电子测量第3章示波测试和测量技术新

小于10μs的为极短余辉；
10μs～1ms为短余辉（通常是蓝色，便于摄影感光）；
1ms～0.1s为中余辉（通常为绿色，眼睛不易疲劳）；
0.1s～1s为长余辉（通常是黄色）；
大于1s为极长余辉（通常是黄色）。
3.1.2 图像显示的基本原理
1．显示随时间变化的图形 （1）Ux、Uy为固定电压时，有下面四种情况：
3.1.2 图像显示的基本原理
1．显示随时间变化的图形（续）
（2）X、Y偏转板上分别加变化电压，有下面两种情 况：
U y U y
1
0 2 4t 3
- U y
1 20 4
3
仅在垂直偏转板的 两板间加正弦变化 的电压，则光点只 在荧光屏的垂直方 向来回移动，出现 一条垂直线段。
3.1.2 图像显示的基本原理
第3章 示波测试和测量技术
3.1 示波测试的基本原理 3.2 通用示波器 3.3 取样技术在示波测量中的应用 3.4 示波器的多波形显示 3.5 波形存储和记忆 3.6 示波器的使用
本章重点： · 示波器的功用、分类、组成和波形显示原理 · 通用示波器的组成原理、特性与应用 · 取样技术在示波器中的应用
为提高Y轴偏转灵敏度，一般在偏转板至荧光屏之间
加一个后加速阳极A3 (PDA，先偏转后加速系统) 。
X轴偏转系统原理和Y轴偏转系统类似
在一定范围内，荧光屏上光点的偏移距离与偏转板上所加 电压成正比，这是用示波管观测波形的理论依据。
3 荧光屏
荧光屏将电信号变为光信号，以显示波形。
在使用示波器时，应避免电子束长时间的停留在 荧光屏的一个位置，否则将使荧光屏受损。因此 在示波器开启后不使用的时间内，应将“辉度” 调暗。
电子枪
G1
Y偏转板 X偏转板
K
G2 A1 A2
荧
F
光
屏
-E 辉度
聚焦
辅助聚焦 +E
6.2 示波管（CRT）
示波管属于电真空器件，又称为阴极射线管（CRT）。
电子枪
偏转系统
荧光屏
G1 K
G2 A1 A2
Y2
~6.3V F
Y1
亮度 Ug1
0V 辅助聚焦
Z
轴
X2
X1 真空玻璃管 ＋15KV A3 后加速极
成正比：
L为偏转板的长度；s为偏转板中心
y2bLVsa Vy hyVy
到屏幕中心的距离；b为偏转板间 距；Va为阳极A2上的电压。
示波管的Y轴偏转因数（单位为cm/V）：hy

Ls 2bVa
其倒数为示波管的Y轴偏转灵敏度（单位是V/cm）。偏
转灵敏度越小，示波管越灵敏。
D y
1 h y
3. 示波器从早期的定性观测，已发展到可以进行精确测量。 4. 示波器是其它图式仪器的基础。对扫频仪、频谱仪、逻辑 分析仪以及医用B超等各种图示仪器就容易理解了。
当前常用的示波器从技术原理上可分为：
▲（1）模拟式——通用示波器（采用单束示波管实现显示，当前 最通用的示波器）。
（2）数字式——数字存储示波器（采用A/D、DSP等技术实现 的数字化示波器）。
τ
Ts
(a)被测脉冲 t
能较好地观测脉冲 扫描
等待
(d)触发扫描 t
3.1.2 图像显示的基本原理
5．扫描过程的增辉
为了使回扫产生的
u y1
5
1
5
波形不在荧光屏上显示，
可以设法在扫描正程
0 2 4 6 8t 0 8 2 4 6
期间，给示波器增辉。
3
7
Ty
3
7
若不增辉将产生如图的回扫线
Tx=2Ty
3.1.2 图像显示的基本原理
3．同步的概念
（1）Tx=nTy(n为正整数)：荧光屏上将稳定显示n 个周期的被测信号波形。
uy
T ux y
T
x
t
n=2
t
如果扫描电压 周期Tx与被测 电压周期Ty保 持Tx=nTy的 关系，则称扫 描电压与被测 电压“同步”。
31
5(6)
10
61
10 5
（2）Tx≠nTy(n为正
整数)，即不满足同
0 24
7
9 11 t
0 7 2 9 4 11
步关系时，显示的
3
8
83
波形不稳定。（教材p133）Ty
TTxx

55 4
TTyy
ux t
3.1.2 图像显示的基本原理
4．连续扫描和触发扫描 扫描电压是连续的方式称为连续扫描。 当欲观测脉冲信号，尤其是占空比很小的脉冲时， 采用连续扫描存在一些问题：选择扫描周期等于脉冲 重复周期时，难以看清脉冲波形的细节。
