電子測(cè)量技術(shù)(第3版)第八章第1部分

1、第8章 示波測(cè)試技術(shù)模擬示波器數(shù)字示波器n 在進(jìn)行電子測(cè)量時(shí)，我們通常希望直觀地看到電信號(hào)隨時(shí)間變化的圖形，示波測(cè)試技術(shù)實(shí)現(xiàn)了人們的愿望。示波器是時(shí)域分析的最典型儀器，也是當(dāng)前電子測(cè)量領(lǐng)域中，品種最多、數(shù)量最大、最常用的一種儀器。n8.1.1 8.1.1 示波器的分類n按其用途和特點(diǎn)，可分為以下五類。n1通用示波器n通用示波器是指采用單束示波管的寬帶示波器，常見(jiàn)的為雙蹤示波器。通用示波器按其垂直通道的頻帶寬度又可分為三大類。n（1）低頻示波器。（2）普通示波器。n（3）寬帶示波器。8.1 概述n2多束示波器n 多束示波器采用多束示波管，在屏幕上可同時(shí)顯示兩個(gè)以上的波形，與通用示波器的疊加或交替

2、顯示多個(gè)波形不同，它的每個(gè)波形分別由單獨(dú)的電子束產(chǎn)生，觀察與比較兩個(gè)以上的信號(hào)時(shí)非常方便。n3取樣示波器n 取樣示波器采用取樣技術(shù)，先把快速變化的高頻信號(hào)變化成與之相似的、慢速變化的低頻信號(hào)，再用通用示波器顯示其波形。 n4記憶、存儲(chǔ)示波器n 這種示波器除了具有通用示波器的功能外，還具有記憶功能。 n5特種示波器n特種示波器是指具有特殊用途的示波器，如矢量示波器、心電示波器等。8.1.2 8.1.2 示波器的主要技術(shù)指標(biāo)1頻帶寬度 標(biāo)志示波器的最高響應(yīng)能力，用頻率和上升時(shí)間表示，上升時(shí)間近似等于0.35/頻率寬度。2垂直靈敏度 示波器可以分辨的最小信號(hào)幅度和輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。3輸入阻抗 輸入

3、阻抗是指在示波器輸入端規(guī)定的直流電阻值和并聯(lián)電容值，它標(biāo)志被測(cè)信號(hào)的負(fù)載的輕重。4掃描速度 掃描速度也稱掃描時(shí)間因數(shù)，是指光點(diǎn)水平移動(dòng)的速度，它說(shuō)明了示波器能觀察的時(shí)間和頻率的范圍。5同步（或觸發(fā)）電壓 同步（或觸發(fā)）電壓是指波形穩(wěn)定的最小輸入電壓。8.2 示波測(cè)試的基本原理8.2.1 8.2.1 示波器的測(cè)試過(guò)程 Y軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)將輸入的被測(cè)交流信號(hào)放大；X軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)提供一個(gè)與時(shí)間成線性關(guān)系的鋸齒波電壓；兩組電壓同時(shí)加到示波管的偏轉(zhuǎn)板上，示波管中的電子束在偏轉(zhuǎn)電壓的作用下運(yùn)動(dòng)，在屏幕上形成與被測(cè)信號(hào)一致的波形。圖8.1 示波器的結(jié)構(gòu)框圖8.2.2 8.2.2 陰極射線示波管 CRT主要由電子槍、

4、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三部分組成，基本結(jié)構(gòu)如圖8.2所示。電子槍產(chǎn)生的高速電子束打在熒光屏上，偏轉(zhuǎn)板控制電子束的偏轉(zhuǎn)方向，使其按要求在熒光屏相應(yīng)的部位產(chǎn)生熒光。圖8.2 示波管結(jié)構(gòu)示意圖1電子槍 電子槍由燈絲F、陰極K、柵極G1和G2、陽(yáng)極A1和A2組成。當(dāng)燈絲F通電后，加熱陰極，涂有氧化物的陰極發(fā)射出大量的電子，電子在陽(yáng)極吸引下形成電子束，轟擊熒光屏上的熒光粉發(fā)光。2偏轉(zhuǎn)系統(tǒng) 示波器的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)由兩對(duì)相互垂直且平行的金屬板X(qián)偏轉(zhuǎn)板和Y偏轉(zhuǎn)板構(gòu)成。Y偏轉(zhuǎn)板上電位的相對(duì)變化，只能影響電子在垂直方向的運(yùn)動(dòng)，因而Y偏轉(zhuǎn)板只能影響光電在熒光屏上的垂直位置；X偏轉(zhuǎn)板只影響光點(diǎn)的水平位置，兩對(duì)偏轉(zhuǎn)板共同作用，才決

