電子測量儀器(第2版)肖曉萍主編第四章

4.1概述4.2陰極射線示波管4.3圖形顯示的基本原理4.4通用示波器

4.4.1通用示波器的組成及主要技術(shù)性能

4.4.2垂直系統(tǒng)（Y通道）

4.4.3水平系統(tǒng)（X通道）

4.4.4主機系統(tǒng)（Z通道）

4.5示波器的選擇和使用4.5.1示波器選擇的一般原則

4.5.2示波器的正確使用

4.6示波器的基本測量方法4.6.1測量脈沖信號參數(shù)

4.6.2測量電壓

4.6.3測量時間和頻率

4.6.4測量正弦信號的相位

第4章電子示波器4.1概述

示波器——把人眼看不見的電信號轉(zhuǎn)換成具體的可見圖像顯示在屏幕上的儀器。它是典型的時域測量儀器。頻譜分析儀——典型的頻域測量儀器，也稱為頻域示波器。邏輯分析儀——典型的數(shù)據(jù)域測量儀器，也稱為邏輯示波器。示波器的基本功能：直接測量被測信號的電壓、頻率、周期、時間、相位、調(diào)幅系數(shù)等參數(shù)；

間接觀測電路的有關(guān)參數(shù)及元器件的伏安特性；

利用傳感器，還可測量各種非電量甚至人體的某些生理現(xiàn)象，常用在科學(xué)研究、航空航天、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、地質(zhì)勘探等方面。

返回圖4.2電子槍內(nèi)部的等電位線分布圖圖4.3電子聚焦過程4.2陰極射線示波管

1.電子槍圖4.1示波管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖（1）電子束的聚焦（2）第三陽極A3的作用2.偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)

示波管的偏轉(zhuǎn)因數(shù)S

3.熒光屏圖4.4電子在偏轉(zhuǎn)板內(nèi)的運動Ud——偏轉(zhuǎn)電壓；Ua——第2陽極A2上的電壓；L，ld，d——與示波管結(jié)構(gòu)有關(guān)的尺寸。返回4.3圖形顯示的基本原理

1.波形顯示原理例如，將ux、uy信號分別加到X、Y偏轉(zhuǎn)板上，如ux、uy同步則屏幕上顯示如圖4.5所示;如ux、uy不同步則屏幕上顯示如圖4.6所示圖4.5波形顯示原理圖4.6掃描電壓與被測電壓不同步2.X－Y顯示原理圖4.7兩個同頻率信號構(gòu)成的李沙育圖形返回圖4-8通用示波器總方框圖1.通用示波器的組成包括三個部分：垂直系統(tǒng)（Y通道）、水平系統(tǒng)（X通道）、主機系統(tǒng)（Z通道），工作過程如圖4.8（b）。4.4.1通用示波器的組成及主要技術(shù)性能

4.4通用示波器2.通用示波器的主要技術(shù)性能(1)

掃描時間因數(shù)單位為“t/div”或“t/cm”，t可取

s，ms或s。(2)

觸發(fā)性能觸發(fā)包括內(nèi)、外觸發(fā)和電源觸發(fā)。(3)

垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)單位為Vp-p

/div或Vp-p/cm。圖4.9帶寬的表示方法(4)

頻帶寬度(頻域響應(yīng))

fH(單位:Hz)與示波器的上升時間tro（s）關(guān)系：在交流耦合位置，Y軸系統(tǒng)對輸入的低頻方波會產(chǎn)生下垂，如果低頻方波寬度為τ，重復(fù)頻率f=1/2τ，則下截止頻率：

fH

tro≈0.35

BY=fH

－fL≈fH(5)瞬態(tài)響應(yīng)（時域響應(yīng)）圖4.10瞬態(tài)響應(yīng)的表示方法①

Sb：上沖量②

Sc：阻尼振蕩③

Sd：預(yù)沖，又稱前沖④

Se：下垂⑤

Sf：后過沖⑥

tr：上升時⑦

tf：下降時間⑧

脈沖寬度τ⑨

脈沖周期和重復(fù)頻率：⑩

脈沖的占空系數(shù)ε：例如SBM－10A型示波器fH=30MHz，則上升時間：（6）輸入阻抗4.4.2垂直系統(tǒng)（Y通道）圖4.11垂直系統(tǒng)的基本組成1.輸入電路輸入電路完成對輸入信號的耦合和大小的粗調(diào)作用，并在輸入信號與前置放大器之間起阻抗變化的作用。（1）探頭示波器在使用前必須進行探頭的校準，如圖4.12所示。圖4.12

圖4.13耦合電路和衰減器（2）輸入耦合方式有DC、AC和⊥（GND）三種方式。（3）

步進衰減器（4）阻抗轉(zhuǎn)換器2.前置放大器對信號進行適當(dāng)放大，并同時完成各種功能調(diào)節(jié)（包括增益微調(diào)、Y軸位移、極性轉(zhuǎn)換等）和取出內(nèi)觸發(fā)信號。3.延遲線對通過Y軸電路的被測信號適當(dāng)延遲。4.后置放大器將被測信號放大到足夠大的幅度，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)。并完成垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)“×5”或“×10”擴展功能。5.內(nèi)觸發(fā)放大器放大內(nèi)觸發(fā)信號用于啟動水平掃描電路。

圖4.14雙蹤示波器的基本組成框圖雙蹤示波器有五種工作方式：Y1、Y2、Y1±Y2、斷續(xù)和交替。（1）交替顯示電子開關(guān)的轉(zhuǎn)換受掃描控制電路的操縱，它的轉(zhuǎn)換周期和掃描周期相等。如圖4.15（a）所示。（2）斷續(xù)顯示電子開關(guān)工作于自激狀態(tài)，不受掃描發(fā)生器的控制。兩個信號的光點輪流地顯示在屏幕上，如圖4.15(b)所示。圖4.15雙蹤顯示方式6.雙蹤顯示原理4.4.3水平系統(tǒng)（X通道）示波器的水平系統(tǒng)包括三個部分：①觸發(fā)電路；②時基發(fā)生器；③水平放大器。

