電子測量 第3章 示波測試與測量技術(shù)(新)

1、 示波器的功用、分類、組成和波形顯示原理示波器的功用、分類、組成和波形顯示原理 通用示波器的組成原理、特性與應(yīng)用通用示波器的組成原理、特性與應(yīng)用 取樣技術(shù)在示波器中的應(yīng)用取樣技術(shù)在示波器中的應(yīng)用本章重點本章重點：1. 1. 示波器是一種基本的、示波器是一種基本的、應(yīng)用最廣泛應(yīng)用最廣泛的時域測量儀器。的時域測量儀器。2. 2. 示波器是一種示波器是一種全息儀器全息儀器。示波器能讓人們觀察到信號波形。示波器能讓人們觀察到信號波形的全貌，能測量信號的幅度、頻率、周期等基本參量，能測量的全貌，能測量信號的幅度、頻率、周期等基本參量，能測量脈沖信號的脈寬、占空比、上升（下降）時間、上沖、振鈴等脈沖信號的

2、脈寬、占空比、上升（下降）時間、上沖、振鈴等參數(shù)，還能測量兩個信號的時間和相位關(guān)系。這些功能是其它參數(shù)，還能測量兩個信號的時間和相位關(guān)系。這些功能是其它電子儀器難以勝任的。電子儀器難以勝任的。 3. 3. 示波器從早期的示波器從早期的定性觀測定性觀測，已發(fā)展到可以進(jìn)行，已發(fā)展到可以進(jìn)行精確測量精確測量。4. 4. 示波器是其它示波器是其它圖式儀器的基礎(chǔ)圖式儀器的基礎(chǔ)。對掃頻儀、頻譜儀、邏輯。對掃頻儀、頻譜儀、邏輯分析儀以及醫(yī)用分析儀以及醫(yī)用B B超等各種圖示儀器就容易理解了。超等各種圖示儀器就容易理解了。當(dāng)前常用的示波器從技術(shù)原理上可分為：當(dāng)前常用的示波器從技術(shù)原理上可分為： （1 1）模擬式

3、模擬式通用示波器通用示波器（采用單束示波管實現(xiàn)顯示，當(dāng)前（采用單束示波管實現(xiàn)顯示，當(dāng)前 最通用的示波器）。最通用的示波器）。 （2 2）數(shù)字式數(shù)字式數(shù)字存儲示波器數(shù)字存儲示波器（采用（采用A/DA/D、DSPDSP等技術(shù)實現(xiàn)等技術(shù)實現(xiàn)的數(shù)字化示波器）。的數(shù)字化示波器）。（1 1）中、低檔示波器，帶寬在）中、低檔示波器，帶寬在60MHz60MHz以下。以下。 （2 2）高檔示波器，帶寬在）高檔示波器，帶寬在60MHz60MHz以上，大多在以上，大多在300MHz300MHz以下。以下。 更高檔的有更高檔的有1GHz1GHz2GHz2GHz以上。以上。 從性能上，按示波器的帶寬可分為：從性能上，按

4、示波器的帶寬可分為： FKG1G2A1A2Y偏轉(zhuǎn)板X偏轉(zhuǎn)板輝度聚焦輔助聚焦+E-E熒光屏電子槍偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)熒光屏6.26.2 示波管（示波管（CRTCRT） 示波管屬于電真空器件，又稱為示波管屬于電真空器件，又稱為陰極射線管（陰極射線管（CRTCRT）。KG1G2A1A2Y2X2F6.3V-1KV0VX1亮度Ug1聚焦聚焦UA1輔助聚焦后加速極后加速極A315KV電子槍電子槍偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)熒光屏熒光屏Y1真空玻璃管真空玻璃管Z Z軸軸 1 1 電子槍電子槍電子槍的作用是電子槍的作用是發(fā)射電子并形成強(qiáng)度可控制的很細(xì)的電子束發(fā)射電子并形成強(qiáng)度可控制的很細(xì)的電子束。它由以下幾部分組成：它由以下幾部分組

