第05章示波器

1、第5章電子示波器第5章電子示波器5.1概述概述5.2示波管示波管5.3電子示波器的結(jié)構(gòu)框圖與性能電子示波器的結(jié)構(gòu)框圖與性能5.4電子示波器的電子示波器的Y、 X通道及校正器通道及校正器5.5雙蹤和雙線示波器雙蹤和雙線示波器5.6高速和取樣示波器高速和取樣示波器5.7 記憶示波器與存儲示波器記憶示波器與存儲示波器*5.8數(shù)字化波形處理系統(tǒng)簡介數(shù)字化波形處理系統(tǒng)簡介小結(jié)小結(jié)習(xí)題習(xí)題4第5章電子示波器5.1概述概述電子示波器簡稱示波器。 它是一種用熒光屏顯示電量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。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(zhuǎn)換成人眼能夠看到

2、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)轉(zhuǎn)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(yīng)用的電子測量儀器， 它普遍地應(yīng)用于國防、 科研、 學(xué)校以及工、 農(nóng)、 商業(yè)等各個領(lǐng)域。第5章電子示波器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10 V/div(微伏/格)。(3) 工作頻帶， 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1000 MHz， 預(yù)計不久將研制出帶寬為

3、2 GHz以上的示波器。第5章電子示波器(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(guān)系， 可作為比較信號用的高速X-Y記錄儀。由于示波器的上述特點， 電子示波器除直接用于電量測試外， 也可配以其他設(shè)備組成綜合測量儀器。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(luò)的頻率特性。(4) 顯示電子器件的伏安特性。第5章電子示波器總之， 電子示波器是測量電子電路工作情況的不可或缺的重要工具。電子示波器的發(fā)展可溯源到19世紀末研制成的第一支冷陰極靜電偏轉(zhuǎn)電子射線示波管。 20世紀40年代末， 逐漸建

4、立起專門生產(chǎn)示波器的廠家。 幾十年來， 示波器由電子管示波器發(fā)展到晶體管、 集成電路的示波器， 由模擬電路發(fā)展到數(shù)字電路， 由通用寬帶示波器發(fā)展到高速取樣示波器、 記憶示波器、 數(shù)字存儲示波器、 邏輯示波器等多種類型示波器， 它還可與微型計算機連接組成智能測量系統(tǒng)。第5章電子示波器建國以后， 我國示波器工業(yè)也有了很大的發(fā)展， 有些已接近世界先進水平， 但與工業(yè)先進的國家還有一定的差距。 目前電子示波器的主要生產(chǎn)廠家和產(chǎn)品系列如表5.1-1所示。本章在介紹示波器組成結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上， 介紹示波器的工作原理、 種類及應(yīng)用。第5章電子示波器第5章電子示波器5.2示波管示波管示波器的核心部件是示波管， 它

5、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， 也叫陰極射線管陰極射線管。 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(chǔ)上發(fā)展起來的， 它們的組成結(jié)構(gòu)與原理基本相同。第5章電子示波器示波管由電子槍、示波管由電子槍、 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三部分組成偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三部分組成， 如圖5.2-1所示。 其用途是將電信號轉(zhuǎn)變成光信號并在熒光屏上顯示。 電子槍的作用是發(fā)射電子并形成很細的高電子槍的作用是發(fā)射電子并形成很細的高速電子束，速電子束， 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)由偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)由X方向和方向和Y方向兩對偏轉(zhuǎn)板組成，方向兩對偏轉(zhuǎn)板組成， 它的作用是決定電子束怎樣偏轉(zhuǎn)，它的作

6、用是決定電子束怎樣偏轉(zhuǎn)， 熒光屏的作用則是顯熒光屏的作用則是顯示偏轉(zhuǎn)電信號的波形。示偏轉(zhuǎn)電信號的波形。第5章電子示波器圖5.2-1示波管及電子束控制電路第5章電子示波器5.2.1電子槍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。燈絲h用于對陰極K加熱， 加熱后的陰極發(fā)射電子。 柵極G1電位比陰極K低， 對電子形成排斥力， 使電子朝軸向運動， 形成交叉點F1, 并且只有初速度較高的電子能夠穿過柵極奔向熒光屏， 初速度較低的電子則返回陰極， 被陰極吸收。 如果柵極G1電位足夠低， 則可使發(fā)射出的電子全部返回陰極， 因此， 調(diào)

7、節(jié)柵極調(diào)節(jié)柵極G1的電位可控制射向熒光屏的電位可控制射向熒光屏的電子流密度，的電子流密度， 從而改變熒光屏亮點的輝度。從而改變熒光屏亮點的輝度。 第5章電子示波器 圖5.2-1中輝度調(diào)節(jié)旋鈕控制電位器RW1進行分壓調(diào)節(jié)， 即調(diào)節(jié)柵極G1的電位。 控制輝度的另一種方法是以外加電控制輝度的另一種方法是以外加電信號控制柵陰極間電壓，信號控制柵陰極間電壓， 使亮點輝度隨電信號強弱而變化使亮點輝度隨電信號強弱而變化(像電視顯像管那樣像電視顯像管那樣)， 這種工作方式稱為這種工作方式稱為“輝度輝度調(diào)制調(diào)制”。 這個外加電信號的控制形成了除這個外加電信號的控制形成了除X方向和方向和Y方向之方向之外的三維圖形

8、顯示，外的三維圖形顯示， 稱為稱為Z軸控制。軸控制。第5章電子示波器G2、 A1、 A2構(gòu)成一個對電子束的控制系統(tǒng)。 這三個極板上都加有較高的正電位， 并且G2與A2相連。 穿過柵極交叉點F1的電子束由于電子間的相互排斥作用而散開。 進入G2、 A1、 A2構(gòu)成的靜電場后， 一方面受到陽極正電壓的作用加速向熒光屏運動， 另一方面由于A1與G2、 A1與A2形成的電子透鏡的作用向軸線聚擾， 形成很細的電子束。第5章電子示波器如果電壓調(diào)節(jié)得適當(dāng)， 則電子束恰好聚焦在熒光屏S的中心點F2處。 圖5.2-1中RW2和和RW3分別是分別是“聚焦聚焦”和和“輔助聚焦輔助聚焦”旋鈕所對應(yīng)的電位器，旋鈕所對應(yīng)

