電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章

電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章2023/12/27電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章4.1概述電子示波器簡(jiǎn)稱(chēng)示波器。它是一種用熒光屏顯示電量隨時(shí)間變化過(guò)程的電子測(cè)量?jī)x器。它能把人的肉眼無(wú)法直接觀察到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成人眼能夠看到的波形，具體顯示在熒光屏上，以便對(duì)電信號(hào)進(jìn)行定性和定量觀測(cè)，其他非電物理量亦可經(jīng)轉(zhuǎn)換成為電量，使用示波器進(jìn)行觀測(cè)，因此示波器是一種廣泛應(yīng)用的電子測(cè)量?jī)x器，它普遍地應(yīng)用于國(guó)防、科研、學(xué)校以及工、農(nóng)、商業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章電子示波器的基本特點(diǎn)如下：(1)能顯示信號(hào)波形，可測(cè)量瞬時(shí)值，具有直觀性。(2)輸入阻抗高，對(duì)被測(cè)信號(hào)影響小。測(cè)量靈敏度高，并有較強(qiáng)的過(guò)載能力，目前示波器的最高靈敏度可達(dá)到10μV/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(xì)節(jié)。目前示波器的工作頻帶最寬可達(dá)1000MHz，預(yù)計(jì)不久將研制出帶寬為2GHz以上的示波器。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章(4)在示波器的熒光屏上可描繪出任意兩個(gè)電壓或電流量的函數(shù)關(guān)系，可作為比較信號(hào)用的高速X-Y記錄儀。由于示波器的上述特點(diǎn)，電子示波器除直接用于電量測(cè)試外，也可配以其他設(shè)備組成綜合測(cè)量?jī)x器。電子示波器的主要用途如下：(1)觀測(cè)電信號(hào)波形。(2)測(cè)量電壓和電流的幅度、頻率、時(shí)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。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章總之，電子示波器是測(cè)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(jì)末研制成的第一支冷陰極靜電偏轉(zhuǎn)電子射線(xiàn)示波管。20世紀(jì)40年代末，逐漸建立起專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)示波器的廠家。幾十年來(lái)，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(chǔ)示波器、邏輯示波器等多種類(lèi)型示波器，它還可與微型計(jì)算機(jī)連接組成智能測(cè)量系統(tǒng)。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章建國(guó)以后，我國(guó)示波器工業(yè)也有了很大的發(fā)展，有些已接近世界先進(jìn)水平，但與工業(yè)先進(jìn)的國(guó)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4.1-1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(lèi)及應(yīng)用。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章4.2示波管示波器的核心部件是示波管，它在很大程度上決定了整機(jī)的性能。示波管是一種整個(gè)被密封在玻璃殼內(nèi)的大型真空電子器件，也叫陰極射線(xiàn)管。電視機(jī)的彩色顯像管和計(jì)算機(jī)的監(jiān)視器都是在電子示波管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它們的組成結(jié)構(gòu)與原理基本相同。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章示波管由電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三部分組成，如圖4.2-1所示。其用途是將電信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信號(hào)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(xì)的高速電子束，偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)由X方向和Y方向兩對(duì)偏轉(zhuǎn)板組成，它的作用是決定電子束怎樣偏轉(zhuǎn)，熒光屏的作用則是顯示偏轉(zhuǎn)電信號(hào)的波形。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章圖4.2-1示波管及電子束控制電路電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章4.2.1電子槍電子槍由燈絲(h)、陰極(K)、柵極(G1)、前加速極(G2)、第一陽(yáng)極(A1)和第二陽(yáng)極(A2)組成。燈絲h用于對(duì)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(duì)電子形成排斥力，使電子朝軸向運(yùn)動(dòng)，形成交叉點(diǎn)F1,并且只有初速度較高的電子能夠穿過(guò)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)節(jié)柵極G1的電位可控制射向熒光屏的電子流密度，從而改變熒光屏亮點(diǎn)的輝度。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章圖4.2-1中輝度調(diào)節(jié)旋鈕控制電位器RW1進(jìn)行分壓調(diào)節(jié)，即調(diào)節(jié)柵極G1的電位?？刂戚x度的另一種方法是以外加電信號(hào)控制柵陰極間電壓，使亮點(diǎn)輝度隨電信號(hào)強(qiáng)弱而變化(像電視顯像管那樣)，這種工作方式稱(chēng)為“輝度調(diào)制”。這個(gè)外加電信號(hào)的控制形成了除X方向和Y方向之外的三維圖形顯示，稱(chēng)為Z軸控制。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章

G2、A1、A2構(gòu)成一個(gè)對(duì)電子束的控制系統(tǒng)。這三個(gè)極板上都加有較高的正電位，并且G2與A2相連。穿過(guò)柵極交叉點(diǎn)F1的電子束由于電子間的相互排斥作用而散開(kāi)。進(jìn)入G2、A1、A2構(gòu)成的靜電場(chǎng)后，一方面受到陽(yáng)極正電壓的作用加速向熒光屏運(yùn)動(dòng)，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(xiàn)聚擾，形成很細(xì)的電子束。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章如果電壓調(diào)節(jié)得適當(dāng)，則電子束恰好聚焦在熒光屏S的中心點(diǎn)F2處。圖4.2-1中RW2和RW3分別是“聚焦”和“輔助聚焦”旋鈕所對(duì)應(yīng)的電位器，調(diào)節(jié)這兩個(gè)旋鈕使得電子束具有較細(xì)的截面，射到熒光屏上，以便在熒光屏上顯示出清晰的、聚焦很好的波形曲線(xiàn)。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章4.2.2偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)由水平偏轉(zhuǎn)板X(qián)1、X2和垂直偏轉(zhuǎn)板Y1、Y2這兩對(duì)相互垂直的偏轉(zhuǎn)板組成。垂直偏轉(zhuǎn)板Y在前，水平偏轉(zhuǎn)板X(qián)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(chǎng)強(qiáng)弱與極性在垂直方向上運(yùn)動(dòng)。如果Y1為正，Y2為負(fù)，則電子束向上運(yùn)動(dòng)，電場(chǎng)強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)距離大，電場(chǎng)弱，運(yùn)動(dòng)距離??；若Y1為負(fù)，Y2為正，則電子束向下運(yùn)動(dòng)。同理，在X1、X2間加電壓，電子束將根據(jù)電場(chǎng)的強(qiáng)弱與極性在水平方向上運(yùn)動(dòng)，電子束最終的運(yùn)動(dòng)情況取決于水平方向和垂直方向電壓的合成作用，當(dāng)X、Y偏轉(zhuǎn)板加不同電壓時(shí)，熒光屏上的亮點(diǎn)可以移動(dòng)到屏面上的任一位置。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章為了顯示電信號(hào)的波形，通常在水平偏轉(zhuǎn)板上加一線(xiàn)性鋸齒波掃描電壓ux，該掃描電壓將Y方向所加信號(hào)電壓uy作用的電子束在屏幕上按時(shí)間沿水平方向展開(kāi)，形成一條“信號(hào)電壓-時(shí)間”曲線(xiàn)，即信號(hào)波形，參見(jiàn)圖4.2-2。水平偏轉(zhuǎn)板X(qián)板上所加鋸齒形電壓稱(chēng)為“時(shí)基信號(hào)”或“掃描信號(hào)”。例如，當(dāng)uy信號(hào)為正弦波時(shí)，只有在掃描電壓ux的頻率fx與被觀察的信號(hào)電壓uy的頻率fy相等或成整倍數(shù)n時(shí)，才能穩(wěn)定地顯示一個(gè)或n個(gè)正弦波形，如圖4.2-2(b)、(c)所示。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章圖4.2-2偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作原理圖電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章4.2.3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)電子束轟擊熒光粉時(shí)，激發(fā)產(chǎn)生熒光形成亮點(diǎn)。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(shí)的瞬間亮度下降到該亮度的10%所經(jīng)過(guò)的時(shí)間稱(chēng)為余輝時(shí)間。熒光粉的成分不同，余輝時(shí)間也不同，為適應(yīng)不同需要，將余輝時(shí)間分為長(zhǎng)余輝(100ms~1s)、中余輝(1~100ms)和短余輝(10μs~10ms)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(zhǎng)余輝示波管。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章4.3電子示波器的結(jié)構(gòu)框圖與性能4.3.1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4.3-1所示。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(shí)間校正器、電源幾部分組成。