电压。当开关S断开时，电源电压E通过电阻R对电容C充电，产生负向锯齿波U0，此电压一路送至水平放大器，另一路送入时基发生器的电压比较器。4.4电子示波器的Y、X通道及校正器

4.4.2水平偏转通道〔X通道〕3〕电压比较器电压比较器将送入的电压U0与参考电压Ur进行比较，当U0<Ur时，电压比较器输出随U0下降，给释抑电路的电容器充电，由此使得时基闸门电路的输入电压下降，当降到双稳态时基闸门的负触发电平时，时基闸门电路翻转，相当于开关S接通，控制扫描电压发生器结束负向锯齿波的生成而进入回程期，电路翻转的时刻为t2。4.4电子示波器的Y、X通道及校正器

4.4.2水平偏转通道〔X通道〕4)释抑电路释抑电路的作用是用来保证每次扫描都开始在同样的起始电平上。通常，最简单的释抑电路是一个RC电路，该电路保持了电压比较器送来的负的电平。在扫描回程期，扫描电压U0迅速上升，但由于电容的电荷存贮效应，使得时基闸门输入保持一个较低的电平，从而保证密勒电路的电容C有足够的放电时间，以保证下一次积分在同样的起始电平上开始。4.4电子示波器的Y、X通道及校正器

4.4.2水平偏转通道〔X通道〕4.触发电路包括触发源、触发耦合方式、触发方式及触发整形电路。1)触发源(1)内触发(2)外触发(3)电源触发2)触发耦合方式(1)“DC〞直流耦合(2)“AC〞交流耦合(3)“AC低频抑制〞(4)“HF〞高频耦合4.4电子示波器的Y、X通道及校正器

4.4.2水平偏转通道〔X通道〕3)触发方式及触发整形电路〔1〕常态触发方式：是将触发信号输入整形电路，以便经整形后，输出足以触发扫描电压电路的触发脉冲。〔2〕自动触发方式：自动触发方式时，整形电路为一射极定时的自激多谐振荡器，振荡器的固有频率由电路时间参数决定。

