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第4章电子示波器第4章电子示波器4.1概述4.2示波管4.3电子示波器的结构框图与性能4.4电子示波器的Y、X通道及校正器4.5双踪和双线示波器4.6高速和取样示波器4.7记忆示波器与存储示波器*4.8数字化波形处理系统简介小结习题4第4章电子示波器4.1概电子示波器简称示波器。它是一种用荧光屏显示电量随时间变化过程的电子测量仪器。它能把人的肉眼无法直接观察到的电信号转换成人眼能够看到的波形，具体显示在荧光屏上，以便对电信号进行定性和定量观测，其他非电物理量亦可经转换成为电量，使用示波器进行观测，因此示波器是一种广泛应用的电子测量仪器，它普遍地应用于国防、科研、学校以及工、农、商业等各个领域。第4章电子示波器(1)能显示信号波形，可测量瞬时值，具有直观性。(2)输入阻抗高，对被测信号影响小。测量灵敏度高，并有较强的过载能力，目前示波器的最高灵敏度可达到10μV/div(微伏/格)(3)工作频带，速度快，便于观察高速变化的波形的细节。目前示波器的工作频带最宽可达1000MHz，预计不久将研制出带宽为2GHz以上的示波器。第4章电子示波器(4)在示波器的荧光屏上可描绘出任意两个电压或电流量的函数关系，可作为比较信号用的高速X-Y由于示波器的上述特点，电子示波器除直接用于电量测试外，(1)(2)测量电压和电流的幅度、频率、时间、相位等电(3)(4)显示电子器件的伏安特性。第4章电子示波器总之，电子示波器是测量电子电路工作情况的不可或电子示波器的发展可溯源到19世纪末研制成的第一支冷阴极静电偏转电子射线示波管。20世纪40年代末，逐渐建立起专门生产示波器的厂家。几十年来，示波器由电子管示波器发展到晶体管、集成电路的示波器，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，它还可与微型计算机连接组成智能测量系统。第4章电子示波器建国以后，我国示波器工业也有了很大的发展，有些已接近世界先进水平，但与工业先进的国家还有一定的差距。目前电子示波器的主要生产厂家和产品系列如表4.1-1所示。本章在介绍示波器组成结构的基础上，介绍示波器的工作原理、种类及应用。第4章电子示波器第4章电子示波器第4章电子示波器4.2示波示波器的核心部件是示波管，它在很大程度上决定了整机的性能。示波管是一种整个被密封在玻璃壳内的大型真空电子器件，也叫阴极射线管。电视机的彩色显像管和计算机的监视器都是在电子示波管的基础上发展起来的，第4章电子示波器示波管由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成，如图4.2-1所示。其用途是将电信号转变成光信号并在荧光屏上显示。电子枪的作用是发射电子并形成很细的高速电子束，偏转系统由X方向和Y方向两对偏转板组成，它的作用是决定电子束怎样偏转，荧光屏的作用则是显示偏转电信号的波形。第4章电子示波器图4.2-1示波管及电子束控制电路第4章电子示波器4.2.1电子枪由灯丝(h)、阴极(K)、栅极(G1)、前加速极(G2)、第一阳极(A1)和第二阳极(A2)灯丝h用于对阴极K加热，加热后的阴极发射电子。栅极G1电位比阴极K低，对电子形成排斥力，使电子朝轴向运动，形成交叉点F1,并且只有初速度较高的电子能够穿过栅极奔向荧光屏，初速度较低的电子则返回阴极，被阴极吸收。如果栅极G1电位足够低，则可使发射出的电子全部返回阴极，因此，调节栅极G1的电位可控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变荧光屏亮点的辉度。第4章电子示波器图4.2-1中辉度调节旋钮控制电位器RW1进行分压调节，即调节栅极G1的电位。控制辉度的另一种方法是以外加电信号控制栅阴极间电压，使亮点辉度随电信号强弱而变化(像电视显像管那样)，这种工作方式称为“辉度调制”。这个外加电信号的控制形成了除X方向和Y方向之外的三维图形显示，称为Z轴控制。