电子测量仪器教案 第4章.docx

1、电子测量仪器教案 第4章课题 第四章电子示波器4.1概述4.2示波器测试的基本原理（一）教学目标知识与能力：1掌握电子示波器的定义、分类等。2理解阴极射线示波管和波形显示的原理。过程与方法： 通过观察和讲解，情感、态度与价值观： 培养学生的严谨的科学态度教学重点阴极射线示波管和波形显示的原理。教学难点阴极射线示波管和波形显示的原理。新授课4.1概述显示器：阴极射线示波管。实质：电过程 图像（通过阴极射线示波器来实现）。用途：测量信号的波形；测量信号的电压、频率、周期、相位差等。利用传感器，还可测量各种非电量。示波器工作方式：X - Y，反映两个信号之间的函数关系。分类：通用示波器（包括简易示波

2、器、慢扫描示波器、多线示波器和多踪示波器等）；取样示波器；存储示波器；特种示波器等。4.2示波测试的基本原理4.2.1阴极射线示波管示波器管：静电偏转的阴极射线示波管。电气结构：电子枪、偏转系统和荧光屏。整个密封在玻璃壳内，成为大型的电真空器件。实质：电信号 光信号。普通示波器的结构示意图及供电电路如图所示。1电子枪组成：灯丝（F）、阴极（K）、控制栅极（G）、第一阳极（A1）、第二阳极（A2）和后加速极（A3）。作用：发射电子并形成很细的高速电子束，撞击荧光屏而发光。灯丝：加热阴极。阴极：发射电子，控制射向荧光屏的电子流密度，改变荧光屏亮点的辉度。控制栅极：控制射向荧光屏的电子流密度，从而改

3、变荧光屏亮点的辉度。（实现：调节电位器RP1，改变栅、阴极之间的电位差）。第一阳极和第二阳极：加速电子束，聚焦作用。RP2“聚焦”电位器：改变第一阳极的电位。RP3“辅助聚焦”电位器：改变第二阳极的电位。调节RP2和RP3：使电子束在荧光屏上会聚成点，保证清晰度。注意：示波管的“辉度”与“聚焦”相互关连的。在使用示波器时，这二者经常要配合调节。后加速极A3（位于荧光屏与偏转板之间）：加速电子束，增加光迹辉度。练习习题小结1电子示波器（简称示波器）：利用印记涉嫌示波管作为显示器的一种电子测量仪器。它可以把人眼看不见的电过程转换成具体的可见图像，主要用于被测信号的波形，并可以通过显示的波形测量被测

4、信号的电压、频率、周期、相位差等。利用传感器，示波器还可测量各种非电量。2示波器分类：通用示波器（包括简易示波器、慢扫描示波器、多线示波器和多踪示波器等）；取样示波器；存储示波器；特种示波器等。3示波器电器结构包括：电子枪、偏转系统和荧光屏。布置作业习题课题 4.2示波器测试的基本原理（二）教学目标知识与能力： 阴极射线示波管和波形显示的原理。过程与方法： 通过观察和讲解，情感、态度与价值观： 培养学生的严谨的科学态度教学重点阴极射线示波管和波形显示的原理。教学难点阴极射线示波管和波形显示的原理。新授课2偏转系统垂直偏转在前（靠近第二阳极），水平偏转板在后。两对偏转板各自形成静电场，分别控制电

5、子束在垂直和水平方向的偏转。电子束在偏转电场作用下的运动规律（以垂直偏转板为例），其偏转距离y可用下式来表示。y = SyUy式中Sy垂直偏转灵敏度，单位：每伏厘米，符号：cm/V；Uy加于垂直两偏转板上的电压，单位：伏，符号：V。Sy表示：加在垂直偏转板上的每伏电压所能引起的偏转距离（示波测量方法的理论基础）。注意：此结论也适于交流电压。示波器垂直偏转因数Dy：单位：V /cm。表示：光点在Y方向偏转1 cm所需加在Y轴偏转板上的电压值（峰-峰值）。3荧光屏原理：荧光膜（高速电子束轰击） 电子光点 余辉 当电子束随信号电压偏转时，光点轨迹移动 形成信号波形。注意：不应当使亮点长时间停留于一个

