示波测试的基本原理Word格式.docx

1、荧光屏将电信号变为光信号，它是示波管的波形显示部分，通常制作成矩形平面。其内壁有一层荧光物质，面向电子枪的一侧还常覆盖一层极薄的透明铝膜，高速电子可以穿透这层铝膜轰击屏上的荧光物质而发光，透明铝膜可保护荧光屏，且消除反光使显示图形更清晰。在使用示波器时，应避免电子束长时间的停留在荧光屏的一个位置，否则将使荧光屏受损，因此在示波器开启后不使用的时间内，可将“辉度”调暗。当电子束停止轰击荧光屏时，光点仍能保持一定的时间，这种现象称为“余辉效应”。从电子束移去到光点亮度下降为原始值的10所持续的时间称为余辉时间。余辉时间与荧光材料有关，一般将小于10s的为极短余辉；10slms为短余辉；1ms0.l

2、s为中余辉；0.1ls为长余辉；大于ls为极长余辉。正是由于荧光物质的“余辉效应”以及人眼的“视觉残余”效应，尽管电子束每一瞬间只能轰击荧光屏上一个点发光，但电子束在外加电压下连续改变荧光屏上的光点，我们就能看到光点在荧光屏上移动的轨迹，该光点的轨迹即描绘了外加电压的波形。为便于使用者观测波形，需要对电子束的偏转距离进行定度，为此，有的示波管内侧即刻有垂直和水平的方格子（一般每格1cm，用div表示）；或者在靠近示波管的外侧加一层有机玻璃，在有机玻璃上标出刻度，但读数时应注意尽量保持视线与荧光屏垂直，避免视差。3.1.2 波形显示的基本原理电子束在荧光屏上产生的亮点在屏幕上移动的轨迹，是加到偏

3、转板上的电压信号的波形。根据这个原理，示波器可显示随时间变化的信号波形和显示任意两个变量X与Y的关系图形。1显示随时间变化的图形电子束进入偏转系统后，要受到X、Y两对偏转板间电场的控制，它们对X、Y的控制作用有如下几种情况。（1）Ux、Uy为固定电压的情况1）设Ux=Uy=0，则光点在垂直和水平方向都不偏转，出现在荧光屏的中心位置，如图（7-4）a。2）设Ux=0、Ux=常量，光点在垂直方向偏移。设Uy为正电压，则光点从荧光屏的中心往垂直方向上移，若Uy为负电压，则光点从荧光屏的中心往垂直方向下移。3）设Ux=常量、Uy=0，则光点在水平方向偏移。若Ux为正电压，则光点从荧光屏的中心往水平方向

4、右移，若Ux为负电压，则光点从荧光屏的中心往水平方向左移。4）设Ux=常量、Uy=常量，当两对偏转板上同时加固定的正电压时，应为两电压的矢量合成（2）X、Y偏转板上分别加变化电压1） 设ux=0，uy=Umsint。由于X偏转板不加电压，光点在水平方向是不偏移的，则光点只在荧光屏的垂直方向来回移动，出现一条垂直线段。2）设ux=kt，uy=0，由于Y偏转板不加电压，光点在垂直方向是不移动的，则光点在荧光屏的水平方向上来回移动，出现的也是一条水平线段。（3）Y偏转板加正弦波信号电压uy=Umsint，X偏转板加锯齿波电压ux=kt1）当时间t=t0时，ux=-Uxm，uy=0（锯齿波电压的最大负

5、值）。光点出现在荧光屏上最左侧的“0”点，偏离屏幕中心的距离正比于Uxm。2）当时间t=t1时，Uy=Uy1、Ux=-Ux1，光点同时受到水平和垂直偏转板的作用；光点出现在屏幕第象限的最高点“1”点。3）当时间t=t2时，Uy=Uy2、Ux=-Ux2，此时锯齿波电压和正弦波电压均为0，光点将会出现在屏幕中央的“2”点。4）当时间t=t3时，Uy=Uy3、Ux=Ux3，正弦波的负半周与正半周类似，此时正弦波电压为负半周到负的最大值，Uy3=-Uym、光点出现在屏幕第象限的最低点，如图中“3”点所示。5）当时间t=t4时，Uy=Uy4、Ux=Ux4，此时锯齿波电压和正弦波电压均为零，光点将会出现在