5、成： 1.1.燈絲燈絲FF在交流低壓在交流低壓( (如如6.3V)6.3V)下使鎢絲燒熱下使鎢絲燒熱, ,用于加熱陰極。用于加熱陰極。2.2.陰極陰極KK是一個表面涂有氧化鋇（其逸出功小，內(nèi)部自由電子容易逸出）是一個表面涂有氧化鋇（其逸出功小，內(nèi)部自由電子容易逸出）的金屬的金屬 3.3.第一柵極第一柵極G1G1調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)G1G1的電位可以調(diào)節(jié)示波器的亮度，即進(jìn)行的電位可以調(diào)節(jié)示波器的亮度，即進(jìn)行“輝度輝度”調(diào)節(jié)，常置于示波器面板上供使用。調(diào)節(jié)，常置于示波器面板上供使用。 當(dāng)控制信號加于當(dāng)控制信號加于G1G1，其，其亮度亮度可隨之改變，則可以傳遞信息，稱為示波器的可隨之改變，則可以傳遞信息，稱為示

6、波器的Z Z軸軸電路。電路。4.4.第二柵極第二柵極G2G2隔離開隔離開G1G1和和A1A1，以減小亮度調(diào)節(jié)與聚焦調(diào)節(jié)的相互影響。，以減小亮度調(diào)節(jié)與聚焦調(diào)節(jié)的相互影響。5.5.第一陽極第一陽極A1A1與第二陽極與第二陽極A2A2構(gòu)成一個電子透鏡，對電子束起構(gòu)成一個電子透鏡，對電子束起聚焦聚焦作用。作用。 6.6.第二陽極第二陽極A2A2是個更大的同軸圓筒，其上電壓較高，它主要與是個更大的同軸圓筒，其上電壓較高，它主要與A1A1構(gòu)構(gòu)成成電子透鏡。調(diào)節(jié)電子透鏡。調(diào)節(jié)A2A2電位的旋鈕稱為電位的旋鈕稱為“輔助聚焦輔助聚焦”。7.7.第三陽極第三陽極A3A3具有上萬伏的高壓，用于對電子束加速，故也稱具

7、有上萬伏的高壓，用于對電子束加速，故也稱后加速后加速陽極陽極。 KG1G2A1A2圖圖6.4 6.4 電子束的偏轉(zhuǎn)電子束的偏轉(zhuǎn)L LS Sy yU Uy yU Ua a屏幕屏幕電子束電子束A A2 22yyyaL syUhUb UyyyaVhVbVLsy2yyhD1yyyaVhVbVLsy2aybVLsh2在一定范圍內(nèi)，熒光屏上光點的在一定范圍內(nèi)，熒光屏上光點的偏移距離偏移距離與偏轉(zhuǎn)板上與偏轉(zhuǎn)板上所加所加電壓電壓成正比，這是用示波管觀測波形的理論依據(jù)。成正比，這是用示波管觀測波形的理論依據(jù)。 熒光屏熒光屏在示波管正面內(nèi)壁涂上一層熒光物質(zhì)，熒光物質(zhì)將高速電子的在示波管正面內(nèi)壁涂上一層熒光物質(zhì)，熒

8、光物質(zhì)將高速電子的轟擊動能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?，產(chǎn)生亮點。轟擊動能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?，產(chǎn)生亮點。 余輝時間余輝時間：當(dāng)電子束從熒光屏上移去后，光點仍能在屏上保持：當(dāng)電子束從熒光屏上移去后，光點仍能在屏上保持一定的時間才消失。從電子束移去到光點：亮度下降為原始值一定的時間才消失。從電子束移去到光點：亮度下降為原始值的的1010，所延續(xù)的時間稱為余輝時間，所延續(xù)的時間稱為余輝時間 小于小于10s10s的為極短余輝；的為極短余輝； 不同熒光材料余輝時間不一樣：不同熒光材料余輝時間不一樣：10s10s1ms1ms為短余輝（通常是為短余輝（通常是藍(lán)色藍(lán)色，便于攝影感光）；，便于攝影感光）；1ms1ms0.1s0.1s為中

9、余輝（通常為為中余輝（通常為綠色綠色，眼睛不易疲勞）；，眼睛不易疲勞）； 0.1s0.1s1s1s為長余輝（通常是為長余輝（通常是黃色黃色）；）；大于大于1s1s為極長余輝（通常是為極長余輝（通常是黃色黃色）。）。(a) Ux=0、Uy=0 (b) Ux=0、Uy=常量 (c) Ux=常量、Uy=0 (d) Ux=常量、Uy=常量Uy0123401324Uy-UytUx0123401324Ux-UxtUy0123401324Uy-Uyt0UxtUx-Ux由由0 0、1 1、2 2、3 3、4 4各點的顯示各點的顯示情況可以理解波形顯示過程情況可以理解波形顯示過程/xxxSkth t cmsuy