9、的電位器， 調(diào)節(jié)這兩個旋鈕調(diào)節(jié)這兩個旋鈕使得電子束具有較細的截面，使得電子束具有較細的截面， 射到熒光屏上，射到熒光屏上， 以便在熒以便在熒光屏上顯示出清晰的、光屏上顯示出清晰的、 聚焦很好的波形曲線。聚焦很好的波形曲線。第5章電子示波器5.2.2偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)由水平偏轉(zhuǎn)板X1、 X2和垂直偏轉(zhuǎn)板Y1、 Y2這兩對相互垂直的偏轉(zhuǎn)板組成。 垂直偏轉(zhuǎn)板垂直偏轉(zhuǎn)板Y在前，在前， 水平偏轉(zhuǎn)板水平偏轉(zhuǎn)板X在后在后， 如果僅在Y1、 Y2偏轉(zhuǎn)板間加電壓， 則電子束將根據(jù)所形成的電場強弱與極性在垂直方向上運動。 如果Y1為正， Y2為負， 則電子束向上運動， 電場強， 運動距離大， 電場弱， 運動

10、距離??； 若Y1為負， Y2為正， 則電子束向下運動。 同理， 在X1、 X2間加電壓， 電子束將根據(jù)電場的強弱與極性在水平方向上運動， 電子束最終的運動情況取決于水平方電子束最終的運動情況取決于水平方向和垂直方向電壓的合成作用，向和垂直方向電壓的合成作用， 當(dāng)當(dāng)X、 Y偏轉(zhuǎn)板加不同電壓偏轉(zhuǎn)板加不同電壓時，時， 熒光屏上的亮點可以移動到屏面上的任一位置。熒光屏上的亮點可以移動到屏面上的任一位置。第5章電子示波器為了顯示電信號的波形， 通常在水平偏轉(zhuǎn)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

11、信號波形， 參見圖5.2-2。 水平偏轉(zhuǎn)水平偏轉(zhuǎn)板板X板上所加鋸齒形電壓稱為板上所加鋸齒形電壓稱為“時基信號時基信號”或或“掃描信號掃描信號”。例如， 當(dāng)當(dāng)uy信號為正弦波時，信號為正弦波時， 只有在掃描電壓只有在掃描電壓ux的頻率的頻率fx與與被觀察的信號電壓被觀察的信號電壓uy的頻率的頻率fy相等或成整倍數(shù)相等或成整倍數(shù)n時，時， 才能穩(wěn)定才能穩(wěn)定地顯示一個或地顯示一個或n個正弦波形個正弦波形， 如圖5.2-2(b)、 (c)所示。第5章電子示波器圖5.2-2偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作原理圖第5章電子示波器5.2.3熒光屏熒光屏在熒光屏的玻殼內(nèi)側(cè)涂上熒光粉， 就形成了熒光屏， 它不是導(dǎo)電體。 當(dāng)電子束轟

12、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。 熒光粉從電子激發(fā)停止時的瞬間亮度下降到該亮度的10%所經(jīng)過的時間稱為余輝時間。 熒光粉的成分不同， 余輝時間也不同， 為適應(yīng)不同需要， 將余輝時間分為長余輝(100 ms1 s)、 中余輝(1100 ms)和短余輝(10 s10 ms)等不同規(guī)格。 普通示波器需采用中余輝示波管， 而慢掃描示波器則采用長余輝示波管。第5章電子示波器5.3電子示波器的結(jié)構(gòu)框圖與性能電子示波器的結(jié)構(gòu)框圖與性能5.3.1電子示波器的結(jié)構(gòu)框圖電子示波器的結(jié)構(gòu)框圖電子示波器的基本組成框圖如圖5.3-1所示

13、。 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。 被觀察的波形通過Y通道探頭， 經(jīng)過衰減加到垂直前置放大器的輸入端， 垂直前置放大器的推挽輸出信號和經(jīng)過延遲線、 垂直末級放大器， 輸出足夠大的推挽信號、10 到示波管的垂直偏轉(zhuǎn)板Y1、Y2上。 由時基發(fā)生器產(chǎn)生線性掃描電壓， 經(jīng)水平末級放大器放大后， 輸出推挽的鋸齒波信號、 加到水平偏轉(zhuǎn)板X1、 X2上。第5章電子示波器圖5.3-1示波器組成框圖及波形關(guān)系圖第5章電子示波器為了在示波管上得到穩(wěn)定的顯示波形， 要求每次掃描的鋸齒波信號起點應(yīng)對應(yīng)于周期性被顯示信號的同一相應(yīng)點， 因此， 將被顯

14、示信號的一部分送到觸發(fā)同步電路， 當(dāng)該電路得到的信號相應(yīng)于輸入信號的某個電平和極性時， 觸發(fā)同步電路即產(chǎn)生觸發(fā)信號去啟動時基發(fā)生器， 產(chǎn)生一個由觸發(fā)信號控制的掃描電壓。 Z軸電路應(yīng)在時基發(fā)生器輸出的正程時間內(nèi)產(chǎn)生加亮(增輝)信號加到示波管控制柵極上， 使得示波管在掃描正程加亮光跡， 在掃描回程使光跡消隱。第5章電子示波器由圖5.3-1(b)中的波形、 、 可見， 觸發(fā)點即鋸齒波的掃描起點并不在被顯示信號的起始過零點， 因此， 信號前沿?zé)o法觀察。 為了克服此缺點， 在垂直前置放大器之后加入延遲線， 對Y方向加入的信號進行延遲， 并且使其延遲時間2略大于由水平通道引起的固有觸發(fā)延遲1， 以確保觸發(fā)

15、掃描與顯示信號同步。第5章電子示波器來自Y通道的同步信號(即被觀察信號)被稱為“內(nèi)”同步； 來自儀器外部的同步信號被稱為“外”同步。 示波器除了用于觀察信號波形外， 當(dāng)用于其他測量時， X偏轉(zhuǎn)板上也可不加時基信號， 而是加上待測的或參考的信號， 這個信號可從X輸入端直接接入示波器， 經(jīng)過輸入電路和放大器后加于X偏轉(zhuǎn)板。 輸入電路一般由衰減器、 射極跟隨器和放大器組成。校正器用來校準示波器的主要特性。 常用的有幅度校正器和掃描時間校正器。第5章電子示波器電源一般由兩個整流器組成。 高壓整流器供給示波管高壓電極電壓， 低壓整流器供給示波器所有其他電路的電壓和示波管低壓電極電壓。 通常低壓電源采用穩(wěn)

