电子示波器

电子测量技术第三章电子示波器Page2第三章电子示波器学习示波器的示波原理，通用示波器结构和性能指标，以及高速示波器、取样示波器、记忆示波器、数学示波器的工作原理。示波管的结构，示波器的示波原理，通用示波器结构和性能指标。示波原理，触发扫描，时基电路和择放电路的工作过程，取样示波器。第三章电子示波器3.1概述Page43.1概述电子示波器又叫做电子射线示波器，简称为示波器。它是一种用荧光屏显示电信号变化过程的电子仪器。它能把本来非常抽象的看不见的电信号转换成人眼能够看到的图案，并具体显示在荧光屏上，以便对电信号进行定性和定量的观测。3.1.1示波器的用途和特点Page53.1概述几十年来，示波器由电子管示波器发展到晶体管、集成电路示波器，由模拟电路发展到数字电路，由通用宽带示波器发展到高速取样示波器、记忆示波器、数字存储示波器、逻辑示波器等多种类型示波器。3.1.2示波器的分类Page63.1概述目前生产的示波器可分为模拟示波器和数字示波器两大类：1.模拟示波器（1）通用示波器；（2）取样示波器；（3）多束示波器；（4）特殊示波器。2．数字示波器（1）实时显示、数字读出示波器（RDTO）；（2）数字存储示波器（DSO）；（3）实时显示与存储示波器（RTSO）；（4）逻辑示波器。3.1.2示波器的分类第三章电子示波器3.2示波器的显示原理Page83.2示波器的显示原理1．荧光屏如图3-1所示，荧光屏是示波管最前端的玻璃屏，有圆形屏和矩形屏，屏的内壁涂有一层荧光粉，其作用是显示波形图。3.2.1阴极射线示波管HKGG1A1A2Y1Y2X1X1A3偏转系统电子枪荧光屏图3-1示波器结构示意图H－灯，K－阴极，G－栅极，G1－前加速电极，A1－第一阳极，A2－第二阳极，A3－后加速阳极，Y1、Y2－垂直偏转板，X1、X2－水平偏转板Page93.2示波器的显示原理当高速运动的电子打到荧光屏上某一点时，这点就发光，在单位时间内打到荧光屏上的电子数目越多，发光就越强。电子停止作用荧光屏后，荧光物质发光还需要经过一定的时间后才熄灭，这个时间叫做余辉时间。3.2.1阴极射线示波管HKGG1A1A2Y1Y2X1X1A3偏转系统电子枪荧光屏图3-1示波器结构示意图H－灯，K－阴极，G－栅极，G1－前加速电极，A1－第一阳极，A2－第二阳极，A3－后加速阳极，Y1、Y2－垂直偏转板，X1、X2－水平偏转板Page103.2示波器的显示原理示波管有长余辉、中余辉、短余辉三种。一般来说，观察频率高的信号时，用短余辉示波管；对于频率低的信号，采用长余辉示波管。3.2.1阴极射线示波管HKGG1A1A2Y1Y2X1X1A3偏转系统电子枪荧光屏图3-1示波器结构示意图H－灯，K－阴极，G－栅极，G1－前加速电极，A1－第一阳极，A2－第二阳极，A3－后加速阳极，Y1、Y2－垂直偏转板，X1、X2－水平偏转板Page113.2示波器的显示原理2．电子枪如图3-1所示，电子枪由灯丝（H）、阴极（K）、控制栅极（G）、前加速电极（G1）、第一阳极（A1）、第二阳极（A2）组成，其作用是发射高速运动的电子束。3.2.1阴极射线示波管HKGG1A1A2Y1Y2X1X1A3偏转系统电子枪荧光屏图3-1示波器结构示意图H－灯，K－阴极，G－栅极，G1－前加速电极，A1－第一阳极，A2－第二阳极，A3－后加速阳极，Y1、Y2－垂直偏转板，X1、X2－水平偏转板Page123.2示波器的显示原理（1）灯丝和阴极：它位于示波管的最尾端，用于产生热电子。，阴极板被加热，其表面产生大量的热电子。如外部加有正向电压，阴极表面的热电子将受到电场力的作用而飞出。（2）控制栅极：它位于阴极的前面，其作用是控制飞往荧光屏的电子数目，即控制荧光屏上波形图的亮度。在实际使用中，栅极的电位低于阴极，通过调节栅极的负电压来控制荧光屏上光点亮度的。