示波器基礎(chǔ)知識PPT課件

1、1 11 1 說明和功能說明和功能 我們可以把示波器簡單地看成是具有圖形顯示的電壓表。 普通的電壓表是在其度盤上移動的指針或者數(shù)字顯示來給出信號電壓的測量讀數(shù)。而示波器則與共不同。示波器具有屏幕，它能在屏幕上以圖形的方式顯示信號電壓隨時間的變化，即波形。 示波器和電壓表之間的主要區(qū)別是： 1.電壓表可以給出祥測信號的數(shù)值，這通常是有效值即RMS值。但是電壓表不能給出有關(guān)信號形狀的信息。有的電壓表也能測量信號的峰值電壓和頻率。然而，示波器則能以圖形的方式顯示信號隨時間變化的歷史情況。 2.電壓表通常只能對一個信號進行測量，而示波器則能同時顯示兩個或多個信號。第1頁/共25頁顯顯 示示 系系 統(tǒng)統(tǒng)

2、 （一）（一） 示波器的顯示器件是陰極射線管，縮寫為CRT。陰極射線管的基礎(chǔ)是一個能產(chǎn)生電子的系統(tǒng)，稱為電子槍。電子槍向屏幕發(fā)射電子。電子槍發(fā)射的電子經(jīng)聚焦形成電子束，并打在屏幕中心的一點上。屏幕的內(nèi)表面涂有熒光物質(zhì)，這樣電子束打中的點就發(fā)出光來。 電子在從電子槍到屏幕的途中要經(jīng)過偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。在偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)上施加電壓就可以使光點在屏幕上移動。偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)由水平（X）偏轉(zhuǎn)板和垂直（Y）偏轉(zhuǎn)板組成。這種偏轉(zhuǎn)方式稱為靜電偏轉(zhuǎn)。 第2頁/共25頁顯顯 示示 系系 統(tǒng)統(tǒng) （二）（二） 在屏幕的內(nèi)表面用刻劃或腐蝕的方法作出許多水平和垂直的直線形成網(wǎng)絡(luò)，稱為標(biāo)尺。標(biāo)尺通常在垂直方向有8個，水平方向有10個，每個格為1

3、cm。有的標(biāo)尺線又進一步分成小格，并且還有標(biāo)明0和100的特別線。這些特別的線和標(biāo)明10和90的標(biāo)尺配合使用以進行上升時間的測量。如上所述，受到電子轟擊后，CRT上的熒光物質(zhì)就會發(fā)光。當(dāng)電子束移開后，熒光物質(zhì)在一個短的時間內(nèi)還會繼續(xù)發(fā)光。這個時間稱為余輝時間。余輝時間的長短隨熒光物質(zhì)的不同而變化。最常用的熒光物質(zhì)是P31，其余輝時間小于一毫秒(ms).而熒光物質(zhì)P7的余輝時間則較長，約為300ms，這對于觀察較慢的信號非常有用。P31材料發(fā)射綠光，而P7材料發(fā)光的顏色為黃綠色。 將輸入信號加到Y(jié)軸偏轉(zhuǎn)板上，而示波器自己使電子束沿X軸方向掃描。這樣就使得光點在屏幕上描繪出輸入信號的波形。這樣掃出

4、的信號波形稱為波形軌跡。影響屏幕的控制機構(gòu)有：第3頁/共25頁 輝輝 度度 輝度控制用來調(diào)切波形顯示的亮度。本章中用作示例的示波器所采用的電路能夠根據(jù)不同的掃描速度自動調(diào)切輝度。當(dāng)電子束移動得比較快時，熒光物質(zhì)受到激勵的時間就變短，因此必須增加輝度才能看清軌跡。相反，當(dāng)電子束移動緩慢時，屏幕上的光點變得很亮，因此必須減小輝度以免熒光物質(zhì)被燒壞。從而延長示波管的壽命。 對于屏幕上的文字部分，另有單獨的輝度控制機構(gòu)。第4頁/共25頁 聚聚 焦焦 聚焦控制機構(gòu)用來控制屏幕上光點的大小，以便獲得清晰的波形軌跡。有些示波器，例如本書用作示例的示波器上，聚集也是由示波器自己進行最佳控制的，從而能在不同的輝