6、位置（原因：高速电子束轰击荧光屏，产生热，过热会减弱磷光物质的发光效率，严重时烧成一个黑斑）。有效面积：中间平整的部分（矩形的较之圆形平有效面积较大）。使用时，应尽量使波形映现在有效面积内。外刻度片：在荧光屏的外边加一块用有机玻璃，标有垂直和水平方向的刻度。内刻度片：有的分度刻在荧光屏玻璃内侧（优点：消除波形与刻度片不再同一平面上所造成的视觉误差）。4.2.2波形显示原理1波形显示电子束受ux和uy共同作用的结果。观测原理：偏转特性（即：电子束的偏转距离正比于加到偏转板上的电压大小）。电子束沿两个方向的运动是相互独立的，亮点的位置取决于同时加在两副偏转板上的电压，当不加任何信号或分别为等电位时

7、，亮点则处于中心位置。当只在垂直板上加一个随时间做周期性变化的被测电压，则电子束沿垂直方向运动，其轨迹为一水平线段（水平亦同）。两种情况分别如图（a）和（b）所示。要显示被测电压随时间变化的波形，就要把屏幕作为一个直角坐标，其垂直轴作为电压轴，水平轴作为时间轴，使电子束在垂直方向偏转距离正比与被测电压的瞬时值，水平方向作恒速运动。则必须在示波器的水平偏转板上加随时间线性变化的扫描锯齿波电压。练习习题小结1扫描：当仅在水平偏转板上加锯齿波电压时，亮点沿水平方向从左至右恒速运动。当扫描电压达到最大时，亮点亦达最大偏移，然后从该点迅速返回至起始点。若扫描电压重复变化，在屏幕上就显示一条亮线，这个过程

8、称为“扫描”。2扫描正程：亮点由左边起始点到达最右端的过程称为“扫描正程”。3扫描回程（扫描逆程）：从最右端迅速返回起始点的过程叫做“扫描回程”或“扫描逆程”。4扫描线：上述水平亮线称“扫描线”。5电子束在偏转电场作用下其偏转距离y可用下式来表示 y = SyUy布置作业习题课题 4.2示波器测试的基本原理（三）教学目标知识与能力： 阴极射线示波管和波形显示的原理。过程与方法： 通过观察和讲解，情感、态度与价值观： 培养学生的严谨的科学态度教学重点阴极射线示波管和波形显示的原理。教学难点阴极射线示波管和波形显示的原理。新授课2扫描扫描电压：观察信号时，在垂直偏转板上加锯齿波电压。理想的锯齿波如

9、图所示。扫描：在水平偏转板上加锯齿波电压时，亮点沿水平方向从左至右恒速运动。当电压达到最大时，亮点达最大偏移，然后迅速返回至起始点。若电压重复变化，在屏幕上就显示一条亮线，这个过程称为“扫描”。亮点由左边起始点到达最右端的过程称为“扫描正程”，反之叫做“扫描回程”或“扫描逆程”。上述水平亮线称“扫描线”。注意：应将正程形成的光迹增辉或逆程形成的光迹隐去，只显示扫描正程时得到的被测信号波形（目的：使波形清晰）。波形扫描：在水平偏转板有扫描电压作用的同时，若在垂直转板上加被测信号电压，就可以将其波形显示在荧光屏上，如图所示。如果扫描电压ux的周期Tx正好等于被测电压uy的周期Ty，则在uy与ux共

10、同作用下，亮点的光迹正好是一条与uy相同的曲线，亮点从O点经1、2、3至4点的移动为正程。从4点迅速返回点的移动为回程。图中的回程时间为零。屏幕的X轴看作时间轴。亮点在水平偏转的距离大小代表了时间的长短，故也称为扫描线为时间基线。3同步如果使Tx = 2Ty，则在荧光屏上显示如图的波形。由于波形多次重复出现，而且重叠在一起，所以可观察到一个稳定的波形（图中显示两个周期的波形）。结论：增加显示波形的周期数，则应增加扫描电压ux的周期（即降低ux的频率）。荧光屏显示被测信号的周期个数就等于Tx与Ty之比n（n为正整数）。如果Tx不是Ty的整数倍，会有什么结果呢？下图所示是时情况。结论：波形向左或向