10、TyTxuxtt t015(6)234789012345678uytuxTy54xyTT101110911yxTT45TsT=Tstt(a)被測脈沖(b)連續(xù)掃描，且T=Ts不能觀測到脈沖細(xì)節(jié)Tstt(a)被測脈沖(c)連續(xù)掃描，且T=T=脈沖得到展寬，但波形顯示暗，而時基線太亮 Tstt(a)被測脈沖(d)觸發(fā)掃描掃描等待能較好地觀測脈沖 t015234678012345678uytuxTyTx=2Tyt0123401234uytux01234024。t0123401234uytux01234。 圖圖3-13 3-13 通用示波器的主要組成框圖通用示波器的主要組成框圖vivoR1R2C1C2

11、最佳補(bǔ)償過補(bǔ)償欠補(bǔ)償Z1Z22211CRCR ：1122RCR C1122RCR C 觸 發(fā) 點輸 入 信 號掃 描 電 壓顯 示 波 形掃 描起 點tT觸發(fā)點輸入信號掃描電壓顯示波形輸入信號延遲后td掃描起點tT觸 發(fā) 源選 擇觸 發(fā) 耦 合方 式 選 擇放 大 整 形電 路掃 描閘 門掃 描 電 壓發(fā) 生 器水 平放 大 器比 較 和釋 抑 電 路觸 發(fā) 信 號觸 發(fā) 電 路掃 描發(fā) 生 器 環(huán)至 X偏 轉(zhuǎn) 板1.1.觸發(fā)電路觸發(fā)電路 作用作用-為掃描門提供周期與被測信號有關(guān)的觸發(fā)脈沖為掃描門提供周期與被測信號有關(guān)的觸發(fā)脈沖 圖圖3-22 3-22 觸發(fā)電路及其在面板上的對應(yīng)開關(guān)觸發(fā)電路及

12、其在面板上的對應(yīng)開關(guān)(1)(1)觸發(fā)源選擇觸發(fā)源選擇“內(nèi)內(nèi)”觸發(fā)觸發(fā)：利用從：利用從Y Y通道來的被測信號作觸發(fā)信號，這是最通道來的被測信號作觸發(fā)信號，這是最 常用的情況；常用的情況；“外外”觸發(fā)觸發(fā)：是用外接信號作觸發(fā)信號，但觸發(fā)信號的周期應(yīng)：是用外接信號作觸發(fā)信號，但觸發(fā)信號的周期應(yīng) 與被測信號有一定的關(guān)系，外觸發(fā)常用在被測信號不適宜作觸與被測信號有一定的關(guān)系，外觸發(fā)常用在被測信號不適宜作觸 發(fā)信號或比較兩個信號時間關(guān)系的情況。發(fā)信號或比較兩個信號時間關(guān)系的情況?！半娫从|發(fā)電源觸發(fā)”：在觀測與電源有關(guān)的信號時，可選：在觀測與電源有關(guān)的信號時，可選“電源電源”觸觸 發(fā)，以便于與電源同步。發(fā)，

13、以便于與電源同步。 (2)(2)觸發(fā)耦合方式觸發(fā)耦合方式 “DC”“DC”直接耦合直接耦合：用于直流或緩慢變化的信號進(jìn)行觸發(fā)時；：用于直流或緩慢變化的信號進(jìn)行觸發(fā)時； “AC”“AC”交流耦合交流耦合：若用交流信號觸發(fā)，置：若用交流信號觸發(fā)，置ACAC方式，這時電容方式，這時電容 C C1 1（約（約0.47F0.47F）起隔直作用；）起隔直作用； “低頻抑制低頻抑制”：利用：利用C C1 1、C C2 2（約（約0.01F0.01F）串聯(lián)后的電容，抑）串聯(lián)后的電容，抑 制信號中大約制信號中大約2kHz2kHz以下的低頻成分，主要目的是濾除信號中以下的低頻成分，主要目的是濾除信號中 的低頻干擾

14、；的低頻干擾； “HF”“HF”高頻耦合高頻耦合：利用：利用C C1 1和更小的和更小的C C3 3（約（約1000pF1000pF）串聯(lián)后）串聯(lián)后 只允許通過頻率很高的信號。只允許通過頻率很高的信號。 (a) 正電平、正極性(b) 正電平、負(fù)極性(c) 負(fù) 電 平 、 負(fù) 極 性(d) 負(fù) 電 平 、 正 極 性現(xiàn)代示波器中現(xiàn)代示波器中設(shè)計了設(shè)計了“自動自動觸發(fā)電路觸發(fā)電路”，使觸發(fā)點能自使觸發(fā)點能自動地保持在最動地保持在最佳的觸發(fā)電平佳的觸發(fā)電平的位置。的位置。掃描閘門掃描鋸齒波發(fā)生器比較和釋抑電路+E至X放大器+E“穩(wěn)定度”調(diào)節(jié)比較電平觸發(fā)脈沖輸入“增輝”脈沖圖圖3-18 3-18 施密

