电子测量仪器(第2版)[肖晓萍主编]第四章

4.1概述4.2阴极射线示波管4.3图形显示的基本原理4.4通用示波器4.4.1通用示波器的组成及主要技术性能4.4.2垂直系统（Y通道）4.4.3水平系统（X通道）4.4.4主机系统（Z通道）4.5示波器的选择和使用4.5.1示波器选择的一般原则4.5.2示波器的正确使用4.6示波器的基本测量方法4.6.1测量脉冲信号参数4.6.2测量电压4.6.3测量时间和频率4.6.4测量正弦信号的相位第4章电子示波器4.1概述示波器——把人眼看不见的电信号转换成具体的可见图像显示在屏幕上的仪器。它是典型的时域测量仪器。频谱分析仪——典型的频域测量仪器，也称为频域示波器。逻辑分析仪——典型的数据域测量仪器，也称为逻辑示波器。示波器的基本功能：直接测量被测信号的电压、频率、周期、时间、相位、调幅系数等参数；间接观测电路的有关参数及元器件的伏安特性；利用传感器，还可测量各种非电量甚至人体的某些生理现象，常用在科学研究、航空航天、工农业生产、医疗卫生、地质勘探等方面。返回图4.2电子枪内部的等电位线分布图图4.3电子聚焦过程4.2阴极射线示波管1.电子枪图4.1示波管的内部结构示意图（1）电子束的聚焦（2）第三阳极A3的作用2.偏转系统adddUULlD2示波管的偏转因数SdadLldUDUS23.荧光屏图4.4电子在偏转板内的运动Ud——偏转电压；Ua——第2阳极A2上的电压；L，ld，d——与示波管结构有关的尺寸。返回4.3图形显示的基本原理1.波形显示原理例如，将ux、uy信号分别加到X、Y偏转板上，如ux、uy同步则屏幕上显示如图4.5所示;如ux、uy不同步则屏幕上显示如图4.6所示图4.5波形显示原理图4.6扫描电压与被测电压不同步yxTT)4/5(2.X－Y显示原理图4.7两个同频率信号构成的李沙育图形返回图4-8通用示波器总方框图1.通用示波器的组成包括三个部分：垂直系统（Y通道）、水平系统（X通道）、主机系统（Z通道），工作过程如图4.8（b）。4.4.1通用示波器的组成及主要技术性能4.4通用示波器2.通用示波器的主要技术性能(1)扫描时间因数单位为“t/div”或“t/cm”，t可取s，ms或s。(2)触发性能触发包括内、外触发和电源触发。(3)垂直偏转因数单位为Vp-p/div或Vp-p/cm。图4.9带宽的表示方法(4)频带宽度(频域响应)fH(单位:Hz)与示波器的上升时间tro（s）关系：在交流耦合位置，Y轴系统对输入的低频方波会产生下垂，如果低频方波宽度为τ，重复频率f=1/2τ，则下截止频率：fSSfeeL2fHtro≈0.35BY=fH－fL≈fH(5)瞬态响应（时域响应）图4.10瞬态响应的表示方法①Sb：上冲量②Sc：阻尼振荡③Sd：预冲，又称前冲④Se：下垂⑤Sf：后过冲⑥tr：上升时⑦tf：下降时间⑧脉冲宽度τ⑨脉冲周期和重复频率：⑩脉冲的占空系数ε：例如SBM－10A型示波器fH=30MHz，则上升时间：（6）输入阻抗ns12103035.0/35.06Hftr4.4.2垂直系统（Y通道）图4.11垂直系统的基本组成1.输入电路输入电路完成对输入信号的耦合和大小的粗调作用，并在输入信号与前置放大器之间起阻抗变化的作用。（1）探头示波器在使用前必须进行探头的校准，如图4.12所示。图4.12图4.13耦合电路和衰减器（2）输入耦合方式有DC、AC和⊥（GND）三种方式。（3）步进衰减器（4）阻抗转换器2.前置放大器对信号进行适当放大，并同时完成各种功能调节（包括增益微调、Y轴位移、极性转换等）和取出内触发信号。3.延迟线对通过Y轴电路的被测信号适当延迟。4.后置放大器将被测信号放大到足够大的幅度，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。并完成垂直偏转因数“×5”或“×10”扩展功能。5.内触发放大器放大内触发信号用于启动水平扫描电路。