11、右跑动的原因：Tx与Ty不成整数倍的关系，形成每次扫描的起始点不对应被测信号相同相位点。获得稳定的波形，则必使Tx = nTy，这就是同步。电子束在被测电压与同步扫描电压的共同作用下，亮点在荧光屏上所描绘的图形反映了被测信号随时间的变化过程，多次重复就形成稳定的波形。练习习题小结1扫描：当仅在水平偏转板上加锯齿波电压时，亮点沿水平方向从左至右恒速运动。当扫描电压达到最大时，亮点亦达最大偏移，然后从该点迅速返回至起始点。若扫描电压重复变化，在屏幕上就显示一条亮线，这个过程称为“扫描”。2扫描正程：亮点由左边起始点到达最右端的过程称为“扫描正程”。3扫描回程（扫描逆程）：从最右端迅速返回起始点的过

12、程叫做“扫描回程”或“扫描逆程”。4扫描线：上述水平亮线称“扫描线”。5电子束在偏转电场作用下其偏转距离y可用下式来表示 y = SyUy布置作业习题课题 4.3通用示波器（一）教学目标知识与能力： 掌握通用示波器的基本组成、主要性能指标。过程与方法： 通过观察和讲解，情感、态度与价值观： 培养学生的严谨的科学态度教学重点掌握通用示波器的基本组成、主要性能指标。教学难点掌握通用示波器的基本组成、主要性能指标。新授课4.3通用示波器4.3.1通用示波器的基本组成1通用示波器的组成框图组成框图如图所示。（1）Y系统（垂直系统）组成：衰减器、放大器及延迟线等。作用：放大被测信号电压，以驱动电子束作垂

13、直偏转。（2）X系统（水平系统）组成：同步触发电路、扫描发生器及X放大器。扫描发生器及X放大器的作用：产生扫描锯齿波加以放大，以驱动电子束进行水平扫描。同步触发电路：保证波形稳定。（3）主机系统组成：示波管、增辉电路、电源和校准信号发生器。增辉电路的作用：在扫描正程使光迹加亮，或在扫描回程使光迹消隐。电源电路：将交流电变换成多种高、低压电源。校准信号发生器：提供幅度、周期都很准确的方波信号，用作校准性能指标。2通用示波器的主要技术性能（1）Y通道的频域与时域响应 频域响应（频带宽度）：上限频率fH与下限频率fL之差（fL一般为0 Hz，可用上限频率fH来表示）。 瞬态响应（时域相应）： Y通道

14、放大电路在方波脉冲输入信号作用下的过渡特性。表示参数：上升时间（tr）、下降时间（tf）等。fH与tr的联系：fHtr350式中fH 示波器的频带宽度，单位为兆赫，符号为MHz； tr Y通道的上升时间，单位为纳秒，符号为ns。两者决定了最高信号频率（指周期性连续信号）和脉冲的最小宽度。（2）偏转因数定义：输入信号在无衰减的情况下，亮点在屏幕的Y方向上偏转单位长度所需的电压峰 - 峰值。单位：Vp-p/cm或Vp-p/div。下限：示波器观测微弱信号的能力；上限：输入端所允许加的最大电压（峰 - 峰值）。（3）输入阻抗包括：输入电阻Ri(越大越好)和输入电容Ci（越小越好）。（4）扫描速度表示

15、：时基因数（定义：在无扩展情况下，亮点在X方向偏转单位距离所需的时间，“t/cm(div)”量度；t可取s、ms或s。）扫描速度越高（即t/cm值越小），能够展开高频率信号或窄脉冲信号的能力越强；反之，观测缓慢变化的信号，则要求极慢的扫描速度。观测很宽频率范围的信号，要求有很宽范围的扫描速度。练习习题小结1（1）Y系统（垂直系统）组成：Y系统由衰减器、放大器及延迟线。主要作用：放大被测信号电压，使之达到适当幅度，以驱动电子束作垂直偏转。（2）X系统（水平系统）组成：同步触发电路、扫描发生器及放大器。扫描发生器及X放大器的作用：产生扫描锯齿波加以放大，以驱动电子束进行水平扫描。同步触发电路：保证

