《電子測量技術基礎》課件第4章

第4章電子示波器4.1電子示波器概述4.2示波管4.3電子示波器的結構框圖與性能4.4電子示波器的Y、X通道及校正器4.5雙蹤和雙線示波器4.6高速示波器和取樣示波器4.7記憶示波器與數(shù)字存儲示波器*4.8數(shù)字化波形處理系統(tǒng)簡介小結

4.1電子示波器概述

電子示波器簡稱示波器。它是一種用熒光屏顯示電量隨時間變化過程的電子測量儀器。它能把人的肉眼無法直接觀察到的電信號轉換成人眼能夠看到的波形，具體顯示在熒光屏上，以便對電信號進行定性和定量觀測，其他非電物理量亦可經(jīng)傳感器轉換成為電量，使用示波器進行觀測，因此示波器是一種廣泛應用的電子測量儀器，它普遍地應用于國防、科研、學校以及工、農(nóng)、商業(yè)、交通等領域。電子示波器的基本特點如下：

(1)能顯示信號波形，可測量瞬時值，具有直觀性。

(2)輸入阻抗高，對被測信號影響小。測量靈敏度高，并有較強的過載能力，目前示波器的最高靈敏度可達到10μV/div(微伏/格)。

(3)工作頻帶寬，速度快，便于觀察高速變化的波形的細節(jié)。目前示波器的工作頻帶最寬可達1000MHz，預計不久將研制出帶寬為2GHz以上的示波器。

(4)在示波器的熒光屏上可描繪出任意兩個電壓或電流量的函數(shù)關系，可作為比較信號用的高速X-Y記錄儀。電子示波器的主要用途如下：

(1)觀測電信號波形。

(2)測量電壓和電流的幅度、頻率、時間、相位等電量參數(shù)。

(3)顯示電子網(wǎng)絡的頻率特性。

(4)顯示電子器件的伏安特性。

4.2示波管

示波器的核心部件是示波管，它在很大程度上決定了整機的性能。示波管是一種整個被密封在玻璃殼內(nèi)的大型真空電子器件，也稱陰極射線管。先前的電視機的彩色顯像管和計算機的監(jiān)視器都是在電子示波管的基礎上發(fā)展起來的，它們的組成結構與原理基本相同。圖4.2-1示波管及電子束控制電路4.2.1電子槍

電子槍由燈絲(h)、陰極(K)、柵極(G1)、前加速極(G2)、第一陽極(A1)和第二陽極(A2)組成。4.2.2偏轉系統(tǒng)

為了顯示電信號的波形，通常在水平偏轉板上加一線性鋸齒波掃描電壓ux，該掃描電壓將Y方向所加信號電壓uy作用的電子束在屏幕上按時間沿水平方向展開，形成一條“信

號電壓-時間”曲線，即信號波形，參見圖4.2-2。水平偏轉板X上所加鋸齒形電壓稱為“時基信號”或“掃描信號”。圖4.2-2偏轉系統(tǒng)工作原理圖4.2.3熒光屏

在熒光屏的玻殼內(nèi)側涂上熒光粉，就形成了熒光屏，它不是導電體。當電子束轟擊熒光粉時，激發(fā)產(chǎn)生熒光形成亮點。不同成分的熒光粉，發(fā)光的顏色不盡相同，一般示波器

選用人眼最為敏感的黃綠色。

4.3電子示波器的結構框圖與性能

4.3.1電子示波器的結構框圖

電子示波器的基本組成框圖如圖4.3-1所示。電子示波器由Y通道、X通道、Z通道、示波管、幅度校正器、掃描時間校正器、電源幾部分組成。圖4.3-1示波器組成框圖及波形關系圖4.3.2示波器的主要性能指標

1.頻帶寬度(fB)

示波器最重要的工作特性就是頻帶寬度，又稱帶寬。其定義是：垂直偏轉通道(Y方向放大器)對正弦波的幅頻響應值下降到中心頻率幅頻響應值的0.707(-3dB)倍時所對應的

頻率范圍，也常以最高工作頻率fh簡述之。

2.偏轉靈敏度(S)

單位輸入信號電壓uy引起光點在熒光屏上偏轉的距離

H稱為偏轉靈敏度S，即

(4.3-1)