图4.14双踪示波器的基本组成框图双踪示波器有五种工作方式：Y1、Y2、Y1±Y2、断续和交替。（1）交替显示电子开关的转换受扫描控制电路的操纵，它的转换周期和扫描周期相等。如图4.15（a）所示。（2）断续显示电子开关工作于自激状态，不受扫描发生器的控制。两个信号的光点轮流地显示在屏幕上，如图4.15(b)所示。图4.15双踪显示方式6.双踪显示原理4.4.3水平系统（X通道）示波器的水平系统包括三个部分：①触发电路；②时基发生器；③水平放大器。图4.16水平系统总方框图1.触发电路为时基发生器提供符合要求的触发脉冲。触发电路包括触发源选择、触发耦合方式选择、触发放大整形电路。（1）触发源选择①内触发（INT）②外触发（LINE）③电源触发（2）触发耦合方式为了适应不同的被测信号频率，示波器一般设有如图4.17所示几种触发耦合方式。①“DC”直流耦合②“AC”交流耦合③“AC”（H）图4-17（3）触发方式（TRIGMODE）选择触发方式通常有常态、自动和电视三种方式：①常态触发方式（NORM）不同的触发极性和触发电平，触发点不同，即扫描起始点不同，则显示的波形也不相同，如图4.18所示。图4.18触发极性和触发电平不同对波形显示的影响不足点：在没有输入信号或触发电平调节不适当时，就没有触发脉冲输出，因而也无扫描基线。②自动触发方式（AUTO）在无被测信号输入时仍产生扫描电压，一旦有触发信号，自激多谐振荡器由触发信号同步而形成触发扫描，一般测量均使用自动触发方式。③电视触发方式（TV）产生行、场同步触发脉冲来实现电视触发功能，使示波器可用于电视信号的监测和电视设备的维修。TV-V：用于观测电视信号中的行信号波形。TV-H：用于观测电视信号中的场信号波形。（4）触发整形电路对任意的输入到触发电路的信号（波形复杂，频率、幅度、极性也不尽相同）进行放大、整形，变换为符合时基发生器要求的边沿陡峭、宽度适中、极性和幅度一定的触发脉冲，以保证时基发生器的稳定工作。2.时基发生器电路（扫描发生器电路）时基发生器也称扫描发生器环，主要由扫描闸门、扫描电压产生电路、比较和释抑电路组成，如图4.19（a）所示。（1）时基发生器电路的一般工作过程如图4.19（b）所示，图中，T1为锯齿波正程；T2为锯齿波回程；th为释抑时间；T0为静止期；T为锯齿波周期。图4.19图4.20用施密特电路构成的时基闸门电路（3）扫描锯齿波产生电路密勒积分电路原理如图4.21（a）所示。积分器的输出电压：tCREdtRECuTTtTTout01（2）扫描闸门产生闸门信号。图4.20（a）用施密特触发器构成的时基闸门电路。V1、V2组成施密特触发器，起门控电路作用，V3为门开关管。（4）比较电路和释抑电路比较电路利用它的比较、识别电平的功能来控制锯齿波的幅度,使电路产生等幅扫描。释抑电路用来使扫描发生器电路在扫描逆程开始后,“抑止”扫描闸门，使“抑止”期间不再受同极性触发脉冲的触发，以便扫描锯齿波产生电路恢复到扫描的起始电平上。（5）扫描方式分类扫描可分为连续扫描和触发扫描两种方式。图4.22比较电路和释抑电路图4.21密勒扫描电路原理图4.23连续扫描的波形显示图4.24脉冲信号的连续扫描和触发扫描显示①连续扫描当扫描环工作在自激状态时，扫描电压是周期性的锯齿波电压。②触发扫描只有在触发脉冲作用下才产生一次扫描电压，即扫描环工作在它激状态。触发扫描时锯齿波可以是连续状态，也可以是间歇状态。图4.25AB交替扫描显示方式（6）双扫描显示双扫描显示——利用X轴电子开关使得能够以不同扫描速度分别显示同一波形的不同部分。水平通路有两个扫描通路:A扫描和B扫描(又称延迟扫描)。以A扫描通路为主，B扫描在A扫描开始工作后的某一时刻开始扫描，B扫描被A扫描所延迟，B扫描又称为延迟扫描。3.水平放大器水平放大器是X轴主放大器，主要用来放大扫描锯齿波电压，将单端信号变为双端输出信号去驱动示波管的水平偏转板。同时还具有X位移和扩展等功能。