〔3〕高频触发方式：高频触发方式原理同自动触发方式，不同点是射极定时电容变小，自激振荡频率较高，当用高频触发信号去与它同步时，同步分频比不需太高。使同步较为稳定。4.5双踪和双线示波器双踪和双线示波器都可在一个示波管荧光屏上同时显示出两个信号波形，用来比较被测系统的输出和输入信号，研究波形变换器的各级信号，观察脉冲电路各点波形，信号通过网络时的波形畸变，测量相移等等。4.5双踪和双线示波器一、双踪示波器双踪示波器也称双迹示波器，它的垂直偏转通道由A和B两个通道组成。两个通道的输出信号在电子开关控制下，交替通过主通道加于示波管的同一对垂直偏转板。4.5双踪和双线示波器工作状态：(1)“A〞：电子开关将A通道信号接于Y偏转板，形成A通道独立工作的状态。(2)“B〞：电子开关将B通道信号接于Y偏转板，形成B通道独立工作的状态。(3)交替：将A、B两通道信号轮流加于y偏转板，荧光屏上显示两个通道的信号波形。(4)断续：当输入信号频率较低时，交替显示会发生明显的闪烁。采用断续工作方式，使电子开关工作于自激振荡状态，振荡频率高达500kHz～1MHz，自动地轮流将A、B两通道信号加于Y偏转板上(5)“A+B〞：A、B两通道信号代数相加后，接到r偏转板，显示两信号迭加后的波形。4.5双踪和双线示波器二、双线示波器双线示波器采用双线示波管构成。双线示波管在一个玻璃壳内装有两个完全独立的电子枪和偏转系统，每个电子枪发出的电子束经加速聚焦后，通过“自己〞的偏转系统射于荧光屏上。4.5双踪和双线示波器三、SR-8型双踪示波器4.5双踪和双线示波器1．主要技术性能(1)Y轴放大器输入灵敏度：10mV／div～20V／div，按l—2—5进制分成11档，误差≤5％，微调增益比≥2.5：1。频带宽度：输入耦合为DC时，0～15MHz，-3dB；输入耦合为AC时，10Hz～15MHz，-3dB。输入阻抗：直接耦合为1MΩ，15pF；经探极耦合为10MΩ，15pF。最大输入电压：400V(DC+ACp-p)4.5双踪和双线示波器(2)X轴系统扫描速度：0.2µs／div～1s／div，按1—2—5进制分16档，误差≤5％，微调比>2.5：l。扩展“×10〞时，其最快扫描速度可以到达20ns／div，误差除0.2µs／div档≤15％外，其余各档均≤10％。X外接：灵敏度≤3V／div；频带宽度100Hz～250kHz，≤3dB；输入阻抗，1MΩ，40pF。4.5双踪和双线示波器(3)主机示波管12SJ102型矩形屏示波管，加速电压2kV,屏幕有效工作面积6div×l0div(1div=0.8cm)，中余辉。校准信号：矩形波1kHz，误差≤2％，幅度1V，误差≤3％.4.6高速和取样示波器示波器在观察ns(1ns=10-9s)、ps(1ps=10-12s)级脉冲波形时产生畸变的原因：示波器偏转板电容C与引线电感L的影响。测量高频信号时，偏转板电容C与引线电感L构成的谐振回路将使阶跃信号产生畸变，在上升沿处形成过阻尼、临界阻尼或阻尼震荡〔欠阻尼〕三种情况。为了减小分布参数的影响，应尽量减小L和C。4.6高速和取样示波器电子渡越时间的影响。当电子束通过偏转板时，偏转板上的电压不变，电子束的偏转量正比于偏转电压。普通示波管中电子渡越时间为1～10ns量级，如果显示波形周期或脉宽比它大得多，那么可以认为在波形显示期间，偏转板上的电压不变。但是，当显示高频信号，即显示ns级脉冲或几百兆赫的正弦波时，那么因电子通过偏转板期间偏转板上电压会有明显变化，所显示的波形会有很大失真。对于正弦波会使得波形振幅变小，且引入相位差；对于脉冲波形，表现为上升沿下降沿均变慢，甚至畸变为三角形波。4.6高速和取样示波器Y偏转放大器带宽缺乏。放大器高频截止频率不够高，对于高频信号将产生前后沿失真。扫描速度不够快。当显示高频信号时，要有足够快的扫描速度。例如，要求光迹在5ns时间内扫过10cm长的距离，扫描速度为0.5ns／cm，普通示波器无法到达。亮度不够。对于高速脉冲，例如宽为5ns的脉冲，扫出一个波形的时间仅5ns，即使重复频率为每秒1000次，图形亮度仍很低。因此，对于高频信号的显示必须采用性能更好的高速示波器和取样示波器。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，它不同于普通示波器的关键是示波管、Y放大器和时基发生器。(1)示波管高速示波器采用专用示波管。高速示波管的偏转系统接线要短(从管旁引出)，偏转板间距离d要大，以使分布电容小，加速电压要高，以减小电子渡越时间，因而偏转灵敏度将很低。为了保证示波器的灵敏度，那么要求Y轴放大器必须有更大的放大倍数。因此，在要求更高速度时，采用行波示波管。4.6高速和取样示波器一、高速示波器(2)放大器Y轴放大器是宽带放大器，目前集成电路放大器带宽可达1000MHz以上。(3)时基发生器高速示波器的时基发生器扫描期间的扫描速度很高，因而扫描电容充放电电流很大。由于高速示波管的偏转灵敏度低，因此要求形成几百伏的扫描电压。另外回扫时间应该很短，因为他限制被测脉冲的最高重复频率。4.6高速和取样示波器二、取样示波器