則

(4.3-2)

3.掃描頻率

示波器屏幕上光點水平掃描速度的高低可用掃描速度、時基因數(shù)、掃描頻率等指標來描述。掃描速度就是光點水平移動的速度，其單位是cm/s或div/s(格/秒)。掃描速度的倒數(shù)稱為時基因數(shù)，它表示光點水平移動單位長度(cm或div)所需的時間。掃描頻率表示水平掃描的鋸齒波的頻率。

4.輸入阻抗

輸入阻抗是指示波器輸入端對地的電阻Ri和分布電容Ci的并聯(lián)阻抗。在觀測信號波形時，把示波器輸入探頭接到被測電路的觀察點，輸入阻抗越大，示波器對被測電路的影響就越小，所以要求輸入電阻Ri大而輸入電容Ci小。輸入電容Ci在頻率越高時，對被測電路的影響越大。

5.示波器的瞬態(tài)響應

示波器的瞬態(tài)響應就是示波器的垂直系統(tǒng)電路在方波脈沖輸入信號作用下的過渡特性。圖4.3-2顯示了一個正向標準方波脈沖經(jīng)過示波器后波形發(fā)生畸變的情況，與圖3.6-1(a)相似。圖4.3-2示波器的瞬態(tài)響應上沖s0是脈沖前沿的上沖量b與Um的百分比值，即

下沖sn是脈沖后沿的下沖量f與Um的百分比值，即下垂δ是脈沖平頂降落量ΔU與Um的百分比值，即

預沖sp是脈沖波階躍之前的預沖量d與Um的百分比值，即例如，SBM-10A型示波器的fh=30MHz，由此可求得上升時間為

不難理解，上升時間tr越小越好。

瞬態(tài)響應指標在相當大的程度上決定了示波器所能觀測的脈沖信號的最小寬度。

6.掃描方式

示波器中的掃描電壓鋸齒波是一種線性時間基線。線性時基掃描可分成連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描兩種方式。圖4.3-3是連續(xù)掃描電壓波形，回掃后沒有等待時間，故適用于觀測連

續(xù)信號。圖4.3-4是觸發(fā)掃描電壓波形，它只在觸發(fā)信號的激勵下才開始掃描，每完成一次掃描后就處于等待狀態(tài)，直到下一次觸發(fā)信號到來時再進行掃描。圖4.3-3連續(xù)掃描電壓波形圖4.3-4觸發(fā)掃描電壓波形

4.4電子示波器的Y、X通道及校正器

4.4.1垂直偏轉通道(Y通道)

垂直通道的任務是檢測被觀察的信號，并將它無失真或失真很小地傳輸?shù)绞静ü艿拇怪逼D板上。同時，為了與水平偏轉系統(tǒng)配合工作，要將被測信號進行一定的延遲。

1.輸入電路

1)輸入耦合方式

對于通頻帶下限不是0的示波器，放大器為交流耦合放大器，其輸入端也用電容耦合；對于通頻帶從0開始的示波器，可以觀察信號的直流分量或變化極慢的信號，放大器是直接耦合的(直流放大器)。

2)衰減器

由于經(jīng)常需要觀察幅度較小的電壓波形，因此示波器的靈敏度設計得較高，但當需要觀察幅度較大的信號時，就必須接入衰減器對信號先進行衰減。

調(diào)節(jié)C1，當滿足關系式C1R1=C2R2時，分壓比K0在整個通頻帶內(nèi)是均勻的，它可表示為

(4.4-1)圖4.4-1阻容補償分壓器

3)探頭

用示波器觀察高頻信號波形時，長長的引線往往會引起各種雜散干擾，所以通常使用同軸電纜作為輸入引線，以避免干擾影響。圖4.4-2示波器探頭圖4.4-3補償電容的波形

2.阻抗變換器

阻抗變換器一般可由射極跟隨器構成。射極跟隨器的高輸入阻抗使得示波器對外呈現(xiàn)高輸入阻抗，射極跟隨器的低輸出阻抗容易與后接的低阻延遲線相匹配，亦可在發(fā)射極接一個電位器，以便微調(diào)所顯示波形的幅度。

