1、第5章 信號波形測量,5.1 概述 5.2 CRT顯示原理 5.3 通用示波器 5.4 取樣示波器 5.5 波形存儲及顯示技術(shù) 5.6 示波器的基本測試技術(shù),一、示波器的功能 示波器是一種電子圖示測量儀器，它可以用來觀察和測量隨時間變化的電信號圖形，可以定性地觀察電路的動態(tài)過程，如觀察電壓、電流的變化過程，還可以定量測量各種電參數(shù)，例如測量脈沖幅值、上升時間、重復周期或峰值電壓等。 由于示波器能夠直接對被測電信號的波形進行顯示、測量，并能對測量結(jié)果進行運算、分析和處理，功能全面，加之具有靈敏度高、輸入阻抗高和過載能力強等一系列特點，因此在生產(chǎn)、維修、教學、科學研究等領(lǐng)域中得到了極其廣泛的應(yīng)用。

2、,5.1 概述,5.1.1 示波器的功能及分類,二、 示波器的分類 從示波器的性能和結(jié)構(gòu)出發(fā)，可將示波器分為模擬示波器、數(shù)字示波器、混合示波器和專用示波器。 1 模擬示波器 （1） 通用示波器： 采用單束示波管的示波器。這類示波器采用單束示波管，有單蹤型和多蹤型，能夠定性、定量地觀測信號，是最常用的示波器。多蹤示波器是采用單束示波管而帶有電子開關(guān)的示波器，它能同時觀測幾路信號的波形及其參數(shù)，或?qū)蓚€以上的信號進行比較。,5.1.1 示波器的功能及分類,（2）多束示波器：采用多束示波管的示波器。與通用示波器的疊加或交替顯示多個波形不同，其屏上顯示的每個波形都由單獨的電子束產(chǎn)生，能同時觀測、比較兩

3、個以上的波形。 （3）取樣示波器：它根據(jù)取樣原理將高頻傳號轉(zhuǎn)換為低頻傳號，然后再用通用示波器顯示其波形。這樣，被測信號的周期被大大展寬，便于觀察信號的細節(jié)部分，常用于觀測300 MHz以上的高頻信號及脈沖寬度為納秒級的窄脈沖信號。目前已被數(shù)字存儲示波器或數(shù)字取樣示波器所取代。,5.1.1 示波器的功能及分類,2 數(shù)字示波器 (1) 數(shù)字存儲示波器（DSO，Digital Storage Oscilloscope）： 它能將電信號經(jīng)過數(shù)字化及后置處理后再重建波形，具有記憶、存儲被觀測信號的功能，可以用來觀測和比較單次過程和非周期現(xiàn)象、低頻和慢速信號以及在不同時間或不同地點觀測到的信號。它往往還具

4、有豐富的波形運算能力，如加、減、乘、除、峰值、平均、內(nèi)插、FFT、濾波等，并可方便地與計算機及其它數(shù)字化儀器交換數(shù)據(jù)。 (2) 數(shù)字熒光示波器（DPO，Digital Phosphor Oscilloscope）： 采用先進的數(shù)字熒光技術(shù)，能夠通過多層次輝度或彩色顯示長時間信號，具有傳統(tǒng)模擬示波器和現(xiàn)代數(shù)字存儲示波器的雙重特點。,5.1.1 示波器的功能及分類,3. 混合示波器 混合信號示波器是把數(shù)字示波器對信號細節(jié)的分析能力和邏輯分析儀對多通道的定時測量能力組合在一起的儀器。 4. 專用示波器 不屬于以上幾類、能滿足特殊用途的示波器稱為專用示波器或特殊示波器。例如監(jiān)測和調(diào)試電視系統(tǒng)的電視示波

5、器，主要用于調(diào)試彩色電視中有關(guān)色度信號幅度和相位的矢量示波器、醫(yī)學上的心電儀等等。,5.1.1 示波器的功能及分類,5.1.2 主要技術(shù)指標 p161-p163,1頻帶寬度BW和上升時間tr P162 示波器的頻帶寬度BW一般指Y通道的頻帶寬度。 上升時間tr是一個與頻帶寬度BW相關(guān)的參數(shù)，表示由于示波器Y通道的頻帶寬度的限制，反映了示波器Y通道跟隨輸入信號快速變化的能力。 頻帶寬度BW與上升時間tr的關(guān)系可近似表示為,例如，對于帶寬BW=100MHz的示波器，tr=3.5ns,如帶寬小時， 理想方波的高次諧波分量將被抑制，顯示波形將會有一定失真。,5.1.2 主要技術(shù)指標p161-p163,

