電子測量與儀器課件 第四章 波形測試與儀器1

1、第4章 波形測試與儀器 14.1 概述概述示波器，借助陰極射線示波管電子射線的偏轉(zhuǎn)將電信號變示波器，借助陰極射線示波管電子射線的偏轉(zhuǎn)將電信號變換成可見圖像，實現(xiàn)波形的顯示，實現(xiàn)電壓、周期、頻率、時換成可見圖像，實現(xiàn)波形的顯示，實現(xiàn)電壓、周期、頻率、時間、相位、調(diào)制系數(shù)等參數(shù)的測量。示波器也是構(gòu)成特性曲線間、相位、調(diào)制系數(shù)等參數(shù)的測量。示波器也是構(gòu)成特性曲線測試儀器等的重要組成部分測試儀器等的重要組成部分.示波器按其性能、結(jié)構(gòu)分為示波器按其性能、結(jié)構(gòu)分為：（1）通用示波器通用示波器:單束示波管，它分為單蹤、雙蹤、多蹤示波器。單束示波管，它分為單蹤、雙蹤、多蹤示波器。（2）多束示波器）多束示波器:

2、多束示波管，同時觀測、比較兩個以上的波形。多束示波管，同時觀測、比較兩個以上的波形。（3）取樣示波器）取樣示波器取樣示波器將高頻、超高頻信號經(jīng)取樣變換為較低頻率信號后再顯示，取樣示波器將高頻、超高頻信號經(jīng)取樣變換為較低頻率信號后再顯示，適用于測量高頻、超高頻信號。適用于測量高頻、超高頻信號。（4）存儲示波器）存儲示波器:可存儲被測信號，用于異地觀測、分析測量。可存儲被測信號，用于異地觀測、分析測量。（5）專用示波器）專用示波器: 滿足特殊用途，如電視示波器，矢量示波器等滿足特殊用途，如電視示波器，矢量示波器等第4章 波形測試與儀器 24.2 波形測試的基本原理波形測試的基本原理4.2.1 陰極

3、射線示波管陰極射線示波管 用來將電信號變換為光信號而加以顯示。用來將電信號變換為光信號而加以顯示。CRT主要由電子主要由電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三大部分組成，它們都封裝在密閉呈槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三大部分組成，它們都封裝在密閉呈真空的玻璃殼內(nèi)，其結(jié)構(gòu)如圖真空的玻璃殼內(nèi)，其結(jié)構(gòu)如圖4.1所示。所示。1. 電子槍電子槍電子槍用來發(fā)射電子并形成很細(xì)的高速電子束。它主要由燈絲電子槍用來發(fā)射電子并形成很細(xì)的高速電子束。它主要由燈絲F、陰極、陰極K、控制柵極控制柵極G、第一陽極、第一陽極A1、第二陽極、第二陽極A2和后加速陽極和后加速陽極A3組成。組成。2. 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng) 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的作用是：掃描電壓、

4、被測信號加到偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的作用是：掃描電壓、被測信號加到X、Y偏轉(zhuǎn)板上時，各偏轉(zhuǎn)板上時，各自在自在X、Y偏轉(zhuǎn)板間形成偏轉(zhuǎn)電場，分別使電子束產(chǎn)生在偏轉(zhuǎn)板間形成偏轉(zhuǎn)電場，分別使電子束產(chǎn)生在X、Y方向上的位方向上的位移，由此確定出亮點在熒光屏上的位置。移，由此確定出亮點在熒光屏上的位置。3. 熒光屏熒光屏第4章 波形測試與儀器 3電子槍電子槍控制柵極控制柵極G陰極陰極K燈絲燈絲F偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)第一陽極第一陽極A1第二陽極第二陽極A2Y1Y2X1X2后加速陽極后加速陽極A3熒光屏熒光屏偏轉(zhuǎn)板偏轉(zhuǎn)板輔助聚焦輔助聚焦聚焦聚焦輝度輝度+RP1RP2RP3圖圖4.1 陰極射線示波管結(jié)構(gòu)示意圖陰極射線示波管結(jié)構(gòu)示

5、意圖 第4章 波形測試與儀器 44.2.2 波形顯示原理波形顯示原理1. 波形顯示波形顯示示波管未加偏轉(zhuǎn)電壓示波管未加偏轉(zhuǎn)電壓時，電子束打在熒光屏中心位置上而產(chǎn)生亮點。電子束打在熒光屏中心位置上而產(chǎn)生亮點。示波管示波管X、Y偏轉(zhuǎn)板上都只加直流電壓時，也可以在熒光屏上得到一偏轉(zhuǎn)板上都只加直流電壓時，也可以在熒光屏上得到一個位置產(chǎn)生變化的亮點。每個亮點所在的位置都可以設(shè)為起始點。個位置產(chǎn)生變化的亮點。每個亮點所在的位置都可以設(shè)為起始點。被測信號的波形可以看作是由很多亮點構(gòu)成的，由示波管的線性偏轉(zhuǎn)被測信號的波形可以看作是由很多亮點構(gòu)成的，由示波管的線性偏轉(zhuǎn)特性可知，每個亮點在特性可知，每個亮點在X、