3.2.1阴极射线示波管Page133.2示波器的显示原理（3）前加速电极（G1）、第一阳极（A1）和第二阳极（A2）：第一阳极和第二阳极有两个作用：一是将阴极发射出来的电子加速到很高的速度，二是使阴极发射出来的电子会聚在荧光屏上一点，即起着“聚焦”作用。3.2.1阴极射线示波管A1A2A1A2SS′图3-2聚焦作用＋=＋=－－yθ偏转板电子束荧光屏图3-3电子束的偏转Page143.2示波器的显示原理3．两对偏转板一对是上下放置的Y1和Y2，叫做垂直偏转板；另一对是左右放置的X1和X2，叫做水平偏转板。垂直偏转板在前，水平偏转板在后。理论上可以证明，光点在荧光屏上垂直方向偏移的距离y（或水平方向偏移的距离x）与垂直偏转板Y1和Y2之间加的电压Uy（或水平偏转板X1和X2之间加的电压Ux）成正比，即:3.2.1阴极射线示波管yyUkyxxUkxPage153.2示波器的显示原理示波器面板上的“水平位移”和“垂直位移”旋钮，就是分别通过调节两对偏转板上的直流电压的大小和极性，来改变电子束在荧光屏上的偏转程度，即调节波形图的位置。通常为了观察被测信号的波形，垂直偏转板Y1、Y2之间加的是被测信号电压，而水平偏转板X1、X2之间加的是锯齿波电压。3.2.1阴极射线示波管Page163.2示波器的显示原理4．示波管各电极的电压3.2.1阴极射线示波管图3-4示波管各电极的电压后加速阳极电压2kV第一阳极电压调节（聚焦）-1kVR1RP1R2R5-1.1kVR3RP0R4HGG1A1A2Y1Y2X1X2A3～6.3V＋120VRP2栅极电压（调节辉度）第二阳极电压调节（辅助聚焦）CKPage173.2示波器的显示原理1．波形显示的过程（1）只在垂直偏转板上加正弦波电压：这时在水平偏转板X1、X2之间不加电压，而只在垂直偏转板Y1、Y2之间加正弦波电压。如果交流电的频率大于十几Hz，则由于视觉暂留和荧光的余辉，看到的就不是一个上下移动的光点，而是一条垂直的线段。3.2.2波形的显示原理Page183.2示波器的显示原理（2）只在水平偏转板上加锯齿波电压：这时只在水平偏转板X1、X2之间加锯齿波电压，而在垂直偏转板Y1、Y2之间不加电压。这时，在荧光屏上出现一条水平亮线，这条线叫做扫描线，这个过程叫做水平扫描，光点在水平方向的位移与偏转电压Ux成正比，即:3.2.2波形的显示原理tkkxxPage193.2示波器的显示原理光点在水平方向偏移的距离，即水平扫描线的长度与时间成正比，即在示波器中水平方向表示时间，水平扫描线为被测信号的显示提供了一个“时间轴”。3.2.2波形的显示原理光点在水平方向偏移的距离，即水平扫描线的长度与时间成正比，即在示波器中水平方向表示时间，水平扫描线为被测信号的显示提供了一个“时间轴”。＋=－Y1Y2X1X2E（b）（a）utT图3-5水平偏转板上加锯齿波电压Page203.2示波器的显示原理（3）垂直偏转板加正弦波的同时，在水平偏转板上加锯齿波为了描绘出被测信号的波形图，在垂直偏转板加被测信号的同时，要在水平偏转板上加锯齿波扫描电压，这时荧光屏上的光点既有垂直方向的运动，又有水平方向的匀速运动，因此光点在荧光屏上的运动轨迹是两者合运动的轨迹。3.2.2波形的显示原理Page213.2示波器的显示原理3.2.2波形的显示原理t6t4t5t0t1t2垂直偏转板加正弦波t3t7012345678t0t1t2t3t4t5t6t7t8t水平偏转板加锯齿波显示波形图3-6波形的显示过程t8Y1X1X2＋－Y2（3）垂直偏转板加正弦波的同时，在水平偏转板上加锯齿波为了描绘出被测信号的波形图，在垂直偏转板加被测信号的同时，Page223.2示波器的显示原理3.2.2波形的显示原理要在水平偏转板上加锯齿波扫描电压，这时荧光屏上的光点既有垂直方向的运动，又有水平方向的匀速运动，因此光点在荧光屏上的运动轨迹是两者合运动的轨迹。t6t4t5t0t1t2垂直偏转板加正弦波t3t7012345678t0t1t2t3t4t5t6t7t8t水平偏转板加锯齿波显示波形图3-6波形的显示过程t8Y1X1X2＋－Y2Page233.2示波器的显示原理2．