示波測量技術(shù)恢復(fù)第一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日示波器分類：通用示波器取樣示波器邏輯示波器存儲示波器給示波器加上各種配件即可組成各種監(jiān)測儀，本章主要介紹示波器的基本原理，基本組成。第二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日

一、示波器基本組成

§6.2示波測試基本原理示波器主要由Y(垂直)通、x(水平)通道和顯示屏三大部分組成，如圖所示。

Y(垂直)通道：由探頭、衰減器、前置放大器、延遲線和輸出放大器組成，主要對被測信號進行不失真的線性放大，以保證示波器的測量靈敏度。x(水平)通道：由觸發(fā)電路、時基發(fā)生器和水平輸出放大器組成，主要產(chǎn)生與被測信號相適應(yīng)的掃描鋸齒波。顯示屏：主要由陰極射線管組成，常以CRT(CathodeRayTube)表示，通常稱為示波管。第三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日二、陰極射線示波管（CRT）第四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日1.電子槍（1）電子在電場中的運動前者為電子穿越加速場,U2>U1

電子向軸線收攏后者為電子穿越減速場，U2<U1.發(fā)散可證明第五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日（2）靜電式CRT中的電子槍UG1<UK:控制電子射出數(shù)量,從而控制亮度UG2>>UG1:G1至G2電子束聚攏UA1<UG2:G2至A1電子束發(fā)散UA2=UG2>UA1:A1至A2電子束聚攏調(diào)節(jié)UA1可達到使電子束在熒光屏聚攏的目的,當然也可調(diào)UA2(輔助聚焦).第六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日

2.偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)由一對Y(垂直)偏轉(zhuǎn)板和一對X(水平)偏轉(zhuǎn)板(均為金屬板)組成.

偏轉(zhuǎn)板位于電子槍之后,板上加電壓將影響電子運動軌跡(兩對板上電位兩兩相等,電子束打在熒光屏正中).第七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日

以Y偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)為例:可以證明,在Uy(偏轉(zhuǎn)電壓)的作用下電子在Y方向的偏轉(zhuǎn)距離為:

由于l、s、b、va為定值,故上式還可寫成:

，hy為偏轉(zhuǎn)因數(shù)(cm/V),其值越大越好

，DY為偏轉(zhuǎn)靈敏度(V/cm),其值越小越好。示波管重要參數(shù)第八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日

3.熒光屏由磷光質(zhì)材料制成,受電子轟出后能產(chǎn)生輝光,即電子動能變成光能及熱能.利用余輝可以使人們看到一連續(xù)波形長余輝:低頻0.1s-1s中余輝:中頻1ms-0.1s短余輝:高頻10us-1ms第九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日三、圖像顯示基本原理1.顯示隨時間變化的圖形（1）掃描的概念在X(水平)偏轉(zhuǎn)板上加上一個隨時間做線性變化的鋸齒波電壓,也稱掃描電壓.波形顯示原理:Y軸通常為輸入信號

X軸此時為時間軸,若Y輸入f(t)，屏幕上顯示的是隨時間變化的波形f(t).第十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日只加VY信號,顯示一條垂線,如左圖;只加VX信號,顯示一條做勻速運動的直線,如右上圖;同時加UX、UY,顯示隨t變化的波形,如右圖:第十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日（2）信號與掃描電壓的同步當Tn=nTs時(n=1,2…),稱信號和掃描電壓同步,此時可得到穩(wěn)定、清晰的圖像.其中Tn為掃描電壓周期，Ts為被測信號周期。若不滿足條件,則得不到所需波形或穩(wěn)定的波形.下圖為Tn=2Ts時的圖像.由于Tn與Ts為兩個無關(guān)信號,為了保證Tn=nTs,必須有同步電路來迫使Tn=nTs.對于同步電路在后敘述.第十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日（3）連續(xù)（自激）掃描與觸發(fā)掃描連續(xù)掃描－-掃描電壓為連續(xù)的周期性鋸齒波特點:Uy=0時,屏幕也顯示一條時基線應(yīng)用:觀測連續(xù)信號波形觸發(fā)掃描－-只有當觸發(fā)脈沖到來時,鋸齒波發(fā)生器才開始工作并進行掃描特點:Uy=0時,屏幕無顯示應(yīng)用:研究脈沖波過程參數(shù),特別是τ/Ts很小的信號第十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日現(xiàn)代示波器可選擇任一種掃描方式工作,下圖是連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描方式下對脈沖波形的觀測:(b)脈沖細節(jié)看不清(c)時基線太亮不易觀察，難同步(d)能較好的觀測脈沖TsttttuyuxuxuxTnTn第十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日（4）掃描過程的增輝實際的掃描電壓是非理想的,掃描回程將產(chǎn)生回程線.克服方法:在掃描正程給示波器增輝,即正程才可顯示,回程不顯示.