圖4.16水平系統(tǒng)總方框圖1.觸發(fā)電路為時基發(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)放大整形電路。（1）觸發(fā)源選擇①內(nèi)觸發(fā)（INT）②外觸發(fā)（LINE）③電源觸發(fā)（2）觸發(fā)耦合方式為了適應(yīng)不同的被測信號頻率，示波器一般設(shè)有如圖4.17所示幾種觸發(fā)耦合方式。①“DC”直流耦合②“AC”交流耦合③“AC”（H）圖4-17（3）

觸發(fā)方式（TRIGMODE）選擇觸發(fā)方式通常有常態(tài)、自動和電視三種方式：①常態(tài)觸發(fā)方式（NORM）不同的觸發(fā)極性和觸發(fā)電平，觸發(fā)點不同，即掃描起始點不同，則顯示的波形也不相同，如圖4.18所示。圖4.18觸發(fā)極性和觸發(fā)電平不同對波形顯示的影響不足點：在沒有輸入信號或觸發(fā)電平調(diào)節(jié)不適當(dāng)時，就沒有觸發(fā)脈沖輸出，因而也無掃描基線。②自動觸發(fā)方式（AUTO）在無被測信號輸入時仍產(chǎn)生掃描電壓，一旦有觸發(fā)信號，自激多諧振蕩器由觸發(fā)信號同步而形成觸發(fā)掃描，一般測量均使用自動觸發(fā)方式。③電視觸發(fā)方式（TV）產(chǎn)生行、場同步觸發(fā)脈沖來實現(xiàn)電視觸發(fā)功能，使示波器可用于電視信號的監(jiān)測和電視設(shè)備的維修。TV-V：用于觀測電視信號中的行信號波形。TV-H：用于觀測電視信號中的場信號波形。（4）觸發(fā)整形電路對任意的輸入到觸發(fā)電路的信號（波形復(fù)雜，頻率、幅度、極性也不盡相同）進行放大、整形，變換為符合時基發(fā)生器要求的邊沿陡峭、寬度適中、極性和幅度一定的觸發(fā)脈沖，以保證時基發(fā)生器的穩(wěn)定工作。2.時基發(fā)生器電路（掃描發(fā)生器電路）時基發(fā)生器也稱掃描發(fā)生器環(huán)，主要由掃描閘門、掃描電壓產(chǎn)生電路、比較和釋抑電路組成，如圖4.19（a）所示。

（1）時基發(fā)生器電路的一般工作過程如圖4.19（b）所示，圖中，T1為鋸齒波正程；T2為鋸齒波回程；th為釋抑時間；T0為靜止期；T為鋸齒波周期。圖4.19

圖4.20用施密特電路構(gòu)成的時基閘門電路

（3）掃描鋸齒波產(chǎn)生電路密勒積分電路原理如圖4.21（a）所示。積分器的輸出電壓：（2）掃描閘門產(chǎn)生閘門信號。圖4.20（a）用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的時基閘門電路。V1、V2組成施密特觸發(fā)器，起門控電路作用，V3為門開關(guān)管。（4）比較電路和釋抑電路比較電路利用它的比較、識別電平的功能來控制鋸齒波的幅度,使電路產(chǎn)生等幅掃描。釋抑電路用來使掃描發(fā)生器電路在掃描逆程開始后,“抑止”掃描閘門，使“抑止”期間不再受同極性觸發(fā)脈沖的觸發(fā)，以便掃描鋸齒波產(chǎn)生電路恢復(fù)到掃描的起始電平上。（5）掃描方式分類掃描可分為連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描兩種方式。圖4.22比較電路和釋抑電路圖4.21密勒掃描電路原理

圖4.23連續(xù)掃描的波形顯示圖4.24脈沖信號的連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描顯示①連續(xù)掃描當(dāng)掃描環(huán)工作在自激狀態(tài)時，掃描電壓是周期性的鋸齒波電壓。②觸發(fā)掃描只有在觸發(fā)脈沖作用下才產(chǎn)生一次掃描電壓，即掃描環(huán)工作在它激狀態(tài)。觸發(fā)掃描時鋸齒波可以是連續(xù)狀態(tài)，也可以是間歇狀態(tài)。圖4.25AB交替掃描顯示方式（6）雙掃描顯示雙掃描顯示——利用X軸電子開關(guān)使得能夠以不同掃描速度分別顯示同一波形的不同部分。水平通路有兩個掃描通路:A掃描和B掃描(又稱延遲掃描)。以A掃描通路為主，B掃描在A掃描開始工作后的某一時刻開始掃描，B掃描被A掃描所延遲，B掃描又稱為延遲掃描。3.水平放大器水平放大器是X軸主放大器，主要用來放大掃描鋸齒波電壓，將單端信號變?yōu)殡p端輸出信號去驅(qū)動示波管的水平偏轉(zhuǎn)板。同時還具有X位移和擴展等功能。4.4.4主機系統(tǒng)（Z通道）

1.高低壓電源

為示波器的各級電路提供所需的低、高壓電源。2.顯示電路和Z軸電路包括陰極射線示波管和為示波管各個電極提供電壓的電路、光跡旋轉(zhuǎn)電路及Z軸電路。圖4.27顯示電路3.校準信號發(fā)生器產(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)等。返回4.5示波器的選擇