6、屏幕的第“4”点。以后，在被测信号的第二个周期、第三个周期等都将重复第一个周期的情形，光点在荧光屏上描出的轨迹也将重叠在第一次描出的轨迹上，因此，荧光屏显示的是被测信号随时间变化的稳定波形。2显示任意两个变量之间的关系示波器两个偏转板上都加正弦电压时显示的图形称为李沙育（Lissajous）图形，这种图形在相位和频率测量中常会用到。利用这种特点就可以把示波器变为一个X-Y图示仪。若两信号的初相相同，则可在荧光屏上画出一条直线，若两信号在X、Y方向的偏转距离相同，这条直线与水平轴呈45角，如图（7-7a）所示；如果这两个信号初相位相差90，则在荧光屏上画出一个正椭圆；若X、Y方向的偏转距离相同，

7、则荧光屏上画出的图形为圆，如图（7-7b）所示。这种X-Y图示仪可以在很多领域中得到应用。3扫描的概念如上所述，如果在X偏转板上加上一个锯齿波电压ux=kt（k为常数），垂直偏转板不加电压，那么光点在X方向做匀速运动，光点在水平方向的偏移距离为 （7-5）式中，x为X方向的偏转距离；Sx为比例系数，称为示波管的X轴偏转灵敏度（单位为cm/s）；hx为比例系数，即光点移动的速度。这样，X方向偏转距离的变化就反映了时间的变化。此时光点水平移动形成的水平亮线称为“时间基线”。当锯齿波电压达到最大值时，荧光屏上的光点也达到最大偏转，然后锯齿波电压迅速返回起始点，光点也迅速返回屏幕最左端，再重复前面的变

8、化。光点在锯齿波作用下扫动的过程称为“扫描”，能实现扫描的锯齿波电压称为扫描电压，光点自左向右的连续扫动称为“扫描正程”，光点自荧光屏的右端迅速返回左端起扫点的过程称为“扫描逆程”。理想锯齿波的逆程时间为0。4同步的概念（1）Tx=nTy（n为正整数）。当扫描电压的周期是被观测信号周期的整数倍时，即Tx=nTy（n为正整数），称扫描电压与被测电压“同步”，则每次扫描的起点都对应在被测信号的同一相位点上，这就使得扫描的后一个周期描绘的波形与前一周期完全一样，每次扫描显示的波形重叠在一起，在荧光屏上可得到清晰而稳定的波形。（2）TxnTy（n为正整数）。即不满足同步关系时，则后一扫描周期描绘的图形

9、与前一扫描周期的图形不重合，显示的波形是不稳定的，5连续扫描和触发扫描连续扫描扫描电压是连续的，即扫描正程紧跟着逆程，逆程结束又开始新的正程，扫描是不间断的。采用连续扫描观测脉冲信号存在的问题：（1）扫描周期等于脉冲重复周期时，即Tx=Ty。此时，屏幕上出现的脉冲波形集中在时间基线的起始部分，难以看清脉冲波形的细节，如图7-10（b）所示。（2）扫描周期等于脉冲底宽时，即Tx=。为了将脉冲波形的一个周期显示在屏幕上，必须扫描一个周期，而此时Tx比Ty小得多。因此，在一个脉冲周期内，光点只有一次扫描到脉冲图形，结果在屏幕上显示的脉冲波形非常暗淡，而时间基线由于反复扫描却很明亮，如图7-10（c）

10、所示。这样，观测者不易观察波形，而且扫描的同步很难实现。触发扫描由被测信号激发扫描发生器的间断的工作方式。观测脉冲信号可控制扫描脉冲，使扫描脉冲只在被测脉冲到来时才扫描一次；没有被测脉冲时，扫描发生器处于等待工作状态。只要选择扫描电压的持续时间等于或稍大于脉冲底宽，则脉冲波形就可展宽得几乎布满横轴。同时由于在两个脉冲间隔时间内没有扫描，故不会产生很亮的时间基线，如图7-10（d）所示。现代通用示波器的扫描电路一般均可调节在连续扫描或触发扫描等多种方式下工作。6扫描过程的增辉回扫时，回扫电压和被测信号共同作用，对欲显示的被测信号波形产生影响。为了使回扫产生的波形不在荧光屏上显示，可以设法在扫描正

