电子示波器的认识及使用 课程设计 论文.docx
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电子示波器的认识及使用课程设计论文
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《电子测量技术基础》论文
电子示波器的认识及使用
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目录
引言4
1电子示波器的认识4
1.1电子示波器的产生与发展现状4
1.2电子示波器的用途4
2电子示波器的基本机构组成4
2.1示波管5
2.2电子枪5
2.3偏转系统5
2.4荧光屏6
2.5X、Y轴电压放大器和衰减器6
2.6锯齿波信号（扫描信号）发生器6
3电子示波器的使用6
3.1电子示波器的工作原理6
3.2电子示波器的面板介绍7
3.3电子示波器的测量方法10
结束语：
12
参考文献：
12
引言
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察，其他非电物理量亦可经转换成为电量，使用示波器进行观察，因此示波器是一种广泛应用的电子测量仪器，是测量电子电路工作情况的不可或缺的重要工具，它是普遍地应用于国防、科研、学校以及工、农、商业等各个领域。
1电子示波器的认识
1.1电子示波器的产生与发展现状
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器。
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，它可还可与微型计算机连接组成智能测量系统。
1.2电子示波器的用途
电子示波器是一种显示波形的仪器。
它不仅可以显示电信号的波形（如交流电、心电、脑电、肌电等），通过适当的换能装置，也可以显示非电信号的波形，如声波、心率、体温、血压等随时间变化的过程。
信号的波形显示出来之后，我们就可以很直观地观察分析它们的变化规律，并测量它们的相关参数。
例如，从交流信号的波形图上，可以很容易观察到交流信号随时间变化的规律，并且很容易从波形图上测出它的电压峰－峰值（Vp-p）、周期（Ｔ）、相位差（φ）等参数。
2电子示波器的基本机构组成
电子示波器的规格和型号较多，但所有的示波器所具有的基本结构都相同，大致可分为：
示波管（又称阴极射线管）、X轴放大器和Y轴放大器（含各自的衰减器）、锯齿波发生器等，见图1所示。
图1电子示波器的基本结构图
2.1示波管
示波管是电子示波器的核心部件，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。
它主要包括电子枪、偏转系统和荧光屏三部分，这三部分全部被密封在高真空的玻璃外壳内，如图2所示。
图2示波管结构图
示波管的用途的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。
2.2电子枪
电子枪有灯丝、阴极、控制栅极、第一阳极和第二阳极共五部分组成。
灯丝通电后加热表面涂有氧化物的金属圆筒（即阴极），使之发射电子。
控制栅极是一个套在阴极外面的金属圆筒，其顶端有一小孔，它的电位比阴极低，对阴极发射出来的电子起减速作用，只有初速度较大的电子才可能穿过栅极顶端的小孔，进入加速区的阳极。
因此控制栅极实际上起控制电子流密度的作用。
调整示波器面板上的“亮度”旋纽，其实就是调节栅极电位改变飞出栅极的电子数目，飞出的电子数目越多，荧光屏上亮斑就越亮。
从栅极飞出来的电子再经过第一阳极和第二阳极的加速与聚焦后打到荧光屏上形成一个明亮清晰的小圆点。
偏转系统是由两对相互垂直的电极板组成。
电子束通过偏转系统时，同时受到两个相互垂直方向的电场的作用，荧光屏上小亮点的运动轨迹就是电子束在这两个方向运动的叠加。
2.3偏转系统
偏转系统由水平偏转板X和垂直偏转板Y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Y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。
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，改扫描电压将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。