16、荧光屏上显示的波形稳定。布置作业习题课题 4.3通用示波器（二）教学目标知识与能力： 掌握示波器的垂直系统和水平系统基本组成、输入电路及各部件的作用。过程与方法： 通过观察和讲解，情感、态度与价值观： 培养学生的严谨的科学态度教学重点示波器的垂直系统和水平系统基本组成、输入电路及各部件的作用。教学难点示波器的垂直系统和水平系统基本组成、输入电路及各部件的作用。新授课4.3.2示波器的垂直系统（Y通道）使显示的波形接近被测信号的波形，则要求Y通道必须再现输入信号。Y通道作用：要探测被测信号，对它进行不失真的衰减和放大；具有倒相作用，将被测信号对称地加到Y偏转板； Y通道还应有延时功能，为了和X通

17、道相配合，并能向其提供内触发源。基本组成如图。1输入电路作用：引入被测信号；阻抗变换、电压变换。平衡对称输出优点：适当的输入阻抗、高的灵敏度、大的过载能力、适当的耦合方式，靠近被测信号源。输入电路组成框图如图所示。（1）探头作用：直接探测被测信号，提供高输入阻抗，减小波形失真及展宽示波器的工作频率等。分类：有源探头和无源探头。无源探头：由R、C组成，其原理电路如图所示。C：可变电容，调整对频率变化的影响进行补偿。调整时，可由探头输入一个标准方波，按下图进行调整。一般对信号衰减10倍，也有的探头的衰减系数由1和10两种，供使用时灵活选择。（2）耦合方式选择开关直流耦合“DC”位：信号可直接通过。

18、交流耦合“AC”位：信号必须经C耦合至衰减器，只有交流分量才可通过。 “”（接地）位：在不需展开被测信号的情况下，可提供接地参考电平。（3）步进衰减器作用：测量较大信号时，先经衰减再输入，使信号在Y通道传输时不至于因幅度过大而失真或引起仪器损坏。电路采用具有频率补偿的阻容衰减器，如图所示。当需要改变衰减量时，可由切换开关切换不同的衰减电路来实现。当图中满足R1C1 = R2C2（C1做成可调）时，分压电路的衰减量与信号频率无关，其值恒为注意：衰减开关的转换是示波器的Y偏转灵敏度（或偏转因数）。练习习题小结（3）主机系统组成：示波管、增辉电路、电源和校准信号发生器。增辉电路的作用：在扫描正程使光

19、迹加亮，或在扫描回程使光迹消隐。电源电路：将交流电变换成多种高、低压电源，以满足示波器及其它电路工作需要。校准信号发生器：提供幅度、周期都很准确的方波信号，用作校准示波器的有关性能指标。2延迟线：Y通道中插入延迟线的目的，是为了补偿X通道中固有的时间延迟，使被测信号不比扫描信号先到达偏转板。这样，就可以从荧光屏上观察到被测信号的起始部分。布置作业习题课题 4.3通用示波器（三）教学目标知识与能力： 掌握示波器的垂直系统和水平系统基本组成、输入电路及各部件的作用过程与方法： 通过观察和讲解，情感、态度与价值观： 培养学生的严谨的科学态度教学重点示波器的垂直系统和水平系统基本组成、输入电路及各部件

20、的作用。教学难点示波器的垂直系统和水平系统基本组成、输入电路及各部件的作用。新授课2延迟线作用：可荧光屏上观察到被测信号的起始部分（补偿X通道中固有的时间延迟，使被测信号不比扫描信号先到达偏转板）。3Y通道中的放大器Y通道放大器：带有高频补偿网络的多级差分反馈放大电路（宽带放大器）。任务：将被测信号不失真地放大到足够幅度，使电子束在Y方向获得足够偏转。在Y放大器中还设有极性倒换、移位、寻迹等功能。4触发放大电路目的：从延迟线之前引出的被测信号，先经过此电路加以放大，以便有足够幅度驱动触发整形电路。5双踪显示原理双踪示波器：采用单束示波管“同时”显示两个被测信号波形的示波器。用途举例：显示并比较