第4章电子示波器G2、A1、A2构成一个对电子束的控制系统。这三个极板上都加有较高的正电位，并且G2与A2相连。穿过栅极交叉点F1的电子束由于电子间的相互排斥作用而散开。进入G2、A1、A2构成的静电场后，一方面受到阳极正电压的作用加速向荧光屏运动，另一方面由于A1与G2、A1与A2形成的电子透镜的作用向轴线聚扰，形成很细的电子束。第4章电子示波器如果电压调节得适当，则电子束恰好聚焦在荧光屏S的中心点F2处。图4.2-1中RW2和RW3分别是“聚焦”和“辅助聚焦”旋钮所对应的电位器，调节这两个旋钮使得电子束具有较细的截面，射到荧光屏上，以便在荧光屏上显示出清晰的、聚焦很好的波形曲线。第4章电子示波器4.2.2偏转系统由水平偏转板X1、X2和垂直偏转板Y1、Y2这两对相互垂直的偏转板组成。垂直偏转板Y在前，水平偏转板X在后，如果仅在Y1、Y2偏转板间加电压，则电子束将根据所形成的电场强弱与极性在垂直方向上运动。如果Y1为正，Y2为负，则电子束向上运动，电场强，运动距离大，电场弱，运动距离小；若Y1为负，Y2为正，则电子束向下运动。同理，在X1、X2间加电压，电子束将根据电场的强弱与极性在水平方向上运动，电子束最终的运动情况取决于水平方向和垂直方向电压的合成作用，当X、Y偏转板加不同电压时，荧光屏上的亮点可以移动到屏面上的任一位置。第4章电子示波器为了显示电信号的波形，通常在水平偏转板上加一线性锯齿波扫描电压ux，该扫描电压将Y方向所加信号电压uy作用的电子束在屏幕上按时间沿水平方向展开，形成一条“信号电压-时间”曲线，即信号波形，参见图4.2-2。水平偏转板X板上所加锯齿形电压称为“时基信号”或“扫描信号”。当uy信号为正弦波时，只有在扫描电压ux的频率fx与被观察的信号电压uy的频率fy相等或成整倍数n时，才能稳定地显示一个或n个正弦波形，如图4.2-2(b)、(c)所示。第4章电子示波器图4.2-2偏转系统工作原理图第4章电子示波器4.2.3在荧光屏的玻壳内侧涂上荧光粉，就形成了荧光屏，它不是导电体。当电子束轰击荧光粉时，激发产生荧光形成亮点。不同成分的荧光粉，发光的颜色不尽相同，一般示波器选用人眼最为敏感的黄绿色。荧光粉从电子激发停止时的瞬间亮度下降到该亮度的10%所经过的时间称为余辉时间。荧光粉的成分不同，余辉时间也不同，为适应不同需要，将余辉时间分为长余辉(100ms~1s)、中余辉(1~100ms)和短余辉(10μs~10ms)等不同规格。普通示波器需采用中余辉示波管，而慢扫描示波器则采用长余辉示波管。第4章电子示波器4.34.3.1电子示波器的基本组成框图如图4.3-1所示。电子示波器由Y通道、X通道、Z通道、示波管、幅度校正器、扫描时间校正器、电源几部分组成。被观察的波形通过Y通道探头，经过衰减加到垂直前置放大器的输入端①，垂直前置放大器的推挽输出信号②和③经过延迟线、垂直末级放大器，输出足够大的推挽信号⑨、10到示波管的垂直偏转板Y1、Y2上。由时基发生器产生线性扫描电压，经水平末级放大器放大后，输出推挽的锯齿波信号⑦、⑧加到水平偏转板X1、X2上。第4章电子示波器图4.3-1示波器组成框图及波形关系图第4章电子示波器为了在示波管上得到稳定的显示波形，要求每次扫描的锯齿波信号起点应对应于周期性被显示信号的同一相应点，因此，将被显示信号③的一部分送到触发同步电路，当该电路得到的信号相应于输入信号的某个电平和极性时，触发同步电路即产生触发信号④去启动时基发生器，产生一个由触发信号控制的扫描电压⑤。Z轴电路应在时基发生器输出的正程时间内产生加亮(增辉)信号⑥加到示波管控制栅极上，使得示波管在扫描正程加亮光迹，在扫描回程使光迹消隐。第4章电子示波器由图4.3-1(b)中的波形③、④、⑤可见，触发点即锯齿波的扫描起点并不在被显示信号的起始过零点，因此，信号前沿无法观察。为了克服此缺点，在垂直前置放大器之后加入延迟线，对Y方向加入的信号进行延迟，并且使其延迟时间τ2略大于由水平通道引起的固有触发延迟τ1，以确保触发扫描与显示信号同步。