3.2.2 通用示波器的垂直通道
2．前置放大器
前置放大器将信号适当放大，从中取出内触发信 号，并具有灵敏度微调、校正、Y轴移位、极性反转 等控制作用。
Y前置放大器大都采用差分放大电路，输出一对平 衡的交流电压。若在差分电路的输入端输入不同的直 流电位，相应的Y偏转板上的直流电位和波形在Y方 向的位置也会改变。
1．显示随时间变化的图形（续）
U x U x
2
1 3t
0
4
- U x
43 012
仅在水平偏转板的两板 间加锯齿电压（扫描电 压），则光点只在荧光 屏的水平方向来回移动， 出现一条水平线段，称 时间基线。
光点自左向右的连续扫 动称扫描正程，光点自 右端迅速返回起扫点称， 扫描回程。
3.1.2 图像显示的基本原理
改变分压比的开关为示波器的垂直灵敏度粗调开关，在面 板上用“V/cm”标记。
3.2 通用示波器
（2）输入耦合方式 输入耦合方式设有AC、GND、DC三档选择开关。 观察交流信号时，置“AC”档。 确定零电压时，置“GND”档。 观测频率很低的信号或带有直流分量的交流信号
时，置“DC”档。
李沙育（Lissajous）图形，这种图形在相位和频率
测量中常会用到。
uy
1
1
0 2 4t
2 04
3 3
0 1
2 3
4
若两信号的初相相同，且在 X、Y方向的偏转距离相同， 在荧光屏上画出一条与水平 轴呈45度角的直线。
ux t
3.2 通用示波器
3.2.1 通用示波器的分类和组成 通用示波器的分类： 1 通用示波器 单束示波管 2 多束示波器 多束示波管。屏上单独显示每个独立
光点出现在荧光屏的中心位置。
( a ) U x = 0 、 U y = 0
光点仅在垂直方向偏移 ：Uy为正电 压时，光点从荧光屏的中心往垂直方 向上移；Uy为负电压时，光点从荧 光屏的中心往垂直方向下移。
( b ) U x = 0 、 U y = 常 量
3.1.2 图像显示的基本原理
1．显示随时间变化的图形（续）
从性能上，按示波器的带宽可分为：
（1）中、低档示波器，带宽在60MHz以下。 （2）高档示波器，带宽在60MHz以上，大多在300MHz以下。
更高档的有1GHz～2GHz以上。
3.1 示波测试的基本原理
3.1.1 CRT
CRT主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分
组成，基本结构如下图所示。
偏转系统
荧光 屏
3.2 通用示波器
3.2.2 通用示波器的垂直通道 1．输入电路：包括衰减器和输入选择开关。 （1）衰减器:保证显示在荧光屏上的信号不因过大而失真
vi
最佳补偿条件 ： R1C1R2C2
R1
Z1 C1
vo
过补偿 ： R1C1 R2C2
过补偿
R2
C2
Z2
最佳补偿 欠补偿
欠补偿： R1C1 R2C2
1 电子枪
电子枪的作用是发射电子并形成强度可控制的很细的电子束。 它由以下几部分组成：
1.灯丝F——在交流低压(如6.3V)下使钨丝烧热,用于加热阴极。 2.阴极K——是一个表面涂有氧化钡（其逸出功小，内部自由电子容易逸出） 的金属 3.第一栅极G1——调节G1的电位可以调节示波器的亮度，即进行“辉度” 调节，常置于示波器面板上供使用。
u x t
7.2.2 图像显示的基本原理
6．显示任意两个变量之间的关系（续）
uy
0
4
04
3 1 3t
0 2 4
1
2 2
若两信号的初相相差90 度，且在X、Y方向的偏 转距离相同，在荧光屏 上画出的图形为圆。
ux t
0 1
2 3
4
7.2.2 图像显示的基本原理
6．显示任意两个变量之间的关系
示波器两个偏转板上都加正弦电压时显示的图形称为
1．显示随时间变化的图形（续）
（3）Y偏转板加 Uy Uy 正弦波信号电压， 1
X偏转板加锯齿波 0 电压，荧光屏上
2 4t 3
1
02
4
3
将显示出被测信 -Uy
号随时间变化的
0
一个周期的波
Ux
形曲线。 由0、1、2、3、4各点的显示 t
情况可以理解波形显示过程
Ux -Ux
3.1.2 图像显示的基本原理