21、两个既相互关联而又相互独立的被测信号之间的时间、相位及幅度的关系，或实现信号的“和”或“差”显示。结构特点（与其余的单踪不同）：在Y通道中多设一个前置放大器、两个门电路和一个电子开关。下图是双踪示波器的简化结构图。显示方式： YA、YB、YA YB、交替和断续。前三种：单踪显示，YA、YB只有一个信号；YA YB显示的波形为两个信号的和或差。重点讨论另外两种显示方式。（1）交替电子开关的转换频率受扫描电路控制，以一个扫描周期为间隔，轮流接通YA和YB。轮流显示uA与uB的波形，如图所示。适用：被测信号频率较高的场合。注意：产生“相位误差”。解决方法：用相位超前的信号作固定的内触发源，或者改用“

22、断续”的显示方式。（2）断续电子开关工作在自激振荡状态（不受扫描电路控制），将两个被测信号分为很多小段轮流显示，如图所示。适用：被测信号频率较低的场合。练习习题小结3双踪示波器的显示方式有五种：YA、YB、YA YB、交替和断续。（1）交替：电子开关的转换频率受扫描电路控制，以一个扫描周期为间隔，电子开关轮流接通YA和YB。随着扫描周期的更替，轮流显示uA与uB的波形。（2）断续：电子开关工作在自激振荡状态（不受扫描电路控制），将两个被测信号分为很多小段轮流显示。布置作业习题课题 4.3通用示波器（四）教学目标知识与能力：1掌握电子示波器的定义、分类等。2理解阴极射线示波管和波形显示的原理。过

23、程与方法： 通过观察和讲解，情感、态度与价值观： 培养学生的严谨的科学态度教学重点阴极射线示波管和波形显示的原理教学难点阴极射线示波管和波形显示的原理新授课4.3.3示波器的水平系统（X通道）1任务：（1）产生并放大锯齿波电压（与时间呈现线形关系） 电子束线性偏移（沿水平方向） 时间基线。（2）选择触发或同步信号 产生扫描电压。（3）产生增辉或消隐信号 控制Z通道。组成：触发整形电路、扫描发生器电路和X放大电路。2触发整形电路任务：触发信号 触发脉冲（一定幅度、宽度、陡度和极性） 触发时基闸门 同步扫描。触发整形电路的原理框图如图所示。（1）触发源选择S1选择。内触发：触发信号源来自Y通道中触

24、发放大器的被测信号。外触发：外接信号触发扫描（适用：当被测信号不适宜作触发信号源或为了比较两个信号的时间关系等用途时，外接一个与被测信号有严格同步关系的信号来触发扫描电路）。电源触发：市电降压以后的50Hz正弦波作触发信号源。（2）触发耦合方式S2选择。DC直流耦合：接入直流或变化缓慢的信号，或者频率很低且含有直流成分的信号。方式：外触发或连续扫描的。AC交流耦合：观察由低频到较高频率的信号，方式：“内”、“外”、“电源”触发。AC（H）高频耦合：用于观察高频信号。（3）触发极性由开关触发极性开关S3（位置决定开始扫描的时刻）选择。当S3置于“+”，则在测量信号（用“内触发”讨论，下同）的上升

25、部分某时刻开始产生锯齿波，开始扫描。当S3置于“-”，则在下降部分某时刻开始扫描。（4）触发电平由“触发电平”电位器Rp选择触发点。控制锯齿波电压的起始时刻。（5）放大整形电路组成：电压比较器、施密特电路、微分及削波电路。电压比较器：将触发信号与Rp确定的电平进行比较，输出信号经整形产生矩形脉冲，经微分、削波电路之后变为扫描发生器所要求的触发脉冲。练习习题小结1电子示波器（简称示波器）：利用印记涉嫌示波管作为显示器的一种电子测量仪器。它可以把人眼看不见的电过程转换成具体的可见图像，主要用于被测信号的波形，并可以通过显示的波形测量被测信号的电压、频率、周期、相位差等。利用传感器，示波器还可测量各

