《電子測量技術(shù)》教學(xué)

1、第第8章章 示波測試技術(shù)示波測試技術(shù)內(nèi)容提要內(nèi)容提要 介紹了示波器圖象顯示的基本原理；分析了通用示波器、取樣示波器、記憶存儲示波器及數(shù)字存儲示波器的工作原理；重點介紹了通用示波器電路組成、測試的基本原理、測試方法；并詳細介紹使用示波器進行電壓、時間、相位等參量測試的方法。 重點與難點重點與難點 重點：重點：掌握各種示波器的電路組成、測試的基本原理、測試方法及應(yīng)用；掌握掃描、同步、觸發(fā)等基本概念。 難點：難點：掃描、同步、觸發(fā)等概念；示波器各種功能鍵、控制鍵與電路的對應(yīng)關(guān)系。 模擬示波器數(shù)字示波器數(shù)字示波器8.1 概述 示波器是時域分析的最典型儀器，也是當(dāng)前電子測量領(lǐng)域中，品種最多、數(shù)量最大、最

2、常用的一種儀器，使用示波器可直觀地看到電信號隨時間變化的圖形。更廣泛的，只要能把兩個有關(guān)系的變量轉(zhuǎn)化為電參數(shù)，分別加至示波器的X、Y通道,就可以在熒光屏上顯示這兩個變量之間的關(guān)系。 8.1.1 示波器的分類低頻示波器通用示波器 普通示波器寬帶示波器多束示波器示波器的分類 取樣示波器記憶、存儲示波器特種示波器8.1.2 示波器的主要技術(shù)指標頻帶寬度垂直靈敏度示波器主要性能指標 輸入阻抗掃描速度同步（或觸發(fā)）電壓8.2 示波測試的基本原理8.2.1 示波器的測試過程Y軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)X軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)圖8.1示波器結(jié)構(gòu)的框圖 被測信號 示波管8.2.2 陰極射線示波管 1電子槍電子槍 電子槍由燈絲F、陰極K、

3、柵極G1和G2、陽極A1和A2組成。 當(dāng)燈絲F通電后，加熱陰極，涂有氧化物的陰極發(fā)射出大量的電子，電子在陽極吸引下形成電子束，轟擊熒光屏上的熒光粉發(fā)光。2偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng) 兩對相互垂直的、平行的金屬板X偏轉(zhuǎn)板和Y偏轉(zhuǎn)板共同作用，決定任一瞬間光點在屏上的位置。 在偏轉(zhuǎn)電壓Uy的作用下，Y方向的偏轉(zhuǎn)距離為 式中 L 偏轉(zhuǎn)板的長度； S 偏轉(zhuǎn)板中心到屏幕中心的距 離； b 偏轉(zhuǎn)板之間的距離； Uy垂直偏轉(zhuǎn)板所加偏轉(zhuǎn)電壓； Ua 第二陽極電壓。 yaubULSy2 L、b、S均為常數(shù)，第二陽極的電壓Ua也基本不變，所以Y方向的偏轉(zhuǎn)距離y正比于偏轉(zhuǎn)板上的電壓 uy ，即 式中 y Y方向的偏轉(zhuǎn)距離； 比

4、例系數(shù)，稱為示波管的偏轉(zhuǎn)因數(shù)，單位為cm/V； uy 垂直偏轉(zhuǎn)板所加的偏轉(zhuǎn)電壓。 yhyyuhy 其中，比例系數(shù) 的倒數(shù)稱為示波管的垂直靈敏度，單位為V/cm。 垂直偏轉(zhuǎn)靈敏度是示波管的一個重要參數(shù)。 在一定范圍內(nèi)，熒光屏上光點偏移在一定范圍內(nèi)，熒光屏上光點偏移的距離與偏轉(zhuǎn)板上所加電壓成正比，這的距離與偏轉(zhuǎn)板上所加電壓成正比，這是用示波管觀測波形的理論根據(jù)。是用示波管觀測波形的理論根據(jù)。yh3熒光屏 示波管熒光屏的內(nèi)壁涂有一層熒光物質(zhì)，當(dāng)高速電子轟擊熒光屏上熒光物質(zhì)時，熒光將電子的動能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?，產(chǎn)生亮點。 光點的亮度取決于轟擊電子束中電子的數(shù)目、密度和速度。8.2.3 圖象顯示的基本原理1顯

