電子測量與儀器課件第四章波形測試與儀器2

電子槍控制柵極G陰極K燈絲F偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)第一陽極A1第二陽極A2Y1Y2X1X2后加速陽極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放大器標準信號發(fā)生器電源增輝電路控制柵極(或陰極)主機Y通道X偏轉(zhuǎn)板“X”輸入外同步觸發(fā)輸入標準信號輸出“X-Y”X通道“掃描”S2S1內(nèi)外電源示波管被測信號輸入圖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”輸入從電源來從Y通道來射極跟隨器觸發(fā)類型耦合方式觸發(fā)電平去Z通道去Y通道+－穩(wěn)定度自動電路觸發(fā)電路掃描電路內(nèi)外電源S1S2掃速釋抑電路擴展移位尋跡“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)電路用來選擇觸發(fā)源并產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的觸發(fā)信號，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)形成電路作用是對前級輸出信號進行放大整形，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，負電平、正極性，正電平、正極性，零電平、負極性，負電平、負極性，正電平、負極性。(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關(guān)提供交替顯示的控制信號。掃描電路主要由時基閘門電路、積分器、電壓比較器和釋抑電路等四個呈環(huán)狀結(jié)構(gòu)的電路組成。（1）時基閘門時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。另外，閘門脈沖還通過射隨器加到Z通道去實現(xiàn)增輝消隱，以及加到雙蹤示波器Y通道電子開關(guān)作為交替顯示的控制信號。6掃描正程掃描休止掃描逆程時基閘門上觸發(fā)電平時基閘門輸出穩(wěn)定度確定的直流電平時基閘門下觸發(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，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“時基因數(shù)（s/div）”旋鈕。當S閉合時，積分電容放電，產(chǎn)生掃描逆程電壓。－∞++運放－ERCS時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。掃描實際過程分為掃描正程、掃描逆程和掃描等待三個過程。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：將單端輸入的信號進行放大變換成為大小合適的雙端信號加在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。當示波器用于顯示被測信號波形時，X放大器的輸入信號是掃描電壓；當示波器工作在“X-Y”方式時，輸入信號是外加的X信號?！癤-Y”方式時，示波器X偏轉(zhuǎn)板上所加的信號不再是掃描電壓而是外加的X信號，該信號與Y信號是各自獨立的，它們各自在X、Y偏轉(zhuǎn)板間建立偏轉(zhuǎn)電場對電子束共同作用而產(chǎn)生一個新的圖形，例如，將兩個同頻正弦波加到示波器上時，得到的波形為橢圓、圓或直線，兩個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)的開關(guān)旋鈕有：“水平移位”、“掃描擴展”、“尋跡”等開關(guān)旋鈕?！八揭莆弧笔峭ㄟ^改變水平偏轉(zhuǎn)板上疊加的對稱直流電壓的大小來實現(xiàn)波形水平移位的?！皰呙钄U展”是通過成倍增大X放大器增益來實現(xiàn)波形擴展的?！皩ほE”是通過將X放大器輸入端接地來實現(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)裝有兩個或兩個以上的電子槍。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通道上增設的電子開關(guān)控制被測信號輪流快速地接入Y偏轉(zhuǎn)板而顯示出多個波形的，即采用了時分復用技術(shù)，這一技術(shù)充分利用了電子開關(guān)的高速變換特性和人眼的視覺惰性。比較常用的是雙蹤示波器，即能夠顯示兩個波形的多蹤示波器。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為模擬電子開關(guān)。電子開關(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(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100MHz以上的高頻或超高頻信號。為了觀測高頻信號，在普通示波器的前面加一個專門的取樣裝置，運用取樣技術(shù)把高頻信號變成波形與之相似的低頻或中頻信號，然后在熒光屏上以斷續(xù)的亮點顯示出被測信號的波形來，這樣就構(gòu)成了取樣示波器。取樣示波器可以觀測吉赫茲以上的超高頻信號。4.9.1工作原理取樣示波器與普通示波器的主要區(qū)別在于前者運用了取樣技術(shù)。取樣技術(shù)的實質(zhì)是頻率變換，基本的取樣方式（又稱為順序取樣）有實時取樣與非實時取樣兩種方式。測量高頻信號應采用非實時取樣技術(shù)。15tp(t)τT′0++－－Sui(t)us(t)圖4.31取樣原理實時取樣：實時取樣信號的頻率比輸入信號的頻率高，不能用于觀測高頻非實時取樣：取樣點分別來自輸入信號若干周期式稱為，即跨周期取樣，16如果輸入信號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非實時取樣過程172.取樣示波器的波形合成取樣示波器兩對偏轉(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、每一級持續(xù)時間為mT+△t的階梯掃描電壓ux(t)信號加到X偏轉(zhuǎn)板上，熒光屏上得到許多單個的亮點，每個亮點的高度反映出樣品信號us(t)的幅度，眾多亮點就構(gòu)成了被測信號ui(t)的波形。