5、定了任一瞬間光點(diǎn)在熒光屏上的位置。n3熒光屏n 熒光屏在示波管的終端，通常是圓形或矩形的。示波管熒光屏的內(nèi)壁涂有一層熒光物質(zhì)，當(dāng)高速電子轟擊熒光屏上的熒光物質(zhì)時(shí)，熒光將電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?，產(chǎn)生亮點(diǎn)。光點(diǎn)的亮度取決于轟擊電子束中電子的數(shù)目、密度和速度。8.2.3 8.2.3 圖像顯示的基本原理1顯示隨時(shí)間變化的圖形 電子束進(jìn)入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)后，要受到X、Y兩對(duì)偏轉(zhuǎn)板間電場(chǎng)的控制而產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，其中X、Y的控制作用有如下幾種情況。圖8.4 固定電壓與光點(diǎn)偏移的關(guān)系圖圖8.5 可變電壓與光點(diǎn)偏移的關(guān)系圖n Y偏轉(zhuǎn)板加正弦波信號(hào)電壓uy=Uymsinw t，X偏轉(zhuǎn)板加鋸齒波電壓ux=kt，即X、Y偏轉(zhuǎn)板同時(shí)加

6、電壓，假設(shè)Tx=Ty，則電子束在兩個(gè)電壓的同時(shí)作用下，在水平方向和垂直方向同時(shí)產(chǎn)生位移，熒光屏上將顯示出被測(cè)信號(hào)隨時(shí)間變化的一個(gè)周期的波形曲線，如圖8.6所示。圖8.6 X、Y偏轉(zhuǎn)板同時(shí)加信號(hào)時(shí)光點(diǎn)的軌跡圖2顯示任意兩個(gè)變量之間的關(guān)系 在示波管中，電子束同時(shí)受X和Y兩個(gè)偏轉(zhuǎn)板的作用。X-Y圖示儀顯示圖形前，先把兩個(gè)變量轉(zhuǎn)換成與之成比例的兩個(gè)電壓，分別加到X、Y轉(zhuǎn)板上，屏幕上任一瞬間光點(diǎn)的位置都是由偏轉(zhuǎn)板上兩個(gè)電壓的瞬時(shí)值決定。若兩信號(hào)的初相相同，則可在熒光屏上畫(huà)出一條直線，若兩信號(hào)在X、Y方向的偏轉(zhuǎn)距離相同，這條直線與水平軸呈45角，如圖8.7（a）所示；如果這兩個(gè)信號(hào)初相相差90，則在熒光屏

7、上畫(huà)出一個(gè)正橢圓；若X、Y方向的偏轉(zhuǎn)距離相同，則熒光屏上畫(huà)出的圖形為圓，如圖8.7（b）所示。 圖8.7 兩個(gè)同頻率正弦信號(hào)構(gòu)成的李沙育圖形3掃描的概念n 光點(diǎn)在鋸齒波作用下掃動(dòng)的過(guò)程稱為掃描，能實(shí)現(xiàn)掃描的鋸齒波電壓稱為掃描電壓，光點(diǎn)自左向右的連續(xù)掃動(dòng)稱為“掃描正程”，光點(diǎn)自熒光屏的右端迅速返回起掃點(diǎn)的過(guò)程稱為“掃描逆程”。 4同步的概念（1）Tx=nTy（n為正整數(shù)）。 如果掃描電壓周期Tx與被測(cè)電壓周期Ty保持Tx=nTy的關(guān)系，則稱掃描電壓與被測(cè)電壓“同步”。如果增加Tx（掃描頻率降低）或降低Ty（信號(hào)頻率增加）時(shí)，顯示波形的周期數(shù)將增加。 yxnTT n（2） （n為正整數(shù)）。n 如果