5、示隨時間變化的圖形顯示隨時間變化的圖形 圖(a) Vx=Vy=0 (b) Vx=0，Vy=常量 (c) Vx=常量，Vy=0 (d) Vx=常量，Vy=常量 圖8.4固定電壓與光點偏移的關(guān)系圖(a) Y偏轉(zhuǎn)板加正弦波信號 (b) X偏轉(zhuǎn)板加鋸齒波信號 圖8.5 可變電壓與光點偏移的關(guān)系圖+ux-uxtTn0234ux1+uyTSt0234uy10-uy234102341Y偏轉(zhuǎn)板加正弦波信號電壓X偏轉(zhuǎn)板加鋸齒波電壓 。 即X、Y偏轉(zhuǎn)板同時加電壓，假設(shè) ，則電子束在兩個電壓的同時作用下，在水平方向和垂直方向同時產(chǎn)生位移，熒光屏上將顯示出被測信號隨時間變化的一個周期的波形曲線。如圖8.6所示。tuu

6、ymysinktuxyxTT 圖8.6 X、Y偏轉(zhuǎn)板同時加信號時光點的軌跡圖2顯示任意兩個變量之間的關(guān)系顯示任意兩個變量之間的關(guān)系 示波器兩個偏轉(zhuǎn)板上都加正弦電壓時顯示李沙育(Lissajous)圖形。3掃描的概念掃描的概念光點在鋸齒波作用下掃動的過程稱為掃描。能實現(xiàn)掃描的鋸齒波電壓叫掃描電壓。光點自左向右的連續(xù)掃動稱為“掃描正程”，光點自屏的右端迅速返回起掃點的過程稱為“掃描逆程”。 4同步的概念同步的概念 同步即熒光屏上顯示穩(wěn)定的波形，即顯示曲線形狀相同，并有同一個起點。 (n為正整數(shù)) (n為正整數(shù)) yxnTT yxnTT 圖8.8 Tx =2Ty時熒光屏顯示的波形情況TytuyTx

7、=2Tyuxt0123450，68910Tytuy012345Tx =5/4Tyuxt 圖8.9 時熒光屏顯示的波形情況yxTT455連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描掃描正程緊跟著逆程，逆程結(jié)束又開始新的正程，掃描是不間斷的，這種掃描方式稱為連續(xù)掃描。(b)連續(xù)掃描Tx=Ty(c)連續(xù)掃描Tx=(a)被測信號(d)觸發(fā)掃描Tx=圖8.10連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描的比較ux0Txt0uytTyux0tTxux0tTx8.3 通用示波器通用示波器 8.3.1 通用示波器的組成通用示波器的組成 主要由示波管、垂直通道和水平通道三部分組成。此外，還包括電源電路，它產(chǎn)生示波管和儀器電路中需要的多種電源。通

8、用示波器中還常用附有校準信號發(fā)生器，產(chǎn)生幅度或周期非常穩(wěn)定的校準信號，用于示波器的校準，以便對被測信號進行定量測試。Y輸入Y輸入電路Y前置放大器延遲線Y后置放大器增輝電路高壓電源低壓電源X放大電路掃描電路觸發(fā)電路校準信號 發(fā)生器外觸發(fā)輸入X輸入校準信號輸出正高壓負高壓各電路8.3.2 通用示波器的垂直通道 垂直通道（Y軸通道）是對被測信號處理的主要通道，它將輸入的被測信號進行衰減或線性放大，并在一定范圍內(nèi)保持增益穩(wěn)定，最后，輸出符合示波管偏轉(zhuǎn)要求的信號，以推動垂直偏轉(zhuǎn)板，使被測信號在屏幕上顯示出來。 垂直通道包括輸入電路、Y前置放大器、延遲線和Y后置放大器等部分 。1輸入電路 主要是由衰減器和

9、輸入選擇開關(guān)構(gòu)成。衰減器衰減器 衰減器如圖8.12所示。當(dāng) 時，衰減器的分壓比為 改變分壓比，即改變示波器的偏轉(zhuǎn)靈敏度。改變分壓比的開關(guān)即為示波器垂直靈敏度粗調(diào)開關(guān)，在面板上常用Vcm標記。2211CRCR212212RRRZZZvvio輸入衰減器原理圖 輸入耦合方式輸入耦合方式設(shè)有AC、GND、DC三檔選擇開關(guān)。置“AC”時，輸入信號經(jīng)電容耦合到衰減器上，只有交流分量可通過，適于觀察交流信號。置“GND”時，用于確定零電平，即不需要斷開被測信號，可為示波器提供接地參考電平。置“DC”時，輸入信號直接接到衰減器，用于觀測頻率很低的信號或帶有直流分量的交流信號。2前置放大器前置放大器 前置放大器

