普通示波器设计综述.docx

普通示波器设计综述.docx

《普通示波器设计综述.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《普通示波器设计综述.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

普通示波器设计综述

课程设计说明书

题目普通示波器设计

姓名

学号

专业年级

指导教师

年月日

一、前言------------------------------------------------------1

二、普通示波器的设计-------------------------------------2

三、总结------------------------------------------------------10

参考文献-----------------------------------------------------11

1、前言

示波器是电子示波器的简称，是一种基本的应用最广泛且使用相对复杂的时域测量仪器。

示波器是一种全息测量仪器，能让我们观察到信号波形的全貌，能测量信号的幅度、频率、周期等基本参量，能测量脉冲信号的脉宽、占空比、上升时间、下降时间、上冲、振铃等参数，还能测量两个信号的时间和相位关系。

这些功能是其他的电子仪器都难以胜任的。

由于电子技术的进步，示波器从早期的定性观测，已经发展到可以进行精确测量。

其他非电物理量也可以转换成电量，使用示波器进行观测。

因此，示波器除了用来对电信号进行分析、测量，还广泛应用于国防、科研及工农业等各领域。

同时，我们知道示波器是其他图示式仪器的基础。

而通用示波器是示波器中应用最广泛的一种，它通常泛指采用单束示波管，除取样示波管及专用或特殊示波器以外的各种示波器。

它主要由示波管、垂直通道和水平通道三部分组成。

通用示波器中还常附有校准信号发生器，产生幅度或周期非常稳定的校准信号，用它直接或间接与被测信号比较，可以确定被观测信号中任意两点间的电压或时间关系。

2、普通示波器的设计

1普通示波器的组成

示波器是利用电子示波管的特性，将人眼无法直接观测的交变电信号转换成图像，显示在荧光屏上以便测量的电子测量仪器。

示波器一般由示波管和电源系统、同步系统、X轴偏转系统、Y轴偏转系统、延迟扫描系统、标准信号源组成。

而通用示波器主要由示波管、垂直通道和水平通道三部分组成。

示波器的基本组成框图如图1所示。

图1示波器基本组成框图

1．1示波管

阴极射线管（CRT）简称示波管，是示波器的核心。

它将电信号转换为光信号。

正如图1所示，电子枪、偏转系统和荧光屏三部分密封在一个真空玻璃壳内，构

成了一个完整的示波管。

阴极射线管的简图如图2，内部结构图见图3。

图2阴极射线管简图

图3示波管的内部结构和供电图示

1．2电子枪及聚焦

电子枪由灯丝（F）、阴极（K）、栅极（G1）、前加速极（G2）（或称第二栅极）、第一阳极（A1）和第二阳极（A2）组成。

它的作用是发射电子并形成很细的高速电子束。

灯丝通电加热阴极，阴极受热发射电子。

栅极是一个顶部有小孔的金属园筒，套在阴极外面。

由于栅极电位比阴极低，对阴极发射的电子起控制作用，一般只有运动初速度大的少量电子，在阳极电压的作用下能穿过栅极小孔，奔向荧光屏。

初速度小的电子仍返回阴极。

如果栅极电位过低，则全部电子返回阴极，即管子截止。