8、沒(méi)有同步關(guān)系，即 （n為正整數(shù)），則后一掃描周期描繪的圖形與前一掃描周期的圖形不重合，顯示的波形是不穩(wěn)定的。yxnTT 圖8.8 Tx=2Ty時(shí)熒光屏顯示的波形情況yxTT45圖8.9 時(shí)熒光屏顯示的波形情況5連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描 掃描正程緊跟著逆程，逆程結(jié)束又開(kāi)始新的正程，掃描是不間斷的，這種掃描方式稱為連續(xù)掃描。 只要選擇掃描電壓的持續(xù)時(shí)間等于或稍大于脈沖底寬，則脈沖波形就可展寬得幾乎布滿橫軸。同時(shí)由于在兩個(gè)脈沖間隔時(shí)間內(nèi)沒(méi)有掃描，故不會(huì)產(chǎn)生很亮的時(shí)間基線。這種由被測(cè)信號(hào)激發(fā)掃描發(fā)生器的間斷的工作方式稱為“觸發(fā)掃描方式”。 n6掃描過(guò)程的增輝n 假設(shè)掃描逆程時(shí)間為零，但實(shí)際上，回掃是需要一定

9、時(shí)間的。在這段時(shí)間內(nèi)，回掃電壓和被測(cè)信號(hào)共同作用，對(duì)欲顯示的被測(cè)信號(hào)波形產(chǎn)生影響。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，使電子槍發(fā)射更多的電子，即給示波器增輝。這種增輝可以通過(guò)在掃描期間給示波管第一柵極G1加正脈沖或給陰極K加負(fù)脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣相對(duì)來(lái)說(shuō)，掃描正程電子槍發(fā)射的電子遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于掃描逆程，觀測(cè)者看到的就只有掃描正程顯示的波形。n8.3.1 8.3.1 通用示波器的組成n 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。通用示波器中還常附有校準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生幅度或周期非常穩(wěn)定的校準(zhǔn)信號(hào)，用于示波器

10、的校準(zhǔn)，以便對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行定量測(cè)試。8.3 通用示波器圖8.11 通用示波器的組成框圖8.3.2 通用示波器的垂直通道 垂直通道（Y軸通道）是對(duì)被測(cè)信號(hào)處理的主要通道，它將輸入的被測(cè)信號(hào)進(jìn)行衰減或線性放大，并在一定范圍內(nèi)保持增益穩(wěn)定，最后，輸出符合示波管偏轉(zhuǎn)要求的信號(hào)，以推動(dòng)垂直偏轉(zhuǎn)板，使被測(cè)信號(hào)在屏幕上顯示出來(lái)。 垂直通道包括輸入電路、Y前置放大器、延遲線和Y后置放大器等部分 。 主要是由衰減器和輸入選擇開(kāi)關(guān)構(gòu)成。n衰減器n衰減器如圖所示。當(dāng) 時(shí)，衰減器的分壓比為n 改變分壓比，即改變示波器的偏轉(zhuǎn)靈敏度。改變分壓比的開(kāi)關(guān)即為示波器垂直靈敏度粗調(diào)開(kāi)關(guān)，在面板上常用Vcm標(biāo)記。1122R CR

11、C1輸入電路o22i1212uZRuZZRRn（2）輸入耦合方式。n 輸入耦合方式設(shè)有AC、GND、DC三擋選擇開(kāi)關(guān)。置“AC”時(shí)，輸入信號(hào)經(jīng)電容耦合到衰減器，只有交流分量可通過(guò)，適于觀察交流信號(hào)；置“0”擋時(shí)，用于確定零電平，即不需要斷開(kāi)被測(cè)信號(hào)，可為示波器提供接地參考電平；置“DC”時(shí)，輸入信號(hào)直接接到衰減器，用于觀測(cè)頻率很低的信號(hào)或帶有直流分量的交流信號(hào)。n2前置放大器n前置放大器將信號(hào)適當(dāng)放大，并從中取出內(nèi)觸發(fā)信號(hào)，具有靈敏度調(diào)節(jié)、校正、Y軸移位等控制作用。n3延遲線 n延遲線是一種起延遲時(shí)間作用傳輸線。n目前延遲線主要有兩種，一種是采用雙股螺旋平衡式延遲電纜；另一種是利用LC非線性電