增輝方法:在掃描正程期間給示波管第一柵極G1加正脈沖或給陰極K加負脈沖.2.顯示任意兩個變量間關(guān)系若X偏轉(zhuǎn)板不加掃描信號,將兩變量信號分別加到Y(jié),X偏轉(zhuǎn)板,則可顯示兩變量間的關(guān)系.第十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日例:李沙育圖形下圖為ux與Uy同頻率和用示波器觀察射隨器跟隨過程ui-uo圖.第十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日一、基本組成通用示波器主要由示波管、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.§6.3通用示波器第十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日二、示波器的垂直（Y）通道1.輸入電路作用:衰減過大的輸入信號,以免失真.通常由如右圖示的一系列RC(脈沖)分壓器組成衰減系數(shù):K=V0/Vi=Z2/(Z1+Z2)Z1=R1(1/jωC1)/(R1+1/jωC1)=R1/(1+jωC1R1)Z2=R2(1/jωC2)/(R2+1/jωC2)=R2/(1+jωC2R2)若滿足:C1R1=C2R2為最佳補償則K=V0/Vi=R2/(R1+R2)第十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日2.延遲線分布參數(shù)式:螺旋平衡時延遲電纜集中參數(shù)式:LC延遲網(wǎng)絡(luò)作用:保證能顯示脈沖前沿原理:將輸入信號延遲使其滯后于掃描開始時間下圖a為無延遲線的情況,圖b為加延遲線后的情況tTtd第十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日

3.Y放大器

Y通道的主放大器功能：將延遲線傳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).

特點：具有穩(wěn)定的增益,較高的輸入阻抗,足夠的頻帶,較小的諧波失真.

結(jié)構(gòu)：差分平衡放大器第二十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日三.示波器的水平（X）通道組成：觸發(fā)電路掃描發(fā)生器環(huán)X放大器1.掃描發(fā)生器環(huán)（時基電路）產(chǎn)生符合一定標準的穩(wěn)定的鋸齒波電壓,其組成如下圖:第二十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日（1）積分器功能：形成線性良好的鋸齒波

當E,R,C一定,V0與t成正比定義掃描速度

Ss=t/x(t/cm)X-光跡在水平方向偏轉(zhuǎn)的距離

t-偏轉(zhuǎn)X所對應(yīng)的時間第二十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日（2）掃描門功能:產(chǎn)生控制積分器開關(guān)S的門控信號要求:能與被測信號同步,完成連續(xù)、觸發(fā)掃描組成:施密特觸發(fā)電路雙穩(wěn)觸發(fā)器第二十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日

觸發(fā)掃描態(tài):調(diào)W(穩(wěn)定度)使Vb1介于E1,E2間有觸發(fā)脈沖時V0=1,開始掃描無觸發(fā)脈沖時V0=0,無掃描,顯示一點連續(xù)掃描態(tài):調(diào)W使Vb1>E1,無論有無觸發(fā)均有V0=1,無信號時顯示一直線X外加信號態(tài)(不掃描):調(diào)W使<E2較多,無論有無觸發(fā)均有V0=0,

無掃描電壓輸出

uo

回差ub1ub1第二十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日（3）比較和釋抑電路功能：保證每次掃描在同一電平開始T導通時,Uch下降(充電)T截止,Uch上升(通過Rh放電)第二十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日上圖為觸發(fā)的掃描狀態(tài):●t=t2,Ui=E2,掃描正程結(jié)束,開始回程掃描,積分器電容放電●t2-t3完成回程掃描過程●選擇th>tb,可保證回掃結(jié)束后掃描門才可觸發(fā)●t2-t3

“抑”，觸發(fā)脈沖不起作用●t3以后,“釋”，可觸發(fā)●Up變化,使得t2變,最終導致U0變第二十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日連續(xù)掃描狀態(tài)的同步:調(diào)穩(wěn)定度使Ui=E0

無論有無脈沖均可掃描有脈沖,t4開始二次掃描(同步)無脈沖,t5開始二次掃描增輝脈沖可從掃描門取出(正,負均可)第二十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日2.觸發(fā)電路產(chǎn)生與被測信號周期相關(guān)的觸發(fā)脈沖。脈沖寬度與幅度均確定.第二十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日