调节电路中的W1电位器，可以改变栅极电位，控制射向荧光屏的电子流密度，从而达到调节亮点的辉度。

第一阳极、第二阳极和前加速极都是与阴极在同一条轴线上的三个金属圆筒。

前加速极G2与A2相连，所加电位比A1高。

G2的正电位对阴极电子奔向荧光屏起加速作用。

电子束从阴极奔向荧光屏的过程中，经过两次聚焦过程。

第一次聚焦由K、G1、G2完成，K、K、G1、G2叫做示波管的第一电子透镜。

第二次聚焦发生在G2、A1、A2区域，调节第二阳极A2的电位，能使电子束正好会聚于荧光屏上的一点，这是第二次聚焦。

A1上的电压叫做聚焦电压，A1又被叫做聚焦极。

有时调节A1电压仍不能满足良好聚焦，需微调第二阳极A2的电压，A2又叫做辅助聚焦极。

1．3偏转系统

偏转系统控制电子射线方向，使荧光屏上的光点随外加信号的变化描绘出被测信号的波形。

Y1、Y2和Xl、X2两对互相垂直的偏转板组成偏转系统。

Y轴偏转板在前，X轴偏转板在后，因此Y轴灵敏度高（被测信号经处理后加到Y轴）。

两对偏转板分别加上电压，使两对偏转板间各自形成电场，分别控制电子束在垂直方向和水平方向偏转。

1．4荧光屏

荧光屏是示波管的显示部分。

屏上水平方向和垂直方向各有多条刻度线，指示出信号波形的电压和时间之间的关系。

水平方向指示时间，垂直方向指示电压。

水平方向分为10格，垂直方向分为8格，每格又分为5份。

垂直方向标有0％，10％，90％，100％等标志，水平方向标有10％，90％标志，供测直流电平、交流信号幅度、延迟时间等参数使用。

根据被测信号在屏幕上占的格数乘以适当的比例常数（V／DIV，TIME／DIV）能得出电压值与时间值。

现在的示波管屏面通常是矩形平面，内表面沉积一层磷光材料构成荧光膜。

在荧光膜上常又增加一层蒸发铝膜。

高速电子穿过铝膜，撞击荧光粉而发光形成亮点。

铝膜具有内反射作用，有利于提高亮点的辉度。

铝膜还有散热等其他作用。

当电子停止轰击后，亮点不能立即消失而要保留一段时间。

亮点辉度下降到原始值的10％所经过的时间叫做“余辉时间”。

余辉时间短于10μs为极短余辉，10μs—1ms为短余辉，1ms—0．1s为中余辉，0．1s-1s为长余辉，大于1s为极长余辉。

一般的示波器配备中余辉示波管，高频示波器选用短余辉，低频示波器选用长余辉。

由于所用磷光材料不同，荧光屏上能发出不同颜色的光。

一般示波器多采用发绿光的示波管，以保护人的眼睛。

1．5示波管的电源

为使示波管正常工作，对电源供给有一定要求。

规定第二阳极与偏转板之间电位相近，偏转板的平均电位为零或接近为零。

阴极必须工作在负电位上。

栅极G1相对阴极为负电位（—30V~—100V），而且可调，以实现辉度调节。

第一阳极为正电位（约+100V~+600V），也应可调，用作聚焦调节。

第二阳极与前加速极相连，对阴极为正高压（约+1000V），相对于地电位的可调范围为±50V。

由于示波管各电极电流很小，可以用公共高压经电阻分压器供电。

2示波器的基本原理

示波器工作时，被测信号①接到“Y"输入端，经Y轴衰减器适当衰减后送至Y1放大器（前置放大），推挽输出信号②和③。

经延迟级延迟Г1时间，到Y2放大器。

放大后产生足够大的信号④和⑤，加到示波管的Y轴偏转板上。

为了在屏幕上显示出完整的稳定波形，将Y轴的被测信号③引入X轴系统的触发电路，在引入信号的正（或者负）极性的某一电平值产生触发脉冲⑥，启动锯齿波扫描电路（时基发生器），产生扫描电压⑦。