3.延遲線

當示波器工作在“內(nèi)”觸發(fā)狀態(tài)時，利用垂直通道輸入的被測信號去觸發(fā)水平偏轉系統(tǒng)產(chǎn)生掃描電壓波，從接受觸發(fā)到開始掃描需要一小段時間，這樣就會出現(xiàn)被測信號到達Y偏轉板而掃描信號尚未到達X偏轉板的情況(參看圖4.3-(b))，為了正確顯示波形，必須將接入Y通道的被測信號進行一定的延遲，以便與水平系統(tǒng)的掃描電壓在時間上相匹配。通常延遲時間在50~200ns之間，這個延遲準確性要求不高，但延遲應穩(wěn)定，否則會導致圖像的水平漂移和晃動。

4.垂直偏轉放大器

被測信號經(jīng)探頭檢測引入示波器后，微弱的信號必須經(jīng)放大器放大后加到示波器的垂直偏轉板，使電子束有足夠大的偏轉能量。當示波管靈敏度及示波器偏轉因數(shù)一定時，放

大器的增益K的計算如下：

(4.4-2)放大器的低頻截止頻率受耦合電容或射極旁路電容的限制，必須加大這些電容以降低低頻截止頻率或采用可放大直流信號的直接耦合放大器。高頻截止頻率受兩個因素限制：其一是晶體管放大倍數(shù)隨頻率升高而下降；其二是晶體管輸出端分布電容C0(集電結電容和引線分布電容之和)及負載電容CL對高頻的分流使高頻增益下降，由它造成的高頻截止頻率為

(4.4-3)4.4.2水平偏轉通道(X通道)

水平偏轉通道即X通道，其作用是產(chǎn)生一個與時間呈線性關系的電壓，并加到示波管的X偏轉板上，使電子射線沿水平方向線性地偏移，形成時間基線。設Sx為水平方向的偏轉靈敏度，水平板上所加電壓為Ux(t)，則偏轉距離x為

1.掃描分類

1)連續(xù)掃描

該方式的掃描電壓是周期性的鋸齒波電壓。在掃描電壓的作用下，示波管光點將在屏幕上作連續(xù)重復周期的掃描，若沒有Y通道的信號電壓，則屏幕上只顯示出一條時間基線。在時域測量中，在Y通道加入周期變化的信號電壓，即可顯示信號波形。連續(xù)掃描最主要的問題是如何保證在屏幕上顯示出穩(wěn)定的信號波形。圖4.4-4連續(xù)掃描的波形顯示

2)觸發(fā)掃描

被測波形與掃描電壓的同步問題在觀測脈沖波形時尤為突出。圖4.4-5是連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描觀測脈沖波形的比較。圖4.4-5脈沖信號的連續(xù)掃描與觸發(fā)掃描顯示

2.水平通道的組成框圖

如圖4.4-6所示，示波器的水平通道包括三部分：①觸發(fā)電路，其中包括觸發(fā)方式選擇、脈沖整形電路；②時基發(fā)生器，由時基閘門電路、掃描電壓發(fā)生器、電壓比較器和釋抑電路組成；③水平放大器。圖4.4-6水平通道的結構框圖

3.時基發(fā)生器

時基發(fā)生器由時基閘門電路、掃描電壓發(fā)生器、電壓

比較器和釋抑電路組成，其結構框圖及各點波形如圖4.4-7

所示。圖4.4-7時基發(fā)生器圖4.4-8密勒積分電路

4.觸發(fā)電路

1)觸發(fā)源

觸發(fā)信號有如下三種來源：

(1)內(nèi)觸發(fā)。

(2)外觸發(fā)。

(3)電源觸發(fā)。

2)觸發(fā)耦合方式

為了適應不同的信號頻率，示波器設有四種觸發(fā)耦合方式，可用開關進行選擇，見圖4.4-9。圖4.4-9觸發(fā)源與觸發(fā)耦合方式圖4.4-10具有低頻干擾的信號

3)觸發(fā)方式及觸發(fā)整形電路

示波器的觸發(fā)方式通常有常態(tài)、自動和高頻三種方式，這三種方式控制觸發(fā)整形電路，以便產(chǎn)生不同形式的掃描觸發(fā)信號，由該觸發(fā)信號去觸發(fā)掃描電壓發(fā)生器，形成不同形式的掃描電壓。