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”。
2.4荧光屏
在荧光屏的玻壳内测涂上荧光粉，就形成了荧光屏，它不是导电体。
当电子束轰击荧光屏光粉时，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，为适应不同的需要，将余辉时间分为长余辉（100ms—1s）、中余辉（1—100ms）和短余辉（10us—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。
2.5X、Y轴电压放大器和衰减器
由于示波管本身的X及Y偏转板的灵敏度不高（约0.1~1mm/V），当加在偏转板上的信号电压较小时，电子束不能发生足够的偏转，屏上的光点位移较小，不便观测。
这就需要预先将该小电压通过电压放大器进行放大。
衰减器的作用是使过大的电压信号衰减变小，以适应轴放大器的要求，否则放大器不能正常工作，甚至受损。
2.6锯齿波信号（扫描信号）发生器
锯齿波信号发生器的作用就是产生周期性锯齿波信号，如图3。
将锯齿波信号加在X偏转板上，可以证明，此时电子束打在荧光屏上的亮点将向一个方向作匀速直线运动。
经过一个周期后，荧光屏上的亮点又回到左侧，重复运动。
如果锯齿波的频率较大，由于荧光材料
具有一定的余辉时间，在荧光屏上能看到一条水平亮线。
图3锯齿波信号
3电子示波器的使用
3.1电子示波器的工作原理
电子示波器显示信号波形的过程与绘图的过程类似：
白纸对应荧光屏、画笔对应光点、控制画笔作上下左右运动的手对应控制光点上下左右运动的待测信号与扫描信号。
所不同的是示波器显示出来的波形仅仅是光点在待测信号与扫描信号的控制之下的运动轨迹，只要光点的运动速度足够快，由于人眼的视觉暂留和荧光屏的余辉效应，我们就可以看到光点的运动轨迹呈现为一完整的待测信号波形。
光点在竖直方向的运动。
光点在竖直方向的运动受到待测信号的控制，待测信号的电压瞬时值越大，光点在竖直方向上的位移就越大。
光点在竖直方向的位移的大小反映了待测信号电压瞬时值的大小。
光点在水平方向的运动。
光点在水平方向的运动受到由机器内部产生的扫描信号的控制，其运动规律为：
光点从荧光屏的最左端，接着开始第二次扫描，当扫描速度足够快时，我们看到的就是一条水平扫描线。
因为扫描是匀速进行的，所以光点在水平方向上的位移可以反映时间的长短。
光点的合成运动。
在待测信号和扫描信号的共同控制之下，光点的运动将是前述两种运动的合成。
只要保证光点在水平方向上的扫描运动与竖直方向上的运动同步，那么光点的运动轨迹就稳定地呈现出待测信号的波形。
3.2电子示波器的面板介绍
电子示波器可以用来定性观察信号的波形，也可以定量测量信号的周期（频率），幅度，相位等参数。
测量时应是被测波形稳定地显示在荧光屏中央，现实的幅度一般不宜过大，以避免非线性失真造成的测量误差，也不能过小，造成读数的误差，甚至影响同步。
下面就以数字示波器为例来介绍。
图4数字示波器面板
表1数字示波器面板功能说明
编号
名称
功能说明
1
LCD显示器
TFT彩色LCD显示器具有320×234的分辨率。
2
主菜单显示键
在显示器上显示或隐藏功能选单
3
开关/待机键
按一次为开机（亮绿灯），再按一次为待机状态（亮红灯）。
4
主要功能键
Acquire键为波形撷取模式。
Display键为显示模式的设定。
Utility键为系统设定。
用于Go-NoGo测试，打印，与Hardcopy键并用可作数据传输和校正。
Program键与Autotest/Stop键并用可用于程序设定，和播放。
Cursor键为水平与垂直设定的光标。
Measure键用于自动测试。
Help键为操作辅助的说明。
Save/Recall键为储存/读取USB和内部存储器之间的图像，波形和设定储存。
AutoSet键为自动搜寻信号和设定。
Run/Stop键进行或停止浏览的信号。
5
垂直位置旋钮
调节波形在垂直方向的位置
6
CH1~CH2菜单键
开启或关闭通道波形显示和垂直功能选单
7
波形Y轴灵敏度旋钮
调节波形在Y轴的电压标度
8
参数旋钮
调节参数和变换参数
9
水平位置旋钮
将波形往右（顺时针旋转）移动或往左（反时针旋转）移动。
10
触发水平
设定触发位置:
顺时针旋转为增加刻度反时针旋转为减少刻度。
11
触发菜单键
触发信号的设定
12
水平菜单键
水平浏览信号
13
时间刻度旋钮
