常用电子仪器原理与使用1第五章示波器的原理与使用常用电子仪器原理与使用2学习目的:了解示波器的地位、优点、分类和发展历史及其趋势。理解示波器的基本结构,了解垂直偏转系统、水平偏转系统、示波管电路、电源供给部分和辅助电路的作用。了解面板控制件及其功能。理解示波器的显示原理。理解通用示波器的工作原理。了解示波器的主要技术指标及定义。掌握通用示波器的使用方法。了解使用前的开机检查和自校功能。掌握双踪示波器的基本操作方法。常用电子仪器原理与使用3学习内容:§1.1示波器概述§1.2示波器的结构§1.3示波器的工作原理§1.4示波器的使用常用电子仪器原理与使用4§1.1示波器概述1、示波器的地位2、示波器的特点3、示波器的分类4、示波器的历史与发展趋势5、常用的示波器常用电子仪器原理与使用5§1.1示波器概述1、示波器的地位1)定义:示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象,便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束,打在涂有荧光物质的屏面上,就可产生细小的光点。在被测信号的作用下,电子束就好像一支笔的笔尖,可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。常用电子仪器原理与使用6§1.1示波器概述1、示波器的地位2)应用场合:①特别适用于观测瞬时变化的过程。②能观察各种不同的电量随时间变化的波形曲线。③加上传感器和换能器,可以观测非电量随时间变化的过程。常用电子仪器原理与使用7§1.1示波器概述2、示波器的特点1)优点:能把抽象的的信号瞬变过程以波形或图像显示出来。波形显示速度快,工作频率范围宽。灵敏度高。输入阻抗高。配用传感器或换能装置后,可观察非电量的变化过程。2)缺点:①体积一般较大,较笨重,难于携带。②读数不够直观。常用电子仪器原理与使用8§1.1示波器概述3、示波器的分类按性能和频带宽度:简易示波器、低频示波器、普通示波器、宽带示波器。按结构和用途:通用示波器、多线示波器、多踪示波器、记忆与存储示波器、专用示波器。按显示:光点扫描式示波器、光栅增辉式示波器。常用电子仪器原理与使用9§1.1示波器概述4、示波器的历史与发展趋势上世纪30~50年代电子管示波器阶段100MHz。上世纪60年代晶体管示波器阶段300MHz。上世纪70年代集成化示波器阶段1GHz(1972年,第一台数字存储示波器诞生,对示波器的发展产生了重大的影响)。上世纪80年代示波器正朝着数字化、智能化方向发展。常用电子仪器原理与使用10常用电子仪器原理与使用11§1.1示波器概述5、常用的示波器1)通用示波器XY2)取样示波器高频周期信号→取样→相似的周期性低频信号→显示和观测3)高灵敏度示波器灵敏度较高、频带宽度较窄(一般1MHz)4)记忆示波器用记忆示波管及电路记忆被测信号,瞬变单次信号。常用电子仪器原理与使用125)数字存储示波器模拟信号→A/D→RAM→D/A→模拟信号6)逻辑示波器(与通用示波器的区别)前者显示信号状态及相互关系,后者显示信号状态及其参量值。前者观察以高低电平组成的逻辑信号,后者用于分析模拟信号。前者还具有输入通道多、触发功能丰富、显示方式多样的特点。7)电视专用示波器8)数字化、智能化示波器常用电子仪器原理与使用13§1.2示波器的结构1、示波器的组成部分:示波管电路:电子枪、荧光屏偏转系统:垂直偏转系统、水平偏转系统电源供给部分辅助电路常用电子仪器原理与使用142、示波器的模块图常用电子仪器原理与使用15常用电子仪器原理与使用16§1.3示波器的工作原理利用一个或多个电子束的偏转,得到表示某变量函数瞬时值的显示,能够直观表示而维、三维及多维变量之间的瞬态或稳态函数关系、逻辑关系,以及实现对某些物理量的变换或存储。常用电子仪器原理与使用17§1.3示波器的工作原理1、波形合成原理1)示波器显示的实质得到清晰、稳定、准确的二维图形。