(1)常態(tài)觸發(fā)方式。

(2)自動觸發(fā)方式。

(3)高頻觸發(fā)方式。4.4.3校正器

1.幅度校正器

幅度校正器產(chǎn)生幅度穩(wěn)定不變并經(jīng)過校正的電壓(一般為方波)，用于校正Y通道靈敏度。設校正器的輸出電壓幅度為U校，把它加到Y輸入端，熒光屏上顯示電壓波形的高度

為H校，則示波器偏轉靈敏度為偏轉因數(shù)為

此時可調(diào)節(jié)Y軸的靈敏度旋鈕，使d為整數(shù)。一般校準信號為1V，靈敏度開關置于“1”擋上，波形顯示為1cm，當被測信號為5cm時，可計算出被測信號幅度為

校正器用以檢驗標度是否準確，每次實驗前檢驗過后就不必每次測量都作校正。

2.掃描時間校正器

掃描時間校正器產(chǎn)生的信號用于校正X軸時間標度，或用來檢驗掃描因數(shù)是否正確。該信號由示波器內(nèi)設的晶體振蕩器或穩(wěn)定度較高的LC振蕩器提供。

4.5雙蹤和雙線示波器

4.5.1雙蹤示波器

雙蹤示波器也稱雙跡示波器，它的垂直偏轉通道由A和B兩個通道組成。如圖4.5-1所示，兩個通道的輸出信號在電子開關控制下，交替通過主通道加于示波管的同一對垂直偏轉板上。圖4.5-1雙蹤示波器垂直偏轉通道框圖4.5.2雙線示波器

雙線示波器采用雙線示波管構成。雙線示波管在一個玻璃殼內(nèi)裝有兩個完全獨立的電子槍和偏轉系統(tǒng)，每個電子槍發(fā)出的電子束經(jīng)加速聚焦后，通過“自己”的偏轉系統(tǒng)射于熒光屏上，相當于把兩個示波管封裝在一個玻璃殼內(nèi)公用一個熒光屏，因而可以同時觀察兩個相互獨立的信號波形。雙線示波器內(nèi)有兩個相互無關的Y通道A和B，如圖4.5-2所示，每個通道的組成與普通示波器相同。圖4.5-2雙線示波器框圖4.5.3SR-8型雙蹤示波器

SR-8型雙蹤示波器可以觀察和測定兩種不同電信號的瞬變過程，并把兩種不同的電信號的波形同時顯示在屏幕上，進行分析比較，而且還可以把兩個電信號疊加后顯示出來，

也可作為單蹤示波器使用。

1.主要技術性能

1)Y軸放大器

2)X軸系統(tǒng)

3)主機

2.使用

SR-8型雙蹤示波器的面板布置如圖4.5-3所示。圖4.5-3SR-8型雙蹤示波器的面板布置圖

1)電壓測量

示波器的Y軸靈敏度開關“V/div”位于0.2擋，其“微調(diào)”

位于“校準”位置，此時如果被測波形占Y軸的坐標幅度H為

5div，則信號電壓Uy幅度為(見圖4.5-4)

若被測信號經(jīng)探頭輸入，則應將探頭衰減10倍的因素考慮在內(nèi)，被測信號Uy幅度為圖4.5-4電壓測量

2)時間測量

首先將X通道掃描控制開關“t/div”的“微調(diào)”置于“校準”位置上，這樣可以由開關的指示值直接計算出時基線上X方向被測兩點之間距離D的時間間隔為

例如，掃描控制開關置于0.2ms/div，被測波形兩點間距離D為6div，則時間間隔T為(見圖4.5-5)圖4.5-5時間間隔測量圖4.5-6時間差測量圖4.5-7脈寬測量

3)頻率測量

對周期性的重復頻率來說，可按時間測量的公式測定其每一周的時間T，按照頻率f與周期T的倒數(shù)關系來計算頻率，即

4)相位測量

雙蹤顯示可測得兩個相同頻率信號的相位關系。測量相位時觸發(fā)點正確與否很重要，應將Y軸觸發(fā)源開關置于“YB”的位置，然后用內(nèi)觸發(fā)形式啟動掃描，測兩信號的相位差。