被觀察的波形通過(guò)Y通道探頭，經(jīng)過(guò)衰減加到垂直前置放大器的輸入端①，垂直前置放大器的推挽輸出信號(hào)②和③經(jīng)過(guò)延遲線(xiàn)、垂直末級(jí)放大器，輸出足夠大的推挽信號(hào)⑨、10到示波管的垂直偏轉(zhuǎn)板Y1、Y2上。由時(shí)基發(fā)生器產(chǎn)生線(xiàn)性?huà)呙桦妷?，?jīng)水平末級(jí)放大器放大后，輸出推挽的鋸齒波信號(hào)⑦、⑧加到水平偏轉(zhuǎn)板X(qián)1、X2上。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章圖4.3-1示波器組成框圖及波形關(guān)系圖電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章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(hào)起點(diǎn)應(yīng)對(duì)應(yīng)于周期性被顯示信號(hào)的同一相應(yīng)點(diǎn)，因此，將被顯示信號(hào)③的一部分送到觸發(fā)同步電路，當(dāng)該電路得到的信號(hào)相應(yīng)于輸入信號(hào)的某個(gè)電平和極性時(shí)，觸發(fā)同步電路即產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)④去啟動(dòng)時(shí)基發(fā)生器，產(chǎn)生一個(gè)由觸發(fā)信號(hào)控制的掃描電壓⑤。Z軸電路應(yīng)在時(shí)基發(fā)生器輸出的正程時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生加亮(增輝)信號(hào)⑥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。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章由圖4.3-1(b)中的波形③、④、⑤可見(jiàn)，觸發(fā)點(diǎn)即鋸齒波的掃描起點(diǎn)并不在被顯示信號(hào)的起始過(guò)零點(diǎn)，因此，信號(hào)前沿?zé)o法觀察。為了克服此缺點(diǎn)，在垂直前置放大器之后加入延遲線(xiàn)，對(duì)Y方向加入的信號(hào)進(jìn)行延遲，并且使其延遲時(shí)間τ2略大于由水平通道引起的固有觸發(fā)延遲τ1，以確保觸發(fā)掃描與顯示信號(hào)同步。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章來(lái)自Y通道的同步信號(hào)(即被觀察信號(hào))被稱(chēng)為“內(nèi)”同步；來(lái)自?xún)x器外部的同步信號(hào)被稱(chēng)為“外”同步。示波器除了用于觀察信號(hào)波形外，當(dāng)用于其他測(cè)量時(shí)，X偏轉(zhuǎn)板上也可不加時(shí)基信號(hào)，而是加上待測(cè)的或參考的信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可從X輸入端直接接入示波器，經(jīng)過(guò)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(lái)校準(zhǔn)示波器的主要特性。常用的有幅度校正器和掃描時(shí)間校正器。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章電源一般由兩個(gè)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)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(diǎn)位置控制。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章4.3.2示波器的主要性能指標(biāo)為了正確選擇和使用示波器，必須了解以下六項(xiàng)最重要的性能指標(biāo)。1.頻率響應(yīng)(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(chēng)帶寬。這是指垂直偏轉(zhuǎn)通道(Y方向放大器)對(duì)正弦波的幅頻響應(yīng)下降到中心頻率的0.707(－3dB)倍時(shí)的頻率范圍。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章由于信號(hào)通過(guò)線(xiàn)性電路時(shí)，輸出信號(hào)的頻譜G(ω)等于輸入信號(hào)的頻譜F(ω)乘以電路的頻率特性K(ω)，即G(ω)=K(ω)×F(ω)，因此，如果要求任意形狀信號(hào)通過(guò)該電路時(shí)不產(chǎn)生畸變，則要求電路對(duì)被傳輸信號(hào)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绻ǖ赖膸挷粔?，則對(duì)于信號(hào)的不同頻率分量，通道的增益不同，信號(hào)波形便會(huì)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=15MHz,SBM-10A示波器的帶寬fh=30MHz，目前最寬的示波器頻率范圍fh已達(dá)到1000MHz。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章2.偏轉(zhuǎn)靈敏度(S)單位輸入信號(hào)電壓uy引起光點(diǎn)在熒光屏上偏轉(zhuǎn)的距離H稱(chēng)為偏轉(zhuǎn)靈敏度S，即S=(4.3-1)則uy==H·d(4.3-2)式中，d為靈敏度的倒數(shù)1/S，稱(chēng)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。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章在測(cè)量時(shí)，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(4.3-2)可求得顯示波形的電壓幅度。例如，d=2V/cm，熒光屏上uy波形高度H=2.6cm，則所觀察波形幅度uy=2V/cm×2.6cm=5.2V。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章3.掃描頻率示波器屏幕上光點(diǎn)水平掃描速度的高低可用掃描速度、時(shí)基因數(shù)、掃描頻率等指標(biāo)來(lái)描述。掃描速度就是光點(diǎn)水平移動(dòng)的速度，其單位是cm/s或div/s(格/秒)。掃描速度的倒數(shù)稱(chēng)為時(shí)基因數(shù)，它表示光點(diǎn)水平移動(dòng)單位長(zhǎng)度(cm或div)所需的時(shí)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(kāi)關(guān)進(jìn)行調(diào)節(jié)，此開(kāi)關(guān)標(biāo)注的是時(shí)基因數(shù)。SR-8雙蹤示波器的時(shí)基因數(shù)范圍為1s/div~0.2μs/div,SBM-10A型示波器的時(shí)基因數(shù)范圍為0.5s/cm~0.05μs/cm。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章4.輸入阻抗輸入阻抗是指示波器輸入端對(duì)地的電阻Ri和分布電容Ci的并聯(lián)阻抗。在觀測(cè)信號(hào)波形時(shí)，把示波器輸入探頭接到被測(cè)電路的觀察點(diǎn)，輸入阻抗越大，示波器對(duì)被測(cè)電路的影響就越小，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(shí)，對(duì)被測(cè)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=1MΩ，電容Ci=27pF。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章5.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(hào)作用下的過(guò)渡特性。圖4.3-2顯示了一個(gè)正向標(biāo)準(zhǔn)方波脈沖經(jīng)過(guò)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(shí)間tr、下降時(shí)間tf、上沖s0、下沖sn、預(yù)沖sp及下垂δ等參數(shù)表示。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章圖4.3-2中Um是標(biāo)準(zhǔn)方波脈沖的基本幅度(簡(jiǎn)稱(chēng)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)，ΔU為平頂降落量(方波持續(xù)期間頂部幅度的下降量，也稱(chēng)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(duì)脈沖幅度的百分比值表示，因而可以分別定義如下：電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章圖4.3-2示波器的瞬態(tài)響應(yīng)電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章上沖s0是脈沖前沿的上沖量b與Um的百分比值，即下沖s0是脈沖前沿的上沖量b與Um的百分比值，即下垂δ是脈沖平頂降落量ΔU與Um的百分比值，即電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章預(yù)沖sp是脈沖波階躍之前的預(yù)沖量d與Um的百分比值，即脈沖上升時(shí)間tr和脈沖下降時(shí)間tf與第3章中的定義相同，不再重復(fù)。示波器說(shuō)明書(shū)中通常只標(biāo)示出上升時(shí)間tr及上沖s0的數(shù)值。由于示波器中的放大器是線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)，因此放大器的頻帶寬度f(wàn)B與上升時(shí)間tr有確定的關(guān)系：電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章

fB×tr≈350。當(dāng)知道了頻帶寬度f(wàn)B時(shí)，可計(jì)算出tr≈350/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=30MHz，由此可求得上升時(shí)間為不難理解，上升時(shí)間tr越小越好。瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)在相當(dāng)大的程度上決定了示波器所能觀測(cè)的脈沖信號(hào)的最小寬度。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章6.掃描方式

