模擬示波器顯示波形的原理西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院

1、模擬示波器顯示波形的原理西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院信號以為自變量的函數(shù)信號以為自變量的函數(shù)以以f 為自變量，為自變量，P或能量為因變量的函數(shù)或能量為因變量的函數(shù)以或事件出現(xiàn)的次序為自變量，以或事件出現(xiàn)的次序為自變量，把狀態(tài)值為因變量的函數(shù)關(guān)系。把狀態(tài)值為因變量的函數(shù)關(guān)系。例：脈沖發(fā)生器、函發(fā)、示波器、計數(shù)器例：脈沖發(fā)生器、函發(fā)、示波器、計數(shù)器例：頻譜儀，例：頻譜儀，布爾和馮布爾和馮諾依曼奠定了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)諾依曼奠定了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)例：邏輯分析儀，例：邏輯分析儀，麥克斯韋和傅立葉奠定了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)麥克斯韋和傅立葉奠定了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)頻域頻域數(shù)據(jù)域數(shù)據(jù)域在電子技術(shù)領(lǐng)域里，各種電信號多為時間的函數(shù)。在電子技術(shù)領(lǐng)域里，各種

2、電信號多為時間的函數(shù)。對于非周期性的、變化復(fù)雜的信號無法用簡單的幾個參對于非周期性的、變化復(fù)雜的信號無法用簡單的幾個參數(shù)去描述它們。最好的辦法是使用示波器去觀察測量和數(shù)去描述它們。最好的辦法是使用示波器去觀察測量和研究各種時域信號。示波器不僅能定性觀察電信號的動研究各種時域信號。示波器不僅能定性觀察電信號的動態(tài)過程，還可以定量地測量表征電信號特性的所有電參態(tài)過程，還可以定量地測量表征電信號特性的所有電參數(shù)。示波器除了測量電量之外，通過各種傳感器還可以數(shù)。示波器除了測量電量之外，通過各種傳感器還可以測量非電量。測量非電量。示波器復(fù)現(xiàn)電信號時變規(guī)律，是用途廣泛的綜合性儀器。1、示波器可代替一大堆儀

3、表。理由是：基本電信號V、I、P 等都表現(xiàn)為幅度的大?。换倦妳?shù)T、f、 以及調(diào)制特性、失真情況等都是時變規(guī)律。2、示波器是唯一可選儀器（對某些參數(shù)）。如：阻尼振蕩，脈沖的上沖、下沖、上升、下降，重合等。tVO示波器復(fù)現(xiàn)電信號時變規(guī)律，是用途廣泛的綜合性儀器。1、示波器可代替一大堆儀表。理由是：基本電信號V、I、P 等都表現(xiàn)為幅度的大??；基本電參數(shù)T、f、 以及調(diào)制特性、失真情況等都是時變規(guī)律。2、示波器是唯一可選儀器（對某些參數(shù)）。如：阻尼振蕩，脈沖的上沖、下沖、上升、下降，重合等。3、配合有關(guān)電路組成測試系統(tǒng)。如：晶體管特性圖示儀，阻抗、頻率、網(wǎng)絡(luò)測試儀等。5.1 示波器的分類示波器的分

4、類5.2 模擬示波器模擬示波器5.3 多波形顯示多波形顯示5.4 取樣示波器取樣示波器5.5 數(shù)字存儲示波器數(shù)字存儲示波器5.6 示波器的應(yīng)用示波器的應(yīng)用重點：重點：模擬示波器模擬示波器模擬示波器的基本構(gòu)成模擬示波器的基本構(gòu)成模擬示波器顯示波形的原理模擬示波器顯示波形的原理示波器的應(yīng)用示波器的應(yīng)用難點：難點：模擬示波器顯示波形的原理模擬示波器顯示波形的原理示波器的應(yīng)用：示波器的應(yīng)用：電信號的時域測量電信號的時域測量非電信號（如溫度、壓力等）的變化測量非電信號（如溫度、壓力等）的變化測量示波器的特點：速度快，工作頻率寬，可測高速脈沖速度快，工作頻率寬，可測高速脈沖電子束慣性小電子束慣性小靈敏度高