16、壓器， 較精密的示波器高壓電源也采取穩(wěn)壓措施。電子束控制電路與電源連在一起， 包括亮度、 聚焦、 輔助聚焦和光點位置控制。第5章電子示波器5.3.2示波器的主要性能指標示波器的主要性能指標為了正確選擇和使用示波器， 必須了解以下六項最重要的性能指標。1. 頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)(頻帶寬度頻帶寬度)示波器最重要的工作特性就是頻率響應(yīng)fh(最高工作頻率)， 又稱帶寬。 這是指垂直偏轉(zhuǎn)通道(Y方向放大器)對正弦波的幅頻響應(yīng)下降到中心頻率的0.707(3 dB)倍時的頻率范圍。第5章電子示波器由于信號通過線性電路時， 輸出信號的頻譜G()等于輸入信號的頻譜F()乘以電路的頻率特性K()， 即G()=K()F

17、()， 因此， 如果要求任意形狀信號通過該電路時不產(chǎn)生畸變， 則要求電路對被傳輸信號的所有頻譜分量的幅頻特性為常數(shù)。 示波器垂直偏轉(zhuǎn)通道的帶寬必須足夠?qū)挘?如果通道的帶寬不夠， 則對于信號的不同頻率分量， 通道的增益不同， 信號波形便會產(chǎn)生失真。 因此， 為了能夠顯示窄脈沖， 示波器Y通道帶寬必須很寬。 例如， SR-8型二蹤示波器帶寬fh=15 MHz, SBM-10A示波器的帶寬fh=30 MHz， 目前最寬的示波器頻率范圍fh已達到1000 MHz。第5章電子示波器2. 偏轉(zhuǎn)靈敏度偏轉(zhuǎn)靈敏度(S)單位輸入信號電壓uy引起光點在熒光屏上偏轉(zhuǎn)的距離H稱為偏轉(zhuǎn)靈敏度S， 即S=(5.3-1)則

18、uy=H d(5.3-2)式中，d為靈敏度的倒數(shù)1/S， 稱為偏轉(zhuǎn)因數(shù)。 S的單位為cm/V、 cm/mV或div/V(格/伏)， d的單位為V/cm。yuHSH第5章電子示波器在測量時， 從示波器垂直通道衰減器刻度可讀得它的偏轉(zhuǎn)因數(shù)d， 根據(jù)顯示的波形高度H， 按式(5.3-2)可求得顯示波形的電壓幅度。 例如， d=2 V/cm， 熒光屏上uy波形高度H=2.6 cm， 則所觀察波形幅度uy=2 V/cm2.6 cm=5.2 V。第5章電子示波器3. 掃描頻率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

19、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。 一般示波器X方向掃描頻率可由t/cm或t/div分擋開關(guān)進行調(diào)節(jié)， 此開關(guān)標注的是時基因數(shù)。 SR-8雙蹤示波器的時基因數(shù)范圍為1 s/div0.2 s/div, SBM-10A 型示波器的時基因數(shù)范圍為0.5 s/cm0.05 s/cm。第5章電子示波器5. 輸入阻抗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

20、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。以SBM-10型多用示波器為例， 垂直偏轉(zhuǎn)通道的輸入電阻Ri=1 M， 電容Ci=27 pF。第5章電子示波器5. 示波器的瞬態(tài)響應(yīng)示波器的瞬態(tài)響應(yīng)示波器的瞬態(tài)響應(yīng)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5.3-2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 相似。 示波器的瞬態(tài)響應(yīng)特性一般可用圖中所示脈沖的上升時間tr、 下降時間tf、 上沖s0、 下沖sn、 預(yù)沖sp及下垂等參數(shù)表示。 第5章電子示波器圖5.3-2中Um是標準方波脈

21、沖的基本幅度(簡稱脈沖幅度)， b是上沖量(脈沖前沿高出Um部分的沖擊量)， f是下沖量(脈沖后沿低于脈沖底值的突出部分)， U為平頂降落量(方波持續(xù)期間頂部幅度的下降量， 也稱下垂)。 第3章曾提到， 脈沖的上沖、 下沖、 平頂降落等也可以分別用它們對脈沖幅度的百分比值表示， 因而可以分別定義如下：第5章電子示波器圖5.3-2示波器的瞬態(tài)響應(yīng)第5章電子示波器上沖s0是脈沖前沿的上沖量b與Um的百分比值， 即%100m0Ubs下沖s0是脈沖前沿的上沖量b與Um的百分比值， 即%100mUfsn下垂是脈沖平頂降落量U與Um的百分比值， 即%100mUU第5章電子示波器預(yù)沖sp是脈沖波階躍之前的預(yù)

22、沖量d與Um的百分比值， 即%100mpUds脈沖上升時間tr和脈沖下降時間tf與第3章中的定義相同， 不再重復(fù)。示波器說明書中通常只標示出上升時間tr及上沖s0的數(shù)值。 由于示波器中的放大器是線性網(wǎng)絡(luò)， 因此放大器的頻帶寬度fB與上升時間tr有確定的關(guān)系： 第5章電子示波器 fBtr350。 當(dāng)知道了頻帶寬度fB時， 可計算出tr350/fB， 式中fB的單位為MHz， tr的單位為ns。 示波器中， fB=fh。 例如, SBM-10A型示波器的fh=30 MHz， 由此可求得上升時間為s1210303503506hftr不難理解， 上升時間tr越小越好。瞬態(tài)響應(yīng)指標在相當(dāng)大的程度上決定了

23、示波器所能觀測的脈沖信號的最小寬度。第5章電子示波器6. 掃描方式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)掃描連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描觸發(fā)掃描兩種方式。 圖5.3-3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5.3-4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。第5章電子示波器圖5.3-3連續(xù)掃描電壓波形第5章電子示波器圖5.3-4觸發(fā)掃描電壓波形第5章電子示波器5.4電子示波器的電子示波器的Y、 X通道及校正器通道及校正器電子示波器的基本部件由垂直偏轉(zhuǎn)