15、特電路及其滯施密特電路及其滯后特性后特性 u uo o 回回差差 u ub1b1 u ub1b1 E E0 0 E E0 0 釋抑釋抑電壓電壓觸發(fā)脈沖觸發(fā)脈沖 u ub1b1直流電平直流電平E E0 0 釋抑電壓釋抑電壓 （鋸齒掃描電壓產(chǎn)生，密勒（鋸齒掃描電壓產(chǎn)生，密勒(Miller)(Miller)積分器）積分器）U Uu u0 0U Uu u0 0U Uu ui i圖圖3-17 3-17 密勒積分器密勒積分器tRCEEdtRCuo1RCRC（分檔）（分檔）E E（微調(diào)）（微調(diào)）改變鋸齒波斜率，即掃描速改變鋸齒波斜率，即掃描速度度定義定義顯示屏上單位長度所代顯示屏上單位長度所代表的時間為示波

16、器的掃描速表的時間為示波器的掃描速度度S Ss s(t/cm)(t/cm)按按1 1、2 2、5 5分多檔，例如分分多檔，例如分2121檔：檔：0.2S1S/cm0.2S1S/cm積分器產(chǎn)生的鋸齒波電壓被送入積分器產(chǎn)生的鋸齒波電壓被送入X X放大放大器中放大，再加至水平偏轉(zhuǎn)板器中放大，再加至水平偏轉(zhuǎn)板圖圖3-19 3-19 比較和釋抑電路示意圖比較和釋抑電路示意圖-E-E充電充電放電放電E1E0E2Er來 自 比 較 電 路的 參 考 電 平（ 比 較 電 平 ）掃 描 發(fā) 生器 輸 出 Vo上 觸 發(fā) 電 平下 觸 發(fā) 電 平通 過 “ 穩(wěn) 定 度” 調(diào) 節(jié) 的 靜 態(tài)工 作 電 平 E0觸

17、 發(fā) 脈 沖12345抑 制 期回 掃 期開 始 下 一次 掃 描跟 隨 Vo6釋 放閘 門 輸 出疊 加 后 的閘 門 輸 入Up 觸發(fā)掃描狀態(tài)觸發(fā)掃描狀態(tài)欲看欲看3 3個脈沖個脈沖：1 1、5 5號脈沖觸發(fā)有效號脈沖觸發(fā)有效2 2、3 3號脈沖無用號脈沖無用4 4號脈沖要抑制號脈沖要抑制注意注意：三個時刻：三個時刻：t t1 1、t tp p、t t2 2三個時間：三個時間：t tb b、t th h、t tw w要求要求： t th httb b（釋抑放電時間大釋抑放電時間大于回掃時間于回掃時間）圖圖3-20 3-20 比較和釋抑電路的工作比較和釋抑電路的工作U UP Pu uo ou

18、ui it tp pt tw w圖圖3-21 3-21 在連續(xù)掃描情況下，比較和釋抑電路的工作在連續(xù)掃描情況下，比較和釋抑電路的工作t t1 1t t2 2t t4 4t t5 5t t1 1t t3 3C Ch h充充U Ur r連續(xù)掃描狀態(tài)連續(xù)掃描狀態(tài)預(yù)置：預(yù)置：調(diào)調(diào) “ 穩(wěn) 定 度穩(wěn) 定 度 ” 使使 E E0 0EE1 1因此，不論是否有觸因此，不論是否有觸發(fā)脈沖都可以進(jìn)行掃發(fā)脈沖都可以進(jìn)行掃描。描。當(dāng)有信號（當(dāng)有信號（2 2號觸發(fā)脈號觸發(fā)脈沖）則環(huán)路被信號所沖）則環(huán)路被信號所同步。同步。取樣脈沖p(t)輸入信號Vi(t)取樣信號Vo(t)tttt輸入信號取樣脈沖取樣信號經(jīng)放大和延長電