4.4.4主机系统（Z通道）1.高低压电源为示波器的各级电路提供所需的低、高压电源。2.显示电路和Z轴电路包括阴极射线示波管和为示波管各个电极提供电压的电路、光迹旋转电路及Z轴电路。图4.27显示电路3.校准信号发生器产生基准方波信号，它为仪器提供校准信号源，以便随时校准示波器的垂直灵敏度和扫描时间因数等。返回4.5示波器的选择和使用1.根据被测信号特性选择2.根据示波器的性能选择示波器的主要性能指标有三个：（1）频带宽度和上升时间例如，若被测信号上升时间为60ns时，要求示波器：4.5.1示波器选择的一般原则ns20ns6031rtMHz5.1720/35.0YB或（2）垂直灵敏度（垂直偏转因数）垂直灵敏度是垂直偏转因数的倒数，它决定了被测信号在垂直方向的展示能力。（3）扫描速度扫描速度指扫描时间因数的倒数，它决定了在水平方向对信号的展示能力。1.使用时注意事项2.使用方法（1）YB4320示波器的主要技术性能·垂直系统：①CH1和CH2的偏转因数:5mV/div～5V/div，按1-2-5步进,共10档；②上升时间：≤17.5ns；上冲：≤5%；③最大输入电压：400V（DC+ACP-P）；④输入阻抗：a.1MΩ±2%，25pF±3pF；b.经探极10MΩ±5，约17pF；⑤垂直系统工作方式：CH1、CH2、CH1+CH2、双踪。·水平系统：①扫描方式×1、×5；×1、×5交替扫描；②扫描时间因数：0.1μs/div～0.2s/div±5%，按1-2-5步进，共20挡；③扫描扩展：20ns/div～40ms/div。4.5.2示波器的正确使用·触发系统：①触发方式：自动，常态、交替、TV-V、TV-H；②触发源：内触发（INT）、CH2触发、电源触发、外触发；③触发极性：+、—。·X-Y工作方式：①CH1为X轴，CH2为Y轴；②X轴带宽：DC～500KHz；·校准信号：提供频率1KHz（±2%），电平0.5V（±2%）的方波信号。·CH1输出：①输出电压最小20mV/div；②输出阻抗约50Ω；③带宽50Hz～5MHz（-3dB）。·电源：50Hz±5%、220V±10%（2）YB4320示波器的前、后面板示意图图4.29（3）YB4320示波器的基本操作说明（4）测量前的准备工作（5）信号测量的步骤第1步，将被测信号输入到示波器通道输入端。第2步，按照被测信号参数的测量方法不同，选择各旋钮的位置，使信号正常显示在荧光屏上，记下一些读数或波形。（6）输出信号3.示波器的校验图4.30是采用S04A示波器校准仪校准示波器的原理图。图4.30仪器连接返回4.6示波器的基本测量方法4.6.1测量脉冲信号参数1.矩形脉冲测量的意义2.测量方法图4.31示波器测量波形参数图4.31所示，已知Y轴偏转因数为1V/div，扫描偏转因数为1s/div，则可得测量结果为:上升时间：0.5div×1s/div=0.5s脉冲宽度：5.7div×1s/div=5.7s脉冲幅度：4.5div×1V/div=4.5V1.直流电压测量例如，若选择CH1输入信号，时基线在零电平的正方向（光迹上移）移动5div，Y1轴偏转因数为1V/div，则被测直流电压为5div×1V/div=5V。2.正弦电压测量（1）不含直流分量的正弦电压测量【例4-1】如图4.32（a）显示波形，如果Y轴偏转因数为1V/div，则峰-峰值Up-p、振幅值Um、有效值U分别：Um=3div×1V/div=3VUp-p=6div×1V/div=6VU=Um/=3/2.12V4.6.2测量电压图4.32正弦电压测量4.6.3测量时间和频率【例4-2】如图4.32（b），若Y轴偏转因数为1V/div，分别计算直流分量U0、峰点电压的瞬时值UP、峰－峰值Up-p、振幅值Um、有效值U。解：U0=3×1V/div=3VUP=4.5div×1V/div=4.5VUp-p=3div×1V/div=3VUm=Up-p/2=3/2=1.5VVUUm06