示波器中的掃描電壓鋸齒波是一種線(xiàn)性時(shí)間基線(xiàn)。線(xiàn)性時(shí)基掃描可分成連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描兩種方式。圖4.3-3是連續(xù)掃描電壓波形，回掃后沒(méi)有等待時(shí)間，故適用于觀測(cè)連續(xù)信號(hào)。圖4.3-4是觸發(fā)掃描電壓波形，它只在觸發(fā)信號(hào)的激勵(lì)下才開(kāi)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(hào)到來(lái)時(shí)再進(jìn)行掃描。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章圖4.3-3連續(xù)掃描電壓波形電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章圖4.3-4觸發(fā)掃描電壓波形電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章4.4電子示波器的Y、X通道及校正器電子示波器的基本部件由垂直偏轉(zhuǎn)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。4.4.1垂直偏轉(zhuǎn)通道(Y通道)垂直通道的任務(wù)是檢測(cè)被觀察的信號(hào)，并將它無(wú)失真或失真很小地傳輸?shù)绞静ü艿拇怪逼D(zhuǎn)板上。同時(shí)，為了與水平偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)配合工作，要將被測(cè)信號(hào)進(jìn)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(xiàn)和放大器組成，如圖4.3-1(a)所示。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章1.輸入電路輸入電路由探頭、衰減器等組成。被測(cè)信號(hào)通過(guò)垂直偏轉(zhuǎn)通道加到示波管的Y偏轉(zhuǎn)板上，整個(gè)輸入電路可以看成一個(gè)二端網(wǎng)絡(luò)，為了不失真地傳輸信號(hào)，此二端網(wǎng)絡(luò)應(yīng)是一個(gè)交直流耦合電路，通過(guò)該耦合電路后，信號(hào)再加到放大器進(jìn)行放大。下面先說(shuō)明輸入耦合方式，再說(shuō)明對(duì)于大信號(hào)必須加入衰減器的情況。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章1)輸入耦合方式對(duì)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(duì)于通頻帶從0開(kāi)始的示波器，可以觀察信號(hào)的直流分量或變化極慢的信號(hào)，放大器是直接耦合的(直流放大器)。被測(cè)信號(hào)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(kāi)關(guān)S來(lái)控制，如圖4.4-1所示。當(dāng)開(kāi)關(guān)S打向DC位置時(shí)，耦合電容C短接，成為直流耦合，否則為交流耦合。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章2)衰減器由于經(jīng)常需要觀察幅度較小的電壓波形，因此示波器的靈敏度設(shè)計(jì)得較高，但當(dāng)需要觀察幅度較大的信號(hào)時(shí)，就必須接入衰減器對(duì)信號(hào)先進(jìn)行衰減。對(duì)衰減器的要求是輸入阻抗高，同時(shí)在示波器的整個(gè)通頻帶內(nèi)衰減的分壓比均勻不變。要達(dá)到這個(gè)要求，僅用簡(jiǎn)單的電阻分壓是達(dá)不到目的的。因?yàn)樵谙乱患?jí)的輸入及引線(xiàn)都存在分布電容，這個(gè)分布電容的存在對(duì)于被測(cè)信號(hào)高頻分量有嚴(yán)重的衰減，會(huì)造成信號(hào)的高頻分量的失真(脈沖上升時(shí)間變慢)。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章為此，必須采用圖4.4-1所示的阻容補(bǔ)償分壓器，圖中R1、R2為分壓電阻(R2包括下一級(jí)的輸入電阻)，C2為下一級(jí)的輸入電容和分布電容，C1為補(bǔ)償電容。調(diào)節(jié)C1，當(dāng)滿(mǎn)足關(guān)系式C1R1=C2R2時(shí)，分壓比K0在整個(gè)通頻帶內(nèi)是均勻的，它可表示為(4.4-1)這樣的分壓器做成的衰減器就可以無(wú)畸變地傳輸窄脈沖信號(hào)，僅僅是信號(hào)幅度降為原幅度的1/K0。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章圖4.4-1阻容補(bǔ)償分壓器電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章大多數(shù)示波器的輸入電阻Ri都設(shè)計(jì)在1MΩ左右，它的大小主要取決于R1，因?yàn)镽i=R1+R2，而R2<<R1。輸入電容Ci為C1、C2的串聯(lián)值和引線(xiàn)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(gè)多量程開(kāi)關(guān)換接不同的R2、C2來(lái)改變衰減量。早期的示波器開(kāi)關(guān)位置都標(biāo)有衰減量，如衰減30、100等?，F(xiàn)在都標(biāo)以偏轉(zhuǎn)因數(shù)值，當(dāng)示波器最高靈敏度為0.02cm/mV時(shí)，最小偏轉(zhuǎn)因數(shù)為50mV/cm，衰減2、4、10倍時(shí)，分別標(biāo)以偏轉(zhuǎn)因數(shù)100mV/cm、200mV/cm、0.5V/cm。設(shè)計(jì)示波器應(yīng)做到開(kāi)關(guān)在不同位置時(shí)，示波器的輸入阻抗不變。偏轉(zhuǎn)因數(shù)的標(biāo)注請(qǐng)參見(jiàn)圖4.5-3中Y通道的兩個(gè)調(diào)節(jié)旋鈕V/div。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章3)探頭用示波器觀察信號(hào)波形時(shí)，長(zhǎng)長(zhǎng)的引線(xiàn)往往會(huì)引起各種雜散干擾，所以通常使用同軸電纜作為輸入引線(xiàn)，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(duì)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4.4-2所示的探頭檢測(cè)被觀察信號(hào)。探頭里有一可調(diào)的小電容C(5~10pF)和大電阻R并聯(lián)。如果設(shè)計(jì)示波器輸入電阻Ri為1MΩ時(shí)，R應(yīng)取9MΩ，同時(shí)調(diào)整補(bǔ)償電容C可以得到最佳補(bǔ)償，即滿(mǎn)足C·R≈RiCi，則調(diào)整補(bǔ)償電容C時(shí)的波形如圖4.4-3所示，圖(a)為理想補(bǔ)償?shù)牟ㄐ?，圖(b)為過(guò)補(bǔ)償?shù)牟ㄐ?。通?c)為欠補(bǔ)償?shù)牟ㄐ?。通常調(diào)整C，以達(dá)到圖(a)所示的理想補(bǔ)償波形。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章圖4.4-2示波器探頭電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章圖4.4-3補(bǔ)償電容的波形電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章探頭中的電阻電容R、C與示波器的輸入阻抗Ri、Ci形成補(bǔ)償式分壓器，一般分壓比做成10∶1，此時(shí)分壓器不會(huì)引入被測(cè)信號(hào)的失真。同時(shí)，探頭和電纜都是屏蔽的，不會(huì)引入干擾，輸入阻抗也大為增加，Ri′=10MΩ,Ci′=10pF。唯一的缺點(diǎn)是送到示波器輸入端的信號(hào)減小了10倍，計(jì)算脈沖幅度時(shí)，應(yīng)將偏轉(zhuǎn)因數(shù)乘以10。為了避免這一缺點(diǎn)，可采用有源探頭，即探頭內(nèi)有一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管源極跟隨器，它的傳輸系數(shù)近似為1，同時(shí)又具有高輸入阻抗和屏蔽性。另外，必須強(qiáng)調(diào)的是，探頭里的微調(diào)電容是對(duì)特定的示波器調(diào)定的，各臺(tái)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(huì)引入明顯的波形畸變。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章2.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得示波器對(duì)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(xiàn)相匹配，亦可在發(fā)射極接一個(gè)電位器，以便微調(diào)所顯示波形的幅度。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章3.延遲線(xiàn)當(dāng)示波器工作在“內(nèi)”觸發(fā)狀態(tài)時(shí)，利用垂直通道輸入的被測(cè)信號(hào)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(kāi)始掃描需要一小段時(shí)間，這樣就會(huì)出現(xiàn)被測(cè)信號(hào)到達(dá)Y偏轉(zhuǎn)板而掃描信號(hào)尚未到達(dá)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(cè)信號(hào)進(jìn)行一定的延遲，以便與水平系統(tǒng)的掃描電壓在時(shí)間上相匹配。通常延遲時(shí)間在50~200ns之間，這個(gè)延遲準(zhǔn)確性要求不高，但延遲應(yīng)穩(wěn)定，否則會(huì)導(dǎo)致圖像的水平漂移和晃動(dòng)。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章對(duì)延遲線(xiàn)的基本要求是在垂直系統(tǒng)的工作頻帶內(nèi)，它能夠無(wú)失真地并有一定延時(shí)地傳遞信號(hào)。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(xiàn)，在帶寬較寬(大于15MHz)時(shí)，則采用平衡螺旋線(xiàn)作延遲線(xiàn)。無(wú)論采用哪種延遲線(xiàn)，其特性阻抗均在幾百歐姆以下，延遲線(xiàn)的前邊必須用低輸出阻抗的電路作驅(qū)動(dòng)級(jí)，延遲線(xiàn)的后邊用低輸入阻抗的電路作緩沖器。在示波器的實(shí)際電路中，還要接入各種補(bǔ)償電路，以補(bǔ)償延遲線(xiàn)及安裝過(guò)程中引起的失真。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章4.垂直偏轉(zhuǎn)放大器被測(cè)信號(hào)經(jīng)探頭檢測(cè)引入示波器后，微弱的信號(hào)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)能量。當(dāng)示波管靈敏度及示波器偏轉(zhuǎn)因數(shù)一定時(shí)，放大器的增益K的計(jì)算如下：K=×1000(4.4-2)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1cm/50mV時(shí)，高靈敏度示波管的SV=0.5cm/V，此時(shí)，要求放大器的放大倍數(shù)K=40；一般示波管的SV=0.04cm/V，要求放大器的放大倍數(shù)K=500。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章垂直偏轉(zhuǎn)放大器設(shè)計(jì)中除了要考慮放大器應(yīng)具有足夠大的信號(hào)放大倍數(shù)外，還要考慮波形無(wú)失真的被放大，即放大器應(yīng)具有足夠的帶寬。換句話(huà)說(shuō)，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。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章放大器的低頻截止頻率受耦合電容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(gè)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(xiàn)分布電容之和)及負(fù)載電容CL對(duì)高頻的分流使高頻增益下降，由它造成的高頻截止頻率為(4.4-3)式中，RL′和CL′是放大器的等效負(fù)載電阻和等效負(fù)載電容。