19、路后的信號（顯示波形）mTt2 t3 t4 tsTmTt12345輸入信號輸出信號Vi(t)Vo(t)取樣脈沖p(t)取樣門RCSsTmTt12htf 輸入信號Y放大器輸出tmTt2 t 3 t4 tsTmTt12345tX放大器輸出（掃描階梯波電壓）延遲線取樣電路觸發(fā)電路Y延長門垂直放大器水平放大器步進(jìn)脈沖發(fā)生器Y輸入外觸發(fā)內(nèi)外掃描信號發(fā)生器至X偏轉(zhuǎn)板至Y偏轉(zhuǎn)板A反饋電路CsCmui(t)S1取樣門取樣脈沖延長門脈沖S2延長門+-至Y放大器uo(t)跟隨器交流放大器1csiuKA u21212oiiiiuKAuKA uuKAu快斜波發(fā)生器水平放大器電壓比較器觸發(fā)脈沖階梯波發(fā)生器取樣脈沖發(fā)生器

20、泵發(fā)生器至取樣門至X偏轉(zhuǎn)板30.44 0.64dBfssUnUFFesesssFFesTVLVStnVtVTVLtnS/1)(等效掃速因此，等效掃速與快斜波上升斜率成反比，可以通過調(diào)節(jié)快斜波斜率來調(diào)整等效掃速。應(yīng)當(dāng)指出，取樣示波器是荷蘭菲利浦（應(yīng)當(dāng)指出，取樣示波器是荷蘭菲利浦（PhilipsPhilips）公司最先研）公司最先研制成功的，制成功的，19691969年美國年美國HPHP公司也研制生產(chǎn)了取樣示波器，公司也研制生產(chǎn)了取樣示波器，帶寬已達(dá)帶寬已達(dá)18GHz18GHz，后來進(jìn)展緩慢，以至停產(chǎn)。其主要原因：，后來進(jìn)展緩慢，以至停產(chǎn)。其主要原因： 一是一是單純的取樣示波器只能觀測重復(fù)性的周期

21、信號，應(yīng)用范單純的取樣示波器只能觀測重復(fù)性的周期信號，應(yīng)用范圍受限圍受限； 二是二是數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，已將數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，已將取樣技術(shù)融合到數(shù)字示波器中去了取樣技術(shù)融合到數(shù)字示波器中去了，現(xiàn)代數(shù)字示波器不僅可以觀測超高頻重復(fù)性的周期信號，還可現(xiàn)代數(shù)字示波器不僅可以觀測超高頻重復(fù)性的周期信號，還可以觀測瞬態(tài)的單次脈沖，并且還具有存儲功能。以觀測瞬態(tài)的單次脈沖，并且還具有存儲功能。 因此，現(xiàn)在市場上已因此，現(xiàn)在市場上已很少見單純的取樣示波器了很少見單純的取樣示波器了，但取樣示波，但取樣示波器技術(shù)為現(xiàn)代數(shù)字示波器奠定了良好的基礎(chǔ)。器技術(shù)為現(xiàn)代數(shù)字示波器奠定了良好的基礎(chǔ)。 Y1輸入電路Y1前置放大器Y1

22、門電路電子開關(guān)延遲線Y后置放大器Y2輸入電路Y2前置放大器Y2門電路至Y偏轉(zhuǎn)板Y1輸入Y2輸入控制信號uy1uy2uxuy1uy2ux前置放大延長線Y后置放大A觸發(fā)A掃描電子開關(guān)X放大電壓比較B觸發(fā)選擇門Y線光跡分離電路+-B掃描RPY輸入A增輝B增輝12341234輸 入 信 號A 觸 發(fā)A 掃 描延 遲 觸 發(fā) 電 平B 觸 發(fā)B 掃 描A 增 輝B 增 輝合 成 增 輝KGA1A2G11G12G21G22K1K2收集極存儲介質(zhì)存儲柵網(wǎng)熒光屏YX寫入電子槍偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)讀出電子槍記憶與顯示記錄系統(tǒng)泛射系統(tǒng)衰減器放大器觸發(fā)電路A/D轉(zhuǎn)換器延遲線存儲器（RAM）D/A轉(zhuǎn)換器地址計數(shù)器D/A轉(zhuǎn)換器垂直放大器水平放大器掃描發(fā)生器邏輯控制電路（微處理器）輸入外觸發(fā)內(nèi)外實時存儲實時實時存儲存儲至X偏轉(zhuǎn)板至Y偏轉(zhuǎn)板新波形到來移出，消逝輸入波形放大顯示波形(