11、程期间，使电子枪发射的电子远远多于扫描逆程，即给示波器增辉，这样观测者看到的就只有扫描正程显示的波形。另外扫描期间的增辉还可以保护荧光屏。小结：本结应掌握连续扫描和触发扫描的概念、波形显示的基本原理、CRT的基本结构及工作原理作业：31323.2 通用示波器1.掌握通用示波器的结构。2.掌握通用示波器垂直通道的工作原理。3.掌握通用示波器水平通道的工作原理。4.掌握通用示波器多踪显示和双时基显示的原理。1. 通用示波器垂直通道的工作原理2.通用示波器水平通道的工作原理3.2.1 通用示波器的组成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。此外，还包括电源电路及校准信号发生器。3.2.

12、2 通用示波器的垂直通道垂直通道的作用将输入的被测信号进行衰减或线性放大后，输出符合示波器偏转要求的信号，以推动垂直偏转板，使被测信号在屏幕上显示出来。垂直通道的构成输入电路、Y前置放大器、延迟线和Y后置放大器等。1输入电路输入电路主要是由衰减器和输入选择开关构成的。（1）衰减器 衰减器作用衰减输入信号，进行频率补偿。衰减器的衰减量为，当调节C1使得满足 （7-6）时，、表达式中分母相同，则衰减器的分压比 （7-7）式（7-6）称为最佳补偿条件。当时，将出现过补偿；为欠补偿。面板上用“V/cm”标记的开关改变分压比从而改变示波器的偏转灵敏度。（2）输入耦合方式 输入耦合方式设有AC、GND、D

13、C三档选择开关。置“AC”档时，适于观察交流信号；置“GND”档时，用于确定零电压；置“DC”档时，用于观测频率很低的信号或带有直流分量的交流信号。2前置放大器前置放大器可将信号适当放大，从中取出内触发信号，并具有灵敏度微调、校正、Y轴移位、极性反转等作用。Y前置放大器大都采用差分放大电路，若在差分电路的输入端输入不同的直流电位，相应的Y偏转板上的直流电位和波形在Y方向的位置就会改变。利用这一原理，可通过调节直流电位，即调节“Y轴位移”旋钮，改变被测波形在屏幕上的位置，以便定位和测量。3延迟线延迟线的作用是把加到垂直偏转板上的脉冲信号延迟一段时间，使信号出现的时间滞后于扫描开始时间，保证在屏幕

14、上扫描出包括上升时间在内的脉冲全过程。延迟线只起时间延迟的作用，而对输入信号的频率成分不能丢失，因此，一般说来，延迟线的输入级需采用低输出阻抗电路驱动，而输出级则采用低输入阻抗的缓冲器。4Y输出放大器Y输出放大器功能是将延迟线传来的被测信号放大到足够的幅度，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。Y输出放大器应具有稳定的增益、较高的输入阻抗、足够宽的频带、较小的谐波失真。Y输出放大器大都采用推挽式放大器，以使加在偏转板上的电压能够对称，有利于提高共模抑制比。电路中采用一定的频率补偿电路和较强的负反馈，以使得在较宽的频率范围内增益稳定。还可采用改变负反馈的方法变换放大器的增益。

15、3.2.3 通用示波器的水平通道水平通道（X通道）的主要任务是产生随时间线形变化的扫描电压，再放大到足够的幅度，然后输出到水平偏转板，使光点在荧光屏的水平方向达到满偏转。水平通道包括触发电路、扫描电路和水平放大器等部分，如图7-15所示。1触发电路触发电路的作用是为扫描信号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、触发方式选择、触发极性选择、触发电平选择和触发放大整形等电路。（1）触发源选择 触发源一般有内出发、外触发和电源触发三种类型：内触发（INT）：将Y前置放大器输出（延迟线前的被测信号）作为触发信号，适用于观测被测信号。外触发（EXT）：用外接的、与被测信