6、2掃描速度 P163 （注意與書上的區(qū)別） 掃描速度是指熒光屏上單位時間內(nèi)光點水平移動的距離，單位為“cm/s”。 熒光屏上通常用間隔1cm的坐標線作為刻度線，因此掃描速度的單位也可表示為“div/s”。 掃描速度的倒數(shù)稱為“時基因素”，它表示單位距離代表的時間，單位為“t/cm”或“t/div”，時間t可為s、ms或s，在示波器的面板上，通常按“1、2、5”的順序分成很多檔。,對高頻信號和窄脈沖信號觀測時，需要觀測細節(jié)信號。掃描 速度越高，觀測能力越強。,5.1.2 主要技術(shù)指標p161-p163,3偏轉(zhuǎn)靈敏度 偏轉(zhuǎn)靈敏度指在輸入信號作用下，光點在熒光屏上的垂直（Y）方向移動1cm（即1格）

7、所需的電壓值，單位為“V/cm”、“mV/cm”（或“V/div”、“mV/div”）。 偏轉(zhuǎn)靈敏度表示了示波器Y通道的放大/衰減能力。所需電壓越小，偏轉(zhuǎn)靈敏度越高。,反應(yīng)了示波器觀測小信號 的能力,4輸入阻抗 當被測信號接入示波器時，輸入阻抗Zi形成被測信號的等效負載。希望電阻大，電容小，通常為1M歐姆/33PF. 5輸入方式 即輸入耦合方式，一般有直流（DC）、交流（AC）和接地（GND）三種，可通過示波器面板選擇。 6觸發(fā)源選擇方式 觸發(fā)源是指用于提供產(chǎn)生掃描電壓的同步信號來源，一般有內(nèi)觸發(fā)（INT）、外觸發(fā)（EXT）、電源觸發(fā)（LINE）三種。,5.1.2 主要技術(shù)指標p161-p16

8、3,5.2 CRT顯示原理 p155,5.2.1 CRT（陰極射線管） CRT主要由電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三部分組成，基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。,燈絲F、陰極K、柵極G1和G2和陽極A1、A2,燈絲對陰極K加熱，經(jīng)過柵極和陽極進行聚焦和加速后進入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，按被測信號大小產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。,1 電子槍 p155,電子槍的作用是發(fā)射電子并形成很細的高速電子束，它由燈絲F、陰極K、柵極G1和G2和陽極A1、A2組成。 通過調(diào)節(jié)G1對K的負電位可控制電子束的強弱，從而調(diào)節(jié)光點的亮度，即進行“輝度”控制。 調(diào)節(jié)A1的電位器稱為“聚焦”旋鈕，通過對它進行調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)G2與A1和A1與A2之間的電位；調(diào)節(jié)A2電位的旋鈕稱

9、為“輔助聚焦”。,燈絲F、陰極K、柵極G1和G2和陽極A1、A2,1 電子槍p155,電子束聚焦的原理是，電子從陰極K發(fā)射，經(jīng)G1、G2、A1、A2聚焦和加速后進入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。 電子在電子槍中的運動軌跡如下圖所示。,燈絲F、陰極K、柵極G1和G2和陽極A1、A2,2 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng) p156,示波管的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)由兩對相互垂直的平行金屬板組成，分別稱為垂直偏轉(zhuǎn)板和水平偏轉(zhuǎn)板 。 當有外加電壓作用時，偏轉(zhuǎn)板之間形成電場；在偏轉(zhuǎn)電場作用下，電子束打向由X、Y偏轉(zhuǎn)板共同決定的熒光屏上的某個坐標位置。 為了示波器有較高的測量靈敏度，Y偏轉(zhuǎn)板置于靠近電子槍的部位，而X偏轉(zhuǎn)板在Y的右邊。,偏轉(zhuǎn)軌跡圖,偏轉(zhuǎn)距離,l為偏