10、將信號適當(dāng)放大，并從中取出內(nèi)觸發(fā)信號，具有靈敏度調(diào)節(jié)、校正、Y軸移位等控制作用。 3延遲線延遲線 延遲線是一種起延遲時間作用傳輸線。 目前延遲線主要有兩種，一種是采用雙股螺旋平衡式延遲電纜；另一種是利用LC非線性電路的后滯作用構(gòu)成的多節(jié)LC網(wǎng)絡(luò)。 4Y輸出放大器輸出放大器 Y輸出放大器是Y通道的主放大器，它的功能是將延遲線傳輸來的被測信號放大到足夠的幅度，用以驅(qū)動示波管的垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，使電子束獲得Y方向的滿偏轉(zhuǎn)。 8.3.3 通用示波器的水平通道 水平通道（X軸通道）的主要任務(wù)是產(chǎn)生隨時間線性變化的掃描電壓，再放大到足夠幅度，然后輸出推挽信號，加到水平偏轉(zhuǎn)板上，使光點在熒光屏的水平方向達到滿偏

11、轉(zhuǎn)。 水平系統(tǒng)組成框圖 水平系統(tǒng)通道包括觸發(fā)電路、掃描電路和水平放大器等部分。 觸發(fā)電路觸發(fā)耦合方式選擇 觸發(fā)源 選擇放大整形 電路掃描信號發(fā)生器比較和釋抑電路 掃描 閘門掃描電壓產(chǎn)生電路X偏轉(zhuǎn)板 水平放大器 圖8.13水平系統(tǒng)組成框圖1觸發(fā)電路觸發(fā)電路的作用是為掃描信號發(fā)生器提供符合要求的觸發(fā)脈沖。觸發(fā)電路包括觸發(fā)源選擇、觸發(fā)耦合方式選擇、觸發(fā)方式選擇、觸發(fā)極性選擇、觸發(fā)電平選擇和觸發(fā)放大整形等電路。觸發(fā)源選擇觸發(fā)源選擇觸發(fā)源一般有3種類型的觸發(fā)源，用開關(guān)S1選擇，如圖8.14所示。觸發(fā)耦合方式觸發(fā)耦合方式示波器一般設(shè)有4種觸發(fā)耦合方式，可用開關(guān)S2選擇，如圖8.14所示。圖8.14觸發(fā)源與

12、觸發(fā)耦合方式選擇電路內(nèi)觸發(fā)外觸發(fā)輸入電源觸發(fā)S1觸發(fā)源選擇C1觸發(fā)源耦合方式選擇S2DCACLF REJC2C3HF REJ觸發(fā)極性選擇觸發(fā)放大 整形電路掃描觸發(fā)方式選擇（掃描觸發(fā)方式選擇（TRIG MODE）掃描觸發(fā)方式通常有常態(tài)（NORM）、自動（AUTO）2種方式。a. 常態(tài)（常態(tài)（NORM）觸發(fā)方式）觸發(fā)方式是指只有在有觸發(fā)源信號，并且產(chǎn)生了有效的觸發(fā)脈沖時，掃描電路才能被觸發(fā)，才能產(chǎn)生掃描鋸齒波電壓，熒光屏上才有掃描線。b. 自動（自動（AUTO）觸發(fā)方式）觸發(fā)方式自動觸發(fā)方式是指在一段時間沒有觸發(fā)脈沖時，掃描系統(tǒng)按連續(xù)掃描方式工作，此時掃描電路處于自激狀態(tài)，有連續(xù)掃描鋸齒波電壓輸出

13、，熒光屏上顯示出掃描線。自動觸發(fā)方式是一種最常用的觸發(fā)方式。自動觸發(fā)方式是一種最常用的觸發(fā)方式。觸發(fā)極性選擇和觸發(fā)電平觸發(fā)極性選擇和觸發(fā)電平 圖8.15不同觸發(fā)電平和觸發(fā)極性下所顯示的波形（a）被測正弦信號（b）零電平 正極性觸發(fā)（d）正電平 負極性觸發(fā)（e）負電平 負極性觸發(fā)（c）正電平 正極性觸發(fā)（f）負電平正極性觸發(fā)0t023uy1414322掃描信號發(fā)生電路掃描信號發(fā)生電路 掃描發(fā)生器用來產(chǎn)生線性良好的鋸齒波，又叫時基電路，常由積分器、掃描門及比較和釋抑電路組成，如圖8.16所示。 圖8.16掃描信號發(fā)生器組成框圖 比較和 釋抑電路 掃描 閘門 掃描電壓 產(chǎn)生電路送X放大器觸發(fā)脈沖觸發(fā)