设置水平方向时间刻度
14
外触发输入
外触发信号输入端口
15
接地端
16
数学键
根据信道的输入信号执行数学处理
17
信号输入端口
通道1：
CH1，和通道2：
CH2
18
USB接口
1.1/2.0兼容的USB接口，用于打印与数据存储和读取
19
主菜单显示键
在显示器上显示或隐藏功能选单
20
测试信号输出
输出2Vpp的测试棒补偿信号。
图5数字示波器显示屏
表2数字示波器显示说明
编号
名称
说明
1
波形
图中所括1、2、3、4为四个信道的信号波形
Channel1:
琥珀色Channel2:
蓝色
2
电池状态
3
远程控制的连
接状态
4
显示日期
如图：
28-Apr’0600：
24
5
触发状态
Auto（自动）Trig?
（找不到触发）Stop（停止触发）
6
撷取状态
有三种：
Normal（正常模式）PeakDetect（峰值侦测模式）Average（平均模式）
7
功能键
屏幕上显示的这些是通过F1-F5调节的
8
触发水平指示
9
触发频率计数器
如图：
所选择信道输入信号的频率CH1<20Hz
10
触发状态
如图：
EDGE
11
时间刻度
如图：
M250us
12
信道状态
如图：
CH1，直流，500mV；CH2,………
表3简要的按键使用方法说明
撷取和光标设置
量测信号
撷取模式
Acquire→F1~F4
自动设定刻度
AutoSet
记忆长度
Acquire→F5
自动量测时间
Measure→F1→F3（重复）
水平光标
Cursor→F1~F2
自动量测电压
Measure→F1→F3（重复）
垂直光标
Cursor→F1,F3
检视量测结果
Measure→Measure
显示器
系统设置
固定波形
Run/Stop
远程控制接口
Utility→F2→F1（重复）
更新显示画面
Display→F3
显示系统数据
Utility→F5→F2
显示网格线
Display→F5
选择语言
Utility→F4
F1~F5功能选单开关
MenuON/OFF
设定日期/时间
Utility→F5→F5→F2→F1
选择vectors/dots波形
Display→F1
快速存到USB
Utility→F1→F1Hardcopy
缩放水平画面
HORIMENU→F2~F3
储存图像
Save/Recall→F5→F1→F1~F4
转动水平画面
HORIMENU→F4
储存设定
Save/Recall→F3→F1~F4
检视XY模式
HORIMENU→F5
储存波形
Save/Recall→F4→F1~F4
反转波形
CH1/2/3/4→F2
使用边缘（Edge）触发
Trigger→F1（重复）→F2~F3→F5→F1~F4
限制频宽
CH1/2/3/4→F3
加/减
MATH→F1（重复）→F2~F4
选择耦合模式
CH1/2/3/4→F1
选择测棒衰减
CH1/2/3/4→F4
3.3电子示波器的测量方法
1、幅度和频率的测量方法（以测试示波器的校准信号为例）：
（1）将示波器探头插入通道1插孔，并将探头上的衰减置于"1"档；
（2）将通道选择置于CH1，耦合方式置于DC档；
（3）将探头探针插入校准信号源小孔内，此时示波器屏幕出现光迹；
（4）调节垂直旋钮和水平旋钮，使屏幕显示的波形图稳定，并将垂直微调和水平微调置于校准位置；
（5）读出波形图在垂直方向所占格数，乘以垂直衰减旋钮的指示数值，得到校准信号的幅度；
（6）读出波形每个周期在水平方向所占格数，乘以水平扫描旋钮的指示数值，得到校准信号的周期（周期的倒数为频率）；
（7）一般校准信号的频率为1kHz，幅度为0.5V，用以校准示波器内部扫描振荡器频率，如果不正常，应调节示波器（内部）相应电位器，直至相符为止。
2、用示波器观察电信号波形的使用步骤：
（1）获得基线：
当操作者在使用无使用说明书的示波器时，首先要获得一条最细的水平基线，其具体方法如下：
（1）预置面板各开关、旋钮。
亮度置适中，聚焦和辅助聚焦置适中，垂直输入耦合置“AC'',垂直电压量程选择置”5mv/div“,垂直工作方式选择置”CHl“,垂直灵敏度微调校准位置置”CAL“,垂直通道同步源选择置中间位置，垂直位置置中间位置，A和B扫描时间因数一起预置在”0.5ms/div“,A扫描时间微调置校准位置”CAL'',水平位移置中间位置，扫描工作方式置“A”,触发同步方式置“AUTO”,斜率开关置“+”,触发耦合开关置“AC'',触发源选择置”INT“.