10、轉(zhuǎn)板的長度；L為偏轉(zhuǎn)板右側(cè)邊緣到熒光屏的距離；d為偏轉(zhuǎn)板間距；UA2為陽極A2上的電壓,Uy為加于y軸偏轉(zhuǎn)板間的電壓。,2 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng) p156,2 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)p157,偏轉(zhuǎn)距離的定性描述： L,l增大，y增大；d增大，UA2增大，y減小， Sy為常數(shù)，成為偏轉(zhuǎn)靈敏度， 則 ,即電子束在偏轉(zhuǎn)電場作用下的偏轉(zhuǎn)距離與外加偏轉(zhuǎn)電壓成正比，它是示波器波形測量的理論基礎(chǔ)。 示波管的Y軸偏轉(zhuǎn)靈敏度Sy（單位為）： 表示亮點在熒光屏上偏轉(zhuǎn)1cm所需加于偏轉(zhuǎn)板上的電壓值。此值越小表示靈敏度越高。 為提高Y軸偏轉(zhuǎn)靈敏度，可在偏轉(zhuǎn)板至熒光屏之間加一個后加速陽極A3。稱為“先偏轉(zhuǎn)后加速”（PDA）. 高靈敏度示波器：靈

11、敏度在uv量級（但帶寬窄）。,3 熒光屏 p158,熒光屏將電信號變?yōu)楣庑盘?，是示波管的波形顯示部分 。 在使用示波器時，應(yīng)避免電子束長時間的停留在熒光屏的一個位置，否則將使熒光屏受損。因此在示波器開啟后不使用的時間內(nèi)，可將“輝度”調(diào)暗。 當電子束停止轟擊熒光屏時，光點仍能保持一定的時間，這種現(xiàn)象稱為“余輝效應(yīng)”。 極短余輝：小于10us；短余輝：10us-1ms； 中余輝：1ms-0.1s；長余輝：0.1s-1s；極長余輝：大于1s 。,1顯示隨時間變化的圖形 （1）Ux、Uy為固定電壓時，有下面四種情況：,5.2.2 波形顯示的基本原理 p158-p161,光點出現(xiàn)在熒光屏的中心位置。,光

12、點僅在垂直方向偏移 ：Uy為正電壓時，光點從熒光屏的中心往垂直方向上移；Uy為負電壓時，光點從熒光屏的中心往垂直方向下移。,5.2.2 波形顯示的基本原理p158-p161,1顯示隨時間變化的圖形（續(xù)）,光點僅在水平方向偏移 ：Ux為正電壓時，光點從熒光屏的中心往水平方向右移；Ux為負電壓時，光點從熒光屏的中心往水平方向左移。,當兩對偏轉(zhuǎn)板上同時加固定的正電壓時，光點位置應(yīng)為兩電壓的矢量合成。,5.2.2 波形顯示的基本原理p158-p161,1顯示隨時間變化的圖形（續(xù)） （2）X、Y偏轉(zhuǎn)板上分別加變化電壓，有下面兩種情況：,僅在垂直偏轉(zhuǎn)板的兩板間加正弦變化的電壓，則光點只在熒光屏的垂直方向來

13、回移動，出現(xiàn)一條垂直線段。,5.2.2 波形顯示的基本原理p158-p161,1顯示隨時間變化的圖形（續(xù)）,僅在水平偏轉(zhuǎn)板的兩板間加鋸齒電壓，則光點只在熒光屏的水平方向來回移動，出現(xiàn)一條水平線段。,5.2.2 波形顯示的基本原理p158-p161,1顯示隨時間變化的圖形（續(xù)） （3）Y偏轉(zhuǎn)板加 正弦波信號電壓， X偏轉(zhuǎn)板加鋸齒波 電壓，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。,5.2.2 波形顯示的基本原理p158-p161,2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的圖形稱為李沙育（Lissajous）圖形，這種圖形在相位和頻率測量中常會用到。

14、,若兩信號的初相相同，且在X、Y方向的偏轉(zhuǎn)距離相同，在熒光屏上畫出一條與水平軸呈45度角的直線。,5.2.2 波形顯示的基本原理p158-p161,2顯示任意兩個變量之間的關(guān)系（續(xù)）,若兩信號的初相相差90度，且在X、Y方向的偏轉(zhuǎn)距離相同，在熒光屏上畫出的圖形為圓。相差不是90度時，可能顯示的是橢圓。,5.2.2 波形顯示的基本原理p158-p161,3掃描的概念 如果在X偏轉(zhuǎn)板上加一個隨時間線形變化的電壓，垂直偏轉(zhuǎn)板不加電壓，那么光點在水平方向的偏移距離為 ，比例系數(shù)Sx稱為示波管的X軸偏轉(zhuǎn)靈敏度。 光點在鋸齒波作用下掃動的過程稱為“掃描”，能實現(xiàn)掃描的鋸齒波電壓稱為掃描電壓，光點自左向右的

