电子测量技术基础-示波器

Uy Uy 1 0 2 3 -Uy 0 Ux t Ux -U x
15
1 4 t 0 2 3 4
同步概念
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”。
y
uy
x
t T ux
y
Tx=2Ty
t T
x
16
（2）Tx≠nTy(n为正整数)，即不满足同步关系时，显示的波 形不稳定。思考：如图，下一个周期屏幕显示怎样的波形？
C 将示波器输入耦合开关置于“GND”地输入位置，调节垂直
位移旋钮，使屏幕上的扫描线（零电平线）移到荧光屏的中间 位置，即确定零电平线。以后不再调制垂直位置旋钮。
D 调节垂直灵敏度开关至适当位置，将示波器输入耦合开关拨 至“DC”挡，观察此时水平线的位置。 E 若位于零水平线上面，则被测直流电压为正极性；若位于零 水平线的下面，则被测直流电压为负极性。
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通用示波器的其他电路
1．高、低压电源
—分别用于示波器的高、中压和直流供电。 2．Z轴的增辉与调辉 —增辉：将闸门信号放大，使显示的波形正程加亮。 —调辉：加外调制信号或时标信号，使屏幕显示的波 形发生相应地变化。 3．校准信号发生器 —可产生幅度和频率准确的基准方波信号，为仪器本 身提供校准信号源。
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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。 示波器中采用的是波形失真小的静电偏转型，电视 机中采用的是电磁偏转型。
亮点上下（左右）移动的原因：上下移动是因为改变了加到垂直 偏转板上的直流电压，左右移动是因为改变了水平偏转板上的直 流电压。
荧光屏将电信号变为光信号，是示波管的波形显示部分 。
扫描电路
去 水平放大器 水 平 水平位移 偏 转 板 水平放大器
触发源选择
触发输入 整形电路
闸门 电路
扫描 发生器 释抑 电路
功能:
触发电平
校 准
扩 展
1.产生扫描电压 2.保持与Y通道输入信号间的同步关系，选择适当的 触发源信号，并在此信号的作用下产生稳定的扫描 电压，显示稳定的波形。 3.能产生增辉和消隐信号，去控制示波器的Z轴。
触发电路结构示意：
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触发电平调节
触发极性和触发电平 决定了触发脉冲产生
的时刻，并决定了扫 描的起点。 触发极性：指触发点位 于触发源信号的上升沿或下 降沿。
触发电平：触发点 位于触发源信号的什 么电平上
1
2
3
4
5 触发电平 触发源信号
触发脉冲 1 2 3 4 5
闸门信号
扫描电压
触发源选择
第四章 电子示波器
掌握要点：
1.模拟示波器的结构及各功能模块的作用机理
2.模拟示波器波形显示原理
3.理解同步、扫描的概念，了解示波器基本性能指
标、种类、发展等 4.了解数字示波器工作原理 5.熟练使用模拟电子示波器及TDS220（1000）型数 字存贮示波器
产品设计
教育实践
维修服务
品质控制
TDS8000
（一）CRT示波管的结构
发明人：德国物理学家布劳（1850∽1918)

组成:
电子枪 偏转系统 荧光屏
电子枪 G1 K F G2
功能: 电信号变成光信号并显示
偏转系统
荧光 屏
Y偏转板 A1 A2
X偏转板 荧 光 屏
-E
辉度
聚焦
辅助聚焦
+E
电子枪的作用是发射电子并形成很细的高速 电子束，。 通过调节“辉度”控制电子束的强弱，从而 调节光点的亮度。 调节 “聚焦”旋钮，改变电子束的粗细度， 从而实现电子束在荧光屏上的聚焦。
根据示波器对信号的处理方式的不同可分为 模拟、数字两大类： 1 模拟示波器 ——采用模拟方式对时间信号进行处理和显示。
可分为通用示波器、多束示波器、取样示波器、记忆示 波器和专用示波器等
2 数字示波器
——对信号进行数字化处理后再显示。
可分为数字存储示波器DSO、数字荧光示波器DPO 数字采样示波器等
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（二）波形显示原理
1．显示随时间变化的图形 （1）Y偏转板上分别加变化电压，有下面情况：
Uy Uy 1 0 2 3 4 t 1 2 04 3
（2）X偏转板上分别加变化电压， 有下面情况：
Ux Ux 2 1 0 -Ux
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3 t 4
4 0
3 1
2
扫描电压：称加在X轴上的锯齿波为扫描电压。锯齿波信号
显示部分：内壁n层荧光粉，再覆盖一层极薄铝膜。 高速电子—轰击内壁—荧光粉动能光能—产生亮点—发出二 次电子铝膜—吸收二次电子对荧光(反光) 清晰
使用时，关机亮点消失有一段时间—现象余辉
余辉时间长短与荧光粉的材料有关。
短余辉（10µs~10ms) 中余辉（1ms~100ms) 长余辉（100ms~1 s) 极长余辉（>1 s)
式工作。
电视（TV）触发方式：插入电视同步分离电路实现，以便对电 视信号（如行、场同步信号）进行监测与电视设备维修。
触发极性选择和触发电平调节
触发极性和触发电平决定触发脉冲产生的时刻， 并决定被显示信号的起始点。
正电平正极性
正电平负极性
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扫描电路（时基发生器）
工作原理：
1.时基闸门电路：双稳态触发器，当输入电平高于上触发电平时，电路
具有把信号电压拉向右侧的作用。
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扫描：电子束在扫描电压作用下水平偏转，使光点在水平方向 上反复移动。分为：