如圖4.5-8所示的被測波形，其一個周期占橫坐標刻度上8個div，則1div對應45°相位，即360°×1/8，兩波形相位間隔D為1.5div，則兩波形間相位差為圖4.5-8相位測量*4.6高速示波器和取樣示波器

隨著計算機、通信廣播等事業(yè)的發(fā)展，要求示波器有更寬的頻率響應，而一般示波器在觀察ns、ps級脈沖波形時，會引入很大的畸變，甚至會顯示出面目全非的波形。圖4.6-1分布參數(shù)的影響4.6.1高速示波器

1.示波管

高速示波器采用專用示波管。如前所述，高速示波管的偏轉系統(tǒng)接線要短(從管旁引出)，偏轉板間距離d要大(以減小分布電容)，加速電壓要高(以減小電子渡越時間)，因而導

致偏轉靈敏度很低。為了保證示波器的靈敏度，要求Y軸放大器必須有更大的放大倍數(shù)，這無疑增加了Y軸放大器實現(xiàn)上的困難。因此，在要求更高速度時，可采用行波示波管。

2.Y軸放大器

Y軸放大器是寬帶放大器，目前集成電路放大器帶寬可達1000MHz以上。

3.時基發(fā)生器

高速示波器的時基發(fā)生器在掃描期間的掃描速度很高，因而掃描電容充、放電電流很大。4.6.2取樣示波器

1.非實時取樣原理

圖4.6-2是一個非實時取樣保持電路的原理圖。圖4.6-2取樣門及取樣脈沖非實時取樣過程與實時取樣過程的不同之處在于取樣脈沖與輸入信號之間時序上的差別。非實時取樣過程對于輸入信號是進行跨周期采樣。圖4.6-3非實時取樣過程

2.取樣示波器的組成

取樣示波器的組成框圖見圖4.6-4。圖4.6-4取樣示波器的組成框圖為了在屏幕上顯示出由不連續(xù)的亮點構成的取樣信號波形，必須采用與取樣信號同步的階梯波作掃描電壓。其波形對應關系如圖4.6-5所示。圖4.6-5顯示過程*4.7記憶示波器與數(shù)字存儲示波器

4.7.1記憶示波器

1.記憶示波管的分類

記憶示波管可分為可變余輝存儲方式和快速轉移存儲方式兩種示波管，它們都是將記憶信號存儲于示波管的柵網(wǎng)上，需要顯示時再將其顯示出來。柵網(wǎng)式記憶示波管的結構如圖4.7-1所示。圖4.7-1柵網(wǎng)式記憶示波管的結構及泛射示意圖借用計算機術語，信號的存儲稱作“寫”，存儲信號的取出稱作“讀”，因此，在記憶示波管中存在兩套電子槍，即“寫入電子槍”和“讀出電子槍”，這兩套電子槍分別控制被測信號的“存儲”和“顯示”。構成記憶功能的部件是熒光屏前的柵網(wǎng)，柵網(wǎng)g3上涂有氟化鎂一類的電介質(zhì)，作為存儲介質(zhì)，形成存儲體。圖4.7-2柵網(wǎng)記錄的潛伏波形

2.記憶示波器的工作方式

記憶示波器又稱為模擬存儲示波器，它以柵網(wǎng)為存儲部件，存儲模擬的電信號波形。由于記憶示波管與普通示波管不同，因此，記憶示波器組成電路中比普通示波器多加了一套泛射系統(tǒng)的控制電路，即讀出電子槍控制電路。該電路提供讀出控制的所有電信號，并有可變余輝的調(diào)節(jié)功能。圖4.7-3記憶示波器控制電路方框圖

1)可變余輝方式

2)存儲方式

3)清除方式

4)最大記錄方式

5)常態(tài)方式

3.記憶示波器的發(fā)展概況

最早的記憶示波器是由美國休斯公司在1957年研制的。當時，由于記憶示波管價格昂貴，易燒壞，壽命短，存儲記錄速度慢，等效帶寬低，其使用范圍窄，發(fā)展緩慢。自

20世紀70年代以來，記憶示波管在制造技術上有了新的突破，存儲方式不斷增多，在最早的雙穩(wěn)態(tài)存儲方式的基礎上，又研制出了可變余輝存儲和快速轉移存儲方式。目前，采用快速轉移存儲方式的記憶示波器的存儲記錄速度已達4000cm/μs，存儲帶寬達500MHz(Tek公司的7934型)。4.7.2數(shù)字存儲示波器