15、連續(xù)掃動稱為“掃描正程”，自熒光屏的右端迅速返回左端起掃點的過程稱為“掃描逆程”。,5.2.2 波形顯示的基本原理p158-p161,4同步的概念 （1）Tx=nTy(n為正整數(shù))：熒光屏上將穩(wěn)定顯示n個周期的被測信號波形。,n=2,如果掃描電壓周期Tx與被測電壓周期Ty保持Tx=nTy的關(guān)系，則稱掃描電壓與被測電壓“同步”。,5.2.2 波形顯示的基本原理p158-p161,4同步的概念（續(xù)） （2）TxnTy(n為正 整數(shù))，即不滿足同 步關(guān)系時，顯示的 波形不穩(wěn)定。,5.2.2 波形顯示的基本原理,5連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描 掃描電壓是連續(xù)的方式稱為連續(xù)掃描。 當欲觀測脈沖信號，尤其是占空比很

16、小的脈沖時，采用連續(xù)掃描存在一些問題（a）選擇掃描周期等于脈沖重復周期時，難以看清脈沖波形的細節(jié)。,脈沖不能 展寬進行 觀測，因 為脈沖波 形集中在時 間基線的起 始部分，圖形在水平方向上被壓縮,5.2.2 波形顯示的基本原理,5連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描（續(xù)） （b）選擇掃描周期等于脈沖底寬時，觀測者不易觀察波形，而且掃描的同步很難實現(xiàn)。,5.2.2 波形顯示的基本原理,5連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描（續(xù)） 觸發(fā)掃描時，使掃描脈沖只在被測脈沖到來時才掃描一次；沒有被測脈沖時，掃描發(fā)生器處于等待工作狀態(tài)。,5.2.2 波形顯示的基本原理,圖 連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描的比較,5.2.2 波形顯示的基本原理,6掃描過程的

17、增輝（掃描過程信號顯示更亮） 為了使回掃產(chǎn)生的 波形不在熒光屏上顯示， 可以設(shè)法在掃描正程 期間，給示波器增輝。,若不增輝將產(chǎn)生如圖的回掃線， 增輝使得回歸軌跡相對顯示波形看不出來。,掃描回程不等于零,5.3 通用示波器 （p154）,5.3.1 通用示波器的組成,包括：垂直X系統(tǒng)、水平Y(jié)系統(tǒng)、其它,校準信號能夠提供一個0.5v,1000Hz方波,為了完整觀測波形,用于示波管電源,5.3 通用示波器,5.3.2 通用示波器的垂直通道（P164） 1輸入電路：包括衰減器和輸入選擇開關(guān)。 （1）衰減器 p165,最佳補償條件 ：,過補償 ：,欠補償：,改變分壓比的開關(guān)為示波器的垂直靈敏度粗調(diào)開關(guān)，

18、在面板上用“V/cm”標記。,調(diào)節(jié)C1,RC阻容分壓器，分壓比取決于R1C1,R2C2,5.3 通用示波器,（2）輸入耦合方式 p165 輸入耦合方式設(shè)有AC、GND、DC三檔選擇開關(guān)。 觀察交流信號時，置“AC”檔。 確定零電壓時，置“GND”檔。 觀測頻率很低的信號或帶有直流分量的交流信號 時，置“DC”檔。,5.3.2 通用示波器的垂直通道（p164）,2前置放大器 p167 前置放大器將信號適當放大，從中取出內(nèi)觸發(fā)信號，并具有靈敏度微調(diào)、校正、Y軸移位、極性反轉(zhuǎn)等控制作用。 Y前置放大器大都采用差分放大電路，輸出一對平衡的交流電壓。若在差分電路的輸入端輸入不同的直流電位，相應(yīng)的Y偏轉(zhuǎn)板上的直流電位和波形在Y方向的位置也會改變。 可通過調(diào)節(jié)“Y軸位移”旋鈕，調(diào)節(jié)直流電位以改變被測波形在屏幕上的位置。,5.3.2 通用示波器的垂直通道（p164）,3延遲線 p170 觸發(fā)掃描時，掃描的開始時間總是滯后于被觀測脈沖一段時間，這樣，脈沖的上升過程就無法被完整地顯示出來。,左圖為沒有延遲線時屏幕上顯示的脈沖。,5.3.2 通用示波器的垂直通道（p164）,3延遲線（P170） 延遲線的作用就是把加到 垂直偏轉(zhuǎn)板上的脈沖信號延遲 一段時間，以保證在屏幕上掃 描出包括上升時間在內(nèi)的脈沖 全過程。 延遲線只對信號