◆觸發(fā)源ⅰ.內(nèi)觸發(fā)(+,-):被測信號作觸發(fā)源最常用ⅱ.外觸發(fā)(+,-):利用外界信號作觸發(fā)信號,常用來比較兩信號的時間關(guān)系,觸發(fā)信號與被測信號有一定關(guān)系.ⅲ.電源觸發(fā)(+,-):在觀測與電源有關(guān)的信號時選擇◆（耦合）方式選擇DC:用于接入直流或緩慢變化信號,一般用于外觸發(fā)或連續(xù)掃描方式AC:C1起隔直作用.用于觀察交流信號低頻抑制（LFREJ）:C1與C2串聯(lián)后抑制約為2KHZ以下低頻部分高頻耦合（HF）:C1和C3串聯(lián)后,C≈C1較小,只允許通過較高頻(一般>5MHZ)信號高頻抑制（HFREJ）：第二十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日

◆觸發(fā)極性

ⅰ.正極性(正斜率):V1接觸發(fā)信號,V2接電平電位器

ⅱ.負極性(負斜率):V1接電平電位器,V2接觸發(fā)信號◆觸發(fā)電平當U1>=U2時,電路翻轉(zhuǎn),輸出觸發(fā)脈沖●觸發(fā)電平與觸發(fā)極性配合可在波形任一點進行觸發(fā).

第三十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日§6.4示波器的多波形顯示功用:比較電路各點波形的幅度、相位、時間關(guān)系、失真情況,觀察一脈沖序列的某一部分.一、多線顯示與多蹤顯示

1.多線顯示

CRT可產(chǎn)生多個電子束(用多個電子槍或一個電子槍產(chǎn)生)有兩套偏轉(zhuǎn)系統(tǒng),工藝制作困難價格較貴.2.多蹤顯示組成與普通示波器類似,區(qū)別在于Y通道加電子開關(guān)分離波形.第三十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日

雙蹤顯示示意圖:電子開關(guān)對YA,YB進行時間分割即可進行雙蹤顯示第三十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日1.交替工作方式(ALT)開關(guān)轉(zhuǎn)換頻率=掃描頻率受掃描電路控制YA,YB輪流顯示條件:轉(zhuǎn)換頻率高于25HZ

用于信號頻率較高情況第三十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日2.斷續(xù)(CHOP)工作方式:

電子開關(guān)工作于自激狀態(tài),不受掃描電路控制,頻率一般在100--1000KHZ范圍內(nèi).顯示波形為不連續(xù)狀原理:兩個通道信號用同一個掃描電壓展開,電子開關(guān)高速將信號分成很多小段輪流顯示

適用較低頻信號顯示第三十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日二、雙掃描示波顯示1.雙掃描顯示的用途主要用于顯示由不同幅度和形狀組成的復(fù)雜的周期性波形序列中任意一個波形的變化過程.如圖:若想觀測3脈沖前沿,用單掃描示波器難以顯示,無論觸發(fā)電平放在何位置均不能在3處起掃第三十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日2.雙掃描電路的組成X通道有兩個時基電路,其可以是兩個結(jié)構(gòu)相同的獨立部分,常用的是其中一個為獨立(稱A掃描),另一個(B掃描)只有在A掃描工作后的某一時刻才開始掃描,二者掃速可以不同,一般也稱延遲掃描第三十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日雙掃描一般有三種工作方式:

（1）A工作模式只有A掃工作,B掃不工作,相當于單掃描示波器（2）B加亮A工作模式

A掃展示信號全貌,B掃加亮信號中感興趣部分其中B掃速可調(diào)(改變t1-t2時間)

右圖為雙掃描的有關(guān)波形第三十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日（3）A延遲B工作模式如圖,關(guān)掉A掃至X放大通路,將B掃接到X放大,則只顯示被加寬部分或感興趣部分.

可利用延遲旋鈕(W)來測量波形兩點間距離.B掃速可增大,以便仔細觀察波形延遲方式有連續(xù),觸發(fā)兩種第三十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日

3.雙蹤雙掃描顯示此系統(tǒng)可同時顯示四個波形.推而廣之,可進行四通道八蹤,五通道十蹤顯示,只是電子開關(guān)較復(fù)雜.第三十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日一、主要特性工作特性是正確使用示波器的依據(jù),據(jù)此可以了解示波器的適用范圍.1.Y通道的頻域與時域響應(yīng)表征一個示波器所能觀測的信號頻率范圍和觀測脈沖信號的最小上升時間.（1）頻域響應(yīng):給出Y通道頻率帶寬,一般給出上限fh,如SBM-10,帶寬為0-30MHZ

§6.5通用示波器主要指標及使用第四十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日（2）時域響應(yīng):