5、度和不同的掃描下保持清晰的波形軌跡。另外也提供手動調(diào)節(jié)的聚集控制。第5頁/共25頁掃描旋轉(zhuǎn)掃描旋轉(zhuǎn) 這個控制機構(gòu)使X軸掃描線和水平標(biāo)尺線對齊。由于地球的磁場在各個地方是不同的，這將會影響示波管顯示的掃描線。掃跡旋轉(zhuǎn)功能就用來對此進行補償。掃描旋轉(zhuǎn)功能是預(yù)先調(diào)好的，通常只需在示波器搬動后再行調(diào)節(jié)。第6頁/共25頁標(biāo)尺照明標(biāo)尺照明 標(biāo)尺亮度可以單獨控制。這對于屏幕攝影或在弱光線條件下工作時非常有用。 第7頁/共25頁Z Z調(diào)制調(diào)制 掃描的輝度可以用電氣的方法通過一個外加的信號來改變。這對于由外部信號來產(chǎn)生水平偏轉(zhuǎn)以及使用XY顯示方式來尋找頻率關(guān)系的應(yīng)用中是十分有用的。 此信號輸入端通常是示波器后面

6、板上的一個BNC插座。第8頁/共25頁1 12 2 模擬示波器方框圖模擬示波器方框圖 CRT是所有示波器的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在我們已經(jīng)對它有所了解。下面我們就看一看示波管是怎樣作為示波器的心臟來起作用的。 我們已經(jīng)看到，示波器有兩個垂直偏轉(zhuǎn)板，兩個水平偏轉(zhuǎn)板和一個電子槍。從電子槍發(fā)射出的電子束的強度可以用電氣的辦法來加以控制。第9頁/共25頁示波管的垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括：示波管的垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括： 輸入衰減器（每通道一個） 前置放大器（每通道一個） 用來選擇使用哪一個輸入通道的電子開關(guān) 偏轉(zhuǎn)放大器 示波器的水平偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括：時基、觸發(fā)電路和水平偏轉(zhuǎn)放大器 輝度控制電路用電子學(xué)的方法在恰當(dāng)?shù)臅r刻點亮和熄滅掃跡

7、。 為使所有這些電路工作，示波器需要有一個電源。此電源從交流市電或者從機內(nèi)或外部的電池獲取能量，使示波器工作。任何示波器的基本性能都是由它的垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的特性來決定的，所以我們首先來詳細(xì)地考察這一部分。第10頁/共25頁1 13 3 垂直偏轉(zhuǎn)垂直偏轉(zhuǎn) （一）（一） 靈敏度 垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)對輸入信號進行比例變換，使之能在屏幕上表現(xiàn)出來。示波器可以顯示峰峰值電壓為幾毫伏到幾十伏的信號。因此必須把不同幅度的信號進行變換以適應(yīng)屏幕的顯示范圍，這樣就可以按照標(biāo)尺刻度對波形進行測量。為此就要求對大信號進行衰減、對小信號進行放大。示波器的靈敏度或衰減器控制就是為此而設(shè)置的。 靈敏度是以每格的伏特數(shù)來衡量的看一

8、下圖3可以知道其靈敏度設(shè)置為1V/格。因此，峰峰值為6V的信號使得掃跡在垂直方向的6個格內(nèi)偏轉(zhuǎn)變化。知道了示波器的靈敏度設(shè)置值和電子束在垂直方向掃描的格數(shù)，我們就可以測量出信號的峰峰電壓值。 第11頁/共25頁1 13 3 垂直偏轉(zhuǎn)垂直偏轉(zhuǎn) （二）（二） 在多數(shù)的示波器上，靈敏度控制都是按125的序列步進變化的。即靈敏度。設(shè)置顛倒為10mV/格、20mV/格、50mV/、100mV/格等等。靈敏度通常是用幅度上升/下降鈕來進行控制的，而在有些示波器則是用轉(zhuǎn)動垂直靈敏度旋鈕來進行。 如果使用這些靈敏度步進不能調(diào)節(jié)信號使之能夠準(zhǔn)確的按照要求在屏幕上顯示，那么就可以使用可變（VAR）控制。在第6章我

