電子測(cè)量與儀器課件第四章波形測(cè)試與儀器2

電子槍控制柵極G陰極K燈絲F偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)第一陽(yáng)極A1第二陽(yáng)極A2Y1Y2X1X2后加速陽(yáng)極A3熒光屏偏轉(zhuǎn)板輔助聚焦聚焦輝度+－RP1RP2RP3圖4.1陰極射線示波管結(jié)構(gòu)示意圖

1探極Y衰減器Y前置放大器延遲級(jí)Y輸出放大器Y偏轉(zhuǎn)板觸發(fā)電路掃描電路X放大器標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器電源增輝電路控制柵極(或陰極)主機(jī)Y通道X偏轉(zhuǎn)板“X”輸入外同步觸發(fā)輸入標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出“X-Y”X通道“掃描”S2S1內(nèi)外電源示波管被測(cè)信號(hào)輸入圖4.5通用示波器基本組成2射極跟隨器觸發(fā)放大器觸發(fā)形成器時(shí)基閘門積分器電壓比較器外觸發(fā)輸入X放大器X偏轉(zhuǎn)板“X”輸入從電源來(lái)從Y通道來(lái)射極跟隨器觸發(fā)類型耦合方式觸發(fā)電平去Z通道去Y通道+－穩(wěn)定度自動(dòng)電路觸發(fā)電路掃描電路內(nèi)外電源S1S2掃速釋抑電路擴(kuò)展移位尋跡“掃描”“X-Y”圖4.11X通道組成框圖4.5通用示波器X通道（水平系統(tǒng)）3C1C2C3DCACAC(H)HFS2S1內(nèi)外電源放大整形電路S3+－觸發(fā)電平觸發(fā)電平及斜率選擇器+－圖4.12觸發(fā)電路組成框圖掃描電路RP4.5.1觸發(fā)電路觸發(fā)電路用來(lái)選擇觸發(fā)源并產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的觸發(fā)信號(hào)，以觸發(fā)產(chǎn)生穩(wěn)定的掃描電壓。（1）觸發(fā)源（2）耦合方式（3）觸發(fā)方式（4）觸發(fā)電平及斜率選擇器（5）觸發(fā)放大及觸發(fā)形成電路作用是對(duì)前級(jí)輸出信號(hào)進(jìn)行放大整形，產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的觸發(fā)脈沖。4觸發(fā)電平及觸發(fā)極性可以直接從顯示波形上進(jìn)行判斷。圖4.13(a)~圖4.13(f)的觸發(fā)電平及觸發(fā)極性分別為零電平、正極性，負(fù)電平、正極性，正電平、正極性，零電平、負(fù)極性，負(fù)電平、負(fù)極性，正電平、負(fù)極性。(a)(b)(d)(c)(e)(f)圖4.13觸發(fā)電平、觸發(fā)極性與波形顯示的關(guān)系54.5.2掃描電路(時(shí)基電路)產(chǎn)生符合要求的掃描電壓；為Z通道提供增輝、消隱脈沖；為雙蹤示波器電子開(kāi)關(guān)提供交替顯示的控制信號(hào)。掃描電路主要由時(shí)基閘門電路、積分器、電壓比較器和釋抑電路等四個(gè)呈環(huán)狀結(jié)構(gòu)的電路組成。（1）時(shí)基閘門時(shí)基閘門電路又稱為掃描門，是施密特觸發(fā)器。它的作用是在觸發(fā)脈沖作用下或在自激狀態(tài)下產(chǎn)生閘門脈沖，閘門脈沖是積分器的控制信號(hào)。另外，閘門脈沖還通過(guò)射隨器加到Z通道去實(shí)現(xiàn)增輝消隱，以及加到雙蹤示波器Y通道電子開(kāi)關(guān)作為交替顯示的控制信號(hào)。6掃描正程掃描休止掃描逆程時(shí)基閘門上觸發(fā)電平時(shí)基閘門輸出穩(wěn)定度確定的直流電平時(shí)基閘門下觸發(fā)電平掃描電壓參考電壓Vr觸發(fā)脈沖抑制釋放圖4.14掃描電路工作波形圖（觸發(fā)掃描）時(shí)基閘門輸入7（2）積分器積分器又稱為掃描電壓發(fā)生器，是密勒積分器，它具有輸入阻抗高、線性好的特點(diǎn)，電路結(jié)構(gòu)框圖如圖4.16所示。