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章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(fù)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(qiáng)的負(fù)反饋，如放大器開(kāi)環(huán)增益為K0，反饋系數(shù)為F，則加負(fù)反饋后，高頻截止頻率擴(kuò)展為原來(lái)的(1+K0F)倍。(3)在電路中用電抗元件(電容或電感)加以補(bǔ)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。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章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1GHz，則可采用取樣的方法把觀察信號(hào)“減慢”，然后再帶寬較窄的放大器放大，這就是設(shè)計(jì)新一類(lèi)取樣示波器的基本思想。垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的末級(jí)放大器都采用推挽式放大器，它輸出一對(duì)平衡的交流電壓加到偏轉(zhuǎn)板，這樣當(dāng)被測(cè)電壓幅度任意改變時(shí)，偏轉(zhuǎn)的基線(xiàn)電位(即偏轉(zhuǎn)板之間的中心電位)保持不變。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章垂直偏轉(zhuǎn)通道放大器可以設(shè)計(jì)成輸入端為單端放大器，而在接到示波管之前變換成差動(dòng)放大器，也可以從輸入端到輸出端都設(shè)計(jì)成差動(dòng)放大器。這是因?yàn)椴顒?dòng)放大器抑制寄生信號(hào)的能力強(qiáng)，而不管這種寄生信號(hào)是由附近的干擾源通過(guò)空間耦合而來(lái)，還是通過(guò)傳導(dǎo)而來(lái)。此外，差動(dòng)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(hào)可以不經(jīng)過(guò)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。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章4.4.2水平偏轉(zhuǎn)通道(X通道)水平偏轉(zhuǎn)通道即X通道，其作用是產(chǎn)生一個(gè)與時(shí)間呈線(xiàn)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(xiàn)沿水平方向線(xiàn)性地偏移，形成時(shí)間基線(xiàn)。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(shí)間線(xiàn)性增長(zhǎng)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(shí)間作水平掃描，這種掃描稱(chēng)為線(xiàn)性時(shí)基掃描。本書(shū)著重介紹線(xiàn)性時(shí)基掃描方式，對(duì)于其他掃描方式如圓掃描、對(duì)數(shù)掃描等不作介紹。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章1.掃描分類(lèi)

線(xiàn)性時(shí)基掃描方式可分為連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描兩類(lèi)。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(diǎn)將在屏幕上作連續(xù)重復(fù)周期的掃描，若沒(méi)有Y通道的信號(hào)電壓，則屏幕上只顯示出一條時(shí)間基線(xiàn)。在時(shí)域測(cè)量中，在Y通道加入周期變化的信號(hào)電壓，即可顯示信號(hào)波形。連續(xù)掃描最主要的問(wèn)題是如何保證在屏幕上顯示出穩(wěn)定的信號(hào)波形。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章為了得到穩(wěn)定的波形顯示，必須使掃描鋸齒波電壓周期T與被測(cè)信號(hào)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(shí)基電路產(chǎn)生的，它與被測(cè)信號(hào)電壓不相關(guān)，因此一般采用被測(cè)信號(hào)(或與被測(cè)信號(hào)相關(guān)的信號(hào))控制、觸發(fā)時(shí)基電路，使T=nTy，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為同步。利用這種同步方法可使掃描信號(hào)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的顯示。顯示情況如圖4.4-4所示。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章圖4.4-4連續(xù)掃描的波形顯示電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章2)觸發(fā)掃描被測(cè)波形與掃描電壓的同步問(wèn)題在觀測(cè)脈沖波形時(shí)尤為突出。圖4.4-5是連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描觀測(cè)脈沖波形的比較。其中，圖(a)是被測(cè)脈沖波形，可看到脈沖的持續(xù)時(shí)間與重復(fù)周期比(t0/Ty)很小，t0為被測(cè)脈沖底寬。圖(b)、(c)是用連續(xù)掃描方式顯示被測(cè)脈沖波形，掃描周期分別為T(mén)=Ty和T=t0。從圖(b)上很難看清波形的細(xì)節(jié)，特別是脈沖波的上升沿。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章如果增加掃描頻率(如圖(c)所示的波形)，則雖可以觀察被測(cè)脈沖的細(xì)節(jié)，但光點(diǎn)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(shí)基線(xiàn)卻很亮，這不僅觀察困難，而且同步也較難。圖(d)所示是觸發(fā)掃描的情形，掃描發(fā)生器平時(shí)處于等待工作狀態(tài)，只有送入觸發(fā)脈沖時(shí)才產(chǎn)生一次掃描電壓，在屏幕上掃出一個(gè)展寬的脈沖波形，而不顯示出時(shí)間基線(xiàn)。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章圖4.4-5脈沖信號(hào)的連續(xù)掃描與觸發(fā)掃描顯示電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章2.水平通道的組成框圖如圖4.4-6所示，示波器的水平通道包括三部分：①觸發(fā)電路，其中包括觸發(fā)方式選擇、脈沖整形電路；②時(shí)基發(fā)生器，由閘門(mén)電路、掃描發(fā)生器、電壓比較器和釋抑電路組成；③水平放大器。時(shí)基發(fā)生器是水平通道的核心，用來(lái)產(chǎn)生線(xiàn)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(lái)放大鋸齒波電壓，輸出對(duì)稱(chēng)的鋸齒波電壓，加至水平偏轉(zhuǎn)板；觸發(fā)電路控制時(shí)基的掃描閘門(mén)，以實(shí)現(xiàn)與被測(cè)信號(hào)的嚴(yán)格同步。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章圖4.4-6水平通道的結(jié)構(gòu)框圖電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章3.時(shí)基發(fā)生器時(shí)基發(fā)生器由時(shí)基閘門(mén)、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(diǎn)波形如圖4.4-7所示。時(shí)基閘門(mén)電路是一個(gè)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(shí)刻到來(lái)時(shí)，電路翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，使得掃描電壓發(fā)生器開(kāi)始工作。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章圖4.4-7時(shí)基發(fā)生器電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章掃描電壓產(chǎn)生器是一個(gè)密勒積分器，它能產(chǎn)生高線(xiàn)性度的鋸齒波電壓，其原理如圖4.4-8所示。當(dāng)開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí)，電源電壓E通過(guò)電阻R對(duì)電容C充電，產(chǎn)生負(fù)向鋸齒波U0，此電壓一路送入水平放大器，另一路送入時(shí)基發(fā)生器的電壓比較器(見(jiàn)圖4.4-7)。時(shí)基閘門(mén)電路的兩個(gè)穩(wěn)態(tài)相當(dāng)于開(kāi)關(guān)S的斷開(kāi)和閉合，開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，電容C迅速放電，使U0迅速回升，形成掃描回程電壓。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章圖4.4-8密勒積分電路電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章電壓比較器將送入的電壓U0與參考電壓Ur進(jìn)行比較，當(dāng)U0<Ur時(shí)，電壓比較器輸出隨U0下降，給釋抑電路的電容器充電，由此使得時(shí)基閘門(mén)電路的輸入電壓下降，當(dāng)降到雙穩(wěn)態(tài)時(shí)基閘門(mén)的負(fù)觸發(fā)電平時(shí)，時(shí)基閘門(mén)電路翻轉(zhuǎn)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)S接通，控制掃描電壓發(fā)生器結(jié)束負(fù)向鋸齒波的生成而進(jìn)入回程期，電路翻轉(zhuǎn)的時(shí)刻為t2。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章釋抑電路的作用是保證每次掃描都開(kāi)始在同樣的起始電平上。通常最簡(jiǎn)單的釋抑電路是一個(gè)RC電路，該電路保持了電壓比較器送來(lái)的負(fù)的電平。在掃描回程期，掃描電壓U0迅速回升，但由于電容的電荷存儲(chǔ)效應(yīng)使得時(shí)基閘門(mén)輸入保持一個(gè)較低的電平，從而保證密勒電路的電容C有足夠的放電時(shí)間，以保證下一次積分在同樣的起始電平上開(kāi)始。利用電位器RP適當(dāng)調(diào)節(jié)預(yù)置電平，就可以改變釋抑時(shí)間，有助于時(shí)基信號(hào)發(fā)生器與觸發(fā)信號(hào)同步，從而建立穩(wěn)定的顯示圖像，故調(diào)節(jié)電位器RP被稱(chēng)為“穩(wěn)定度”調(diào)節(jié)。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章4.觸發(fā)電路觸發(fā)電路包括觸發(fā)源、觸發(fā)耦合方式、觸發(fā)方式及觸發(fā)整形電路。1)觸發(fā)源觸發(fā)信號(hào)有如下三種來(lái)源：(1)內(nèi)觸發(fā)。