5、，可觀察微弱信號變化靈敏度高，可觀察微弱信號變化 配有高增益放大器配有高增益放大器過載能力強過載能力強 非指針指示非指針指示輸入阻抗高輸入阻抗高5.1 示波器的分類示波器的分類A/D，D/AB 100MHz5.2 模擬示波器模擬示波器 模擬示波器的基本構(gòu)成模擬示波器的基本構(gòu)成 示波器顯示波形的原理示波器顯示波形的原理 垂直系統(tǒng)垂直系統(tǒng) 水平系統(tǒng)水平系統(tǒng)5.2.1 模擬示波器的基本構(gòu)成由五部分構(gòu)成。由五部分構(gòu)成。5.2.1 模擬示波器的基本構(gòu)成示波管示波管信號波形顯示，將電信號轉(zhuǎn)換為光信號。信號波形顯示，將電信號轉(zhuǎn)換為光信號。5.2.1 模擬示波器的基本構(gòu)成垂直系統(tǒng)（垂直系統(tǒng)（Y通道）通道）使示

6、波管熒光屏上光點的位置在使示波管熒光屏上光點的位置在垂直（垂直（Y）方向上線性地反映被測信號幅度。）方向上線性地反映被測信號幅度。5.2.1 模擬示波器的基本構(gòu)成水平系統(tǒng)（水平系統(tǒng)（X通道）通道）產(chǎn)生與被測信號相適應(yīng)的掃描鋸齒波，產(chǎn)生與被測信號相適應(yīng)的掃描鋸齒波，控制控制熒光屏上光點的位置在水平（熒光屏上光點的位置在水平（X）方向上由左向右循環(huán)移動，或在水平）方向上由左向右循環(huán)移動，或在水平（X）方向上線性地反映）方向上線性地反映X輸入信號幅度。輸入信號幅度。5.2.1 模擬示波器的基本構(gòu)成Z軸電路軸電路增輝：將閘門信號放大，使顯示的波形正程增輝：將閘門信號放大，使顯示的波形正程加亮，回掃光跡

7、消隱。加亮，回掃光跡消隱。調(diào)輝：加外調(diào)制信號或時標(biāo)信號，調(diào)輝：加外調(diào)制信號或時標(biāo)信號，使屏幕顯示波形的亮度發(fā)生相應(yīng)地變化。使屏幕顯示波形的亮度發(fā)生相應(yīng)地變化。5.2.1 模擬示波器的基本構(gòu)成電源與校準(zhǔn)源電源與校準(zhǔn)源電源：為其他電路提供高、低壓工作電電源：為其他電路提供高、低壓工作電源，其中高壓提供給示波管。源，其中高壓提供給示波管。校準(zhǔn)源：產(chǎn)生幅度和頻率準(zhǔn)校準(zhǔn)源：產(chǎn)生幅度和頻率準(zhǔn)確的方波，作為儀器的校準(zhǔn)信號。確的方波，作為儀器的校準(zhǔn)信號。5.2.2 示波器顯示波形的原理 1.示波管示波管(CRT-Cathode Ray Tube，陰極射線管，陰極射線管) 的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)電子槍電子槍發(fā)射電子并形成

8、很細的高速電子束發(fā)射電子并形成很細的高速電子束燈絲燈絲F、陰極、陰極K、柵極、柵極G1、前加速極、前加速極G2、第一陽極、第一陽極A1、第二陽極第二陽極A2燈絲燈絲F 加熱陰極加熱陰極K，K產(chǎn)生電子束產(chǎn)生電子束負電位柵極負電位柵極G1控制電子束的強弱控制電子束的強弱輝度調(diào)節(jié)輝度調(diào)節(jié)A1、A2構(gòu)成電子束的聚焦構(gòu)成電子束的聚焦A1聚焦調(diào)節(jié)聚焦調(diào)節(jié) A2輔助聚焦調(diào)節(jié)輔助聚焦調(diào)節(jié)(1) 電子槍作用：作用：組成：組成：原理：原理：5.2.2 示波器顯示波形的原理1.示波管（CRT）的結(jié)構(gòu)(1) 電子槍5.2.2 示波器顯示波形的原理1.示波管（CRT）的結(jié)構(gòu)(2) 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)5.2.2 示波器顯示波形的原

9、理1.示波管（CRT）的結(jié)構(gòu)(2) 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)以垂直偏轉(zhuǎn)板為例以垂直偏轉(zhuǎn)板為例板長板長板間距板間距偏轉(zhuǎn)靈敏度偏轉(zhuǎn)靈敏度 V/cm提高靈敏度措施：提高靈敏度措施：5.2.2 示波器顯示波形的原理1.示波管（CRT）的結(jié)構(gòu)板屏距板屏距(3) 熒光屏5.2.2 示波器顯示波形的原理1.示波管（CRT）的結(jié)構(gòu)2. 示波管波形顯示原理示波管波形顯示原理(1) 顯示隨時間變化的波形 5.2.2 示波器顯示波形的原理(2) 掃描的概念01234024135.2.2 示波器顯示波形的原理2.示波管波形顯示原理示波管波形顯示原理01324001234(2) 掃描的概念5.2.2 示波器顯示波形的原理2.示波管波形