改變RC的值，即改變了掃描電壓正程斜率，也就改變了掃描速度。改變積分電阻、積分電容的旋鈕稱為“時(shí)基因數(shù)（s/div）”旋鈕。當(dāng)S閉合時(shí)，積分電容放電，產(chǎn)生掃描逆程電壓。－∞++運(yùn)放－ERCS時(shí)基閘門電路電壓比較器X放大器圖4.16掃描電壓發(fā)生器電路結(jié)構(gòu)框圖8（3）電壓比較器如圖4.17所示，二極管與有關(guān)電路一起構(gòu)成電壓比較器，（4）釋抑電路釋抑電路一般是RC電路，如圖4.17所示。釋抑電路的作用是使每次掃描水平方向上起始點(diǎn)在熒光屏上的位置都相同，以保證每次掃描得到的波形能夠重合，這是得到穩(wěn)定波形的重要條件之一。掃描實(shí)際過(guò)程分為掃描正程、掃描逆程和掃描等待三個(gè)過(guò)程。9射隨器RhCh射隨器參考電壓Vr積分器電壓比較器釋抑電路+－穩(wěn)定度時(shí)基閘門圖4.17電壓比較器和釋抑電路原理圖104.5.3X放大器X放大器的作用是：將單端輸入的信號(hào)進(jìn)行放大變換成為大小合適的雙端信號(hào)加在X偏轉(zhuǎn)板上，使電子束在水平方向上產(chǎn)生足夠的偏轉(zhuǎn)，得到合適的波形。當(dāng)示波器用于顯示被測(cè)信號(hào)波形時(shí)，X放大器的輸入信號(hào)是掃描電壓；當(dāng)示波器工作在“X-Y”方式時(shí)，輸入信號(hào)是外加的X信號(hào)?！癤-Y”方式時(shí)，示波器X偏轉(zhuǎn)板上所加的信號(hào)不再是掃描電壓而是外加的X信號(hào)，該信號(hào)與Y信號(hào)是各自獨(dú)立的，它們各自在X、Y偏轉(zhuǎn)板間建立偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)對(duì)電子束共同作用而產(chǎn)生一個(gè)新的圖形，例如，將兩個(gè)同頻正弦波加到示波器上時(shí)，得到的波形為橢圓、圓或直線，兩個(gè)正弦波加到示波器得到的圖形稱為李沙育圖形。與X放大器有關(guān)的開(kāi)關(guān)旋鈕有：“水平移位”、“掃描擴(kuò)展”、“尋跡”等開(kāi)關(guān)旋鈕?！八揭莆弧笔峭ㄟ^(guò)改變水平偏轉(zhuǎn)板上疊加的對(duì)稱直流電壓的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)波形水平移位的?！皰呙钄U(kuò)展”是通過(guò)成倍增大X放大器增益來(lái)實(shí)現(xiàn)波形擴(kuò)展的?！皩ほE”是通過(guò)將X放大器輸入端接地來(lái)實(shí)現(xiàn)水平方向?qū)ほE。

114.6示波器的多波形顯示一種是采用多束示波管（又稱為多線示波管）制成的多束示波器。多束示波管內(nèi)裝有兩個(gè)或兩個(gè)以上的電子槍。另一種方法是采用單束示波管制成的多蹤示波器。單束示波管內(nèi)只有一個(gè)電子槍，示波管內(nèi)只有一套Y偏轉(zhuǎn)板。多蹤示波器是利用Y通道上增設(shè)的電子開(kāi)關(guān)控制被測(cè)信號(hào)輪流快速地接入Y偏轉(zhuǎn)板而顯示出多個(gè)波形的，即采用了時(shí)分復(fù)用技術(shù)，這一技術(shù)充分利用了電子開(kāi)關(guān)的高速變換特性和人眼的視覺(jué)惰性。比較常用的是雙蹤示波器，即能夠顯示兩個(gè)波形的多蹤示波器。本節(jié)只討論雙蹤示波器的多波形顯示原理，即雙蹤顯示原理。4.6.1雙蹤顯示原理電子開(kāi)關(guān)又稱為通道變換器，基本工作原理如圖4.18(a)所示，其輸入端接前置放大器，S1～S8為模擬電子開(kāi)關(guān)。電子開(kāi)關(guān)有“信道1”、“信道2”、“疊加”、“交替”和“斷續(xù)”五種工作狀態(tài)。12CH1S1S2S4S3CH2S5S6S8S7－－++延遲級(jí)(a)(b)(c)圖4.18雙蹤波形顯示原理示意圖13輸入耦合方式選擇1衰減器1阻抗變換及倒相放大器1前置放大器1門電路延遲級(jí)Y輸出放大器輸入耦合方式選擇2衰減器2阻抗變換及倒相放大器2前置放大器2Y偏轉(zhuǎn)板CH1CH2射極跟隨器觸發(fā)電路掃描電路電子開(kāi)關(guān)增輝消隱電路圖4.19雙蹤示波器基本組成框圖X放大器X偏轉(zhuǎn)板控制柵極外觸發(fā)或“X”輸入CH2外CH1S1掃描X-YS24.6.2雙蹤示波器的基本組成14