同步作用为使荧光屏显示的被测信号的波形稳定、清晰，锯齿波电压频率必须与被测信号频率成整数倍关系。锯齿波电压频率应自动地随着被测信号发生相应的变化，这种作用称为“同步”。3.2.2波形的显示原理Page243.2示波器的显示原理3.2.3示波器的基本组成为了实现上述显示波形的功能，示波器必须有以下基本部件：示波管、垂直放大器、锯齿波发生器、水平放大器、同步电路、电源等，如图3-7所示（其中电源末画出）。3.2.2波形的显示原理垂直放大器水平放大器锯齿波发生器同步装置Y2X2X1垂直输入内同步外同步Y1示波管1212水平输入图3-7示波器的基本组成第三章电子示波器3.3通用示波器的结构Page263.3通用示波器的结构3.3.1单踪示波器的结构框图Page273.3通用示波器的结构3.3.1单踪示波器的结构框图Page283.3通用示波器的结构1．输入电路输入电路由探头、耦合电路、衰减器、电压跟随器等组成。整个输入电路可以看成是一个二端网络，为了不失真地传输信号，此二端网络应是一个交直流耦合电路，信号通过该耦合电路后，再加到前置放大器进行放大。3.3.2垂直偏转通道（Y通道）Page293.3通用示波器的结构3.3.2垂直偏转通道（Y通道）ACDCSCC1R1图3-9阻容补偿分压器C2R2RiCi输入输出电缆探头图3-10示波器探头Ri′Ci′CRRiCi探头触点(c)欠补偿(a)理想补偿(b)过补偿图3-11调整补偿电容时的波形Page303.3通用示波器的结构2．延迟线从接受触发到开始扫描需要一小段时间，这样就会出现被测信号到达了垂直偏转板而扫描电压信号尚未到达水平偏转板的情况。为了正确地显示被测信号的波形图，需要将接入垂直通道的被测信号进行一定的延迟。通常延迟时间在50～200ns之间。对延迟线的基本要求是：在垂直偏转通道的工作频带内，它能够无失真地并有一定延时地传递被测信号。3.3.2垂直偏转通道（Y通道）Page313.3通用示波器的结构3.垂直放大器如图3-8所示，垂直放大器主要包括前置放大器、缓冲放大器、未级放大器等，电路的基本形式是差动放大器。这样，既可以满足未级放大器推挽输出大信号的要求，又可以大大地改善环境温度、电源电压、晶体管参数等变化引起的漂移，使示波器性能稳定。3.3.2垂直偏转通道（Y通道）VSSA式中S为示波器的垂直偏转因数，SV为示波管灵敏度。Page323.3通用示波器的结构当S为1cm/50mV时，一般示波管的灵敏度为SV=0.04cm/V，此时垂直偏转通道的电压放大倍数A为：3.3.2垂直偏转通道（Y通道）同样S为1cm/50mV时，对于高灵敏度示波管SV=0.5cm/V，电压放大倍数为A=40。500V1cm04.0V05.0cm1V1cm04.0mV50cm1A高频截止频率受两个因素限制：一是晶体管放大倍数随频率升高而下降；二是晶体管输出端分布电容C0（集电结电容和引线分布电容之和）和负载电容CL使高频成分增益下降。Page333.3通用示波器的结构水平偏转通道即X通道，其作用是产生一个与时间成线性关系的锯齿波电压，并加于示波管的水平偏转板X1、X2之间，使荧光屏上的光点沿水平方向线性偏移，形成时间基线。3.3.3水平偏转通道（X通道）触发方式选择脉冲整形电路时基闸门扫描发生器X1水平放大器释抑电路电压比较器时基发生器X2图3-12水平通道的结构框图触发电路Page343.3通用示波器的结构如图3-12所示，示波器的水平偏转通道包括三部分：①触发电路，它包括触发方式选择、脉冲整形电路；②时基发生器，由闸门电路、扫描发生器、电压比较器和释抑电路组成；③水平扫描放大器。3.3.3水平偏转通道（X通道）触发方式选择脉冲整形电路时基闸门扫描发生器X1水平放大器释抑电路电压比较器时基发生器X2图3-12水平通道的结构框图触发电路Page353.3通用示波器的结构3