9、們將會看到，使用標(biāo)尺刻度來進行信號上升時間的測量就是一個很好的例子。可變控制能夠在125的步進值之間對靈敏度進行連續(xù)調(diào)節(jié)。通常當(dāng)使用可變控制時，準(zhǔn)確的靈敏度值是不知道的。我們只知道這時示波器的靈敏度是在125序列的兩個步進值之間的某個值。這時我們稱該通道的Y偏轉(zhuǎn)是未校準(zhǔn)的或表示為uncal。這種未校準(zhǔn)的狀態(tài)通常在示波器的前面板或屏幕上指示出來。第12頁/共25頁1 13 3 垂直偏轉(zhuǎn)垂直偏轉(zhuǎn) （三）（三） 在更現(xiàn)代化的示波器，例如我們用作示例的示波器，由于彩用了現(xiàn)代先進的技術(shù)進行控制和校準(zhǔn)。因此示波器的靈敏度可以在最小值和最大值之間連續(xù)變化，而始終保持處于校準(zhǔn)狀態(tài)。 在老式的示波器上，通道靈敏

10、度的設(shè)置值是從靈敏度控制旋鈕周圍的刻度上讀出的。而在新型的示波器上，通道靈敏度設(shè)置值清晰地顯示在屏幕上，如圖3所示，或者用一個單獨的CD顯示器顯示出來。第13頁/共25頁耦耦 合合 耦合控制機構(gòu)決定輸入信號從示波器前面板上的BNC輸入端通到該通道垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)其它部分的方式。耦合控制可以有兩種設(shè)置方式，即DC耦合和AC耦合。 DC耦合方式為信號提供直接的連接通路。因此信號提供直接的連接通路。因此信號的所有分量（AC和：DC）都會影響示波器的波形顯示。 AC耦合方式則在BDC端和衰減器之間串聯(lián)一個電容。這樣，信號的DC分量就被阻斷，而信號的低頻AC分量也將受阻或大為衰減。示波器的低頻截止頻率就是示

11、波器顯示的信號幅度僅為其直實幅度為71時的信號頻率。示波器的低頻截止頻率主要決定于其輸入耦合電容的數(shù)值。示波器的低頻截止頻率典型值為10Hz。和耦合控制機構(gòu)有關(guān)的另一個功能是輸入接地功能。這時，輸入信號和衰減器斷開并將衰減器輸入端連至示波器的地電平。當(dāng)選擇接地時，在屏幕上將會看到一條位于0V電平的直線。這時可以使用位置控制機構(gòu)來調(diào)節(jié)這個參考電平或掃描基線的位置。第14頁/共25頁輸入阻抗輸入阻抗 多數(shù)示波器的輸入阻抗為1M和大約25pF相關(guān)聯(lián)。這足以滿足多數(shù)應(yīng)用場合的要求，因為它對多數(shù)電路的負(fù)載效應(yīng)極小。 有些信號來自50輸出阻搞的源。為了準(zhǔn)確的測量這些信號并避免發(fā)生失真，必須對這些信號進行正

12、確的傳送和端接。這時應(yīng)當(dāng)使用50特性阻抗的電纜并用50的負(fù)載進行端接。某些示波器，如PM3094和PM3394A，內(nèi)部裝有一個50的負(fù)載，提供一種用戶可選擇的功能。為避免誤操作，選擇此功能時需經(jīng)再次確認(rèn)。由于同樣的理由，50輸入阻抗功能不能和某些探頭配合使用。第15頁/共25頁位位 置置 垂直位置控制或POS控制機構(gòu)控制掃跡在屏幕Y軸的位置。在輸入耦合控制中選擇接地，這時就將輸入信號斷開，這樣就可以找到地電平的位置。在更先進的示波器上設(shè)有單獨的地電平指示器，它可以讓用戶能連續(xù)地獲得波形的參考電平。第16頁/共25頁動態(tài)范圍動態(tài)范圍 動態(tài)范圍就是示波器能夠不失真地顯示信號的最大幅值，在此信號幅值

13、下只要調(diào)節(jié)示波器的垂直位置仍能觀察到波形的全部。對于Fluke公司的示波器來說，動態(tài)范圍的典型值為24路（3個屏幕）第17頁/共25頁相加和反向相加和反向 簡單的把兩個信號相加起來似乎沒有什么實際意義。然百，把兩個有關(guān)信號之一反向，再將二者相加，實際上就實現(xiàn)了兩個信號的相減。這對于消除共模干擾（即交流聲），或者進行差分測量都是非常有用的。 從一個系統(tǒng)的輸出信號中減去輸入信號，再進行適當(dāng)?shù)谋壤儞Q，就可以測出被測系統(tǒng)引起的失真。 由于很多電子系統(tǒng)本身就具有反向的特性，這樣只要把示波器的兩個輸入信號相加就能實現(xiàn)我們所期望的信號相減。 第18頁/共25頁交替和斷續(xù)交替和斷續(xù) 示波器CRT本身一次只能

