电子测量与仪器 第四章 时域测量-电子示波器1..ppt

第四章第四章 时域测量时域测量——电子示波器电子示波器 4.14.1 电子示波器概述电子示波器概述 4.24.2 波形显示技术波形显示技术 4.3 4.3 示波器的组成和原理示波器的组成和原理 4.44.4 高速与取样示波器高速与取样示波器 4.54.5 记忆示波器记忆示波器 仪器科学与工程系 4.64.6 数字存储示波器数字存储示波器 厂商: Agilent （HP）， Tektronix， RIGOL 4.1 4.1 电子示波器概述电子示波器概述 电子示波器电子示波器是一种用屏幕(包括荧光屏、液晶 屏)显示电量随时间变化过程的电子测量仪器它 可直观地显示被测信号的波形 一、电子示波器的主要用途用途： ① 观测电信号波形 ② 测量电压电流的幅度、频率、时间、相位等 ③ 显示电子网络的频率特性 ④ 显示电子器件的伏安特性 附加功能: 频谱分析, 信号加减运算等 二、电子示波器的基本特点基本特点： ① 能显示信号波形，可测量瞬时值，具有直观性 ② 输入阻抗高，对被测信号影响小测量灵敏度 高，并有较强的过载能力。

③ 工作频带宽，速度快，便于观察高速变化的波 形及细节 ④ 在示波器的荧光屏上可描绘出任意两个电压或 电流量的函数关系，有时还带有频谱分析功能 三、电子示波器的分类分类： 按技术原理分：模拟式、数字式 按性能分： ① 通用示波器(双踪示波器与双线示波器) ② 高速示波器和取样示波器 ③ 记忆示波器与存储示波器 ④ 数字存储示波器 四、示波器的组成组成： 三大部分：Y通道、X通道、显示屏 Y通道 X通道 X1X2 Y1 Y2 显示屏信号 4.2 4.2 波形显示技术波形显示技术 一、示波管(CRT Cathode Ray Tube ) 亮 度 聚 焦 辅助聚焦 ~6.3V F 电子枪荧光屏偏转系统 真空玻璃管 后加速极 -1kV0V +15kV 3部分组成：电子枪、偏转系统、荧光屏 １、电子枪 灯丝F ─ 采用交流低压，加热阴极 阴极K ─ 表面涂有逸出功小的材料(BaO)，温度升高，发射电子 第一栅极G1 ─ 电位低于阴极，套于阴极之外，对电子形成排斥 力，使电子朝轴向运动，形成交叉点，可控制电子流轰击荧光 屏的能量，可调节示波器的亮度。

Z轴） 第二栅极G2 ─ 第一阳极A1 ─ 第二阳极A2 ─ 第三阳极A3 ─ 位于荧光屏附近，高压，电子加速先偏转后加 速，可减小对电子偏转的影响 构成电子透镜，使电子束向轴线聚拢， 形成很细的电子束 2、偏转系统 偏转分为静电偏转和磁偏转磁偏转 偏转系统由水平偏转板水平偏转板X X(X1、X2)和垂直偏转垂直偏转 板板Y Y(Y1、Y2)这两对相互垂直的偏转板组成 在偏转板间加上电压，电子束在电场的作用下 偏转 偏转距离与电场强弱有关 电子束最终的运动情况取决于水平方向和垂直 方向电压的合成作用 为了显示信号波形，通常X方向加一线性锯齿波扫描电 压，在Y方向加信号输入电压所形成的电子束在屏幕上按 时间沿水平方向展开，形成一条曲线 只有扫描电压频率与被观察信号的频率成倍数关系时只有扫描电压频率与被观察信号的频率成倍数关系时 ，波形才能稳定波形才能稳定 Y放大 锯齿波扫描 电压 X1X2 Y1 Y2 信号 输入 3、荧光屏 在荧光屏的玻璃壳内侧涂上荧光粉，就形成了荧光 屏，它不是导电体当电子束轰击荧光粉时，激发产生 荧光形成亮点。