由于从触发到启动扫描有一时间延迟Г2，为保证Y轴信号到达荧光屏之前X轴开始扫描，Y轴的延迟时间Г1应稍大于X轴的延迟时间Г2。

扫描电压⑦经X轴放大器放大，产生推挽输出⑨和⑩，加到示波管的X轴偏转板上。

z轴系统用于放大扫描电压正程，并且变成正向矩形波，送到示波管栅极。

这使得在扫描正程显示的波形有某一固定辉度，而在扫描回程进行抹迹。

以上是示波器的基本工作原理。

双踪显示则是利用电子开关将Y轴输入的两个不同的被测信号分别显示在荧光屏上。

由于人眼的视觉暂留作用，当转换频率高到一定程度后，看到的是两个稳定的、清晰的信号波形。

3示波器使用

3．1示波管和电源系统

1．电源（Power）

示波器主电源开关。

当此开关按下时，电源指示灯亮，表示电源接通。

2．辉度（Intensity）

旋转此旋钮能改变光点和扫描线的亮度。

观察低频信号时可小些，高频信号时大些。

一般不应太亮，以保护荧光屏。

3．聚焦（Focus）

聚焦旋钮调节电子束截面大小，将扫描线聚焦成最清晰状态。

4．标尺亮度（Illuminance）

此旋钮调节荧光屏后面的照明灯亮度。

正常室内光线下，照明灯暗一些好。

室内光线不足的环境中，可适当调亮照明灯。

3．2垂直偏转因数和水平偏转因数

1．垂直偏转因数选择（VOLTS／DIV）和微调

在单位输入信号作用下，光点在屏幕上偏移的距离称为偏移灵敏度，这一定义对X轴和Y轴都适用。

灵敏度的倒数称为偏转因数。

垂直灵敏度的单位是为cm/V，cm／mV或者DIV／mV，DIV／V，垂直偏转因数的单位是V／cm，mV／cm或者V／DIV，mV／DIV。

实际上因习惯用法和测量电压读数的方便，有时也把偏转因数当灵敏度。

踪示波器中每个通道各有一个垂直偏转因数选择波段开关。

一般按1，2，5方式从5mV／DIV到5V／DIV分为10档。

波段开关指示的值代表荧光屏上垂直方向一格的电压值。

例如波段开关置于1V／DIV档时，如果屏幕上信号光点移动一格，则代表输入信号电压变化1V。

每个波段开关上往往还有一个小旋钮，微调每档垂直偏转因数。

将它沿顺时针方向旋到底，处于“校准”位置，此时垂直偏转因数值与波段开关所指示的值一致。

逆时针旋转此旋钮，能够微调垂直偏转因数。

垂直偏转因数微调后，会造成与波段开关的指示值不一致，这点应引起注意。

许多示波器具有垂直扩展功能，当微调旋钮被拉出时，垂直灵敏度扩大若干倍。

例如，如果波段开关指示的偏转因数是1V/DIV，采用×5扩展状态时，垂直偏转因数是0．2V／DIV。

2．时基选择（TIME／DIV）和微调

时基选择也通过一个波段开关实现，按1、2、5方式把时基分为若干档。

波段开关的指示值代表光点在水平方向移动一个格的时间值。

“微调”旋钮用于时基校准和微调。

沿顺时针方向旋到底处于校准位置时，屏幕上显示的时基值与波段开关所示的标称值一致。

逆时针旋转旋钮，则对时基微调。

旋钮拔出后处于扫描扩展状态。

通常为×10扩展，即水平灵敏度扩大10倍，时基缩小到1／10。

示波器前面板上的位移（Position）旋钮调节信号波形在荧光屏上的位置。

旋转水平位移旋钮左右移动信号波形，旋转垂直位移旋钮上下移动信号波形。

3.3输入通道和输入耦合选择

1．输入通道选择

输入通道至少有三种选择方式：

通道1（CH1）、通道2（CH2）、双通道（DUAL）。

选择通道1时，示波器仅显示通道1的信号。

选择通道2时，示波器仅显示通道2的信号。

选择双通道时，示波器同时显示通道1信号和通道2信号。

测试信号时，首先要将示波器的地与被测电路的地连接在一起。

根据输入通道的选择，将示波器探头插到相应通道插座上，示波器探头上的地与被测电路的地连接在一起，示波器探头接触被测点。

示波器探头上有一双位开关。

此开关拨到“×1”位置时，被测信号无衰减送到示波器，从荧光屏上读出的电压值是信号的实际电压值。

此开关拨到“×10"位置时，被测信号衰减为1／10，然后送往示波器，从荧光屏上读出的电压值乘以10才是信号的实际电压值。

2．输入耦合方式

输入耦合方式有三种选择：