4.9取樣示波器

由于受到垂直放大器通頻帶、掃描速度、圖像亮度等各種因素的影響，通用示波器一般不能觀測(cè)100MHz以上的高頻或超高頻信號(hào)。為了觀測(cè)高頻信號(hào)，在普通示波器的前面加一個(gè)專門的取樣裝置，運(yùn)用取樣技術(shù)把高頻信號(hào)變成波形與之相似的低頻或中頻信號(hào)，然后在熒光屏上以斷續(xù)的亮點(diǎn)顯示出被測(cè)信號(hào)的波形來(lái)，這樣就構(gòu)成了取樣示波器。取樣示波器可以觀測(cè)吉赫茲以上的超高頻信號(hào)。4.9.1工作原理取樣示波器與普通示波器的主要區(qū)別在于前者運(yùn)用了取樣技術(shù)。取樣技術(shù)的實(shí)質(zhì)是頻率變換，基本的取樣方式（又稱為順序取樣）有實(shí)時(shí)取樣與非實(shí)時(shí)取樣兩種方式。測(cè)量高頻信號(hào)應(yīng)采用非實(shí)時(shí)取樣技術(shù)。15tp(t)τT′0++－－Sui(t)us(t)圖4.31取樣原理實(shí)時(shí)取樣：實(shí)時(shí)取樣信號(hào)的頻率比輸入信號(hào)的頻率高，不能用于觀測(cè)高頻非實(shí)時(shí)取樣：取樣點(diǎn)分別來(lái)自輸入信號(hào)若干周期式稱為，即跨周期取樣，16如果輸入信號(hào)ui(t)的周期為T，取樣脈沖的周期為T′=mT+△t,(m=1、2、3…)ui(t)t5T△t2△t3△t4△t5△t61234p(t)t6tt1t2t3t4t5ttus(t)uy(t)612345圖4.32非實(shí)時(shí)取樣過(guò)程172.取樣示波器的波形合成取樣示波器兩對(duì)偏轉(zhuǎn)板上均加階梯波，如圖4.33所示。經(jīng)展寬、放大的階梯波uy(t)加至Y偏轉(zhuǎn)板上，每取樣一次階梯上升一級(jí)、每一級(jí)持續(xù)時(shí)間為mT+△t的階梯掃描電壓ux(t)信號(hào)加到X偏轉(zhuǎn)板上，熒光屏上得到許多單個(gè)的亮點(diǎn)，每個(gè)亮點(diǎn)的高度反映出樣品信號(hào)us(t)的幅度，眾多亮點(diǎn)就構(gòu)成了被測(cè)信號(hào)ui(t)的波形。