24、通道(Y通道)、 水平偏轉(zhuǎn)通道(X通道)、 增輝和Z軸調(diào)制、 校正器及電源組成。5.5.1垂直偏轉(zhuǎn)通道垂直偏轉(zhuǎn)通道(Y通道通道)垂直通道的任務(wù)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(zhuǎn)板上。 同時， 為了與水平偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)配合工作， 要將被測信號進行一定的延遲。 為了完成上述任務(wù)， 垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)由輸入電路、 阻抗變換器、 延遲線和放大器組成， 如圖5.3-1(a)所示。第5章電子示波器1. 輸入電路輸入電路輸入電路由探頭、 衰減器等組成。 被測信號通過垂直偏轉(zhuǎn)通道加到示波管的Y偏轉(zhuǎn)板上， 整個輸入電路可以看成一個二端網(wǎng)絡(luò)， 為了不失真地傳輸信號， 此二端網(wǎng)絡(luò)應(yīng)是一個交直流

25、耦合電路， 通過該耦合電路后， 信號再加到放大器進行放大。 下面先說明輸入耦合方式， 再說明對于大信號必須加入衰減器的情況。第5章電子示波器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)。 被測信號輸入端的耦合則視需要而定， 可以是直流耦合， 也可以是交流耦合， 可用開關(guān)S來控制， 如圖5.4-1所示。 當(dāng)開關(guān)S打向DC位置時， 耦合電容C短接， 成為直流耦合， 否則為交流耦合。第5章電子示波器2) 衰減器由于經(jīng)常需要觀察幅度較小的電壓波

26、形， 因此示波器的靈敏度設(shè)計得較高， 但當(dāng)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。對衰減器的要求是輸入阻抗高， 同時在示波器的整個通頻帶內(nèi)衰減的分壓比均勻不變。 要達到這個要求， 僅用簡單的電阻分壓是達不到目的的。 因為在下一級的輸入及引線都存在分布電容， 這個分布電容的存在對于被測信號高頻分量有嚴重的衰減， 會造成信號的高頻分量的失真(脈沖上升時間變慢)。第5章電子示波器為此， 必須采用圖5.4-1所示的阻容補償分壓器， 圖中R1、 R2為分壓電阻(R2包括下一級的輸入電阻)， C2為下一級的輸入電容和分布電容， C1為補償電容。 調(diào)節(jié)C1， 當(dāng)滿足關(guān)系式C1R1=C2

27、R2時， 分壓比K0在整個通頻帶內(nèi)是均勻的， 它可表示為2112120CCCRRRK(5.4-1)這樣的分壓器做成的衰減器就可以無畸變地傳輸窄脈沖信號， 僅僅是信號幅度降為原幅度的1/K0。第5章電子示波器圖5.4-1阻容補償分壓器第5章電子示波器大多數(shù)示波器的輸入電阻Ri都設(shè)計在1 M左右， 它的大小主要取決于R1， 因為Ri=R1+R2， 而R2R1。 輸入電容Ci為C1、 C2的串聯(lián)值和引線分布電容C0之并聯(lián)值， 即Ci=C1C2/(C1+C2)+C0， 約為幾十皮法。通常用一個多量程開關(guān)換接不同的R2、 C2來改變衰減量。 早期的示波器開關(guān)位置都標有衰減量， 如衰減30、 100等。

28、現(xiàn)在都標以偏轉(zhuǎn)因數(shù)值， 當(dāng)示波器最高靈敏度為0.02 cm/mV 時， 最小偏轉(zhuǎn)因數(shù)為50 mV/cm， 衰減2、 4、 10倍時， 分別標以偏轉(zhuǎn)因數(shù)100 mV/cm、 200 mV/cm、 0.5 V/cm。 設(shè)計示波器應(yīng)做到開關(guān)在不同位置時， 示波器的輸入阻抗不變。 偏轉(zhuǎn)因數(shù)的標注請參見圖5.5-3中Y通道的兩個調(diào)節(jié)旋鈕V/div。第5章電子示波器3) 探頭用示波器觀察信號波形時， 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。 因同軸電纜內(nèi)外導(dǎo)體間存在電容使輸入電容Ci顯著增加， 這對觀察高頻電路或窄脈沖是很不利的， 因此， 高頻示波器常用圖5

29、.4-2所示的探頭檢測被觀察信號。 探頭里有一可調(diào)的小電容C(510 pF)和大電阻R并聯(lián)。 如果設(shè)計示波器輸入電阻Ri為1 M時， R應(yīng)取9 M， 同時調(diào)整補償電容C可以得到最佳補償， 即滿足CRRiCi， 則調(diào)整補償電容C時的波形如圖5.4-3所示， 圖(a)為理想補償?shù)牟ㄐ危?圖(b)為過補償?shù)牟ㄐ巍?通常(c)為欠補償?shù)牟ㄐ巍?通常調(diào)整C， 以達到圖(a)所示的理想補償波形。第5章電子示波器圖5.4-2示波器探頭第5章電子示波器圖5.4-3補償電容的波形第5章電子示波器探頭中的電阻電容R、 C與示波器的輸入阻抗Ri、 Ci形成補償式分壓器， 一般分壓比做成10 1， 此時分壓器不會引入

30、被測信號的失真。 同時， 探頭和電纜都是屏蔽的， 不會引入干擾， 輸入阻抗也大為增加， Ri=10 M, Ci=10 pF。 唯一的缺點是送到示波器輸入端的信號減小了10倍， 計算脈沖幅度時， 應(yīng)將偏轉(zhuǎn)因數(shù)乘以10。 為了避免這一缺點， 可采用有源探頭， 即探頭內(nèi)有一個場效應(yīng)管源極跟隨器， 它的傳輸系數(shù)近似為1， 同時又具有高輸入阻抗和屏蔽性。 另外， 必須強調(diào)的是， 探頭里的微調(diào)電容是對特定的示波器調(diào)定的， 各臺示波器的Ci值一般都不相同， 所以探頭不能互換使用， 否則會引入明顯的波形畸變。第5章電子示波器2. 阻抗變換器阻抗變換器阻抗變換器一般可由射極跟隨器構(gòu)成。 射極跟隨器的高輸入阻抗使

31、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。第5章電子示波器3. 延遲線延遲線當(dāng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)板而掃描信號尚未到達X偏轉(zhuǎn)板的情況， 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50200 ns 之間， 這個延遲準確性要求不高， 但延遲應(yīng)穩(wěn)定， 否則會導(dǎo)致圖像的水平漂移和晃動。第5章