26、种非电量。2示波器分类：通用示波器（包括简易示波器、慢扫描示波器、多线示波器和多踪示波器等）；取样示波器；存储示波器；特种示波器等。3示波器电器结构包括：电子枪、偏转系统和荧光屏。布置作业习题课题 4.3通用示波器（五）教学目标知识与能力： 理解阴极射线示波管和波形显示的原理。过程与方法： 通过观察和讲解，情感、态度与价值观： 培养学生的严谨的科学态度教学重点阴极射线示波管和波形显示的原理。教学难点阴极射线示波管和波形显示的原理。新授课3扫描发生器（时基发生器）电路原理框图如下图中有关部分。组成：时基闸门、扫描电压产生电路、电压比较电路及释抑电路。上述电路组成一个闭环，故也称扫描发生环。（1）

27、工作过程触发脉冲开启扫描门（扫描正程开始）。扫描电压 锯齿波扫描电压 X放大器和电压比较器 扫描电压达到预定幅度，释抑电路产生停止信号 时基闸门 闸门关闭 扫描电压产生电路进入逆程期。释抑电路：“抑制”作用，防止后续触发脉冲去启动闸门。直到闸门输入端及扫描电压产生电路完全恢复到初始状态，才释放闸门。释抑期：从扫描逆程开始到闸门“释放”时为止的一段时间（比逆程期长）。结论：一次扫描至少应包括扫描正程期和释抑期。释抑期要能完成扫描过程，保证电路恢复到初始状态，使每次有效触发都发生在释抑期结束之后，否则会引起扫描晃动。（2）环路工作过程分析调节“稳定度”电位器：使时基闸门输入端的起始电平 下触发电平

28、。时基闸门关闭，扫描发生器不工作，环路中有关位置的电平如图中a点。触发脉冲（触发整形电路） 时基闸门输入端，使其瞬间电平 下触发电平 实际闸门打开，锯齿波（扫描发生器产生）（如图b点） X放大器及电压比较电路。锯齿波 预定值（如图中c点）：比较电路有输出，释抑电路有输出，使时基闸门输入端瞬时电位随着锯齿波增长而升高。锯齿波 规定值（如图中d点）：时基闸门输入端的电平升至上触发电平，使闸门关闭，扫描锯齿波正程结束，开始回程。时基闸门输入端（释抑电路的影响），向初始电平变化，保证在扫描电压产生电路输出端电平恢复到起始电平后，时基闸门输入端才回复到初始电平（如图中e点）。闸门被后续触发脉冲有效触发，

29、开始下一次扫描。图中T1为锯齿波正程；T2为锯齿波回程；th为释抑时间；T0为休止期；T为锯齿波周期。选择扫描速度（或X轴偏转因数），改变扫描电压产生电路中时基电阻和时基电容。4X放大器（1）放大扫描电压，使电子束在水平方向获得足够偏转。（2）扩展扫速、水平移位、寻迹等功能。（3）当工作于X - Y方式，作为X外接输入信号的传输通道。5连续扫描与触发扫描（1）连续扫描：扫描发生器环路于自激状态，无论被测信号是否存在，连续输出锯齿波，经X放大器放大，加到X偏转板，使扫描连续进行（波形稳定：由触发整形电路输出同步脉冲）。适于：正弦波等连续波。（2）触发扫描：扫描发生器环路于他激状态，由触发脉冲控制

30、是否扫描（注意：不一定每个触发脉冲都能启动扫描）。适于：测量脉冲信号特别是脉宽较窄的脉冲。（3）扫描方式选择：调节“稳定度”电位器，下图来说明。电位器靠近A点 时基闸门输入端初始电平 下触发电平 连续扫描，如图（b）。电位器靠近B点 时基闸门输入端起始电位很高，使触发脉冲输入 下触发电平 “不触发”状态，如图（d）。电位器滑动端的位置使实际闸门输入端电位处于上、下触发电平 “触发扫描”状态，如图（c）。（4）调节电位器（稳定度旋钮）方法： 无触发信号：调节出现扫描线（即进入连续扫描状态）；相反方向调节，使扫描线刚好消失，处于触发扫描状态。 接入被测信号，出现稳定的波形（必要时对电位器调节）。（4）单次扫描和自动扫描单次扫描：电子束只扫描一次（适于：观察非周期性或单次信号）。自动扫描：触发信号消失，扫描信