（2）按下电源开关，电源指示灯点亮。
（3）调节A亮度聚焦等有关控制旋钮，可出现纤细明亮的扫描基线，调节基线使其位置于屏幕中间与水平坐标刻度基本重合。
（4）调节轨迹平行度控制使基线与水平坐标平行。
（2）显示信号：
一般情况下，示波器本身均有一个0.5Vp-p标准方波信号输出口，当获得基线后，即可将探头接到此处，此时屏幕应有一串方波信号，调节电压量程和扫描时间因数旋钮，方波的幅度和宽窄应变化，至此说明示波器基本调整完毕可以投入使用。
（3）测量信号：
将测试线接在CHl或CH2输入插座，测试探头触及测试点，即可在示波器上观察到波形。
如果波形幅度太大或太小，可调整电压量程旋钮；如果波形周期显示不适合，可调整扫描速度旋钮。
（4）选择Y轴耦合方式：
根据被测信号频率的高低，将Y轴输入耦合方式选择”AC-地-DC“开关置于AC或DC。
（5）选择Y轴灵敏度：
根据被测信号的大约峰-峰值（如果采用衰减探头，应除以衰减倍数；在耦合方式取DC档时，还要考虑叠加的直流电压值），将Y轴灵敏度选择V/div开关（或Y轴衰减开关）置于适当档级。
实际使用中如不需读测电压值，则可适当调节Y轴灵敏度微调（或Y轴增益）旋钮，使屏幕上显现所需要高度的波形。
（6）选择触发（或同步）信号来源与极性：
通常将触发（或同步）信号极性开关置于”+“或”-“档。
（7）选择扫描速度：
根据被测信号周期（或频率）的大约值，将X轴扫描速度t/div（或扫描范围）开关置于适当档级。
实际使用中如不需读测时间值，则可适当调节扫速t/div微调（或扫描微调）旋钮，使屏幕上显示测试所需周期数的波形。
如果需要观察的是信号的边沿部分，则扫速t/div开关应置于最快扫速档。
（8）输入被测信号：
被测信号由探头衰减后（或由同轴电缆不衰减直接输入，但此时的输入阻抗降低、输入电容增大），通过Y轴输入端输入示波器。
结束语：
本文介绍了电子示波器的认识及应用，详细说明了电子示波器的基础组成结构计显示波形的工作原理，并以数字示波器为例来详细说明示波器的使用方法及使用过程中的问题解决。
参考文献：
1、徐配安电子测量技术北京机械工业出版社2002
2、万国庆电子测量教程北京电子工业出版社2006
3、邓斌电子测量仪器北京国防工业出版社2008
4、张大彪电子测量技术与仪器北京电子工业出版社2008
5、张永瑞电子测量技术基础西安西安电子科技大学出版社2011
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