不同成份的荧光粉，发光的颜包不尽相同，一般示 波器选用人眼最为敏感的黄绿色 余辉时间：荧光粉从电子激发停止时的瞬间亮度下降到 该亮度的10％所经过的时间称为余辉时间荧光粉的成 份不同，余辉时间也不同 长余辉(100ms~1s)，慢扫描示波器 中余辉(1ms~100ms)，普通示波器 短余辉(10us~10ms) 二、液晶显示(LCD) (平板显示) 液晶(Liquid Crystal)是一种介于液体和固体之间(有时 称为第四态)，具有规则分子排列的有机化合物 液晶加电或受热后会呈透明的液体状态，断电或冷却 后会出现结晶颗粒的浑浊固体状态 可视偏转角 RiCi (c) 欠补偿 RC < RiCi 最佳补偿 过补偿 欠补偿 匹配使得失真最小. 有源探头：无源探头具有分压作用，不宜用来 测量微小的信号有源探头采用结型场效应构成 源极跟随器，具有较低的噪声和较大的过载能力 适宜用来探测频率较高的微弱信号 电流探头：Ｉ－Ｖ变换器 跟随器 放大器 +E 到示波器 输 入 10M欧 了解 2、输入耦合方式 DC、AC转换开关，直流耦合，交流耦合。

3、输入衰减器 观察幅度较大的信号时，必须接入衰减器 对衰减器的要求：①输入阻抗高；②线性：同 时在示波器的整个通频带内衰减的分压比均匀不变 因下级输入和引线分布电容影响，单纯电阻分 压不能达到要求，引入阻容补偿分压器 输入 R1 R2 C1 C2 C K AC DC Ri Ci R1、R2－分压电阻 (R2包括下一级的输入电阻) C2－下一级的输入电容 和分布电容， C1－补偿电容 调节C1，当满足关系式C1R1＝C2R2时，分压比K0在整个 通频带内是均匀的， 它被表示为 (无畸变传输) 通常用一个开关换接不同的R2C2来改变衰减量 4、阻抗变换器 阻抗变换器由RLC网络或射极跟随器构成 ① 高输入阻抗：使得示波器对外呈现高输入阻抗， ② 低输出阻抗：易与低阻延迟线相匹配 5、延迟线 由于扫描触发关系，为了正确显示波形，必须将 接入Y通道的被测信号进行一定的延迟，以便与水 平系统的扫描电压在时间上相匹配通常延迟时间 在50～200ns之间，这个延迟准确性要求不高，但延 迟应稳定，否则会导致图像的水平漂移和晃动 (螺旋平衡式延迟电缆、LC延时网络) 要求：在工作频带内，① 无失真 ② 产生稳定的 延时。

在带宽较窄的示波器里，一般采用多节LC网络 作延迟线；在带宽较宽(大于15MHz时)，则采用平 衡螺旋线作延迟线 无论采用哪种延迟线，其特性阻抗均在几百欧姆 以下，延迟线的前边必须用低输出阻抗的电路作驱 动级，延迟线的后级用低输入阻抗的电路作缓冲器 在示波器的实际电路中，还要接入各种补偿电路 ，以补偿延迟线及安装过程中引起的失真 6、Ｙ放大器 被测信号经探头检测引入示波器后，微弱的信号 必须通过放大器放大后加到示波器的垂直偏转板， 使电子束有足够大的偏转能量 放大器要考虑两个因素： ①放大倍数：调节放大倍数，可调节灵敏度 ②带宽：具有足够低的低频截止频率和足够高 的高频截止频率fL受耦合电容和旁路电容影响，增 大这些电容或采用直流耦合 fH受晶体管放大倍数 和晶体管输出端分布电容影响 为扩大通频带宽度必须采用下列措施： ①选用截止频率高的器件，尽量减小负载电容 和分布电容，并选取小的集电极电阻 ②电路中引入强的负反馈，如放大器开环增益 为K0，反馈系数为F，则加负反馈后，高频截止频率 扩展为原来的(1+K0F)倍 ③在电路中用电抗元件(电容或电感)加以补偿， 使放大器截止频率高一些，使总的频率响应在高频 端有所提升。