16、号有严格同步关系的信号作为触发源，用于比较两个信号的同步关系，或者，当被测信号不适于作触发信号时使用。电源触发（LINE）：用50Hz的工频正弦信号作为触发源，适用于观测与50Hz交流有同步关系的信号。 （2）触发耦合方式 一般设有四种触发耦合方式：“DC”直流耦合：用于接入直流或缓慢变化的触发信号。“AC”交流耦合：用于观察从低频到较高频率的信号。用“内”、“外”触发均可。“AC低频抑制”（“LF REJ”）耦合：用于观察含有低频干扰的信号。“AC高频抑制耦合”（“HF REJ”）：用于抑制高频成分的耦合。（3）扫描触发方式选择（TRIG MODE） 扫描触发方式通常三种：常态（NORM）触

17、发：也称触发扫描，是指有触发源信号并产生了有效的触发脉冲时，扫描电路才能被触发，才能产生扫描锯齿波电压，荧光屏上才有扫描线。自动（AUTO）触发：指在一段时间内没有触发脉冲时，扫描系统按连续扫描方式工作，此时荧光屏上将显示扫描线。当有触发脉冲信号时，扫描电路能自动返回触发扫描方式。电视（TV）触发：用于电视触发功能，以便对电视信号（如行、场同步信号）进行监测与电视设备维修。它是在原有放大、整形电路基础上插入电视同步分离电路实现的。（4）触发极性选择和触发电平调节 触发极性和触发电平决定触发脉冲产生的时刻，并决定扫描的起点，调节它们可便于对波形的观测和比较。触发极性是指触发点位于触发源信号的上升

18、沿还是下降沿。触发点处于触发源信号的上升沿为“+”极性；触发点位于触发源信号的下降沿为“-”极性。触发电平是指触发脉冲到来时所对应的触发放大器输出电压的瞬时值（5）放大整形电路 扫描信号发生器要稳定工作，对触发信号有一定的要求，因此，需对触发信号进行放大、整形。整形电路的基本形式是电压比较器，当输入的触发源信号与通过“触发极性”和“触发电平”选择的信号之差达到某一设定值时，比较电路翻转，输出矩形波，然后经过微分整形，变成触发脉冲。2扫描发生器环扫描发生器用来产生线性良好的锯齿波，通常用扫描发生器环来产生扫描信号。扫描发生器环又叫时基电路，常由积分器、扫描闸门及比较释抑电路组成。闸门电路产生的闸

19、门信号启动扫描发生器工作，使之产生锯齿波电压，同时把闸门信号送到增辉电路。释抑电路起稳定扫描锯齿波的形成、防止干扰和误触发的作用，确保获得稳定的图象。（1）扫描方式选择 示波器既能连续扫描又能触发扫描，扫描方式的选择可通过开关进行。在连续扫描时，没有触发脉冲信号，扫描闸门也不受触发脉冲的控制，仍会产生门控信号，并启动扫描发生器工作；在触发扫描时，只有在触发脉冲的作用下才产生门控信号。（2）扫描门 扫描门是用来产生闸门信号的，它有三个作用。1）输出闸门信号，控制积分器扫描。2）利用闸门信号作为增辉脉冲控制示波管，起正程加亮作用。3）在双踪示波器中，利用闸门信号触发电子开关，使之工作于交替状态。常

20、用的闸门电路有双稳态、施密特触发器和隧道二极管整形电路。图7-19为施密特触发器构成的闸门电路。施密特电路把其他的波形变成闸门脉冲。施密特电路的输入端接有来自三个方面的信号：一个称为“稳定度”旋钮的电位器给它提供一个直流电位；从触发电路来的触发脉冲和从释抑电路来的释抑信号。（3）积分器 通用示波器中应用最广的一种积分电路是密勒（Miller）积分器，可产生线形良好的锯齿波。设输入电压ui为阶跃电压（从0跳变到+E），则反相端电位为=0，积分器输出为 （7-7）此电路的输入信号是从扫描门来的矩形脉冲，积分器在此矩形脉冲信号的作用下，输出的uo为理想的锯齿波。由于这个电压与时间成正比，就可以用荧光