2)2个比喻①黑夜中的香烟头②沙漏轨迹常用电子仪器原理与使用181、波形合成原理3)波形显示的要素:Z轴:电子流、荧光屏X轴:X轴偏转系统Y轴:Y轴偏转系统常用电子仪器原理与使用191、波形合成原理4)合成过程若仅在垂直偏转板上加被测波形,则在屏幕上只看到一条垂直线YuuY+t若仅在水平偏转板上加锯齿波,则在屏幕上看到一条水平线,称为基线Yutxut扫描电压的周期TX与被测信号的周期TY有关系:TX=TY=常用电子仪器原理与使用201、波形合成原理2)合成过程常用电子仪器原理与使用21常用电子仪器原理与使用22常用电子仪器原理与使用23常用电子仪器原理与使用24§1.3示波器的工作原理2、电子枪的工作原理常用电子仪器原理与使用25常用电子仪器原理与使用261)电子枪作用:产生并形成高速、聚束的电子流,去轰击荧光屏使之发光。结构:由灯丝、阴极、控制极(栅极)、第一阳极、第二阳极组成。除灯丝外,其余电极的都是金属圆筒,而且各个圆筒同轴。为了提高屏上光点亮度,又不降低对电子束偏转的灵敏度,现代示波管中,在偏转系统和荧光屏之间还加上一个后加速电极。常用电子仪器原理与使用27(1)灯丝和阴极结构阴极是涂有氧化物的金属圆筒,包在灯丝外面。原理灯丝通电发热,加热阴极阴极被加热后,阴极表面的自由电子脱离金属表面,沿轴向发射电子常用电子仪器原理与使用28(2)控制极(栅极)结构中间有孔的金属圆筒,包在阴极外面。加相对阴极为负的电压。原理控制极相对阴极是负电位,改变控制极的电位可以改变通过控制极小孔的电子数目,也就是控制荧光屏上光点的亮度。荧光屏上图形的亮度决定于电子束的数目、密度及其速度。改变控制极的电压时,电子束中电子的数目将随之改变,亮度也就改变。常用电子仪器原理与使用29(3)第一阳极和第二阳极结构第一阳极和第二阳极都是与阴极同轴的金属圆筒。第一阳极对阴极而言加有约几百伏的正电压。在第二阳极上加有一个比第一阳极更高的正电压。原理第一阳极和第二阳极都对电子束加速。第一阳极和第二阳极共同完成对电子束的聚焦。常用电子仪器原理与使用30电子透镜的工作原理常用电子仪器原理与使用31电子透镜的工作原理常用电子仪器原理与使用32穿过控制极小孔的电子束,在第一阳极和第二阳极高电位的作用下加速,沿轴向作高速运动。由于电荷的同性相斥,电子束会逐渐散开。通过第一阳极、第二阳极之间电场的聚焦作用,使电子重新聚集起来并交汇于一点。适当控制第一阳极和第二阳极之间电位差的大小,可起起到调节光点聚焦的作用,便能使焦点刚好落在荧光屏上,显现一个光亮细小的圆点,这就是“聚焦”调节的原理。常用电子仪器原理与使用33(4)第三阳极结构由示波管锥体内部涂上的一层石墨形成。通常加有很高的电压。原理①使穿过偏转系统以后的电子进一步加速,使电子有足够的能量去轰击荧光屏,以获得足够的亮度;②石墨层涂在整个锥体上,能起到屏蔽作用;③电子束轰击荧光屏会产生二次电子,它处于高电位,可吸收这些电子。常用电子仪器原理与使用34(4)第三阳极常用电子仪器原理与使用352)荧光屏结构位于示波管的终端,荧光屏内壁涂有一层结晶磷光体。磷光体由荧光质、极少量金属激化剂和少量助熔剂经高温处理制成。工作原理荧光屏上受到高速电子冲击的地点就会显现出荧光。有的示波器在磷光体上再涂一层铝膜,加强发射,加大亮度。常用电子仪器原理与使用36荧光颜色和余辉时间都与荧光质和金属激化剂有关。供观察一般信号波形用的发绿光的,属中余辉示波管。供观察非周期性及低频信号的发橙黄色光的,属长余辉示波管。供照相用的示波器中,一般都采用发蓝色的短余辉示波管。常用电子仪器原理与使用373)偏转系统偏转板边缘造成的电场边缘效应,会使电子束产生逸散现象。所以大多数示波管都采用斜放偏转板或一端张开的平行偏转板。常用电子仪器原理与使用38对称偏转偏转板上加相位相反而幅值相同的电压。需要把源信号通过倒相放大电路再加到偏转板上。常用电子仪器原理与使用39对称偏转不使用对称偏转,会产生象散、梯形失真和波形跳动。