10、顯示原理(2) 掃描的概念01324012345.2.2 示波器顯示波形的原理2.示波管波形顯示原理(3) 同步的概念5.2.2 示波器顯示波形的原理2.示波管波形顯示原理(3) 同步的概念01234678109110123455678910012345679105.2.2 示波器顯示波形的原理2.示波管波形顯示原理(4) 掃描過程的增輝0123467801234567855012346785.2.2 示波器顯示波形的原理2.示波管波形顯示原理(5) 連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描5.2.2 示波器顯示波形的原理2.示波管波形顯示原理(5) 連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描5.2.2 示波器顯示波形的原理2.示波管波形

11、顯示原理t1Tx= t1(5) 連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描5.2.2 示波器顯示波形的原理2.示波管波形顯示原理t掃描掃描等待等待(6) XY方式波形顯示012345.2.2 示波器顯示波形的原理2.示波管波形顯示原理(6) XY方式波形顯示012340245.2.2 示波器顯示波形的原理2.示波管波形顯示原理(7) 主要的性能指標(biāo)5.2.2 示波器顯示波形的原理2.示波管波形顯示原理指在輸入信號無衰減情況下，光點在熒光屏指在輸入信號無衰減情況下，光點在熒光屏Y方向上方向上移動移動1cm（即（即1格）所需的電壓值，單位為格）所需的電壓值，單位為“V/ /cm”、“mV/ /cm”（或（或“V/ /di

12、v”、“mV/ /div”）。2.示波管波形顯示原理(7) 主要的性能指標(biāo)(b) 偏轉(zhuǎn)靈敏度偏轉(zhuǎn)靈敏度表示了示波器表示了示波器Y通道的放大通道的放大/ /衰減能力，衰減能力，反映示波器觀反映示波器觀察微弱信號的能力，越小越好。與察微弱信號的能力，越小越好。與BW相矛盾相矛盾定義定義意義意義5.2.2 示波器顯示波形的原理/ / /(7) 主要的性能指標(biāo)(c) 掃描速度掃描速度/ / /5.2.2 示波器顯示波形的原理2.示波管波形顯示原理1、作用、作用2、組成、組成觀測觀測mV 幾十伏電壓，需要幾十伏電壓，需要放大及衰減電路放大及衰減電路5.2.4 垂直系統(tǒng)一、輸入電路一、輸入電路5.2.3

13、垂直系統(tǒng)一、輸入電路一、輸入電路5.2.3 垂直系統(tǒng)二、前置放大器二、前置放大器5.2.3 垂直系統(tǒng)三、延遲線三、延遲線5.2.3 垂直系統(tǒng)輸入信號輸入信號掃描電壓掃描電壓顯示波形顯示波形tT觸發(fā)點觸發(fā)點掃描起點掃描起點三、延遲線三、延遲線2、作用、作用5.2.3 垂直系統(tǒng)觸發(fā)點觸發(fā)點輸入信號輸入信號掃描電壓掃描電壓顯示波形顯示波形輸入信號輸入信號延遲后延遲后掃描掃描起點起點tTtd四、后置放大器四、后置放大器5.2.3 垂直系統(tǒng)1、作用、作用5.2.5 水平系統(tǒng)2、組成、組成一、觸發(fā)電路一、觸發(fā)電路 為掃描電路提供一定幅度和寬度的正觸發(fā)脈沖為掃描電路提供一定幅度和寬度的正觸發(fā)脈沖放大、整形放

14、大、整形電路電路內(nèi)內(nèi)外外電源電源C1C3ACTVHF REJDC常態(tài)常態(tài)自動自動 單次單次觸發(fā)電平調(diào)節(jié)觸發(fā)電平調(diào)節(jié)至掃描至掃描發(fā)生器環(huán)發(fā)生器環(huán)觸發(fā)脈觸發(fā)脈沖輸出沖輸出S1S2 S4 +- S3極性反極性反轉(zhuǎn)電路轉(zhuǎn)電路觸發(fā)源觸發(fā)源選擇選擇觸發(fā)耦合方式選擇觸發(fā)耦合方式選擇觸發(fā)極觸發(fā)極選擇性選擇性觸發(fā)方式選擇觸發(fā)方式選擇電視同步電視同步分離電路分離電路5.2.4 水平系統(tǒng)一、觸發(fā)電路一、觸發(fā)電路5.2.4 水平系統(tǒng)一、觸發(fā)電路一、觸發(fā)電路5.2.4 水平系統(tǒng)一、觸發(fā)電路一、觸發(fā)電路5.2.4 水平系統(tǒng)一、觸發(fā)電路一、觸發(fā)電路+ + 觸發(fā)點位于觸發(fā)信號的上升沿觸發(fā)點位于觸發(fā)信號的上升沿- - 觸發(fā)點位