第4章电子示波器来自Y通道的同步信号(即被观察信号)被称为“内”同步；来自仪器外部的同步信号被称为“外”同步。示波器除了用于观察信号波形外，当用于其他测量时，X偏转板上也可不加时基信号，而是加上待测的或参考的信号，这个信号可从X输入端直接接入示波器，经过输入电路和放大器后加于X偏转板。输入电路一般由衰减器、射极跟随器和放大器组成。校正器用来校准示波器的主要特性。常用的有幅度校正器和扫描时间校正器。第4章电子示波器电源一般由两个整流器组成。高压整流器供给示波管高压电极电压，低压整流器供给示波器所有其他电路的电压和示波管低压电极电压。通常低压电源采用稳压器，电子束控制电路与电源连在一起，包括亮度、聚焦、辅助聚焦和光点位置控制。第4章电子示波器4.3.2为了正确选择和使用示波器，必须了解以下六项最重1.频率响应(频带宽度)示波器最重要的工作特性就是频率响应fh(最高工作频率)，又称带宽。这是指垂直偏转通道(Y方向放大器)对正弦波的幅频响应下降到中心频率的0.707(－3dB)倍时的频第4章电子示波器由于信号通过线性电路时，输出信号的频谱G(ω)等于输入信号的频谱F(ω)乘以电路的频率特性K(ω)，即G(ω)=K(ω)×F(ω)，因此，如果要求任意形状信号通过该电路时不产生畸变，则要求电路对被传输信号的所有频谱分量的幅频特性为常数。示波器垂直偏转通道的带宽必须足够宽，如果通道的带宽不够，则对于信号的不同频率分量，通道的增益不同，信号波形便会产生失真。因此，为了能够显示窄脉冲，示波器Y通道带宽必须很宽。例如，SR-8型二踪示波器带宽fh=15MHz,SBM-10A示波器的带宽fh=30MHz，目前最宽的示波器频率范围fh已达到1000MHz。第4章电子示波器2.偏转灵敏度(S)单位输入信号电压uy引起光点在荧光屏上偏转的距离H称为偏转灵敏度S，即S=(4.3-1)则uy==H·d(4.3-2)式中，d为灵敏度的倒数1/S，称为偏转因数。S的单位为cm/V、cm/mV或div/V(格/伏)，d的单位为V/cm。yuHSH第4章电子示波器在测量时，从示波器垂直通道衰减器刻度可读得它的偏转因数d，根据显示的波形高度H，按式(4.3-2)可求得显示波形的电压幅度。例如，d=2V/cm，荧光屏上uy波形高度H=2.6cm，则所观察波形幅度uy=2V/cm×2.6cm=5.2V。第4章电子示波器3.示波器屏幕上光点水平扫描速度的高低可用扫描速度、时基因数、扫描频率等指标来描述。扫描速度就是光点水平移动的速度，其单位是cm/s或div/s(格/秒)。扫描速度的倒数称为时基因数，它表示光点水平移动单位长度(cm或div)所需的时间。扫描频率表示水平扫描的锯齿波的频率。一般示波器X方向扫描频率可由t/cm或t/div分挡开关进行调节，此开关标注的是时基因数。SR-8双踪示波器的时基因数范围为1s/div~0.2μs/div,SBM-10A型示波器的时基因数范围为0.5s/cm~0.05μs/cm。第4章电子示波器4.输入阻抗是指示波器输入端对地的电阻Ri和分布电容Ci的并联阻抗。在观测信号波形时，把示波器输入探头接到被测电路的观察点，输入阻抗越大，示波器对被测电路的影响就越小，所以要求输入电阻Ri大而输入电容Ci小。输入电容Ci在频率越高时，以SBM-10型多用示波器为例，垂直偏转通道的输入电阻Ri=1MΩ，电容Ci=27pF。第4章电子示波器5.示波器的瞬态响应就是示波器的垂直系统电路在方波脉冲输入信号作用下的过渡特性。图4.3-2显示了一个正向标准方波脉冲经过示波器后波形发生畸变的情况，与图3.6-1相似。示波器的瞬态响应特性一般可用图中所示脉冲的上升时间tr、下降时间tf、上冲s0、下冲sn、预冲sp及下垂δ等参数表示。第4章电子示波器图4.3-2中Um是标准方波脉冲的基本幅度(简称脉冲幅度)，b是上冲量(脉冲前沿高出Um部分的冲击量)，f是下冲量(脉冲后沿低于脉冲底值的突出部分)，ΔU为平顶降落量(方波持续期间顶部幅度的下降量，也称下垂)。第3章曾提到，脉冲的上