常用电子仪器原理与使用403、垂直偏转系统示波器能够观测信号的基本原理:电子射线的偏转距离正比于偏转板上所加电压幅值的大小。注意:电子束的轨迹是抛物线。常用电子仪器原理与使用41垂直系统的组成:倒相放大电路补偿电路为了改善频率特性和过渡特性,需加补偿电路。放大微调电路垂直位移电路延迟线衰减器常用电子仪器原理与使用42延迟线延迟线的原理:电磁波在长线中的传播速度为:L:单位长度内的分布电感C:单位长度内的分布电容延迟线的分类集中参量式分布参量式(也叫延迟电缆)常用电子仪器原理与使用43正向行程期、反向行程期(回扫期)、静止期常用电子仪器原理与使用44垂直系统的评价指标:频率特性因系统固有的频率特性,导致随输入信号的频率升高,偏转灵敏度降低。过渡特性也称为瞬变特性,是指垂直系统输入端加方波电压时的显示特性。要求测试方波:方波前沿的上升时间小于垂直系统上升时间的1/3。要求显示结果:前沿陡、顶部平。常用电子仪器原理与使用454、水平偏转系统水平系统也成为时基系统。作用是在荧光屏上形成表示时间的基线,把被测信号按时间关系展开并描绘出波形。常用电子仪器原理与使用46水平偏转系统的组成扫描发生器触发同步电路增辉电路水平放大器常用电子仪器原理与使用471)同步与分频常用电子仪器原理与使用48同步若被测信号电压的频率等于锯齿波电压频率整数倍数时,则荧光屏上将显示出周期为整数的被测信号稳定波形。当被测信号电压的频率与锯齿波电压的频率不成整数倍数时,则荧光屏上不能获得稳定的波形。由上述可见,为使荧光屏上的图形稳定,被测信号电压的频率应与锯齿波电压的频率保持整数比的关系,即同步关系。常用电子仪器原理与使用49为了实现同步,就要求锯齿波电压的频率连续可调,以便适应观察各种不同频率的周期信号。由于被测信号频率和锯齿波振荡信号频率的相对不稳定性,即使把锯齿波电压的频率临时调到与被测信号频率成整倍数关系,也不能使图形一直保持稳定。不仅要求锯齿波电压的频率能连续调节,而且在产生锯齿波的电路上还要输入一个同步信号,以牵制锯齿波的振荡频率。常用电子仪器原理与使用50对于只能产生连续扫描(即产生周而复始连续不断的锯齿波)一种状态的示波器而言,需要在其扫描电路上输入一个与被观察信号频率相关的同步信号,当所加同步信号的频率接近锯齿波频率的自主振荡频率(或接近其整数倍)时,就可以把锯齿波频率“拖入同步”或“锁住”。对于具有等待扫描(即平时不产生锯齿波,当被测信号来到时才产生一个锯齿波进行一次扫描)功能的示波器而言,需要在其扫描电路上输入一个与被测信号相关的触发信号,使扫描过程与被测信号密切配合。这样,只要按照需要来选择适当的同步信号或触发信号,便可使任何欲研究的过程与锯齿波扫描频率保持同步。常用电子仪器原理与使用51常用电子仪器原理与使用52同步电压的实现常用电子仪器原理与使用53同步的分类:内同步、外同步、电源同步①“内同步”信号从垂直放大电路引来被测信号作为同步信号。②“外同步”信号引入某种相关的外加信号作为同步信号。该信号加在外同步输入端。③“电源同步”:是由220V,50Hz电源电压,通过变压器次级降压后作为同步信号。常用电子仪器原理与使用542)扫描发生器扫描发生器的功能:产生锯齿波扫描电压。直线化扫描电路的分类:恒流源扫描电路自举扫描电路密勒扫描电路常用电子仪器原理与使用55常用电子仪器原理与使用563)闸门电路闸门电路的功能:产生闸门脉冲,用来控制扫描电路开关管的开启与关闭,从而产生锯齿波扫描电压。闸门电路的实现:使用双稳态触发器。常用电子仪器原理与使用574)释抑电路释抑电路也称为脱出同步电路。释抑电路的作用:锯齿波通过本电路使闸门电路转换,控制锯齿波的幅度。保证锯齿波在回程时间内闸门电路不被触发信号所开启。常用电子仪器原理与使用585)触发同步电路常用电子仪器原理与使用59“触发”扫描的类型:由预定的幅值确定闸门电路的反转触发扫描(等待扫描):适于长周期窄脉冲静态时无锯齿波,显示一个光点,