4.9.2組成

取樣示波器主要由主機、Y通道和X通道三大部分組成，如圖4.34所示。主機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門取樣門脈沖信號源延長門脈沖信號源時基單元取樣脈沖△t步進延遲脈沖mT+△tmT同步信號輸入信號圖4.34取樣示波器組成框圖取樣電路延長電路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取樣示波器延遲級放在取樣門前面，以便在內(nèi)觸發(fā)時提前提取一部分被測信號作為觸發(fā)信號。②取樣示波器X通道產(chǎn)生時基掃描信號，是利用每一個△t步進延遲脈沖去觸發(fā)階梯波形成電路，使之輸出增長一級，掃描信號是線性階梯波。由于△t步進延遲脈沖的作用，掃描信號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)生一個完整掃描信號，而取樣示波器中，每觸發(fā)一次只能獲得一個樣點。(取樣示波器中的掃描信號是階梯波)。④取樣示波器顯示的波形由許多點組成，它能反映被測信號形狀，但它是經(jīng)過變換得到的，波形經(jīng)歷的時間遠大于被測信號的實際經(jīng)歷時間。故取樣示波器只能測量頻率較高的重復信號，而不能對單次脈沖，極低頻信號進行觀測.4.9.3技術(shù)指標（1）取樣密度（2）等效掃描速度（3）取樣頻率204.10數(shù)字存儲示波器具有記憶存儲功能的示波器.模擬存儲示波器:利用記憶示波管進行存儲數(shù)字存儲示波器:利用數(shù)字存儲技術(shù)進行存儲，4.10.1工作原理利用A/D變換器將輸入的模擬信號變換成數(shù)字信號，然后存儲于數(shù)字存儲器中，需要時再將存儲器中存儲的內(nèi)容調(diào)出（讀出），通過相應的D/A變換器，再將數(shù)字信號恢復為模擬信號，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地址計數(shù)脈沖與邏輯控制D/A存儲器模擬輸出接口數(shù)字輸出接口電源地址IEEE—488RS—232C111222示波管圖4.35數(shù)字存儲示波器基本框圖S1S2S3uy224.36(e)的波形即能夠準確代表圖4.36(a)所示的被測波形。將數(shù)字存儲技術(shù)和CPU微處理器用于取樣示波器，可以構(gòu)成存儲取樣示波器。4.10.2工作方式1.數(shù)字存儲器的功能數(shù)字存儲示波器的隨機存儲器RAM包括信號數(shù)據(jù)存儲器、參考波形存儲器、測量數(shù)據(jù)存儲器和顯示緩沖存儲器四種。uyU1U2U3t1t0t2t3t4t5t6t7ta1a2a3a4a5a6a7a000H01H02H03H04H05H06H07HD0D1D2D3D4D5D6D7(a)(b)(c)(d)圖4.36存儲器工作過程(e)232.觸發(fā)工作方式數(shù)字存儲示波器的觸發(fā)包括常態(tài)觸發(fā)和預置觸發(fā)兩種方式。（1）常態(tài)觸發(fā)常態(tài)觸發(fā)是在存儲工作方式下自動形成的，同模擬示波（2）預置觸發(fā):即延時觸發(fā)3.測量與計算工作方式數(shù)字存儲示波器對波形參數(shù)的測量分為自動測量和手動測量4.面板鍵操作方式

244.10.3顯示方式數(shù)字存儲示波器的顯示方式通常有以下幾種：1.存儲顯示存儲顯示方式是數(shù)字存儲示波器的基本顯示方式，適于一般信號的觀測。在一次觸發(fā)形成并完成信號數(shù)據(jù)的存儲后，經(jīng)過顯示前的緩沖存儲，并控制緩沖存儲器的地址順序，依次將欲顯示的數(shù)據(jù)讀出并進行D/A變換，然后將信號穩(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一長串波形中在一定條件下才會發(fā)生的瞬態(tài)信號。3.卷動顯示卷動顯示方式適于觀測緩變信號中隨機出現(xiàn)的突發(fā)信號，它包括兩種方式。25一種是用新波形逐漸代替舊波形，變化點自左向右移動，如圖4.37(a)所示。另一種是波形從右端推出向左移動，在左端消失，如圖4.37(b)所示。當異常波形出現(xiàn)時，可按下存儲鍵，將此波形存儲在熒光屏上或存入?yún)⒖疾ㄐ未鎯ζ髦校员阕鞲氈碌挠^測與分析。(a)(b)(c)圖4.37卷動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。示波器掃描過程分為掃描正程、掃描逆程、掃描等待