15、于觸發(fā)信號的下降沿觸發(fā)點位于觸發(fā)信號的下降沿5.2.4 水平系統(tǒng)一、觸發(fā)電路一、觸發(fā)電路(a) 正電平、正極性正電平、正極性(b) 正電平、負極性正電平、負極性(c) 負電平、負極性負電平、負極性(d) 負電平、正極性負電平、正極性5.2.4 水平系統(tǒng)二、掃描發(fā)生器環(huán)二、掃描發(fā)生器環(huán)至至X X放大器放大器穩(wěn)定度穩(wěn)定度調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)比較電平比較電平觸發(fā)脈觸發(fā)脈沖輸入沖輸入掃描閘門掃描閘門積分器積分器比較釋抑比較釋抑電路電路增輝脈沖增輝脈沖 +E+E5.2.4 水平系統(tǒng)二、掃描發(fā)生器環(huán)二、掃描發(fā)生器環(huán)5.2.4 水平系統(tǒng)5.2.4 水平系統(tǒng)二、掃描發(fā)生器環(huán)二、掃描發(fā)生器環(huán)來自掃來自掃描閘門描閘門- -+

16、 +RC+E掃描鋸齒波輸出掃描鋸齒波輸出Vot tt t作用：作用：控制掃描信號的始終點，使電路產(chǎn)生等幅掃描?？刂茠呙栊盘柕氖冀K點，使電路產(chǎn)生等幅掃描。5.2.4 水平系統(tǒng)二、掃描發(fā)生器環(huán)二、掃描發(fā)生器環(huán) 在比較電路中，輸入電壓與預(yù)置的參考電平進行比較，當(dāng)輸入在比較電路中，輸入電壓與預(yù)置的參考電平進行比較，當(dāng)輸入電壓等于預(yù)置的參考電平時，輸出端電位產(chǎn)生跳變，并把它作為電壓等于預(yù)置的參考電平時，輸出端電位產(chǎn)生跳變，并把它作為控制信號輸出。它決定掃描的終止時刻?？刂菩盘栞敵?。它決定掃描的終止時刻。 釋抑電路在掃描逆程開始后，關(guān)閉或抑制掃描閘門，使釋抑電路在掃描逆程開始后，關(guān)閉或抑制掃描閘門，使“抑

17、制抑制”期間掃描電路不再受到同極性觸發(fā)脈沖的觸發(fā)。每次期間掃描電路不再受到同極性觸發(fā)脈沖的觸發(fā)。每次掃描都開始在同樣的起始電平上。掃描都開始在同樣的起始電平上。5.2.4 水平系統(tǒng)二、掃描發(fā)生器環(huán)二、掃描發(fā)生器環(huán)上觸發(fā)電平上觸發(fā)電平E1下觸發(fā)電平下觸發(fā)電平E2閘門輸入閘門輸入閘門輸出閘門輸出比較電平比較電平Ur掃描電壓掃描電壓E05.3 多波形顯示多波形顯示5.3.1 多蹤顯示Y1輸入電輸入電路路Y1前置前置放大器放大器Y1門電路門電路電子電子開關(guān)開關(guān)延遲線延遲線Y后置后置放大器放大器門電路門電路至至Y偏轉(zhuǎn)板偏轉(zhuǎn)板Y1輸入輸入控制信號控制信號Y2輸入電輸入電路路Y2前置前置放大器放大器Y2Y2

18、輸入輸入uy1uy2ux5.3.1 多蹤顯示uy1uy2ux5.3.1 多蹤顯示前置放大前置放大延長線延長線Y Y后置放大后置放大A A觸發(fā)觸發(fā)A A掃描掃描電子開關(guān)電子開關(guān)X X放大放大電壓比較電壓比較B B觸發(fā)觸發(fā)選擇門選擇門Y Y線光跡線光跡分離電路分離電路+ +- -B B掃描掃描R RP PY Y輸入輸入A A增輝增輝B B增輝增輝1 12 23 34 45.3.2 雙掃描顯示5.4 取樣示波器取樣示波器經(jīng)放大和延長電路后的信號經(jīng)放大和延長電路后的信號tt輸入信號輸入信號取樣脈沖取樣脈沖取樣信號取樣信號顯示波形顯示波形TD DtTD Dt1 12 23 34 45 52D Dt3D