內(nèi)觸發(fā)信號(hào)來(lái)自于示波器內(nèi)的Y通道觸發(fā)放大器，它位于延遲線(xiàn)前。當(dāng)需要利用被測(cè)信號(hào)觸發(fā)掃描發(fā)生器時(shí)，采用這種方式。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章(2)外觸發(fā)。用外接信號(hào)觸發(fā)掃描，該信號(hào)由觸發(fā)“輸入”端接入。當(dāng)被測(cè)信號(hào)不適于作觸發(fā)信號(hào)或比較兩個(gè)信號(hào)的時(shí)間關(guān)系時(shí)，可用外觸發(fā)。例如，觀測(cè)微分電路輸出的尖峰脈沖時(shí)，可以用產(chǎn)生此脈沖的矩形波電壓進(jìn)行觸發(fā)，這便于使波形穩(wěn)定。(3)電源觸發(fā)。50Hz交流電源(經(jīng)變壓器)產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖用于觀察與交流電源頻率有時(shí)間關(guān)系的信號(hào)。例如，整流濾波的紋波電壓等波形在判斷電源干擾時(shí)也可以用電源觸發(fā)。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章2)觸發(fā)耦合方式為了適應(yīng)不同的信號(hào)頻率，示波器設(shè)有四種觸發(fā)耦合方式，可用開(kāi)關(guān)進(jìn)行選擇，見(jiàn)圖4.4-9。(1)“DC”直流耦合：用于接入直流或緩慢變化的信號(hào)，或者頻率較低并且有直流成分的信號(hào)，一般用“外”觸發(fā)或連續(xù)掃描方式。(2)“AC”交流耦合：觸發(fā)信號(hào)經(jīng)電容C1接入，用于觀察由低頻到較高頻率的信號(hào)，用內(nèi)觸發(fā)或外觸發(fā)均可，使用方便，所以常用這一耦合方式。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章圖4.4-9觸發(fā)源與觸發(fā)耦合方式電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章(3)“AC低頻抑制”：觸發(fā)信號(hào)經(jīng)電容C1及C2接入，電容量減小，阻抗較大，用于抑制2kHz以下的低頻成分。例如觀測(cè)有低頻干擾(50Hz噪聲)的信號(hào)時(shí)，用這一種耦合方式較合適，可以避免波形晃動(dòng)。圖4.4-10所示為具有低頻干擾的信號(hào)。(4)“HF”高頻耦合：觸發(fā)信號(hào)經(jīng)電容C1及C3接入，電容量較小，用于觀測(cè)大于5MHz的信號(hào)。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章圖4.4-10具有低頻干擾的信號(hào)電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章3)觸發(fā)方式及觸發(fā)整形電路示波器的觸發(fā)方式通常有常態(tài)、自動(dòng)和高頻三種方式，這三種方式控制觸發(fā)整形電路，以便產(chǎn)生不同形式的掃描觸發(fā)信號(hào)，由該觸發(fā)信號(hào)去觸發(fā)掃描電壓發(fā)生器，形成不同形式的掃描電壓。(1)常態(tài)觸發(fā)方式。常態(tài)觸發(fā)方式是將觸發(fā)信號(hào)輸入整形電路，以便經(jīng)整形后，輸出足以觸發(fā)掃描電壓電路的觸發(fā)脈沖。它的觸發(fā)極性是可調(diào)的，上升沿觸發(fā)即為正極性觸發(fā)，下降沿觸發(fā)即為負(fù)極性觸發(fā)，另外還可調(diào)節(jié)觸發(fā)電平。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章這種觸發(fā)方式的缺點(diǎn)是：在沒(méi)有輸入信號(hào)或觸發(fā)電平不適當(dāng)時(shí)，就沒(méi)有觸發(fā)脈沖輸出，因而也無(wú)掃描基線(xiàn)。(2)自動(dòng)觸發(fā)方式。采用自動(dòng)觸發(fā)方式時(shí)，整形電路為一射極定時(shí)的自激多諧振蕩器，振蕩器的固有頻率由電路時(shí)間參數(shù)決定。該自激多諧振蕩器的輸出經(jīng)變換后去驅(qū)動(dòng)掃描電壓發(fā)生器，所以在無(wú)被測(cè)信號(hào)輸入時(shí)仍有掃描，一旦有觸發(fā)信號(hào)且其頻率高于自激頻率，則自激多諧振蕩器由觸發(fā)信號(hào)同步而形成觸發(fā)掃描。一般測(cè)量均使用自動(dòng)觸發(fā)方式。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章(3)高頻觸發(fā)方式。高頻觸發(fā)方式的原理同自動(dòng)觸發(fā)方式，不同的是射極定時(shí)電容較小，自激振蕩頻率較高，當(dāng)用高頻觸發(fā)信號(hào)去與它同步時(shí)，同步分頻比不需要太高，這使得同步較為穩(wěn)定。高頻觸發(fā)方式常用于觀測(cè)高頻信號(hào)。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章4.4.3校正器校正器是示波器內(nèi)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)，用來(lái)校準(zhǔn)或檢驗(yàn)示波器X軸和Y軸標(biāo)尺的刻度，一般Y軸的校正單位為電壓，X軸的校正單位為時(shí)間。當(dāng)示波器X、Y軸標(biāo)尺經(jīng)校正后，就可根據(jù)該標(biāo)尺方便地測(cè)量未知電壓、脈沖寬度、信號(hào)周期等參數(shù)。一般示波器設(shè)有兩個(gè)校正器，分別用于調(diào)整幅度和掃描速度。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章1.幅度校正器

幅度校正器產(chǎn)生幅度穩(wěn)定不變并經(jīng)過(guò)校正的電壓(一般為方波)，用于校正Y通道靈敏度。設(shè)校正器的輸出電壓幅度為U校，把它加到Y(jié)輸入端，熒光屏上顯示電壓波形的高度為H校，則示波器偏轉(zhuǎn)靈敏度為(cm/V)偏轉(zhuǎn)因數(shù)為(cm/V)電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章此時(shí)可調(diào)節(jié)Y軸的靈敏度旋鈕，使d為整數(shù)。一般校準(zhǔn)信號(hào)為1V，靈敏度開(kāi)關(guān)置于“1”擋上，波形顯示為1cm，當(dāng)被測(cè)信號(hào)為5cm時(shí)，可計(jì)算出被測(cè)信號(hào)幅度為Uy=Hy×d=5×1=5V校正器用以檢驗(yàn)標(biāo)度是否準(zhǔn)確，每次實(shí)驗(yàn)前檢驗(yàn)過(guò)后就不必每次測(cè)量都作校正。當(dāng)用探頭輸入進(jìn)行測(cè)量時(shí)，因探頭衰減了10倍，故示波器偏轉(zhuǎn)因數(shù)應(yīng)當(dāng)是開(kāi)關(guān)位置指示的讀數(shù)的10倍，測(cè)量電壓的計(jì)算也應(yīng)乘以10倍。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章2.掃描時(shí)間校正器掃描時(shí)間校正器產(chǎn)生的信號(hào)用于校正X軸時(shí)間標(biāo)度，或用來(lái)檢驗(yàn)掃描因數(shù)是否正確。該信號(hào)由示波器內(nèi)設(shè)的晶體振蕩器或穩(wěn)定度較高的LC振蕩器提供。它產(chǎn)生頻率f固定而穩(wěn)定度高的正弦波(例如20MHz)。在檢驗(yàn)示波器掃描因數(shù)時(shí)，把它的輸出接到Y(jié)輸入端，在熒光屏上便顯示出它的波形。當(dāng)調(diào)節(jié)掃描時(shí)間開(kāi)關(guān)，使顯示波形的一個(gè)周期正好占據(jù)標(biāo)尺上1cm(或1格)時(shí)，掃描因數(shù)便等于1/f(s/cm)。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章一般水平標(biāo)尺全長(zhǎng)為10cm，為減小讀數(shù)誤差，應(yīng)調(diào)到標(biāo)尺的滿(mǎn)度范圍內(nèi)正好顯示10個(gè)周期。例如，校準(zhǔn)正弦波的f=20MHz，按上述方法校正后掃描因數(shù)為50ns/cm，因而掃描開(kāi)關(guān)的位置應(yīng)指示50ns/cm，如果準(zhǔn)確，則可以進(jìn)行下一步測(cè)量，否則就要打開(kāi)示波器重新調(diào)整。注意，進(jìn)行上述兩種校正時(shí)，需將Y軸幅度校正的V/div的微調(diào)旋鈕旋到校準(zhǔn)位置，將X軸時(shí)間校正的t/div的微調(diào)旋鈕亦旋到校準(zhǔn)位置。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章4.5雙蹤和雙線(xiàn)示波器雙蹤和雙線(xiàn)示波器都可在一個(gè)示波管熒光屏上同時(shí)顯示出兩個(gè)信號(hào)波形，用來(lái)比較被測(cè)系統(tǒng)的輸出和輸入信號(hào)，研究波形變換器的各級(jí)信號(hào)，觀察脈沖電路各點(diǎn)的波形和信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)時(shí)的波形畸變，測(cè)量相移等。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章4.5.1雙蹤示波器如圖4.5-1所示，兩個(gè)通道的輸出信號(hào)在電子開(kāi)關(guān)控制下，交替通過(guò)主通道加于示波管的同一對(duì)垂直偏轉(zhuǎn)板上。A、B兩個(gè)通道是相同的，包括衰減器、射極跟隨器、前置放大器以及平衡倒相器。平衡倒相器的作用是把輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)稱(chēng)的波形輸出。與單蹤示波器不同的是，前置放大器中設(shè)有移位控制，可分別控制兩個(gè)顯示圖形的上、下位置。電子開(kāi)關(guān)由觸發(fā)電路控制的一對(duì)放大器(或射極跟隨器)構(gòu)成，觸發(fā)電路的兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)分別控制兩個(gè)放大器，把通道A或通道B接于主通道。主通道由中間放大器、延遲線(xiàn)、末級(jí)放大器組成，它對(duì)兩個(gè)通道是公用的。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章圖4.5-1雙蹤示波器垂直偏轉(zhuǎn)通道框圖電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章由面板開(kāi)關(guān)控制的電子開(kāi)關(guān)可使雙蹤示波器工作于五種不同的狀態(tài)：“A”、“B”、交替、斷續(xù)、“A+B”。(1)“A”：電子開(kāi)關(guān)將A通道信號(hào)接于Y偏轉(zhuǎn)板，形成A通道獨(dú)立工作的狀態(tài)。(2)“B”：電子開(kāi)關(guān)將B通道信號(hào)接于Y偏轉(zhuǎn)板，形成B通道獨(dú)立工作的狀態(tài)。(3)交替：將A、B兩通道信號(hào)輪流加于Y偏轉(zhuǎn)板，熒光屏上顯示兩個(gè)通道的信號(hào)波形。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，以時(shí)基發(fā)生器的回掃脈沖控制電子開(kāi)關(guān)的觸發(fā)電路，每次掃描后，改變所接通道，使得每?jī)纱螔呙璺謩e顯示一次A通道波形和一次B通道波形。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章(4)斷續(xù)：當(dāng)輸入信號(hào)頻率較低時(shí)，交替顯示會(huì)發(fā)生明顯的閃爍。