将高频(一般为1000MHz以上)的重复性的周期信号，经过取样(取样速率可调节)，变换成低频的重复性的周期信号，再运用通用示波器的原理进行显示和观测的示波器称为取样示波器。1、非实时取样原理p(t)：取样脉冲K：取样门tw:脉冲持续期T0：脉冲间歇期4.6高速和取样示波器二、取样示波器非实时取样过程〔a〕被测高频信号〔b〕取样脉冲〔c〕采样值〔d〕经过保持和延长后的量化信号取样示波器根本原理：通过假设干周期对波形的不同点的采样，将高频信号转换成低频信号，以通用示波器显示uy(t)的包络波形来反映和表现被测的实际高频信号波形4.6高速和取样示波器二、取样示波器2、取样示波器的组成被测信号ui通过取样门后，变成窄脉冲信号，经放大后，送入延长电路，形成信号包络。Y通道由取样门、放大电路及延长电路组成，延长电路中有保持电容及直流放大器，以便将窄脉冲取样信号us(t)展宽，得到量化的包络信号。4.6高速和取样示波器二、取样示波器2、取样示波器的组成为了在屏幕上显示出由不连续的亮点构成的取样信号波形，必须采用与取样信号同步的阶梯波作扫描电压。在量化信号(a)与阶梯扫描信号(b)共同作用下，就可在荧光屏上显示出被测高频信号的波形如图(c)，当取样点足够密时，即图(c)中亮点足够密时，该波形便能无失真地表现被测高频波形。

4.7记忆和存储示波器 通用示波器不具有存储信息的能力，记忆示波器与存储示波器分别利用模拟存储技术将信息进行存储，当需要显示时，再在荧光屏上进行显示。这两种示波器主要用于记录瞬变的单次信号。一、记忆示波器记忆示波器的记忆功能是由记忆示波管完成的。利用具有记忆能力的材料制成的示波管结合相应的电子线路，就形成了记忆示波器。4.7记忆和存储示波器

1．记忆示波管

记忆示波管可分为可变余辉存贮方式和快速转移存贮方式两种示波管，它们都是将记忆信号存贮于示波管的栅网上，需要显示时，将它显示出来。2.记忆示波器的工作方式1〕可变余辉方式2〕存储方式3〕去除方式4〕最大记录方式5〕常态方式4.7记忆和存储示波器3．记忆示波器开展概况最早的记忆示波器是由美国休斯公司在1957年研制的。由于价格昂贵、易烧坏、寿命短、存贮记录速度慢、等效带宽低等缺陷，其使用范围窄，开展缓慢。从70年代以来，记忆示波管在制造技术上有了新的突破，存贮方式不断增多，在最早的双稳态存贮方式的根底上，又研制出了可变余辉存贮和快速转移存贮方式。4.7记忆和存储示波器3．记忆示波器开展概况目前，采用快速存贮转移方式的记忆示波器的存贮记录速度已达4000cm/µs，存贮带宽达500MHz(Tek公司的7934型)。记忆示波管的寿命已接近普通示波管，记忆示波器的价格在性能类似情况下只比普通示波器贵三分之一左右。但是，由于数字技术的迅猛开展，数字存贮示波器的出现，使得记忆示波器的开展受到一定的影响。4.7记忆和存储示波器二、数字存贮示波器数字存贮示波器采用数字电路，将输入信号先经过A／D变换器，将模拟波形变换成数字信息，存贮于数字存贮器中，需要显示时，再从存贮器中读出，通过D／A变换器，将数字信息变换成模拟波形显示在示波管上。因此，与记忆示波器相比，它具有存贮时间长，能捕捉触发前的信号，可通过接口与计算机相连接等特点。数字存贮示波器是一种可与计算机连成系统，分析复杂的单次瞬变信号的有效设备，刚一出世就显示出强大的生命力。4.7记忆和存储示波器1．数字存贮示波器原理数字存贮示波器的根本框图如图4．7—4所示。图中可选择开关1接通模拟信号显示方式，示波器与普通示波器工作原理相同，中选择开关2时，接通数字存贮工作方式。在这种工作方式中，输入的被测信号通过A／D变换器变成数字信号，由地址计数脉冲选通存贮器的存贮地址，将该数字信号存入存贮器，4.7记忆和存储示波器图4.7—4数字存贮示波器根本框图存贮器中的信息每256个单元组成一页，即一个地址页面，当显示信息时，给出页面地址，地址计数器那么从该页面的0号单元开始，读出数字信息，送到D／A变换器，变换成模拟信号送往垂直放大器进行显示，同时，地址信号亦经过X方向D／A变换器，送入水平放大器，以控制Y方向信号显示的水平位置。4.7记忆和存储示波器存贮示波器的工作过程：