扫描正程：光点自左向右的连续扫动称为“扫描正程” 扫描逆程：自荧光屏的右端迅速返回左端起扫点的过程
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（3）Y偏转板加正弦波信号电压，X偏转板加锯齿波 电压，荧光屏上将显示出被测信号随时间变化的一个 周期的波形曲线。
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例4.2 如图所示，h =6cm、Dy =1V/cm、k =10:1，
x
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扫描方式
连续扫描:
特点：扫描电压是连续的周期性锯齿波电压,适用于观察连续信号. 不利于观察脉冲信号.

Ts
(a)被测脉冲 t
(c)连续扫描， 且T= 脉冲得到展宽，但 波形显示暗，而时基线太亮 T= t
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触发扫描:
特点：只有在被测信号到来时,扫描电路才产生一个扫描电压,由于
在两个脉冲间隔时间内没有扫描.故不会产生很亮的时间基线.一般 示波器采用此方法.

Ts
(a)被测脉冲 t
(d)触发扫描 t 能较好地观测脉冲 扫描 等待
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比较各自情况
无法观察细节
波形底部（时间基线） 很亮，而波形自身不亮
底部没有基线
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扫描过程的增辉和隐熄
上面的分析都假定扫描回程时间为零，实际上回扫是需要 一定时间的，为了在荧光屏上不显示回扫过程，可采用增辉 行程或隐熄回程的办法，将电子束在回程期间关闭。 增辉是对应扫描行程，隐熄则是对应扫描回程。
3
日立 V252 双踪示波器 20M 带宽
4
TDS1000B系列 示波器
100M带宽，报价1000~2000$
5
DPO/DSA/MSO70000系列 数字和混合信号示波器 4~33GHZ带宽和25~100GS/S的采样率
6 其高级型号DSA73304D，带宽高达33Ghz，报价达8~30万$
一 示波器的分类
uy 1 5 1 5
0
2 3 Ty
4
6 7
8 t
0 8
2 3
4
6 7
ux
Tx=2Ty
24
t
增辉与隐熄波形
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二、通用示波器的组成
Y输入 至Y 偏转板 Y输入 电路 内 外触发 外 电源 X输入 校准信号 输出 校准信号 发生器 至各电路 低压电源 高压电源 正高压 负高压 触发电路 扫描 发生器 水平 放大器 Y前置 放大器 延迟线 Y后置 放大器 至X 偏转板

输 入
R1
C1
R2
C2 输 出
通常用一个波段开关换接不同的R2C2来改变衰减量。在面板上， 直接标注与各档衰减量对应的偏转灵敏度，单位为V/DIV。
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阻抗变换器
常采用射极跟随器, ①输入阻抗大,使示波器对外呈现高输入阻抗.
②输出阻抗小,使后接低阻延迟线相匹配.
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。
uy 1 5(6) 10 6 1 10 5
0
2 3 Ty
4
7
9
11
t
0 7 8
2 9 3
4 11
8
ux
5 Tx Ty 4
17
t
不同步时的波形
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触发同步