为了示波器有较高的测量灵敏度，Y偏转板置于 靠近电子枪的部位，而X偏转板在Y的右边。
2 偏转系统
S
屏幕
电子束
A2
y
U
Ua
y
L
图6.4 电子束的偏转
yy 22b L b LU sV sa aU Vyy h hy yU Vyy
2 偏转系统
电子束在偏转电场作用下的偏转距离与外加偏转电压
当电子束停止轰击荧光屏时，光点仍能保持一定 的时间，这种现象称为“余辉效应”。
由于“余辉效应”和人眼“视觉残留”效应，使 我们能够看到动态波形。（电子束每一瞬间都只 击中荧光屏上的一个点）
荧光屏
在示波管正面内壁涂上一层荧光物质，荧光物质将高速电子的 轰击动能转变为光能，产生亮点。 余辉时间：当电子束从荧光屏上移去后，光点仍能在屏上保持 一定的时间才消失。从电子束移去到光点：亮度下降为原始值 的10％，所延续的时间称为余辉时间． 不同荧光材料余辉时间不一样：
光点仅在水平方向偏移 ：Ux为正电 压时，光点从荧光屏的中心往水平 方向右移；Ux为负电压时，光点从 ( c ) U x = 常 量 、 U y = 0 荧光屏的中心往水平方向左移。
当两对偏转板上同时加固定 的正电压时，光点位置应为 两电压的矢量合成。
( d ) U x = 常 量 、 U y = 常 量
1. 示波器是一种基本的、应用最广泛的时域测量仪器。 2. 示波器是一种全息仪器。示波器能让人们观察到信号波形的 全貌，能测量信号的幅度、频率、周期等基本参量，能测量脉 冲信号的脉宽、占空比、上升（下降）时间、上冲、振铃等参 数，还能测量两个信号的时间和相位关系。这些功能是其它电 子仪器难以胜任的。
2．扫描的概念
如果在X偏转板上加一个随时间线形变化的电压， 垂直偏转板不加电压，那么光点在水平方向的偏移距 离为 xSxkth ，xt比[cm 例/系s]数Sx称为示波管的X轴偏 转因数。
光点在锯齿波作用下扫动的过程称为“扫描”， 能实现扫描的锯齿波电压称为扫描电压，光点自左向 右的连续扫动称为“扫描正程”，自荧光屏的右端迅 速返回左端起扫点的过程称为“扫描回程”。
可通过调节“Y轴位移”旋钮，调节直流电位以改
变被测波形在屏幕上的位置。
3.2.2 通用示波器的垂直通道
3．延迟线 触发扫描时，扫描的开始时间总是滞后于被观
测脉冲一段时间，这样，脉冲的上升过程就无法被完 整地显示出来。
1 电子枪（续）
电子束聚焦的原理是，电子从阴极K发射，经G1、 G2、A1、A2聚焦和加速后进入偏转系统。
电子在电子枪中的运动轨迹如下图所示。
G1 K
G2
A1
A2
2 偏转系统
示波管的偏转系统由两对相互垂直的平行金属板 组成，分别称为垂直偏转板和水平偏转板 。
当有外加电压作用时，偏转板之间形成电场；在 偏转电场作用下，电子束打向由X、Y偏转板共同 决定的荧光屏上的某个坐标位置。
波形，用于同时观测、比较两个以上的波形 3 取样示波器 采用非实时取样将高频信号转换为低
频信号，然后显示 4 记忆、存储示波器 具有记忆、存储被观察信号功
能 5 专用示波器 如：矢量示波器和逻辑示波器
3.2 通用示波器
3.2.1 通用示波器的分类和组成 通用示波器的组成：
图3-13 通用示波器的主要组成框图
3.1.2 图像显示的基本原理
4．连续扫描和触发扫描（续） 选择扫描周期等于脉冲底宽时，观测者不易观察 波形，而且扫描的同步很难实现（Ts不一定是脉冲底 宽的整数倍）。
τ
τ
3.1.2 图像显示的基本原理
4．连续扫描和触发扫描（续） 触发扫描时，使扫描脉冲只在被测脉冲到来时才 扫描一次；没有被测脉冲时，扫描发生器处于等待工 作状态。
当控制信号加于G1，其亮度可随之改变，则可以传递信息，称为示波器的 Z轴电路。
4.第二栅极G2——隔离开G1和A1，以减小亮度调节与聚焦调节的相互影响。
5.第一阳极A1——与第二阳极A2构成一个电子透镜，对电子束起聚焦作用。 6.第二阳极A2——是个更大的同轴圆筒，其上电压较高，它主要与A1构 成 电子透镜。调节A2电位的旋钮称为“辅助聚焦”。 7.第三阳极A3——具有上万伏的高压，用于对电子束加速，故也称后加速 阳极。