6、Y方向上的坐標(biāo)（即相對于起始點的距離）分別方向上的坐標(biāo)（即相對于起始點的距離）分別與被測信號波形中該點的時間及瞬時電壓成正比。與被測信號波形中該點的時間及瞬時電壓成正比。垂直、水平偏轉(zhuǎn)板上加被測電壓、掃描電壓時，電子束受到垂直、水垂直、水平偏轉(zhuǎn)板上加被測電壓、掃描電壓時，電子束受到垂直、水平偏轉(zhuǎn)板的共同作用，使電子束每一時刻產(chǎn)生的亮點的垂直位移與被測電平偏轉(zhuǎn)板的共同作用，使電子束每一時刻產(chǎn)生的亮點的垂直位移與被測電壓的瞬時電壓成正比，而在時間上則一一對應(yīng)，這樣就在熒光屏上得到一壓的瞬時電壓成正比，而在時間上則一一對應(yīng)，這樣就在熒光屏上得到一個留存時間很短的亮點軌跡，即波形。個留存時間很短的亮點

7、軌跡，即波形。被測信號是周期性信號，每次得到的波形又能完全重復(fù)，并且每次重被測信號是周期性信號，每次得到的波形又能完全重復(fù)，并且每次重復(fù)的間隔時間又很短，就可以得到穩(wěn)定的被測信號波形。復(fù)的間隔時間又很短，就可以得到穩(wěn)定的被測信號波形。第4章 波形測試與儀器 5 2. 掃描及同步掃描及同步 圖圖4.2為掃描電壓實際波形。為掃描電壓實際波形。 掃描正程時：增輝掃描正程時：增輝 掃描逆程時：消隱。掃描逆程時：消隱。 掃描休止時：消隱掃描休止時：消隱。TbTSTwTx=TS+Tb+Twtux(t)0圖圖4.2 掃描電壓實際波形掃描電壓實際波形正程波形正程波形（與被測信號波形相同（與被測信號波形相同）回

8、掃線回掃線休止線休止線圖圖4.3 不消隱時顯示的波形不消隱時顯示的波形第4章 波形測試與儀器 6如果要得到穩(wěn)定的如果要得到穩(wěn)定的周期性被測信號波形周期性被測信號波形必須滿足同步條件：必須滿足同步條件：Tx=Ts+Tb+Tw=nTy（n為正整數(shù)） 被測信號和掃描電壓對電被測信號和掃描電壓對電 子束的作用時間總是相等的。子束的作用時間總是相等的。示波器一般采用電示波器一般采用電平觸發(fā)的方法獲取被測信號平觸發(fā)的方法獲取被測信號的周期信息，從而實現(xiàn)掃描的周期信息，從而實現(xiàn)掃描電壓與被測信號的同步，這電壓與被測信號的同步，這個過程稱為觸發(fā)同步個過程稱為觸發(fā)同步Tx=Ts+Tb=3TyTs=2TyTb=T

9、yttux(t)uy(t)00正程終點正程終點（逆程起點）（逆程起點）正程起點正程起點（逆程終點（逆程終點）正程波形正程波形回掃線回掃線對折方向?qū)φ鄯较驅(qū)?折對 折 軸 線軸 線圖圖4.4 顯示波形的取得顯示波形的取得第4章 波形測試與儀器 74.3 通用示波器的基本組成及技術(shù)指標(biāo)通用示波器的基本組成及技術(shù)指標(biāo)4.3.1 基本組成基本組成主要由主要由X通道、通道、Y通道、主機三大部分組成。單蹤示波器的基本組成如通道、主機三大部分組成。單蹤示波器的基本組成如圖圖4.5所示。所示。（1）X通道（水平系統(tǒng)）通道（水平系統(tǒng)） X通道由觸發(fā)電路、掃描電路和通道由觸發(fā)電路、掃描電路和X放大器組成。它的主要

10、作用是：在放大器組成。它的主要作用是：在觸發(fā)信號的作用下，輸出大小合適、極性相反的對稱掃描電壓，以驅(qū)動電子觸發(fā)信號的作用下，輸出大小合適、極性相反的對稱掃描電壓，以驅(qū)動電子束水平偏轉(zhuǎn)。束水平偏轉(zhuǎn)。（2）Y通道（垂直系統(tǒng)）通道（垂直系統(tǒng)）Y通道由衰減器、前置放大器、延遲級、輸出放大器等組成。它的主通道由衰減器、前置放大器、延遲級、輸出放大器等組成。它的主要作用是：對單端輸入的被測信號進(jìn)行變換、處理要作用是：對單端輸入的被測信號進(jìn)行變換、處理（3）主機部分）主機部分 主機部分主要包括標(biāo)準(zhǔn)信號源、增輝電路、電源、示波管等部分。主機部分主要包括標(biāo)準(zhǔn)信號源、增輝電路、電源、示波管等部分。第4章 波形測試