用触发信号使波形同步：
y
设置与信号波形相对应的触发电平电压，当信号电压达到触发电平 电压时，就会产生触发脉冲，并产生与触发脉冲同步的锯齿波。 (触发扫描)
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（一）垂直偏转通道
探头 输入 衰减器 射极跟随 前置放大器 延迟线 末级放大
Y极板
用示波器测量信号时，通常使用同轴电缆做成 的探头作为输入引线，探头内设计为可调电容 C(5～l0pF)和电阻并联形式，再与示波器输入 电容、输入电阻组成补偿式分压器。 当探头中设置10：1的衰减器时，被测电压值 是示波器测得电压的10倍。
内触发（INT）：将Y前置放大器输出（延迟 线前的被测信号）作为触发信号，适用于观 测被测信号。 外触发（EXT）：用外接的、与被测信号有严 格同步关系的信号作为触发源，用于比较两 个信号的同步关系。 电源触发（LINE）：用50Hz的工频正弦信号 作为触发源，适用于观测与50Hz交流有同步 关系的信号。
翻转，输出高电平，闸门打开；当输入电平小于下触发电平时，电
路又翻转，输出低电平，关闭闸门。
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2.扫描发生器：积分电路。当闸门打开时，充电过程，产生
线性良好的锯齿波电压，即扫描正程；当关闭闸门时，放电 过程，产生扫描回程。
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3.释抑电路：在扫描回程期间，扫描电压U0迅速上升，而释抑 电路中的RC较大，使时基闸门输入保持一个较低的电平，保 证每次扫描都开始在同样的起始电平上，从而稳定波形。
通用双踪示波器框图
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用双踪示波器观察波形
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四、双踪示波器的典型应用
测量信号周期、频率、时间差 测量信号幅度、比较信号幅度 测量两信号相位差 测量脉冲信号的上升、下降时间等
（1）直流电压的测量方法
a首先将示波器的垂直偏转灵敏度微调旋钮置于校准挡，否则 电压读数不准确。
b把被测信号送入示波器垂直输入端。
衰减器
射极跟随
前置放大器
延迟线
末级放大
延迟线
作用:使垂直通道的信号延迟一定的
时间,以便在荧光屏上能观察到脉冲
信号的前沿.
末级（Y输出）放大器 Y输出放大器是将延迟线传来 的被测信号放大到足够的幅度， 用以驱动示波管的垂直偏转系统， 使电子束获得Y方向的满偏转。
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（二）水平偏转通道
触发同步电路 触发源耦合 方式 触发极性
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触发方式选择
常态（Norm):只有在触发源信号有并且产生有
效的触发脉冲时，扫描电路才被触发，产生扫 描线。 (开机屏幕上没有任何显示，分析原因）
自动（Auto):一段时间内没有触发脉冲时，扫描系统
按连续扫描方式工作，扫描电路处于自激状态，仍显示 时间基线。当触发脉冲到来时，自动返回到触发扫描方
示波器探头
调整可调电容，可实现最佳补偿，图c为最佳补偿波形， d为过补偿波形，为欠补偿波形。
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输入耦合选择器

选择DC档,输入的交直流成分都通过. 选择AC档,由于C的隔直,只有交流成分能通过.

选择GND档,输入信号通路被断开,示波器荧光屏上显示时间基线,即为0 电平线.

衰减器
用途:用来衰减输入信号,以保 证在荧光屏上的信号不致因过 大而失真. 技术要求:频带足够宽,输入阻 抗足够高. RC衰减器: 当R1C1=R2C2时,k0=R2/(R1+R2) (使输出与输入的比与频率无关)
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例4.1 如图所示，h =5cm、Dy =1V/cm、k =10:1， 求被测直流电压的值。
0.5 1 2 5 10 5 V/div V mV 250 100 50 25
测量直流电压示意图 解： UDC＝h*Dy*k＝5*1*10＝50V
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（2）交流电压的测量方法 A 首先将示波器的垂直偏转灵敏度微调旋钮于 校准挡，否则电压读数不准确。 B 把被测信号送入示波器垂直输入端。 C 将示波器输入耦合开关置于“AC”输入位置。 调节扫描速度和触发选择，使显示的波形稳定。 D 调节垂直灵敏度开关，使荧光屏上的波形位置 适当，记下Dy值。 E 读出被测交流电压波峰和波谷的高度或任意两 点之间的高度h。
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例：用示波器观测正弦波时，荧光屏上得到如图 所示波形，试分析示波器哪个部分工作不正常?
(1)为扫描锯齿波线性度不好； (2)Y放大器引入失真，出现削顶，产生截止失真； (3)有扫描回线，增辉电路工作不正常。
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日立V252模拟示波器面板
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三、双踪示波器
其垂直偏转通道由A和B两个通道组成。两个通道 的信号在电子开关的控制下，交替加在示波管的垂直 偏转板上，从而显示两个波形。