4.9.2組成

取樣示波器主要由主機(jī)、Y通道和X通道三大部分組成，如圖4.34所示。主機(jī)部分與通用示波器的相同。tuy(t)tux(t)00圖4.33取樣示波器的波形合成18取樣門放大電路延長(zhǎng)門取樣門脈沖信號(hào)源延長(zhǎng)門脈沖信號(hào)源時(shí)基單元取樣脈沖△t步進(jìn)延遲脈沖mT+△tmT同步信號(hào)輸入信號(hào)圖4.34取樣示波器組成框圖取樣電路延長(zhǎng)電路Y通道X通道19取樣示波器與通用示波器的區(qū)別主要有：①取樣示波器延遲級(jí)放在取樣門前面，以便在內(nèi)觸發(fā)時(shí)提前提取一部分被測(cè)信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)。②取樣示波器X通道產(chǎn)生時(shí)基掃描信號(hào)，是利用每一個(gè)△t步進(jìn)延遲脈沖去觸發(fā)階梯波形成電路，使之輸出增長(zhǎng)一級(jí)，掃描信號(hào)是線性階梯波。由于△t步進(jìn)延遲脈沖的作用，掃描信號(hào)與取樣脈沖是同步的。③通用示波器中，每觸發(fā)一次能產(chǎn)生一個(gè)完整掃描信號(hào)，而取樣示波器中，每觸發(fā)一次只能獲得一個(gè)樣點(diǎn)。(取樣示波器中的掃描信號(hào)是階梯波)。④取樣示波器顯示的波形由許多點(diǎn)組成，它能反映被測(cè)信號(hào)形狀，但它是經(jīng)過(guò)變換得到的，波形經(jīng)歷的時(shí)間遠(yuǎn)大于被測(cè)信號(hào)的實(shí)際經(jīng)歷時(shí)間。故取樣示波器只能測(cè)量頻率較高的重復(fù)信號(hào)，而不能對(duì)單次脈沖，極低頻信號(hào)進(jìn)行觀測(cè).4.9.3技術(shù)指標(biāo)（1）取樣密度（2）等效掃描速度（3）取樣頻率204.10數(shù)字存儲(chǔ)示波器具有記憶存儲(chǔ)功能的示波器.模擬存儲(chǔ)示波器:利用記憶示波管進(jìn)行存儲(chǔ)數(shù)字存儲(chǔ)示波器:利用數(shù)字存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)，4.10.1工作原理利用A/D變換器將輸入的模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)，然后存儲(chǔ)于數(shù)字存儲(chǔ)器中，需要時(shí)再將存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的內(nèi)容調(diào)出（讀出），通過(guò)相應(yīng)的D/A變換器，再將數(shù)字信號(hào)恢復(fù)為模擬信號(hào)，顯示在示波管熒光屏上。21輸入前置放大器觸發(fā)掃描電路Y放大器X放大器A/DD/A地址計(jì)數(shù)脈沖與邏輯控制D/A存儲(chǔ)器模擬輸出接口數(shù)字輸出接口電源地址IEEE—488RS—232C111222示波管圖4.35數(shù)字存儲(chǔ)示波器基本框圖S1S2S3uy224.36(e)的波形即能夠準(zhǔn)確代表圖4.36(a)所示的被測(cè)波形。將數(shù)字存儲(chǔ)技術(shù)和CPU微處理器用于取樣示波器，可以構(gòu)成存儲(chǔ)取樣示波器。4.10.2工作方式1.數(shù)字存儲(chǔ)器的功能數(shù)字存儲(chǔ)示波器的隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM包括信號(hào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、參考波形存儲(chǔ)器、測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和顯示緩沖存儲(chǔ)器四種。uyU1U2U3t1t0t2t3t4t5t6t7ta1a2a3a4a5a6a7a000H01H02H03H04H05H06H07HD0D1D2D3D4D5D6D7(a)(b)(c)(d)圖4.36存儲(chǔ)器工作過(guò)程(e)232.觸發(fā)工作方式數(shù)字存儲(chǔ)示波器的觸發(fā)包括常態(tài)觸發(fā)和預(yù)置觸發(fā)兩種方式。（1）常態(tài)觸發(fā)常態(tài)觸發(fā)是在存儲(chǔ)工作方式下自動(dòng)形成的，同模擬示波（2）預(yù)置觸發(fā):即延時(shí)觸發(fā)3.測(cè)量與計(jì)算工作方式數(shù)字存儲(chǔ)示波器對(duì)波形參數(shù)的測(cè)量分為自動(dòng)測(cè)量和手動(dòng)測(cè)量4.面板鍵操作方式

244.10.3顯示方式數(shù)字存儲(chǔ)示波器的顯示方式通常有以下幾種：1.存儲(chǔ)顯示存儲(chǔ)顯示方式是數(shù)字存儲(chǔ)示波器的基本顯示方式，適于一般信號(hào)的觀測(cè)。在一次觸發(fā)形成并完成信號(hào)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)后，經(jīng)過(guò)顯示前的緩沖存儲(chǔ)，并控制緩沖存儲(chǔ)器的地址順序，依次將欲顯示的數(shù)據(jù)讀出并進(jìn)行D/A變換，然后將信號(hào)穩(wěn)定地顯示在熒光屏上。2.抹跡顯示抹跡顯示方式適于觀測(cè)一長(zhǎng)串波形中在一定條件下才會(huì)發(fā)生的瞬態(tài)信號(hào)。3.卷動(dòng)顯示卷動(dòng)顯示方式適于觀測(cè)緩變信號(hào)中隨機(jī)出現(xiàn)的突發(fā)信號(hào)，它包括兩種方式。25一種是用新波形逐漸代替舊波形，變化點(diǎn)自左向右移動(dòng)，如圖4.37(a)所示。另一種是波形從右端推出向左移動(dòng)，在左端消失，如圖4.37(b)所示。當(dāng)異常波形出現(xiàn)時(shí)，可按下存儲(chǔ)鍵，將此波形存儲(chǔ)在熒光屏上或存入?yún)⒖疾ㄐ未鎯?chǔ)器中，以便作更細(xì)致的觀測(cè)與分析。(a)(b)(c)圖4.37卷動(dòng)顯示方式和延遲掃描放大顯示方式4.放大顯示5.X-Y顯示26本章小結(jié)

本章主要介紹了通用電子示波器的基本組成、工作原理及其應(yīng)用。（1）陰極射線示波管由電子槍、偏轉(zhuǎn)板和熒光屏三部分組成。電子示波器測(cè)量各種物理量的原理依據(jù)是示波管的線性偏轉(zhuǎn)特性。示波器掃描過(guò)程分為掃描正程、掃描逆程、掃描等待