32、電子示波器對延遲線的基本要求是在垂直系統(tǒng)的工作頻帶內(nèi)， 它能夠無失真地并有一定延時地傳遞信號。 在帶寬較窄的示波器里， 一般采用多節(jié)LC網(wǎng)絡(luò)作延遲線， 在帶寬較寬(大于15 MHz)時， 則采用平衡螺旋線作延遲線。 無論采用哪種延遲線， 其特性阻抗均在幾百歐姆以下， 延遲線的前邊必須用低輸出阻抗的電路作驅(qū)動級， 延遲線的后邊用低輸入阻抗的電路作緩沖器。 在示波器的實際電路中， 還要接入各種補償電路， 以補償延遲線及安裝過程中引起的失真。第5章電子示波器5. 垂直偏轉(zhuǎn)放大器垂直偏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)板， 使電子束有足夠大的偏轉(zhuǎn)

33、能量。 當(dāng)示波管靈敏度及示波器偏轉(zhuǎn)因數(shù)一定時， 放大器的增益K的計算如下：K= 1000 (5.4-2)式中， S為示波器偏轉(zhuǎn)因數(shù)， SV為示波管靈敏度。 當(dāng)S為1 cm/50 mV時， 高靈敏度示波管的SV=0.5 cm/V， 此時， 要求放大器的放大倍數(shù)K=40； 一般示波管的SV=0.04 cm/V， 要求放大器的放大倍數(shù)K=500。VSS第5章電子示波器垂直偏轉(zhuǎn)放大器設(shè)計中除了要考慮放大器應(yīng)具有足夠大的信號放大倍數(shù)外， 還要考慮波形無失真的被放大， 即放大器應(yīng)具有足夠的帶寬。 換句話說， 就是具有足夠低的低頻截止頻率和足夠高的高頻截止頻率。第5章電子示波器放大器的低頻截止頻率受耦合電容

34、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直接耦合(直流放大器)。 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(jié)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LLCRf21h(5.4-3)式中， RL和CL是放大器的等效負載電阻和等效負載電容。第5章電子示波器為了展寬通頻帶寬度必須采取下列措施：(1) 選用截止頻率高的器件， 盡量減小負載電容和分布電容， 并選取小的集電極電阻。(2) 電路中引入強的負反饋， 如放大器開環(huán)增益為K0， 反饋系數(shù)為F， 則加負反饋后，

35、 高頻截止頻率擴展為原來的(1+K0F)倍。(3) 在電路中用電抗元件(電容或電感)加以補償， 使放大器截止頻率高一些， 使總的頻率響應(yīng)在高頻端有所提升。第5章電子示波器采用以上各種措施后， 放大器的通帶寬度可大大提高， 若要求更高的帶寬， 如大于1 GHz， 則可采用取樣的方法把觀察信號“減慢”， 然后再帶寬較窄的放大器放大， 這就是設(shè)計新一類取樣示波器的基本思想。垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的末級放大器都采用推挽式放大器， 它輸出一對平衡的交流電壓加到偏轉(zhuǎn)板， 這樣當(dāng)被測電壓幅度任意改變時， 偏轉(zhuǎn)的基線電位(即偏轉(zhuǎn)板之間的中心電位)保持不變。第5章電子示波器垂直偏轉(zhuǎn)通道放大器可以設(shè)計成輸入端為單端放大器，

36、 而在接到示波管之前變換成差動放大器， 也可以從輸入端到輸出端都設(shè)計成差動放大器。 這是因為差動放大器抑制寄生信號的能力強， 而不管這種寄生信號是由附近的干擾源通過空間耦合而來， 還是通過傳導(dǎo)而來。 此外， 差動放大器還能大大改善因環(huán)境溫度、 電源電壓、 晶體管參數(shù)等變化引起的漂移。示波器后面一般都有插孔， 幅度較大的信號可以不經(jīng)過垂直偏轉(zhuǎn)通道從插孔直接加到偏轉(zhuǎn)板上， 以減少顯示波形的畸變。第5章電子示波器5.5.2水平偏轉(zhuǎn)通道水平偏轉(zhuǎn)通道(X通道通道)水平偏轉(zhuǎn)通道即X通道， 其作用是產(chǎn)生一個與時間呈線性關(guān)系的電壓， 并加到示波管的X偏轉(zhuǎn)板上， 使電子射線沿水平方向線性地偏移， 形成時間基線。

37、 設(shè)Sx為水平方向的偏轉(zhuǎn)靈敏度， 水平板上所加電壓為Ux(t)， 則偏轉(zhuǎn)距離x為x=SxUx(t)。由上式可知， 隨時間線性增長的掃描電壓加在水平偏轉(zhuǎn)板上， 屏幕電子束即能由左向右隨時間作水平掃描， 這種掃描稱為線性時基掃描。 本書著重介紹線性時基掃描方式， 對于其他掃描方式如圓掃描、 對數(shù)掃描等不作介紹。第5章電子示波器1. 掃描分類掃描分類線性時基掃描方式可分為連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描兩類。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(fù)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

38、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。第5章電子示波器為了得到穩(wěn)定的波形顯示， 必須使掃描鋸齒波電壓周期T與被測信號周期Ty保持整數(shù)倍的關(guān)系， 即T=nTy。 由于掃描電壓是由示波器本身的時基電路產(chǎn)生的， 它與被測信號電壓不相關(guān)， 因此一般采用被測信號(或與被測信號相關(guān)的信號)控制、 觸發(fā)時基電路， 使T=nTy， 這個過程稱為同步。 利用這種同步方法可使掃描信號發(fā)生器在一定頻率穩(wěn)定度范圍內(nèi)保證T與Ty的整數(shù)倍關(guān)系， 實現(xiàn)穩(wěn)定的顯示。 顯示情況如圖5.4-4所示。第5章電子示波器圖5.4-4連續(xù)掃描的波形顯示第5章電子示波器2) 觸