1.數(shù)字存儲示波器的原理

數(shù)字存儲示波器的基本框圖如圖4.7-4所示。

存儲示波器的工作過程如圖4.7-5所示。圖4.7-4數(shù)字存儲示波器的基本框圖圖4.7-5存儲示波器的工作過程

2.微處理器的應用

隨著微處理器的發(fā)展，將微處理器芯片CPU用于數(shù)字存儲示波器中，可以大大擴展示波器的存儲容量，存儲多個波形，并且可利用CPU的數(shù)據(jù)處理功能進行顯示波形的處理，大大提高顯示波形的質(zhì)量。也可將存儲技術和CPU微處理器用于取樣示波器，做成存儲取樣示波器，提高顯示信號的頻帶寬度。圖4.7-6給出了存儲取樣示波器的組成框圖。圖4.7-6存儲取樣示波器的組成框圖

3.數(shù)字存儲示波器的特點

與模擬存儲示波器(記憶示波器)相比，數(shù)字存儲示波器具有以下優(yōu)點：

(1)可以永久地存儲信息，可以反復讀出這些數(shù)據(jù)，反復在熒光屏上再現(xiàn)波形信息，跡線既不會衰減，也不會模糊。

(2)由于信息是在存儲器中存儲的，而不是記憶在示波管的柵網(wǎng)上，所以它是動態(tài)的，而不是靜態(tài)的，即更新存儲器內(nèi)容，就改變所存儲的波形，在完成了波形的記錄、顯示、分析之后，即可更新存儲器的內(nèi)容。

(3)既能觀測觸發(fā)后的信息，也能觀測觸發(fā)前的信息。

*4.8數(shù)字化波形處理系統(tǒng)簡介

數(shù)字化波形處理系統(tǒng)是由數(shù)字化攝像系統(tǒng)、高速模擬

示波器及微型計算機相結合，構成的一套高效能、高精度

而價格便宜的波形處理設備。該系統(tǒng)可提供極高的精度(至12位)，能獲取1μs的單次信號波形，最高取樣精度可達

4μs(即250GHz的取樣速率)。它克服了數(shù)字存儲示波器

受A/D變換器速度與精度限制的局限。小結

(1)電子示波器能夠在熒光屏上顯示電信號的波形，同時示波器輸入阻抗高，對被測信號影響小，具有高靈敏度和高工作通頻帶，因此被廣泛地應用于國防、工業(yè)、科研等領域，是一種測量電壓或電流波形的不可缺少的重要儀器。

本章的重點在于掌握示波器的基本組成結構及顯示波形的工作原理，以便學會使用示波器進行電壓和電流的幅度、頻率、時間、相位等電量參數(shù)的測量。

(2)示波管由電子槍、偏轉系統(tǒng)(X偏轉板和Y偏轉板)、

熒光屏三部分組成。電子槍的作用是發(fā)射電子束，并使它

聚焦，形成很細的電子束以便轟擊熒光屏產(chǎn)生亮跡，顯示電信號波形；偏轉系統(tǒng)的作用是確定電子束在熒光屏上移動的方向，Y偏轉板上接入被測信號，X偏轉板上接入線性時基

掃描電壓(即鋸齒電壓波)，使被測信號在X方向展開，形成“電壓-時基”波形；熒光屏的作用是將電信號變?yōu)楣庑盘栠M

行顯示。

(3)電子示波器由Y通道、X通道、Z通道、示波管、幅度校正器、時間校正器和電源等部分組成。

Y通道由探頭、衰減器、耦合電路、延遲線和放大器組成。為了保證電子示波器的高靈敏度，以便檢測微弱的電信號，必須設置前置放大器和末級推挽放大器；為了保證大信

號加到示波器輸入端能夠得到顯示而不至于燒壞示波器，