21、屏上的水平距离代表时间。定义荧光屏上单位长度所代表的时间为示波器的扫描速度s（t/cm），则式中，x光迹在水平方向偏转的距离；t偏转x距离所对应的时间。在示波器中通常改变R或C值作为“扫描速度”粗调，用改变E值作为“扫描速度”微调。改变R、C、E均可改变锯齿波的斜率，进而改变水平偏转距离和扫描速度。（4）比较和释抑电路 利用比较电路的电平比较、识别功能来控制锯齿波的幅度，使电路产生等幅扫描，比较电路也称为扫描长度电路。释抑电路在扫描逆程开始后，关闭或抑制扫描闸门，使“抑制”期间扫描电路不再受到同极性触发脉冲的触发，以便使扫描电路恢复到扫描的起始电平上。比较和释抑电路与扫描门、积分器构成一个闭合

22、的扫描发生器环，其中扫描门的输入接受三个方面的信号：来自触发电路的触发脉冲；“稳定度”电位器提供的直流电位；来自释抑电路的释抑信号。1）触发扫描：如图7-21，E1、E2分别为闸门电路的上、下触发电平，E0为闸门电路的静态工作点（来自“稳定度”调节的直流电位）。闸门电路在触发脉冲1作用下，达到上触发电平E1，输出闸门信号控制扫描发生器输出线形斜波，开始扫描正程。当扫描发生器输出Vo达到由比较电路设定的比较电平Er时，比较和释抑电路成为一跟随器，使闸门电路的输入跟随锯齿波发生器输出的斜波电压Vo。直到到达下触发电平，闸门电路翻转，控制扫描发生器结束扫描正程，回扫期开始。通过调节比较电平Er，可以

23、改变扫描结束时间和扫描电压的幅度。 在扫描正程结束后，锯齿波发生器输出进入回扫期，同时比较和释抑电路进入抑制期，释抑电路启动了对输入触发脉冲5的抑制作用。抑制期结束后，闸门电路重新处于“释放”状态，允许后续的触发脉冲6触发下一次扫描开始。2）连续扫描。在连续扫描方式下，不论是否有触发脉冲，扫描闸门都将输出闸门信号，使扫描发生器可以连续工作。扫描闸门仍然受比较和释抑电路的控制，以控制扫描正程的结束，从而实现扫描电压和被测电压的同步。3水平放大器水平放大器的基本作用是选择X轴信号，并将其放大到足以使光点在水平方向达到满偏的程度。X放大器的输入端有“内”、“外”信号的选择。置于“内”时，X放大器放大

24、扫描信号；置于“外”时，水平放大器放大由面板上X输入端直接输入的信号。改变X放大器的增益可以使光迹在水平方向得到扩展，或对扫描速度进行微调，以校准扫描速度。改变X放大器有关的直流电位可以使光迹产生水平位移。本结应掌握通用示波器垂直通道的工作原理、通用示波器水平通道的工作原理363103.3取样示波器1.掌握取样的基本概念。2.掌握取样示波器的组成及其垂直通道水平通道的工作原理。3.了解取样示波器的基本参数。1. 取样的基本概念2.取样示波器的组成及其垂直通道水平通道的工作原理3.3.1取样示波器的基本原理1取样的基本概念取样就是从被测波形上取得样点的过程。取样分为实时取样和非实时取样两种。从一

25、个信号波形中取得所有取样点，来表示一个信号波形的方法称为实时取样；从被测信号的许多相邻波形上取得样点的方法称为非实时取样，或称为等效取样。2取样原理在取样技术中，取样保持器是核心电路，取样保持器在原理上可等效为一个取样开关（取样门）和保持电容的串联。在实时取样条件下，以为取样间隔，完成一个信号周期（T）的采样需n次，即；在非实时取样时，设每m个信号周期取样一次，经过n次取样之后完成对信号的一次取样循环，那么，一次取样循环的时间t和信号周期T的关系为 即，非实时取样后得到的n个取样点形成的包络等效为原信号的一个周期，而这n个取样点来自于原信号的（mn+1）个周期，因而，取样后比原信号频率降低了（