39、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5.4-5是連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描觀測脈沖波形的比較。 其中， 圖(a)是被測脈沖波形， 可看到脈沖的持續(xù)時間與重復(fù)周期比(t0/Ty)很小， t0為被測脈沖底寬。 圖(b)、 (c)是用連續(xù)掃描方式顯示被測脈沖波形， 掃描周期分別為T=Ty和T=t0。 從圖(b)上很難看清波形的細節(jié)， 特別是脈沖波的上升沿。 第5章電子示波器如果增加掃描頻率(如圖(c)所示的波形)， 則雖可以觀察被測脈沖的細節(jié)， 但光點在水平方向多次掃描中只有一次掃描出脈沖波形， 因此顯示的脈沖波形本身很黯淡， 而時基線卻很亮， 這不僅觀察困難， 而且同步也較難。

40、 圖(d)所示是觸發(fā)掃描的情形， 掃描發(fā)生器平時處于等待工作狀態(tài)， 只有送入觸發(fā)脈沖時才產(chǎn)生一次掃描電壓， 在屏幕上掃出一個展寬的脈沖波形， 而不顯示出時間基線。第5章電子示波器圖5.4-5脈沖信號的連續(xù)掃描與觸發(fā)掃描顯示第5章電子示波器2. 水平通道的組成框圖水平通道的組成框圖如圖5.4-6所示， 示波器的水平通道包括三部分： 觸發(fā)電路， 其中包括觸發(fā)方式選擇、 脈沖整形電路； 時基發(fā)生器， 由閘門電路、 掃描發(fā)生器、 電壓比較器和釋抑電路組成； 水平放大器。 時基發(fā)生器是水平通道的核心， 用來產(chǎn)生線性度好、 頻率穩(wěn)定、 幅度相等的鋸齒波電壓； 水平放大器用來放大鋸齒波電壓， 輸出對稱的鋸齒

41、波電壓， 加至水平偏轉(zhuǎn)板； 觸發(fā)電路控制時基的掃描閘門， 以實現(xiàn)與被測信號的嚴格同步。第5章電子示波器圖5.4-6水平通道的結(jié)構(gòu)框圖第5章電子示波器3. 時基發(fā)生器時基發(fā)生器時基發(fā)生器由時基閘門、 掃描發(fā)生器、 電壓比較器和釋抑電路組成， 其結(jié)構(gòu)框圖及各點波形如圖5.4-7所示。時基閘門電路是一個典型的施密特電路， 它是雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路， 當(dāng)觸發(fā)脈沖在t1時刻到來時， 電路翻轉(zhuǎn)， 輸出高電平， 使得掃描電壓發(fā)生器開始工作。第5章電子示波器圖5.4-7時基發(fā)生器第5章電子示波器掃描電壓產(chǎn)生器是一個密勒積分器， 它能產(chǎn)生高線性度的鋸齒波電壓， 其原理如圖5.4-8 所示。 當(dāng)開關(guān)S斷開時， 電源電壓

42、E通過電阻R對電容C充電， 產(chǎn)生負向鋸齒波U0， 此電壓一路送入水平放大器， 另一路送入時基發(fā)生器的電壓比較器(見圖5.4-7)。 時基閘門電路的兩個穩(wěn)態(tài)相當(dāng)于開關(guān)S的斷開和閉合， 開關(guān)S閉合時， 電容C迅速放電， 使U0迅速回升， 形成掃描回程電壓。第5章電子示波器圖5.4-8密勒積分電路第5章電子示波器電壓比較器將送入的電壓U0與參考電壓Ur進行比較， 當(dāng)U02.5 1。擴展“10”時， 其最快掃描速度可以達到20 ns/div， 誤差除0.2 s/div擋15%外， 其余各擋均10%。X外接： 靈敏度3 V/div； 頻帶寬度100 Hz250 kHz, 3 dB; 輸入阻抗， 1 M，

43、 40 pF。觸發(fā)同步性能如表5.5-1所示。第5章電子示波器3) 主機示波管12 SJ 102型矩形屏示波管的加速電壓為2 kV， 屏幕有效工作面積為6 div 10 div(1 div=0.8 cm)， 中余輝。校準信號： 矩形波1 kHz, 誤差2%, 幅度1 V, 誤差3%。第5章電子示波器2. 使用使用SR-8型雙蹤示波器的面板布置如圖5.5-3所示。接通電源時， 將各控制件置于適中位置， 如果看到光點， 即可調(diào)整輝度， 使光點或時基線的亮度適當(dāng)； 如果找不到光點， 則可按下“尋跡”按鍵， 以辨別光點的偏向， 再調(diào)整“Y軸移位”或“X軸移位”使光點居中。第5章電子示波器圖5.5-3S

44、R-8型雙蹤示波器的面板布置圖第5章電子示波器示波器的Y軸靈敏度開關(guān)“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5 div， 則此時信號電壓Uy幅度為(見圖5.5-4)Uy=V/divH(div) =0.2 V/div5 div =1 V第5章電子示波器圖5.5-4電壓測量第5章電子示波器若被測信號經(jīng)探頭輸入， 則應(yīng)將探頭衰減10倍的因素考慮在內(nèi)， 被測信號Uy幅度為Uy=0.2 V/div5 div10=10 V直流電壓的測量也可如此計算， 將直流電壓信號線與時基線比較， 求出直流電壓占Y軸的坐標幅度H， 得到直流電壓幅度值。第5章電子示波

45、器2) 時間測量首先將X通道掃描控制開關(guān)“t/div”的“微調(diào)”置于“校準”位置上， 這樣可以由開關(guān)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T=t/divD(div)例如， 掃描控制開關(guān)置于0.2 ms/div， 被測波形兩點間距離D為6 div， 則時間間隔T為(見圖5.5-5)T=0.2 ms/div6 div=1.2 ms當(dāng)距離D為某一周期波形的一個周期距離時， 計算出的T為該波形的周期。當(dāng)距離D為某兩個波形間的距離時， 計算出的T為這兩個波形間的時間差， 參見圖5.5-6。第5章電子示波器圖5.5-5時間間隔測量第5章電子示波器圖5.5-6時間差測量第5章電子示波

46、器當(dāng)距離D為脈沖寬度時， 計算出的T為該脈沖的持續(xù)時間， 見圖5.5-7。3） 頻率測量對周期性的重復(fù)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(guān)系來計算頻率， 即Tf1第5章電子示波器圖5.5-7脈寬測量第5章電子示波器4) 相位測量雙蹤顯示可測得兩個相同頻率信號的相位關(guān)系。 測量相位時觸發(fā)點正確與否很重要， 應(yīng)將Y軸觸發(fā)源開關(guān)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5.5-8所示的被測波形， 其一個周期占橫坐標刻度上8個div， 則1 div對應(yīng)45相位， 即3601/8， 兩波形相位間隔D為1.5 div， 則兩波形間相