14、連續(xù)掃描方式選擇掃描方式選擇 為了更好地觀測各種信號，示波器應(yīng)該既能連續(xù)掃描又能觸發(fā)掃描，掃描方式的選擇通過開關(guān)進行。在在連續(xù)掃描時連續(xù)掃描時，沒有觸發(fā)脈沖信號，掃描閘門也不受觸發(fā)脈沖的控制，仍會產(chǎn)生門控信號，并啟動掃描發(fā)生器工作；在觸發(fā)掃描時在觸發(fā)掃描時，只有在觸發(fā)脈沖作用下才產(chǎn)生門控信號。掃描門掃描門 掃描門是用來產(chǎn)生閘門信號的，它有三個作用。a. 輸出時間準確的矩形開關(guān)信號，又稱閘門信號，控制積分器掃描。b. 閘門信號可作為增輝脈沖控制示波管，起正程加亮作用。c. 在雙蹤示波器中利用閘門信號觸發(fā)電子開關(guān)，使之工作于交替狀態(tài)。RC2RC1Rb2ui+ET1ReRb1T2uo（a）電路圖 （

15、b）工作波形 圖8.17施密特觸發(fā)器構(gòu)成的掃描門HELEiuou積分器掃描電壓是鋸齒形的，它由積分器產(chǎn)生。a. 簡單鋸齒波的形成簡單鋸齒波的形成（a）電路圖 （b）工作波形 圖8.18簡單鋸齒波的形式KECRuoE tb. 線性良好鋸齒波的獲得線性良好鋸齒波的獲得圖8.19密勒積分器的電路模型CRuoui i比較和釋抑電路比較和釋抑電路 比較電路利用比較、識別電平的功能來控制鋸齒波的幅度。 （a）比較和釋抑電路 （b）施密特電路及有關(guān)輸入輸出信號 圖8.20掃描環(huán)的工作過程比較和釋抑VTb積分器掃描門RPRh+ECh+_穩(wěn)定度-EVD+E來自釋抑電路VT1去掃描環(huán)+E穩(wěn)定度-EVD來自觸發(fā)電路

16、VT2+E3水平放大器水平放大器 水平放大器的基本作用是選擇X軸信號，并將其放大到足以使光點在水平方向達到滿偏的程度。 示波器除了顯示隨時間變化的波形外，還可以作為一個X-Y圖示儀來顯示任意兩個函數(shù)間的關(guān)系，因此X放大器的輸入端有“內(nèi)”、“外”信號的選擇。置于置于“內(nèi)內(nèi)”時時，X放大器放大掃描信號；置于置于“外外”時時，水平放大器放大由面板上X輸入端直接輸入的信號。8.3.4 通用示波器的其它電路 1高、低壓電源低壓電源為電路各級提供所需的直流電壓。高壓電源電路多用于示波器的高、中壓供電2Z軸增輝與調(diào)輝 增輝作用是將閘門信號放大，加到示波器管上，使顯示的波形正程加亮。 調(diào)輝電路的作用是將外調(diào)制

17、信號或時標信號加到示波管上，使屏幕顯示的波形與調(diào)制發(fā)生相應(yīng)的變化。3校準信號發(fā)生器 校準信號發(fā)生器可產(chǎn)生基準方波信號，它為儀器提供校準信號源，以便隨時校準示波器的垂直靈敏度和掃描時間因數(shù)。8.3.5 示波器的多波形顯示 1多線示波 多線示波利用多槍電子管來實現(xiàn)。2多蹤示波 多蹤示波是在單線示波的基礎(chǔ)上，增加電子開關(guān)實現(xiàn)多個波形的同時顯示。 圖8.23雙蹤示波器垂直系統(tǒng)框圖 延遲線 電子 開關(guān)Y1輸入 Y輸入 電路 Y前置 放大器 Y1 門電路Y2輸入 Y輸入 電路 Y前置 放大器 Y2 門電路 Y后置 放大器控制信號示波器顯示方式 根據(jù)電子開關(guān)工作方式的不同，雙蹤示波器有5種顯示方式?！癥1”通道（通道（CH1） 接入Y1通道，單蹤顯示Y1的波形?！癥