采用斷續(xù)工作方式，使電子開(kāi)關(guān)工作于自激振蕩狀態(tài)，振蕩頻率高達(dá)500kHz~1MHz，自動(dòng)地輪流將A、B兩通道信號(hào)加于Y偏轉(zhuǎn)板上，顯示圖形由點(diǎn)線(xiàn)組成，這樣就可每掃描一次，完成兩個(gè)通道波形的顯示。(5)“A+B”：A、B兩通道信號(hào)代數(shù)相加后，接到Y(jié)偏轉(zhuǎn)板，顯示兩信號(hào)疊加后的波形。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章雙蹤示波器的時(shí)基與一般示波器相同，可以是簡(jiǎn)單的時(shí)基發(fā)生器，也可以采用有延遲掃描的雙掃描時(shí)基。時(shí)基可以分別由A通道觸發(fā)、B通道觸發(fā)或外觸發(fā)。SR-8型雙蹤示波器是較典型的雙蹤示波器，它的Y通道帶寬為0~15MHz(上升時(shí)間為24ns)，最小偏轉(zhuǎn)因數(shù)為10mV/div，采用單一時(shí)基掃描，掃描因數(shù)為0.2μs/div~1s/div。SR-37型雙蹤寬帶示波器的Y通道帶寬為0~100MHz,偏轉(zhuǎn)因數(shù)為10mV/cm~5V/cm，雙時(shí)基掃描，掃描因數(shù)在20ns/cm~0.5s/cm間可調(diào)。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章參照雙蹤示波器原理，可以設(shè)計(jì)多蹤示波器，由于示波管尺寸的限制，最多可為8蹤示波器，顯示8個(gè)波形。實(shí)現(xiàn)上以8位計(jì)數(shù)器輪流接通8個(gè)放大器，把8路信號(hào)輪流加于Y偏轉(zhuǎn)板。多蹤示波器可以同時(shí)顯示多個(gè)信號(hào)波形，以便研究同一波形通過(guò)不同電路時(shí)的時(shí)間關(guān)系。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章4.5.2雙線(xiàn)示波器雙線(xiàn)示波器內(nèi)有兩個(gè)相互無(wú)關(guān)的Y通道A和B，如圖4.5-2所示，每個(gè)通道的組成與普通示波器相同。多數(shù)雙線(xiàn)示波器的兩組X偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)公用一個(gè)時(shí)基發(fā)生器，以觀察兩個(gè)“同步”的信號(hào)。如果上述每個(gè)通道都改為用電子開(kāi)關(guān)控制的兩通道，則儀器成為等效的4蹤示波器。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章圖4.5-2雙線(xiàn)示波器框圖電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章SR-46型高靈敏度二線(xiàn)示波器的帶寬為0~1MHz，靈敏度為50μV~5V/div。SR-54型是一種高靈敏度、長(zhǎng)余輝的超低頻雙線(xiàn)示波器，其垂直放大器為兩組，帶寬為0~1MHz，輸入靈敏度為220μV/cm，能同時(shí)觀察和測(cè)量?jī)蓚€(gè)低頻、超低頻信號(hào)或持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的脈沖和單次過(guò)程，并設(shè)有外控掃描裝置，可對(duì)脈沖或單次過(guò)程進(jìn)行攝影。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章雙蹤和雙線(xiàn)示波器各有優(yōu)缺點(diǎn)。雙蹤示波器比普通示波器增加的部件不多，可以達(dá)到較高指標(biāo)，價(jià)格只增加15%，現(xiàn)在生產(chǎn)的示波器幾乎都具有雙蹤功能。它的缺點(diǎn)是工作于交替方式時(shí)，需兩次掃描才能顯示兩個(gè)波形，因而無(wú)法觀察兩個(gè)快速的單次信號(hào)或短時(shí)間的非周期信號(hào)。雙線(xiàn)示波器的兩個(gè)通道是完全獨(dú)立的，可以彌補(bǔ)上述不足，并且兩個(gè)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)可以用不同的時(shí)基發(fā)生器，使儀器更為靈活。但由于示波管性能的限制，雙線(xiàn)示波器的技術(shù)指標(biāo)一般較低。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章4.5.3SR-8型雙蹤示波器SR-8型雙蹤示波器可以觀察和測(cè)定兩種不同電信號(hào)的瞬變過(guò)程，并把兩種不同的電信號(hào)的波形同時(shí)顯示在屏幕上，進(jìn)行分析比較，而且還可以把兩個(gè)電信號(hào)疊加后顯示出來(lái)，也可作為單蹤示波器使用。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章1)Y軸放大器輸入靈敏度：10mV/div~20V/div，按1-2-5進(jìn)制分成11擋，誤差≤5%，微調(diào)增益比≥2.5∶1。頻帶寬度：輸入耦合為DC時(shí)，0~15MHz,－3dB;輸入耦合為AC時(shí)，10Hz~15MHz，－3dB。輸入阻抗：直接耦合為1MΩ，15pF；經(jīng)探極耦合為10MΩ,15pF。最大輸入電壓：400V(DC+ACp-p）。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章2)X軸系統(tǒng)掃描速度：0.2μs/div~1s/div，按1-2-5進(jìn)制分16擋，誤差≤5%，微調(diào)比>2.5∶1。擴(kuò)展“×10”時(shí)，其最快掃描速度可以達(dá)到20ns/div，誤差除0.2μs/div擋≤15%外，其余各擋均≤10%。X外接：靈敏度≤3V/div；頻帶寬度100Hz~250kHz,≤3dB;輸入阻抗，1MΩ，40pF。觸發(fā)同步性能如表4.5-1所示。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章3)主機(jī)示波管12SJ102型矩形屏示波管的加速電壓為2kV，屏幕有效工作面積為6div×10div(1div=0.8cm)，中余輝。校準(zhǔn)信號(hào)：矩形波1kHz,誤差≤2%,幅度1V,誤差≤3%。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章2.使用SR-8型雙蹤示波器的面板布置如圖4.5-3所示。接通電源時(shí)，將各控制件置于適中位置，如果看到光點(diǎn)，即可調(diào)整輝度，使光點(diǎn)或時(shí)基線(xiàn)的亮度適當(dāng)；如果找不到光點(diǎn)，則可按下“尋跡”按鍵，以辨別光點(diǎn)的偏向，再調(diào)整“Y軸移位”或“X軸移位”使光點(diǎn)居中。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章圖4.5-3SR-8型雙蹤示波器的面板布置圖電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章示波器的Y軸靈敏度開(kāi)關(guān)“V/div”位于0.2擋，其“微調(diào)”位于“校準(zhǔn)”位置，此時(shí)如果被測(cè)波形占Y軸的坐標(biāo)幅度H為5div，則此時(shí)信號(hào)電壓Uy幅度為(見(jiàn)圖4.5-4)Uy=V/div×H(div)=0.2V/div×5div=1V電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章圖4.5-4電壓測(cè)量電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章若被測(cè)信號(hào)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(cè)信號(hào)Uy幅度為Uy=0.2V/div×5div×10=10V直流電壓的測(cè)量也可如此計(jì)算，將直流電壓信號(hào)線(xiàn)與時(shí)基線(xiàn)比較，求出直流電壓占Y軸的坐標(biāo)幅度H，得到直流電壓幅度值。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章2)時(shí)間測(cè)量首先將X通道掃描控制開(kāi)關(guān)“t/div”的“微調(diào)”置于“校準(zhǔn)”位置上，這樣可以由開(kāi)關(guān)的指示值直接計(jì)算出時(shí)基線(xiàn)上X方向被測(cè)兩點(diǎn)之間距離D的時(shí)間間隔為T(mén)=t/div×D(div)例如，掃描控制開(kāi)關(guān)置于0.2ms/div，被測(cè)波形兩點(diǎn)間距離D為6div，則時(shí)間間隔T為(見(jiàn)圖4.5-5)T=0.2ms/div×6div=1.2ms當(dāng)距離D為某一周期波形的一個(gè)周期距離時(shí)，計(jì)算出的T為該波形的周期。當(dāng)距離D為某兩個(gè)波形間的距離時(shí)，計(jì)算出的T為這兩個(gè)波形間的時(shí)間差，參見(jiàn)圖4.5-6。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章圖4.5-5時(shí)間間隔測(cè)量電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章圖4.5-6時(shí)間差測(cè)量電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章當(dāng)距離D為脈沖寬度時(shí)，計(jì)算出的T為該脈沖的持續(xù)時(shí)間，見(jiàn)圖4.5-7。3）頻率測(cè)量對(duì)周期性的重復(fù)頻率來(lái)說(shuō)，可按時(shí)間測(cè)量的公式測(cè)定其每一周的時(shí)間T，按照頻率f與周期T的倒數(shù)關(guān)系來(lái)計(jì)算頻率，即電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章圖4.5-7脈寬測(cè)量電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章4)相位測(cè)量雙蹤顯示可測(cè)得兩個(gè)相同頻率信號(hào)的相位關(guān)系。測(cè)量相位時(shí)觸發(fā)點(diǎn)正確與否很重要，應(yīng)將Y軸觸發(fā)源開(kāi)關(guān)置于“YB”的位置，然后用內(nèi)觸發(fā)形式啟動(dòng)掃描，測(cè)兩信號(hào)的相位差。如圖4.5-8所示的被測(cè)波形，其一個(gè)周期占橫坐標(biāo)刻度上8個(gè)div，則1div對(duì)應(yīng)45°相位，即360°×1/8，兩波形相位間隔D為1.5div，則兩波形間相位差為