交流（AC）、地（GND）、直流（DC）。

当选择“地”时，扫描线显示出“示波器地”在荧光屏上的位置。

直流耦合用于测定信号直流绝对值和观测极低频信号。

交流耦合用于观测交流和含有直流成分的交流信号。

在数字电路实验中，一般选择“直流”方式，以便观测信号的绝对电压值。

3.4触发

1．触发源（Source）选择

通常有三种触发源：

内触发、电源触发、外触发。

内触发使用被测信号作为触发信号，是经常使用的一种触发方式。

由于触发信号本身是被测信号的一部分，在屏幕上可以显示出非常稳定的波形。

双踪示波器中通道1或者通道2都可以选作触发信号。

电源触发使用交流电源频率信号作为触发信号。

这种方法在测量与交流电源频率有关的信号时是有效的。

特别在测量音频电路、闸流管的低电平交流噪音时更为有效。

外触发使用外加信号作为触发信号，外加信号从外触发输入端输入。

外触发信号与被测信号间应具有周期性的关系。

由于被测信号没有用作触发信号，所以何时开始扫描与被测信号无关。

2．触发耦合（Coupling）方式选择

AC耦合又称电容耦合。

它只允许用触发信号的交流分量触发，触发信号的直流分量被隔断。

通常在不考虑DC分量时使用这种耦合方式，以形成稳定触发。

但是如果触发信号的频率小于10Hz，会造成触发困难。

直流耦合（DC）不隔断触发信号的直流分量。

当触发信号的频率较低或者触发信号的占空比很大时，使用直流耦合较好。

低频抑制（LFR）触发时触发信号经过高通滤波器加到触发电路，触发信号的低频成分被抑制；高频抑制（HFR）触发时，触发信号通过低通滤波器加到触发电路，触发信号的高频成分被抑制。

此外还有用于电视维修的电视同步（TV）触发。

3．触发电平（Level）和触发极性（Slope）

触发电平调节又叫同步调节，它使得扫描与被测信号同步。

电平调节旋钮调节触发信号的触发电平。

一旦触发信号超过由旋钮设定的触发电平时，扫描即被触发。

顺时针旋转旋钮，触发电平上升；逆时针旋转旋钮，触发电平下降。

当电平旋钮调到电平锁定位置时，触发电平自动保持在触发信号的幅度之内，不需要电平调节就能产生一个稳定的触发。

当信号波形复杂，用电平旋钮不能稳定触发时，用释抑（HoldOff）旋钮调节波形的释抑时间（扫描暂停时间），能使扫描与波形稳定同步。

极性开关用来选择触发信号的极性。

拨在“+”位置上时，在信号增加的方向上，当触发信号超过触发电平时就产生触发。

拨在“-”位置上时，在信号减少的方向上，当触发信号超过触发电平时就产生触发。

触发极性和触发电平共同决定触发信号的触发点。

三、总结

本次课程设计让我学到了很多东西。

经过这次的课程设计，我发现自己不知不觉就对电子仪器仪表的知识掌握得更好了，尤其是示波器这一部分的。

尽管我以前在高中时就接触过示波器，但是那时候是纯理论的学习，只懂得示波器的理论知识，知道一些公式而已。

然后大学做实验时又经常用到示波器，但也只是懂得如何操作，它的内部结构如何，具体的工作原理并不清楚。

所以都没有现在理解的透彻。

普通示波器的设计的主要目的是把我们从课堂带到实践，把课堂所学习的理论知识上升到更高的层次，从更深层理解课堂上学的知识，同时加强理论与实践，达到真正提升我们的动手能力和分析解决问题能力的目的。

在设计过程中，因为教授在理论课时已经详细为我们讲解了示波器的工作原理，基本组成等知识，所以在设计时我得以更加的得心应手。

这使我对示波器的结构有了更进一步的认识，清楚的知道了示波器由哪些模块构成，这些部分怎样连接在一起，怎样协调工作。

同时我对示波器的功能和作用也了解的更为详细，这些都有助于我日后在学习和工作中对示波器更为熟练地操作，而且若是示波器出现了问题，我也更容易找出和解决。

总之，非常感谢老师这一学期以来的谆谆教诲，老师辛苦了！

参考文献

【1】高吉祥主编数字电子技术（第二版）北京电子工业出版社2010.6

【2】高吉祥主编模拟电子技术（第二版）北京电子工业出版社2006

【3】高吉祥主编高频电子线路（第二版）北京电子工业出版社2006

【4】高吉祥主编电子技术基础实验与课程设计（第二版）北京电子工业出版社2006