47、位差為f=D(div)45/div=1.5 div45/div=67.5第5章電子示波器圖5.5-8相位測量第5章電子示波器5.6高速和取樣示波器高速和取樣示波器產(chǎn)生畸變的主要因素如下：(1) 示波器偏轉(zhuǎn)板電容C與引線電感L的影響。 當(dāng)測量高頻信號時， 偏轉(zhuǎn)板電容C與引線電感L構(gòu)成的諧振回路將使階躍信號產(chǎn)生畸變， 在上升沿處形成過阻尼、 臨界阻尼或阻尼振蕩(欠阻尼)三種情況。 過阻尼使得上升沿變壞。 欠阻尼時， 在上升沿頂部疊加振蕩信號。 其等效電路及波形情況如圖5.6-1所示。第5章電子示波器圖5.6-1分布參數(shù)的影響第5章電子示波器為了減小分布參數(shù)的影響， 應(yīng)盡量減小L和C。 所以， 快速

48、示波管的偏轉(zhuǎn)板引線從旁邊引出以縮短其長度， 從而減小了引線電感； 同時增大偏轉(zhuǎn)板間距可減小C， 但帶來的問題是偏轉(zhuǎn)靈敏度也隨之降低， 這是人們所不希望的。(2) 電子渡越時間的影響。 當(dāng)電子束通過偏轉(zhuǎn)板時， 偏轉(zhuǎn)板上的電壓不變， 那么電子束的偏轉(zhuǎn)量正比于偏轉(zhuǎn)電壓。 第5章電子示波器普通示波管中電子通過偏轉(zhuǎn)板的時間即電子渡越時間為110ns 量級。 如果顯示波形周期或脈寬比它大得多， 則可以認為在波形顯示期間， 偏轉(zhuǎn)板上的電壓近似不變。 但是， 當(dāng)顯示高頻信號， 即顯示納秒級脈沖或幾百兆赫茲的正弦波時， 因電子通過偏轉(zhuǎn)板期間偏轉(zhuǎn)板上電壓會有明顯變化， 故所顯示的波形也會有很大失真。 對于正弦波，

49、 會使得波形振幅變小， 且引入相位差； 對于脈沖波形， 表現(xiàn)為上升沿和下降沿均變慢， 甚至畸變?yōu)槿切尾?。?章電子示波器(3) Y偏轉(zhuǎn)放大器帶寬不足。 放大器高頻截止頻率不夠高， 對于高頻信號將產(chǎn)生前、 后沿失真。(4) 掃描速度不夠快。 當(dāng)顯示高頻信號時， 要有足夠快的掃描速度。 例如， 要求光跡在5 ns時間內(nèi)掃過10 cm長的距離， 掃描速度為0.5 ns/cm， 普通示波器無法達到。(5) 亮度不夠。 對于高速脈沖， 例如寬為5 ns的脈沖， 掃出一個波形的時間僅為5 ns， 即使掃描重復(fù)頻率為每秒1000次， 圖形亮度仍很弱。第5章電子示波器5.6.1高速示波器高速示波器高速示波器

50、要顯示ns、 ps級的脈沖或微波信號， 它不同于普通示波器的關(guān)鍵之處是示波管、 Y放大器和時基發(fā)生器。1. 示波管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(zhuǎn)系統(tǒng)接線要短(從管旁引出)， 偏轉(zhuǎn)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(dǎo)致偏轉(zhuǎn)靈敏度將很低。 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。第5章電子示波器2. 放大器放大器Y軸放大器是寬帶放大器， 目前集成電路放大器帶寬可達1000 MHz以上。3. 時基發(fā)生器時基發(fā)生器高速示

51、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。 例如， 掃描因數(shù)為1 ns/cm時， 回掃速度可達du/dt=51010 V/s， 電容為40 pF時， 因i=Cdu/dt， 故流過開關(guān)的電流達2 A， 這就對充、 放電開關(guān)提出較苛刻的要求。 由于高速示波管的偏轉(zhuǎn)靈敏度很低， 因此常常要求形成幾百伏的掃描電壓。 另外， 回掃時間應(yīng)很短， 因為它限制被測脈沖的最高重復(fù)頻率。 上述要求都必須有較大功率的電路才能滿足要求。第5章電子示波器一般頻寬為100 MHz以上的示波器稱為高速示波器， 主要用于國防、 科研等領(lǐng)域。 目前， 美國泰克公司生產(chǎn)的DP4000其帶寬達35

52、0 MHz1 GHz， 美國泰克、 安捷倫、 力科三大公司推出的TDS3000B/TDS5000等系列， 其帶寬為60 MHz2 GHz。 國內(nèi)江蘇綠揚電子儀器集團也生產(chǎn)出帶寬達1 GHz的示波器。第5章電子示波器5.6.2取樣示波器取樣示波器將高頻(一般為1000 MHz以上)的重復(fù)性的周期信號經(jīng)過取樣(取樣速率可調(diào)節(jié))變換成低頻的重復(fù)性的周期信號， 再運用通用示波器的原理進行顯示和觀測的示波器稱為取樣示波器。第5章電子示波器前面介紹的示波器都是“實時信號”顯示的示波器， 而取樣示波器則經(jīng)過頻率轉(zhuǎn)換， 是一種“非實時取樣”的示波器。 這種非實時取樣技術(shù)把一個高頻或超高頻的信號經(jīng)過跨周期的取樣

53、， 形成一個波形和相位完全相同、 幅度相等或形成某種嚴格比例的低頻(或中頻)信號。 對低頻信號的測量， 要比對高頻或超高頻信號的測量在技術(shù)上成熟得多， 測量精度也易于得到保證。第5章電子示波器取樣裝置加普通示波器就是取樣示波器的結(jié)構(gòu)， 取樣裝置可將頻率上限擴展到十幾GHz。 1969年HP公司試制的1811A型取樣示波器頻寬為18 GHz。 我國普源精電公司2004年研發(fā)生產(chǎn)的DS5000系列可達1 GS/s實時采樣率。1. 非實時取樣原理非實時取樣原理圖5.6-2是一個非實時取樣保持電路的原理圖。 圖中， S為取樣脈沖p(t)控制的電子開關(guān)， 也叫取樣門， 在脈沖持續(xù)期tw相當(dāng)于開關(guān)S閉合，