f=D(div)×45°/div=1.5div×45°/div=67.5°電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章圖4.5-8相位測(cè)量電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章4.6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(xiàn)電感L的影響。當(dāng)測(cè)量高頻信號(hào)時(shí)，偏轉(zhuǎn)板電容C與引線(xiàn)電感L構(gòu)成的諧振回路將使階躍信號(hào)產(chǎn)生畸變，在上升沿處形成過(guò)阻尼、臨界阻尼或阻尼振蕩(欠阻尼)三種情況。過(guò)阻尼使得上升沿變壞。欠阻尼時(shí)，在上升沿頂部疊加振蕩信號(hào)。其等效電路及波形情況如圖4.6-1所示。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章圖4.6-1分布參數(shù)的影響電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章為了減小分布參數(shù)的影響，應(yīng)盡量減小L和C。所以，快速示波管的偏轉(zhuǎn)板引線(xiàn)從旁邊引出以縮短其長(zhǎng)度，從而減小了引線(xiàn)電感；同時(shí)增大偏轉(zhuǎn)板間距可減小C，但帶來(lái)的問(wèn)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(shí)間的影響。當(dāng)電子束通過(guò)偏轉(zhuǎn)板時(shí)，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。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章普通示波管中電子通過(guò)偏轉(zhuǎn)板的時(shí)間即電子渡越時(shí)間為1~10ns量級(jí)。如果顯示波形周期或脈寬比它大得多，則可以認(rèn)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(hào)，即顯示納秒級(jí)脈沖或幾百兆赫茲的正弦波時(shí)，因電子通過(guò)偏轉(zhuǎn)板期間偏轉(zhuǎn)板上電壓會(huì)有明顯變化，故所顯示的波形也會(huì)有很大失真。對(duì)于正弦波，會(huì)使得波形振幅變小，且引入相位差；對(duì)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?。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章(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(duì)于高頻信號(hào)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(hào)時(shí)，要有足夠快的掃描速度。例如，要求光跡在5ns時(shí)間內(nèi)掃過(guò)10cm長(zhǎng)的距離，掃描速度為0.5ns/cm，普通示波器無(wú)法達(dá)到。(5)亮度不夠。對(duì)于高速脈沖，例如寬為5ns的脈沖，掃出一個(gè)波形的時(shí)間僅為5ns，即使掃描重復(fù)頻率為每秒1000次，圖形亮度仍很弱。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章4.6.1高速示波器高速示波器要顯示ns、ps級(jí)的脈沖或微波信號(hào)，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(shí)基發(fā)生器。1.示波管高速示波器采用專(zhuān)用示波管。如前所述，高速示波管的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)接線(xiàn)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(shí)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(wú)疑增加了Y軸放大器實(shí)現(xiàn)上的困難。因此，在要求更高速度時(shí)，可采用行波示波管。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章2.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(dá)1000MHz以上。3.時(shí)基發(fā)生器高速示波器的時(shí)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1ns/cm時(shí)，回掃速度可達(dá)du/dt=5×1010V/s，電容為40pF時(shí)，因i=C×du/dt，故流過(guò)開(kāi)關(guān)的電流達(dá)2A，這就對(duì)充、放電開(kāi)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(shí)間應(yīng)很短，因?yàn)樗拗票粶y(cè)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(mǎn)足要求。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章一般頻寬為100MHz以上的示波器稱(chēng)為高速示波器，主要用于國(guó)防、科研等領(lǐng)域。目前，美國(guó)泰克公司生產(chǎn)的DP4000其帶寬達(dá)350MHz~1GHz，美國(guó)泰克、安捷倫、力科三大公司推出的TDS3000B/TDS5000等系列，其帶寬為60MHz~2GHz。國(guó)內(nèi)江蘇綠揚(yáng)電子儀器集團(tuán)也生產(chǎn)出帶寬達(dá)1GHz的示波器。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章4.6.2取樣示波器將高頻(一般為1000MHz以上)的重復(fù)性的周期信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)，再運(yùn)用通用示波器的原理進(jìn)行顯示和觀測(cè)的示波器稱(chēng)為取樣示波器。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章前面介紹的示波器都是“實(shí)時(shí)信號(hào)”顯示的示波器，而取樣示波器則經(jīng)過(guò)頻率轉(zhuǎn)換，是一種“非實(shí)時(shí)取樣”的示波器。這種非實(shí)時(shí)取樣技術(shù)把一個(gè)高頻或超高頻的信號(hào)經(jīng)過(guò)跨周期的取樣，形成一個(gè)波形和相位完全相同、幅度相等或形成某種嚴(yán)格比例的低頻(或中頻)信號(hào)。對(duì)低頻信號(hào)的測(cè)量，要比對(duì)高頻或超高頻信號(hào)的測(cè)量在技術(shù)上成熟得多，測(cè)量精度也易于得到保證。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章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(kuò)展到十幾GHz。1969年HP公司試制的1811A型取樣示波器頻寬為18GHz。我國(guó)普源精電公司2004年研發(fā)生產(chǎn)的DS5000系列可達(dá)1GS/s實(shí)時(shí)采樣率。1.非實(shí)時(shí)取樣原理圖4.6-2是一個(gè)非實(shí)時(shí)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(kāi)關(guān)，也叫取樣門(mén)，在脈沖持續(xù)期tw相當(dāng)于開(kāi)關(guān)S閉合，在脈沖間歇期T0相當(dāng)于開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章圖4.6-2取樣門(mén)及取樣脈沖電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，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(rèn)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(hào)，在脈沖間歇期T0期間，開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)，輸入信號(hào)ui(t)不能通過(guò)開(kāi)關(guān)，則us(t)輸出信號(hào)幅度為0，這樣通過(guò)取樣脈沖的作用即將連續(xù)的輸入信號(hào)ui(t)變成了離散的信號(hào)us(t)。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章非實(shí)時(shí)取樣過(guò)程與實(shí)時(shí)取樣過(guò)程的不同之處在于取樣脈沖與輸入信號(hào)之間時(shí)序上的差別。非實(shí)時(shí)取樣過(guò)程對(duì)于輸入信號(hào)是進(jìn)行跨周期采樣。如圖4.6-3所示，圖(a)為被測(cè)的高頻信號(hào)ui(t)，圖(b)為取樣脈沖，通常取樣脈沖的間隔為輸入信號(hào)ui(t)的周期T+Δt(取樣脈沖的間隔也可以是mT+Δt,當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率特別高時(shí)，m可取大于1的整數(shù))。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章每次取樣點(diǎn)相當(dāng)于前一個(gè)取樣點(diǎn)時(shí)間延遲Δt，經(jīng)過(guò)多次取樣，最后將被測(cè)信號(hào)的波形展寬顯示出來(lái)，如圖4.6-3(c)和(d)所示，圖(c)為采樣值，圖(d)是經(jīng)過(guò)保持及延長(zhǎng)后形成的量化信號(hào)。這樣，通過(guò)若干周期對(duì)波形的不同點(diǎn)的采樣，就將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成了低頻信號(hào)，以通用示波器顯示uy(t)的包絡(luò)波形來(lái)反映和表現(xiàn)被測(cè)的實(shí)際高頻信號(hào)波形，這就是取樣示波器的基本原理。簡(jiǎn)言之，圖(d)中的uy(t)波形即為展寬了的ui(t)波形的一個(gè)周期，當(dāng)取樣點(diǎn)足夠多時(shí)，uy(t)就能比較準(zhǔn)確地反映ui(t)的波形了。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章圖4.6-3非實(shí)時(shí)取樣過(guò)程電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章2.取樣示波器的組成取樣示波器的組成框圖見(jiàn)圖4.6-4。被測(cè)信號(hào)ui通過(guò)取樣門(mén)后，變成窄脈沖信號(hào)，經(jīng)放大后，送入延長(zhǎng)電路，形成信號(hào)包絡(luò)。Y通道由取樣門(mén)、放大電路及延長(zhǎng)電路組成，延長(zhǎng)電路中有保持電容及直流放大器，以便將窄脈沖取樣信號(hào)us(t)展寬，得到量化的包絡(luò)信號(hào)。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章圖4.6-4取樣示波器的組成框圖電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章為了在屏幕上顯示出由不連續(xù)的亮點(diǎn)構(gòu)成的取樣信號(hào)波形，必須采用與取樣信號(hào)同步的階梯波作掃描電壓。其波形對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4.6-5所示。在量化信號(hào)（見(jiàn)圖4.6-5(a))與階梯掃描信號(hào)(見(jiàn)圖4.6-5(b))的共同作用下，就可在熒光屏上顯示出被測(cè)高頻信號(hào)的波形如圖(c)所示，當(dāng)取樣點(diǎn)足夠密時(shí)，即圖(c)中亮點(diǎn)足夠密時(shí)，該波形便能無(wú)失真地表現(xiàn)被測(cè)高頻波形。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章圖4.6-5顯示過(guò)程電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章取樣示波器的X通道中的時(shí)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Δt延遲脈沖，用以同步取樣門(mén)及延長(zhǎng)門(mén)脈沖發(fā)生器，使整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)地工作。