26、mn+1）倍。非实时采样只适用于周期性信号。随机采样也是经过若干个信号周期取得一组取样值，但取样不是顺序进行，而是随机出现的，取样时同时记录取样点出现的相对位置，这样在显示时才能根据不同的位置，确定信号的采样点，从而确定信号。3 显示原理连续周期信号经（非实时）取样后，得到一系列时间上离散的采样点（窄脉冲串），并经放大和延长电路后保持，再通过Y放大器施加到Y偏转板，荧光屏上将显示出一系列不连续的光点，当这些光点足够密集时，则可观测到近似连续的波形。取样示波器中的水平扫描信号为阶梯波电压，阶梯持续时间，阶梯数对应屏幕上显示的不连续的光点数。对于随机取样，光点的显示也是依照取样的先后进行的，因而，

27、扫描电压不是规则的阶梯波，而应该根据每个样点原来的位置分别扫描。3.3.2取样示波器的组成及工作原理取样示波器主要由示波管、X通道和Y通道组成。与普通示波器相比，主要差别是增加了取样电路和步进脉冲发生器。垂直Y通道由延迟线、延长门和Y放大器等电路组成，最关键的电路是取样电路，它产生正比于取样值的阶梯电压。被测信号经延迟线送至取样门，在步进延迟的取样控制下取样。取样信号经放大和脉冲延长后送到偏转放大器。水平X系统由触发电路、步进脉冲发生器、扫描信号发生器和X放大器等电路组成。被测信号或外触发信号经触发电路产生所需的触发同步信号。该信号馈入步进脉冲发生器，产生步进延迟脉冲。步进延迟脉冲送到垂直系统

28、，控制取样脉冲发生器和延长门控制器，另外，步进延迟还用于控制水平扫描电路。每一个步进延迟脉冲送至阶梯波发生电路，产生阶梯电压。阶梯波每上升一阶，示波管屏幕上隔一定距离就显示一个光点，所以取样示波器屏幕上的扫描线是由断续的光点组成的，每两点相差一个阶梯电压。2.取样示波器的垂直通道垂直通道中的取样电路产生正比于取样值的阶梯电压。取样门的种类很多，有单管门、平衡门、行波门和闭环取样电路等。闭环取样电路的组成框图如图7-32所示。3.取样示波器的水平通道取样示波器的X通道主要包括触发、放大、分频单元、快斜波发生器、比较器、阶梯波发生器和X放大器。最有特色的阶梯波发生器，主要用来产生每隔mT+t上升一

29、级的阶梯波，产生形成取样和延长门的t步进延迟脉冲，触发脉冲由被测信号经m倍分频产生，用于启动快斜波发生器，使之输出快斜波。在电压比较器中，快斜波与阶梯波发生器产生的阶梯波进行比较，当快斜波达到阶梯波的幅度时，电压比较器的输出状态发生变化，此变化电压经脉冲形成电路形成脉冲。脉冲有两个作用：一方面使取样脉冲发生器输出一个取样步进脉冲加到Y通道，打开Y通道的取样门对被测信号进行取样；另一方面驱动泵发生器使阶梯发生器的输出升高一个台阶。由于在取样过程中阶梯波不断逐阶提高，快斜波又具有良好的线性，以至每一次快斜波到达阶梯波高度的时刻都要比上一次推迟一段时间t。3.3.3取样示波器的主要参数（1）取样示波器的带宽 对取样门的要求是元件的高频特性要足够好；取样脉冲本身要足够窄，。当取样门所用元件工作频率足够高时，取样门的最高工作频率与取样脉冲底边的宽度成反比。（3）等效扫速 等效扫速定义为被测信号经历时间与水平方向展宽的距离比。在通用示波器中扫描速度为荧光屏每厘米代表的时间（t/cm）。在取样示波器中，虽然在屏幕上显示n个亮点需要n（mT+t）的时间，但它等效于被测信号经过了n