54、 在脈沖間歇期T0相當(dāng)于開關(guān)S斷開。 第5章電子示波器圖5.6-2取樣門及取樣脈沖第5章電子示波器開關(guān)S閉合時， 取樣電路的輸出us(t)=ui(t)， 由于脈沖寬度tw很窄， 因此可以認為在此期間ui(t)的電壓幅度是不變的。 us(t)是寬度與脈沖寬度tw相同的離散取樣信號， 在脈沖間歇期T0期間， 開關(guān)S斷開， 輸入信號ui(t)不能通過開關(guān)， 則us(t)輸出信號幅度為0， 這樣通過取樣脈沖的作用即將連續(xù)的輸入信號ui(t)變成了離散的信號us(t)。第5章電子示波器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

55、樣。 如圖5.6-3所示， 圖(a)為被測的高頻信號ui(t)， 圖(b)為取樣脈沖， 通常取樣脈沖的間隔為輸入信號ui(t)的周期T+t(取樣脈沖的間隔也可以是mT+t, 當(dāng)被測信號頻率特別高時， m可取大于1的整數(shù))。第5章電子示波器每次取樣點相當(dāng)于前一個取樣點時間延遲t， 經(jīng)過多次取樣， 最后將被測信號的波形展寬顯示出來， 如圖5.6-3(c)和(d)所示， 圖(c)為采樣值， 圖(d)是經(jīng)過保持及延長后形成的量化信號。 這樣， 通過若干周期對波形的不同點的采樣， 就將高頻信號轉(zhuǎn)換成了低頻信號， 以通用示波器顯示uy(t)的包絡(luò)波形來反映和表現(xiàn)被測的實際高頻信號波形， 這就是取樣示波器的

56、基本原理。 簡言之， 圖(d)中的uy(t)波形即為展寬了的ui(t)波形的一個周期， 當(dāng)取樣點足夠多時， uy(t)就能比較準確地反映ui(t)的波形了。第5章電子示波器圖5.6-3非實時取樣過程第5章電子示波器2. 取樣示波器的組成取樣示波器的組成取樣示波器的組成框圖見圖5.6-4。 被測信號ui通過取樣門后， 變成窄脈沖信號， 經(jīng)放大后， 送入延長電路， 形成信號包絡(luò)。 Y通道由取樣門、 放大電路及延長電路組成， 延長電路中有保持電容及直流放大器， 以便將窄脈沖取樣信號us(t)展寬， 得到量化的包絡(luò)信號。第5章電子示波器圖5.6-4取樣示波器的組成框圖第5章電子示波器為了在屏幕上顯示出

57、由不連續(xù)的亮點構(gòu)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(yīng)關(guān)系如圖5.6-5所示。 在量化信號（見圖5.6-5(a)與階梯掃描信號(見圖5.6-5(b)的共同作用下， 就可在熒光屏上顯示出被測高頻信號的波形如圖(c)所示， 當(dāng)取樣點足夠密時， 即圖(c)中亮點足夠密時， 該波形便能無失真地表現(xiàn)被測高頻波形。第5章電子示波器圖5.6-5顯示過程第5章電子示波器取樣示波器的X通道中的時基單元， 除了產(chǎn)生階梯波電壓外， 還產(chǎn)生與掃描電壓同步的t延遲脈沖， 用以同步取樣門及延長門脈沖發(fā)生器， 使整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)地工作。取樣示波器是一種非實時取樣過程， 它只能觀測重復(fù)信號，

58、對非重復(fù)的高頻信號或單次信號， 只能用高速示波器進行觀測。第5章電子示波器5.7記憶示波器與存儲示波器記憶示波器與存儲示波器通用示波器不具有存儲信息的能力， 記憶示波器與存儲示波器分別利用模擬存儲技術(shù)和數(shù)字存儲技術(shù)將信息進行存儲， 當(dāng)需要顯示時， 再在熒光屏上進行顯示。 這兩種示波器主要用于記錄瞬變的單次信號。 存儲技術(shù)與示波技術(shù)的結(jié)合給研究單次瞬變信號的波形帶來了極大的方便。 下面分別介紹這兩種示波器的存儲原理和工作方式。第5章電子示波器5.7.1記憶示波器記憶示波器記憶示波器的記憶功能是由記憶示波管完成的。 利用具有記憶能力的材料制成的示波管結(jié)合相應(yīng)的電子線路， 就形成了記憶示波器。1.

59、記憶示波管記憶示波管記憶示波管可分為可變余輝存儲方式和快速轉(zhuǎn)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， 需要顯示時將它顯示出來。 柵網(wǎng)存儲示波管的結(jié)構(gòu)如圖5.7-1 所示。第5章電子示波器圖5.7-1柵網(wǎng)式記憶示波管的結(jié)構(gòu)及泛射示意圖第5章電子示波器借用計算機術(shù)語， 信號的存儲稱做“寫”， 存儲信號的取出稱做“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(gòu)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。 由于柵網(wǎng)上的介質(zhì)材料具有良

60、好的絕緣性能， 因此可以使電子較長時間地停留在上面， 這是實現(xiàn)存儲電信號的關(guān)鍵。第5章電子示波器示波管內(nèi)的寫入電子槍與普通示波管電子槍的結(jié)構(gòu)相同， K為陰極， g為柵極， A1、 A2為兩個陽極， 調(diào)節(jié)柵網(wǎng)g3上的電壓， 可使柵網(wǎng)不起作用， 則該示波管可像普通示波管一樣顯示波形。 作記憶示波管使用時， 寫入電子槍發(fā)射的電子束轟擊柵網(wǎng)， 該電子束稱為一次電子。 受到轟擊， 柵網(wǎng)電介質(zhì)發(fā)出二次電子， 當(dāng)二次發(fā)射比=二次電子數(shù)/一次電子數(shù)1時， 柵網(wǎng)靶面區(qū)失去的電子多， 呈現(xiàn)一個相對正的電位(原來柵網(wǎng)對地電位為10 V)， 形成對波形的記錄。 柵網(wǎng)的收集極C專門收集發(fā)射的二次電子，以免二次電子的自由