取樣示波器是一種非實(shí)時(shí)取樣過(guò)程，它只能觀測(cè)重復(fù)信號(hào)，對(duì)非重復(fù)的高頻信號(hào)或單次信號(hào)，只能用高速示波器進(jìn)行觀測(cè)。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章4.7記憶示波器與存儲(chǔ)示波器通用示波器不具有存儲(chǔ)信息的能力，記憶示波器與存儲(chǔ)示波器分別利用模擬存儲(chǔ)技術(shù)和數(shù)字存儲(chǔ)技術(shù)將信息進(jìn)行存儲(chǔ)，當(dāng)需要顯示時(shí)，再在熒光屏上進(jìn)行顯示。這兩種示波器主要用于記錄瞬變的單次信號(hào)。存儲(chǔ)技術(shù)與示波技術(shù)的結(jié)合給研究單次瞬變信號(hào)的波形帶來(lái)了極大的方便。下面分別介紹這兩種示波器的存儲(chǔ)原理和工作方式。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章4.7.1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(xiàn)路，就形成了記憶示波器。1.記憶示波管記憶示波管可分為可變余輝存儲(chǔ)方式和快速轉(zhuǎn)移存儲(chǔ)方式兩種示波管，它們都是將記憶信號(hào)存儲(chǔ)于示波管的柵網(wǎng)上，需要顯示時(shí)將它顯示出來(lái)。柵網(wǎng)存儲(chǔ)示波管的結(jié)構(gòu)如圖4.7-1所示。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章圖4.7-1柵網(wǎng)式記憶示波管的結(jié)構(gòu)及泛射示意圖電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章借用計(jì)算機(jī)術(shù)語(yǔ)，信號(hào)的存儲(chǔ)稱(chēng)做“寫(xiě)”，存儲(chǔ)信號(hào)的取出稱(chēng)做“讀”，因此，在記憶示波管中存在兩套電子槍?zhuān)础皩?xiě)入電子槍”和“讀出電子槍”，這兩套電子槍分別控制被測(cè)信號(hào)的“存儲(chǔ)”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(lèi)的電介質(zhì)，作為存儲(chǔ)介質(zhì)，形成存儲(chǔ)體。由于柵網(wǎng)上的介質(zhì)材料具有良好的絕緣性能，因此可以使電子較長(zhǎng)時(shí)間地停留在上面，這是實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)電信號(hào)的關(guān)鍵。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章示波管內(nèi)的寫(xiě)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(gè)陽(yáng)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(shí)，寫(xiě)入電子槍發(fā)射的電子束轟擊柵網(wǎng)，該電子束稱(chēng)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δ=二次電子數(shù)/一次電子數(shù)>1時(shí)，柵網(wǎng)靶面區(qū)失去的電子多，呈現(xiàn)一個(gè)相對(duì)正的電位(原來(lái)柵網(wǎng)對(duì)地電位為－10V)，形成對(duì)波形的記錄。柵網(wǎng)的收集極C專(zhuān)門(mén)收集發(fā)射的二次電子，以免二次電子的自由活動(dòng)干擾網(wǎng)區(qū)的存儲(chǔ)信息。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章整個(gè)柵網(wǎng)上電位的不均衡也就記錄了寫(xiě)入電子槍發(fā)射的波形。如圖4.7-2所示，當(dāng)需要顯示記錄的波形時(shí)，由讀出電子槍(即泛射槍)發(fā)出低速散射電子流，在校直電極的作用下，散射電子流均勻地、近乎垂直地射向存儲(chǔ)柵網(wǎng)，在散射電子的轟擊下，將柵網(wǎng)上記憶的潛波形在熒光屏上清晰地重現(xiàn)出來(lái)。由于柵網(wǎng)的存儲(chǔ)作用，電荷波形在斷電情況下仍能保持一段時(shí)間，有的甚至長(zhǎng)達(dá)一個(gè)星期，保持時(shí)間的長(zhǎng)短主要取決于存儲(chǔ)柵網(wǎng)上電介質(zhì)材料的絕緣性能。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章每一只記憶示波管內(nèi)有兩只讀出電子槍?zhuān)恐浑娮訕層幸粋€(gè)陰極和兩個(gè)柵極，如圖4.7-1中K1、K2和g11、g12、g21、g22所示。由這兩只電子槍發(fā)出的電子形成的泛射見(jiàn)圖4.7-1(b)，這些泛射電子均勻地射向柵網(wǎng)，但只有柵網(wǎng)上記錄了信號(hào)波形軌跡的校正的電位點(diǎn)，散射電子可以通過(guò)柵網(wǎng)而轟擊到熒光屏上，顯現(xiàn)出柵網(wǎng)記錄的波形，未記錄波形信號(hào)的柵網(wǎng)區(qū)保持－10V的電位，這些地方散射電子不能通過(guò)，這就是讀出電子槍波形顯示的原理。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章圖4.7-2柵網(wǎng)記錄的潛波形電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章為了提高波形記錄速度，研制成功了轉(zhuǎn)移式存儲(chǔ)管。轉(zhuǎn)移式存儲(chǔ)管有兩個(gè)存儲(chǔ)柵網(wǎng)：第一柵網(wǎng)和第二柵網(wǎng)。第一柵網(wǎng)的任務(wù)是：快速記錄寫(xiě)入電子束的波形，但用該記錄波形顯示時(shí)，顯示時(shí)間極短。第二柵網(wǎng)的任務(wù)是：在泛射電子轟擊第一柵網(wǎng)時(shí)，將第一柵網(wǎng)的電荷圖像讀出，經(jīng)“放大”轉(zhuǎn)移到第二柵網(wǎng)上，即在第一柵網(wǎng)電荷圖像轉(zhuǎn)移過(guò)程中，電荷量增加很多，這樣就顯著延長(zhǎng)了顯示時(shí)間。由于第一柵網(wǎng)和第二柵網(wǎng)的聯(lián)合作用，使得記憶示波管不但有較高的記錄速度，而且有較長(zhǎng)的顯示時(shí)間。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章2.記憶示波器的工作方式記憶示波器又稱(chēng)為模擬存儲(chǔ)示波器，它以柵網(wǎng)為存儲(chǔ)部件，存儲(chǔ)模擬的電信號(hào)波形。由于記憶示波管與普通示波管不同，因此，記憶示波器組成電路中比普通示波器多加了一套泛射系統(tǒng)的控制電路，即讀出電子槍控制電路。該電路提供讀出控制的所有電信號(hào)，并有可變余輝的調(diào)節(jié)功能。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章與一般存儲(chǔ)器的工作過(guò)程相同，向柵網(wǎng)上記錄波形的過(guò)程是：首先清除柵網(wǎng)，如同先將黑板擦干凈一樣，然后控制向柵網(wǎng)寫(xiě)入信號(hào)波形，保存該波形，最后顯示該波形。國(guó)產(chǎn)SJ-6型記憶示波器控制電路方框圖如圖4.7-3所示。該記憶示波器工作于以下5種方式。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章圖4.7-3記憶示波器控制電路方框圖電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章1)可變余輝方式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)S1置于“可變余輝”擋，則選用可變余輝方式顯示波形。多諧振蕩器方波經(jīng)單穩(wěn)A輸出正向脈沖，該正向脈沖幅度、寬度均可調(diào)，經(jīng)箝位送到記憶示波管的存儲(chǔ)柵網(wǎng)，存儲(chǔ)柵網(wǎng)的電位高于讀出電子槍的陰極電位，由于不斷地俘獲泛射電子，存儲(chǔ)柵網(wǎng)電位不斷降低，因此當(dāng)柵網(wǎng)電位與讀出槍陰極電位相等時(shí)，熒光屏上沒(méi)有波形顯示。正向脈沖的脈寬越寬，則顯示時(shí)間就越短，即余輝時(shí)間越短。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章2)存儲(chǔ)方式采用可變余輝方式顯示波形時(shí)，會(huì)使得記憶的波形從柵網(wǎng)上消失，為此，存儲(chǔ)示波器設(shè)計(jì)了存儲(chǔ)方式，以保存柵網(wǎng)上的記錄波形。當(dāng)開(kāi)關(guān)S1置于“存儲(chǔ)”位置時(shí)，即起到在柵網(wǎng)上保存鎖定記錄波形的作用。此時(shí)，由開(kāi)關(guān)S1E通過(guò)增輝電路將－E2電壓加到寫(xiě)入槍的控制極g，使記錄槍的電子束截止，不再寫(xiě)入新的波形。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章3)清除方式開(kāi)關(guān)S1置于“清除”擋，再按下“清除”按鈕，這時(shí)就給存儲(chǔ)柵網(wǎng)加+85V電壓，按鈕斷開(kāi)后，脈沖形成電路通過(guò)S1C給存儲(chǔ)網(wǎng)加一個(gè)持續(xù)時(shí)間為400ms的正脈沖，在脈沖正跳變時(shí)，存儲(chǔ)柵網(wǎng)電位上升，吸收泛射電子，400ms過(guò)后，脈沖負(fù)跳變，存儲(chǔ)柵網(wǎng)電位下降，且低于截止電平，不再吸收泛射電子，這樣就為記錄新的波形做好了準(zhǔn)備。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章4)最大記錄方式記憶示波管的記錄速度取決于電子束的密度，信號(hào)掃速越快，轟擊柵網(wǎng)的電荷密度就會(huì)降低，當(dāng)被測(cè)信號(hào)加快到一定程度，柵網(wǎng)上電荷密度降到一定程度后，該波形就不能再被重現(xiàn)，因此，就產(chǎn)生了最大記錄速度這一指標(biāo)。為了記錄快速信號(hào)，可在對(duì)柵網(wǎng)“清除”后，減少柵網(wǎng)表面電位的下降量，這樣可使較弱電荷密度的圖形及泛射電子通過(guò)而得到顯示，這就意味著記錄速度的提高。從圖4.7-3上看，在最大記錄方式時(shí)，柵網(wǎng)通過(guò)S1C開(kāi)關(guān)和電阻接到“清除”開(kāi)關(guān)，而開(kāi)關(guān)另一側(cè)則是+85V電位。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章5)常態(tài)方式開(kāi)關(guān)S1置“常態(tài)”方式，將－85V電壓加到存儲(chǔ)柵網(wǎng)上，抑制泛射電子，寫(xiě)入電子槍射出的高能電子束可以順利地通過(guò)柵網(wǎng)到達(dá)熒光屏，顯示出被測(cè)信號(hào)的波形。這時(shí)，記憶示波器的工作狀態(tài)與通用示波器的相同。電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第04章3.記憶示波器的發(fā)展概況

最早的記憶示波器是由美國(guó)休斯公司在1957年研制的。當(dāng)時(shí)，由于記憶示波管價(jià)格昂貴，易燒壞，壽命短，存儲(chǔ)記錄速度慢，等效帶寬低等，其使用范圍窄，發(fā)展緩慢。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，記憶示波管在制造技術(shù)上有了新的突破，存儲(chǔ)方式不斷增多，在最早的雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)方式的基礎(chǔ)上，又研制出了可