12、路的后滯作用構(gòu)成的多節(jié)LC網(wǎng)絡(luò)。n4Y輸出放大器nY輸出放大器是Y通道的主放大器，它的功能是將延遲線傳輸來(lái)的被測(cè)信號(hào)放大到足夠的幅度，用以驅(qū)動(dòng)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)。 示波器水平通道（X軸通道）的主要任務(wù)是產(chǎn)生隨時(shí)間線性變化的掃描電壓，再放大到足夠幅度，然后輸出推挽信號(hào)加到水平偏轉(zhuǎn)板，使光點(diǎn)在熒光屏的水平方向達(dá)到滿偏轉(zhuǎn)。水平通道包括觸發(fā)電路、掃描電路和水平放大器等部分，如圖8.13所示。 8.3.3 通用示波器的水平通道圖8.13 水平系統(tǒng)的組成框圖n 觸發(fā)電路包括觸發(fā)源選擇、觸發(fā)耦合方式選擇、觸發(fā)方式選擇、觸發(fā)極性選擇、觸發(fā)電平選擇和觸發(fā)放大整形等電路。n（1）觸發(fā)

13、源選擇。觸發(fā)源的選擇應(yīng)根據(jù)被測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)來(lái)確定，以保證熒光屏上顯示的被測(cè)波形的穩(wěn)定性。觸發(fā)源一般有三種類型，可用開(kāi)關(guān)S1選擇，如圖8.14所示。1觸發(fā)電路圖8.14 觸發(fā)源與觸發(fā)耦合方式選擇電路框圖n 內(nèi)觸發(fā)（INT）：將Y前置放大器輸出的，位于延遲線前的被測(cè)信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)信號(hào)與被測(cè)信號(hào)的頻率是完全一致的，適用于觀測(cè)被測(cè)信號(hào)。n 外觸發(fā)（LINE）：用外接的、與被測(cè)信號(hào)有嚴(yán)格同步關(guān)系的信號(hào)作為觸發(fā)源，這種觸發(fā)源用于比較兩個(gè)信號(hào)的同步關(guān)系?；蛘?，當(dāng)被測(cè)信號(hào)不適于作觸發(fā)信號(hào)時(shí)使用。n 電源觸發(fā)。用50Hz的正弦信號(hào)作為觸發(fā)源，適用于觀測(cè)與50Hz交流有同步關(guān)系的信號(hào)。n（2）觸發(fā)耦合方式。

14、示波器一般設(shè)有四種觸發(fā)耦合方式，可用開(kāi)關(guān)S2選擇。n“DC”直流耦合。n“AC”交流耦合。n“LF REJ”低頻抑制耦合：通過(guò)電容耦合的方式，觸發(fā)信號(hào)經(jīng)電容C1及C2接入，一般電容較小，阻抗較大，用于抑制2kHz以下的頻率成分。n“HF REJ”高頻抑制耦合：用于抑制高頻成分的耦合。（3）掃描觸發(fā)方式選擇（TRIG MODE）。掃描觸發(fā)方式通常有常態(tài)（NORM）和自動(dòng)（AUTO）兩種方式。n 常態(tài)（NORM）觸發(fā)方式：是指有觸發(fā)源信號(hào)并且產(chǎn)生了有效的觸發(fā)脈沖時(shí)，掃描電路才能被觸發(fā)，才能產(chǎn)生掃描鋸齒波電壓，熒光屏上才有掃描線。n 自動(dòng)（AUTO）觸發(fā)方式：自動(dòng)觸發(fā)方式是指在一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有觸發(fā)脈沖