19、Dt4D Dt數(shù)字儲存示波器（數(shù)字儲存示波器（Digital Storage OscilloscopeDSO），先將輸入的模擬信號經(jīng)），先將輸入的模擬信號經(jīng)A/ /D變換為數(shù)字信號，變換為數(shù)字信號，存儲在存儲器存儲在存儲器RAM中；需要顯示時，讀出中；需要顯示時，讀出RAM中的數(shù)中的數(shù)據(jù)，通過據(jù)，通過D/ /A恢復(fù)為模擬量，顯示在屏幕上。信號處恢復(fù)為模擬量，顯示在屏幕上。信號處理與顯示功能獨立。理與顯示功能獨立。數(shù)字儲存示波器的性能指標(biāo)，主要取決于數(shù)字儲存示波器的性能指標(biāo)，主要取決于A/ /D、D/ /A和和RAM。5.5 數(shù)字存儲示波器數(shù)字存儲示波器1. 數(shù)字存儲示波器的基本組成數(shù)字存儲示波

20、器的基本組成5.5 數(shù)字存儲示波器數(shù)字存儲示波器5.5 數(shù)字存儲示波器數(shù)字存儲示波器2. 數(shù)字存儲示波器的基本原理數(shù)字存儲示波器的基本原理DSO處于存儲工作模式時，其工作過程一般分為存儲處于存儲工作模式時，其工作過程一般分為存儲和顯示兩個階段。和顯示兩個階段。存儲工作階段：將模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字化信號，在邏輯控制電路的控制下依次寫入到存儲器RAM中。顯示工作階段：將數(shù)字信號從RAM中讀出，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號，經(jīng)垂直放大器放大加到CRT的Y偏轉(zhuǎn)板。同時，CPU的讀地址計數(shù)脈沖加至D/A轉(zhuǎn)換器，得到一個階梯波掃描電壓，驅(qū)動CRT的X偏轉(zhuǎn)板。5.5 數(shù)字存儲示波器數(shù)字存儲示波器3.主要技術(shù)

21、指標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo)最高取樣速率fs 單位時間內(nèi)的最高取樣次數(shù)，由A/D的轉(zhuǎn)換速率決定。存儲容量 獲取波形的取樣點數(shù)，用存儲單元數(shù)來表示。也稱為記錄長度。分辨力 量化的最小單元。包括垂直分辨率（電壓分辨率）和水平分辨率（時間分辨率）。準(zhǔn)確度 通過游標(biāo)來測量，準(zhǔn)確度可達1%。掃描時間因數(shù)存儲帶寬 分單次存儲帶寬和重復(fù)存儲帶寬。X-Y存儲帶寬 X、Y通道相同，與重復(fù)存儲帶寬相同。5.5 數(shù)字存儲示波器數(shù)字存儲示波器4. 數(shù)字存儲示波器的功能特點數(shù)字存儲示波器的功能特點觸發(fā)點位置可任意設(shè)定 觀測單次信號尤為方便。滾動方式 左右、右左和靜止。峰值檢測功能 可顯示高頻信號波形的包絡(luò)。累計峰值檢測功能平均功能

22、 可將湮沒在噪聲中的微弱信號檢測出來。屏幕讀出功能 可顯示儀器和信號的有關(guān)參數(shù)。游標(biāo)測量功能 可測量波形任意兩點的電壓和時間間隔；屏幕直讀顯示測量數(shù)據(jù)，減小人為誤差。5.5 數(shù)字存儲示波器數(shù)字存儲示波器4. 數(shù)字存儲示波器的功能特點數(shù)字存儲示波器的功能特點存儲波形的縮放 軟件技術(shù)，方便觀測波形細節(jié)具有記錄輸出功能菜單功能 簡化硬件面板。接口功能 輸出數(shù)據(jù)供打印和進一步處理；進行遙控和構(gòu)成自動測試系統(tǒng)。5.5 數(shù)字存儲示波器數(shù)字存儲示波器5. 數(shù)字存儲示波器與模擬數(shù)字存儲示波器與模擬 (通用通用) 示波器的比較示波器的比較信號可分為兩大類：信號可分為兩大類：周期性重復(fù)信號周期性重復(fù)信號非周期、單次或隨機信號非周期、單次或隨機信號5.5 數(shù)字存儲示波器數(shù)字存儲示波器5. 數(shù)字存儲示波器與模擬（通用）示波器的比較數(shù)字存儲示波器與模擬（通用）示波器的比較與模擬示波器相比，數(shù)字儲存示波器有以下優(yōu)點：具有存儲觸發(fā)前信息的功能：可捕獲和顯示故障發(fā)生前的信號，便于檢測分析。長