放大器的形式： ① 单端输入放大器： ② 差动放大器(推挽放大器)：信号在接入放大器 时变换成差动信号进行放大优点是：抑制干扰， 改善因环境温度、电源电压、晶体管参数等变化引 起的漂移 B B、、X X通道通道 X通道即水平偏转通道，其作用是产生一个与时 间呈线性关系的电压，并加到示波管的X偏转板上 去，使电子射线沿水平方向线性地偏移，形成时间 基线 随时间线性增长的扫描电压加在水平偏转板上， 屏幕电子束即能由左向右随时间作水平扫描，这种 扫描称为线性时基扫描 其它还有圆扫描、对数扫描等不作介绍 扫描方式：扫描方式：连续扫描，触发扫描 示波器的示波器的X X通道包括三部分通道包括三部分: : 时基发生器是水平通道的核心，它产生线性度好线性度好、频率稳频率稳 定定；幅度相等的锯齿波电压；水平放大器用来放大锯齿电压波 ，产生对称的锯齿波输至水平偏转板；触发电路控制时基的扫 描闸门，以实现与被测信号的严格同步 触发方 式选择 脉冲整 形电路 扫 描 闸 门 扫 描 发生器 水 平 放大器 释 抑 电 路 触发电路 时基发生器 水平放大器 1、时基发生器(扫描发生器环) 时基发生器由扫描门、积分器、电压比较器和 释抑电路组成。

扫描门积分器 Rh Ch D -E +E Rp T b 稳 定 度 比较和释抑 Ub1 E0 扫描门扫描门电路是一个典型的施密特电路，它是双稳态 触发电路，当触发脉冲在t1时刻到来，电路翻转，输 出高电平，使得扫描电压发生器开始工作 积分器积分器为密勒积分器，它能产生高线性度的锯齿波 电压当开关K断开时，电源电压E通过电阻只对电 容C充电，产生负向锯齿波Uo，此电压一路送至水平 放大器，另一路送入时基发生器的电压比较器积 分器的两个稳态相当于开关K的断开和闭合，开关K 闭合时，电容C迅速放电，使Uo迅速回升，形成扫描 回程电压 密勒积分器 电压比较器电压比较器和释抑电路释抑电路用于保证产生稳定的扫描 信号，不会由于脉冲而产生“误误”翻转 比较、释抑电路 保证回扫结束后 才开始下一次的触 发扫描. 回扫时不会被误触发又开始 一次新的扫描. 正程无影响 t1---扫描开始 tp--- Ch开始充电， t2---扫描结束,Ch开 始放电 回扫时间tb Ch放电时间th 等待时间tw 关系：th>tb 扫描门积分器 Rh Ch D -E +E Rp T b 稳 定 度 比较和释抑 Ub1 E0 +E t1t2t3 t4t5 tf th tb 扫描电压 t1 第二次扫描 E0 E0 -E1 -E2 触发电路包括触发源选择、触发信号耦合方 式选择、触发方式和触发整形电路。

(1) (1) 触发源触发源 触发信号有三种来源： ①内触发内触发信号来自于示波器内的Y通道触发放 大器，它位于延迟线前当需要利用被测信号触发扫描发 生器时，采用这种方式 ②外触发用外接信号触发扫描，该信号由触发“输入” 端接入 ③电源触发来自50Hz交流电源(经变压器)产生的触发 脉冲，用于观察与交流电源频率有时间关系的信号如电 源纹波电压、电源干扰等 2、触发电路 (2) (2) 触发耦合方式触发耦合方式 为了适应不同的信号频率，示波器设有四种触发耦合方式 ① DC-直流耦合：用于观察直流或缓慢变化的信号 ② AC-交流耦合：触发信号经电容C1接入，用于观察由低频 到较高频率的信号 ③ AC-低频抑制：触发信号经电容C1及C2接入，电容量减 小，阻抗较大，用于抑制2kHz以下的低频成分例如观测有 低频干扰(50Hz噪声)的信号时，用这一种耦合方式较合适，可 以避免波形晃动 ④ HF-高频耦合：触发信号经电容C1及C3接入，电容量较 小，用于观测大于5MHz的信号 (2) (2) 触发方式和触发整形触发方式和触发整形 示波器的触发方式通常有常态、自动和高频三种方式，这 三种方式控制触发整形电路，产生不同形式的扫描触发信号。