15、時(shí)，掃描系統(tǒng)按連續(xù)掃描方式工作，此時(shí)掃描電路處于自激狀態(tài)，有連續(xù)掃描鋸齒波電壓輸出，熒光屏上顯示出掃描線。當(dāng)有觸發(fā)脈沖信號(hào)時(shí)，掃描電路能自動(dòng)返回觸發(fā)掃描方式工作。n（4）觸發(fā)極性選擇和觸發(fā)電平。n觸發(fā)極性是指觸發(fā)點(diǎn)位于觸發(fā)源信號(hào)的上升沿還是下降沿。觸發(fā)點(diǎn)位于觸發(fā)源信號(hào)的上升沿為“+”極性；觸發(fā)點(diǎn)位于觸發(fā)源信號(hào)的下降沿則為“-”極性。觸發(fā)電平是指觸發(fā)脈沖到來(lái)時(shí)所對(duì)應(yīng)的觸發(fā)放大器輸出電壓的瞬時(shí)值。 n（5）觸發(fā)放大整形電路。整形電路的基本形式是電壓比較器，當(dāng)輸入的觸發(fā)源信號(hào)與通過(guò)“觸發(fā)極性和電平”選擇的信號(hào)之差達(dá)到某一設(shè)定值時(shí)，比較電路翻轉(zhuǎn)，輸出矩形波，然后經(jīng)過(guò)微分整形，變成觸發(fā)脈沖。n2掃描信號(hào)

16、發(fā)生電路n 掃描發(fā)生器環(huán)又叫時(shí)基電路，常由積分器、掃描門(mén)及比較和釋抑電路組成，如圖8.16所示。圖8.16 掃描信號(hào)發(fā)生器組成框圖n（1）掃描方式選擇。在連續(xù)掃描時(shí)，沒(méi)有觸發(fā)脈沖信號(hào)，掃描閘門(mén)也不受觸發(fā)脈沖的控制，仍會(huì)產(chǎn)生門(mén)控信號(hào)，并啟動(dòng)掃描發(fā)生器工作；在觸發(fā)掃描時(shí)，只有在觸發(fā)脈沖作用下才產(chǎn)生門(mén)控信號(hào)。n（2）掃描門(mén)。掃描門(mén)是用來(lái)產(chǎn)生閘門(mén)信號(hào)的：n 輸出時(shí)間準(zhǔn)確的矩形開(kāi)關(guān)信號(hào)，又稱閘門(mén)信號(hào)，控制積分器掃描。n 可利用閘門(mén)信號(hào)作為增輝脈沖控制示波管，起正程加亮作用。n 在雙蹤示波器中，利用閘門(mén)信號(hào)觸發(fā)電子開(kāi)關(guān)，使之工作于交替狀態(tài)。 n（3）積分器。掃描電壓是鋸齒形的，它由積分器產(chǎn)生。n 簡(jiǎn)單鋸齒

17、波的形成。用RC充放電能形成簡(jiǎn)單的鋸齒波，電路和波形如圖8.18所示。 圖8.18 簡(jiǎn)單鋸齒波的形式 線性良好的鋸齒波的獲得。密勒（Miller）積分器具有良好的線性，因此，它是通用示波器中應(yīng)用最廣的一種積分電路。密勒積分器的原理如圖8.19所示。圖8.19 密勒積分器的電路模型 （4）比較和釋抑電路。比較電路利用比較、識(shí)別電平的功能來(lái)控制鋸齒波的幅度。釋抑電路在掃描逆程開(kāi)始后，關(guān)閉或抑制掃描閘門(mén)，使“抑制”期間掃描電路不再受到同極性觸發(fā)脈沖的觸發(fā)，以便使掃描電路恢復(fù)到掃描的起始電平上。3水平放大器 水平放大器的基本作用是選擇X軸信號(hào)，并將其放大到足以使光點(diǎn)在水平方向達(dá)到滿偏的程度。 示波器除了顯示隨時(shí)間變化的波形外，還可以作為一個(gè)X-Y圖示儀來(lái)顯示任意兩個(gè)函數(shù)間的關(guān)系，因此X放大器的輸入端有“內(nèi)”、“外”信號(hào)的選擇。置于“內(nèi)”時(shí)，X放大器放大掃描信號(hào)；置于“外”時(shí)，水平放大器放大由面板上X輸入端直接輸入的信號(hào)。n1多線示波n 多線示波利用多槍電子管來(lái)實(shí)現(xiàn)。n2多蹤示波n 多蹤示波是在單線示波的基礎(chǔ)上，增加電子開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)多個(gè)波形的同時(shí)顯示。8.3.5 示波器的多波形顯示n雙蹤示波器有5種顯示方式。n“Y1”通道（CH1）n接入Y1通道，單蹤顯示Y1的波形。n“Y2”通道（CH2）n接入Y2通道，單蹤顯示Y2的波形。n疊加方式（CH