給出Y通道在脈沖信號作用下能夠響應(yīng)的最小上升時間tR如SBM-10,tR<=12ns

一些示波器只給出頻率響應(yīng)fh,則可用下式估計tR

（3）測脈沖上升時間的修正設(shè)被測脈沖前沿(后沿)上升(下降)時間為tr(tf)若tr>>tR,一般為3～5倍，則示波器影響可忽略不計否則按下式修正:-－示波器顯示的信號上升時間第四十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日

2.Y通道偏轉(zhuǎn)靈敏度表征一個示波器觀測信號的振幅范圍,如SBM-10為50mv/cm---20V/cm

3.掃描速度表示示波器展寬被測信號的能力。為讀數(shù)方便一般用掃速的倒數(shù)時基因數(shù)來定量,如SBM-10時基因數(shù)范圍0.05us---0.5s/cm

上限:展寬高頻信號及窄脈沖的能力下限:觀測慢信號的能力

4.示波器探頭性能:1：110：1

有源無源第四十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日二.示波器的基本測量方法

1.電壓測量①直接測量法(常用)VP-P=DYh,Y偏轉(zhuǎn)靈敏度V/cm,h-VP-P高度②比較測量法③位移法

2.時間測量①直接法(常用):tx=SsxSs----掃速(時基因數(shù))s/cm或ms/cm,X----被測時間對應(yīng)的距離②時標法

③位移法注：②③均為老式示波器用法第四十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日3.相位測量①線性掃描法(需雙蹤示波器）②李沙育圖形法:不易調(diào)穩(wěn)定，已很少用。第四十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日信號存儲的必要性有時為了進行研究不得不重復(fù)產(chǎn)生被測信號，但是有些信號是不能重復(fù)產(chǎn)生的。還有一些周期很長的信號不能給人以連貫的感覺。一、

信號的模擬存儲實際上是采用具有信號存儲功能的示波管,取代通用示波器的CRT,發(fā)展到500MHz后已基本上停止存儲機理:示波管采用了具有二次電子發(fā)射特性的介質(zhì)材料。在這種示波管中，陰極發(fā)射的電子稱為一次電了，由它轟擊某種介質(zhì)材料而產(chǎn)生二次電子，并且二次電子數(shù)多于一次電子數(shù)。因此，介質(zhì)材料在產(chǎn)生二次電子的區(qū)域具有正電位，而且能保存很長時間。

§6.6存儲示波器第四十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日二、

信號的數(shù)字存儲(數(shù)字存儲示波器)從發(fā)展過程看有兩種主要形式模擬技術(shù)+數(shù)字存儲數(shù)字化示波器

第四十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日

主要原理框圖輸入電路A/DRAMD/AyY放大CPUD/AxX放大||控制系統(tǒng)地址掃描CRT模擬＋數(shù)字存儲示波器組成原理框圖數(shù)字存儲示波器組成原理框圖第四十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日三、取樣技術(shù)在示波器中的應(yīng)用1、實時取樣

第四十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日2、非實時取樣順序取樣隨機取樣第四十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日四、

主要技術(shù)指標1.

采樣速率fs

主要決定因素、A/D轉(zhuǎn)換速度一般要求：（實時采樣）通常與時基因數(shù)對應(yīng)即對應(yīng)最快掃描檔位，如最快為1ns/div

則n：每格采樣點數(shù)t：每格掃描時間第五十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日2.

帶寬（存儲帶寬）重復(fù)周期信號帶寬（等效帶寬）單次信號帶寬（實時帶寬）理論上實際應(yīng)用實時帶寬k：帶寬因子25 逐點顯示k10 線性插值2.5 正弦內(nèi)插第五十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日3、垂直分辨力（電壓分辨力）由A/D位數(shù)決定，目前多為8位若CRT為8×10分度（div)若n＝8則（垂直方向為256等級）每級最小電壓Vm：滿量程若Vm＝10V，n＝8則

n＝10則也與偏轉(zhuǎn)因數(shù)Dy有關(guān)，如Dy＝1V/div則第五十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日4、水平分辨力（時間分辨力）決定于D/AX的位數(shù)，相當于X方向的點數(shù)當n=10則即測量精度為0.01div模擬示波器難以達到同時與示波器Dx有關(guān)如Dx＝10ms/divn＝10（10位D/A)則精度高（D/A基準，時鐘）此時屏幕上任一點均可用兩個二進制數(shù)（16進制數(shù)）表示第五十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日五、

DSO的主要部件及要求(略)

六、高速信號采樣技術(shù)(略)第五十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期日七、

波形顯示

1.基本顯示將存儲器中的數(shù)據(jù)按