14、顯示一條掃跡。然而，在很多示波器應(yīng)用中，常常要進行信號的比較，例如，研究輸入/輸出信號間的關(guān)系，或者一個系統(tǒng)對信號的延遲等。這就要求示波器實際上能同時顯示不只一個信號。 為了達(dá)到這一目的，可以用兩種辦法來控制電子束： 1.可以交替地畫完一條掃跡，再畫另一條掃跡。這種方法稱為交替模式，或簡稱為ALT模式。 2.可以在兩條掃跡之間迅速的進行開關(guān)或斬波切換，從而分段的畫出兩條掃跡。這稱為斷續(xù)模式或CHOP模式。其結(jié)果是在一次掃描的時間里一段接一段的畫出兩條掃跡。 斷續(xù)模式適合于在低時基速率下顯示低頻率信號，因為這時斬波器開關(guān)能快速進行切換。 交替模式適合于需要使用較快時基設(shè)置的高頻率信號的顯示。本書

15、中我們用作示例的示波器在不同的掃描速度下能自動地ALT或CHOP模式以給出最好的顯示效果。用戶也可以手動選擇ALT或CHOP模式以適合特殊信號的需求。 第19頁/共25頁帶帶 寬寬 示波器最生根的技術(shù)指標(biāo)就是帶寬。示波器的帶寬表明了該示波器垂直系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。示波器的帶寬定義為示波器在屏幕上能以不低于真實信號3dB的幅度來顯示信號的最高頻率。 3dB點的頻率就是示波器所顯示的信號幅度“Vdisp”為示波器輸入端真實信號值“Vinput”的71時的信號頻率，如下式所示：設(shè)： dB(伏)20log(電壓比) 3Db=20log(Vdisp/Vinput) 0.15log(Vdisp/Vinput)

16、 10-0.15=Vdisp/Vinput Vdisp=0.7Vinput 一臺典型為100MHz示波器的頻率響應(yīng)曲線（簡化的曲線和實際的曲線） 出于現(xiàn)實的理由，通常把帶寬想象成為叔響曲線一直平坦延伸至其截止頻率，然后從該頻率以20dB/+倍頻程的斜率下降。當(dāng)然，這是一種簡化的考慮。實際上，放大器的靈敏度從較低的頻率就開始下降，百在其截止頻率達(dá)到3dB .第20頁/共25頁帶寬限制器帶寬限制器 使用帶寬限制器可以把通常帶寬在100MHz以上的寬帶示波器的頻帶減小到20MHz的典型值。這樣就降低了噪聲電平和干擾，這對于進行高靈敏度的測量是非常有用的。第21頁/共25頁上升時間上升時間 （一）（一

17、） 上升時間直接和帶寬有關(guān)。上升時間通常規(guī)定為信號從其穩(wěn)態(tài)最大值的10到90所用的時間。 上升時間是一個示波器從理論上來說能夠顯示的最快的瞬變的時間。示波器的高頻響應(yīng)曲線是經(jīng)過認(rèn)真安排的。這就保證了具有高諧波含量的信號，如方波，能夠在屏幕上精確的再現(xiàn)。如果頻響曲線下降太快，則在信號的快速上升沿上就會發(fā)生振鈴現(xiàn)象。如果頻響曲線下降太慢，即在頻響曲線上下降開始得過早，則示波器總的高頻響應(yīng)就受到影響，使得方波失去“方形”特性。 對于各種通用示波器來說，其高頻響應(yīng)曲線是類似的。從該曲線我們可以得到一個示波器帶寬和上升時間的簡單關(guān)系公式。此公式為： tr(s)=0.35/BW(Hz) 對于高頻示波器來說，這個公式可以表示為： tr(ns)=350/BW(MHz) 對于一個100MHz的示波器來說，上升時間為3.5（ns=納秒109秒）第22頁/共25頁上升時間（二）上升時間（二） 在示波器的標(biāo)尺上刻有標(biāo)明0和100的專門的線，用來進行上升時間的測量。測量時我們先用VAR靈敏度控制機構(gòu)將被測認(rèn)號的頂部和底部分別和標(biāo)有0和100的線對齊。 然后找出信號和標(biāo)尺上標(biāo)有10和90的兩條線的交點。這樣，上升時間就可以從這兩個交點