11、與儀器 8探探極極Y衰減器衰減器Y前置前置放大器放大器延遲級延遲級Y輸出輸出放大器放大器Y偏偏轉(zhuǎn)板轉(zhuǎn)板觸發(fā)觸發(fā)電路電路掃描電路掃描電路X放放大器大器標(biāo)準(zhǔn)信號標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器發(fā)生器電源電源增輝增輝電路電路控制柵極控制柵極(或陰極或陰極)主機主機Y通道通道X偏偏轉(zhuǎn)板轉(zhuǎn)板“X”輸入輸入外同步外同步觸發(fā)輸入觸發(fā)輸入標(biāo)準(zhǔn)信號標(biāo)準(zhǔn)信號輸出輸出“X-Y”X通道通道“掃描掃描”S2S1內(nèi)外電源示波管示波管被測被測信號信號輸入輸入圖圖4.5 通用示波器基本組成通用示波器基本組成第4章 波形測試與儀器 94.3.2 主要技術(shù)指標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo)1. 頻帶寬度頻帶寬度BW和上升時間和上升時間tr Y通道輸入信號上、下限頻

12、率通道輸入信號上、下限頻率fH、fL之差，即之差，即BW=fHfL。 上升時間上升時間tr：表示在輸入脈沖等瞬變信號時示波器：表示在輸入脈沖等瞬變信號時示波器Y通道瞬態(tài)響應(yīng)特性通道瞬態(tài)響應(yīng)特性 即顯示波形從穩(wěn)定幅度的即顯示波形從穩(wěn)定幅度的10%上升到上升到90%所需的時間所需的時間 頻帶寬度頻帶寬度BW與上升時間與上升時間tr之間存在的關(guān)系如下：之間存在的關(guān)系如下：BWtr0.35式中，式中，BW（或（或fH）、）、tr的單位分別為的單位分別為MHz、s。 為了在測量時不產(chǎn)生明顯的測量誤差，通常要求為了在測量時不產(chǎn)生明顯的測量誤差，通常要求trtry/3（try為被測信號上升時間）為被測信號上

13、升時間）第4章 波形測試與儀器 10 2. 掃描速度掃描速度掃描速度是單位時間內(nèi)亮點水平移動距離，單位為掃描速度是單位時間內(nèi)亮點水平移動距離，單位為“cm/s”或或“div/s”。掃描速度越快，顯示的波形越寬，反之，越窄。掃描速度的倒數(shù)稱為掃描速度越快，顯示的波形越寬，反之，越窄。掃描速度的倒數(shù)稱為“時基因數(shù)時基因數(shù)”，單位為，單位為“t/cm”或或“t/div”，t可取可取s、ms或或s。示波器常用時基因數(shù)進(jìn)行水平方向標(biāo)度。示波器常用時基因數(shù)進(jìn)行水平方向標(biāo)度。當(dāng)當(dāng)“微調(diào)微調(diào)”旋鈕置于旋鈕置于“校準(zhǔn)校準(zhǔn)”位置時，時基因數(shù)的實際大小等于位置時，時基因數(shù)的實際大小等于“時基因數(shù)時基因數(shù)”旋鈕所指示

14、的數(shù)值。旋鈕所指示的數(shù)值。3. 偏轉(zhuǎn)因數(shù)偏轉(zhuǎn)因數(shù)偏轉(zhuǎn)因數(shù)是指在輸入信號作用下，亮點在熒光屏上移動偏轉(zhuǎn)因數(shù)是指在輸入信號作用下，亮點在熒光屏上移動1cm或或1div所需所需的電壓值，單位為的電壓值，單位為“mV/cm”或或“mV/div”或或“V/cm”、“V/div”，數(shù)值越小，數(shù)值越小，波形幅度越大。偏轉(zhuǎn)因數(shù)是通過變換波形幅度越大。偏轉(zhuǎn)因數(shù)是通過變換Y通道衰減器的衰減比，從而改變加到通道衰減器的衰減比，從而改變加到Y(jié)偏轉(zhuǎn)板上的信號電壓大小來實現(xiàn)的。偏轉(zhuǎn)因數(shù)的倒數(shù)稱為偏轉(zhuǎn)板上的信號電壓大小來實現(xiàn)的。偏轉(zhuǎn)因數(shù)的倒數(shù)稱為“偏轉(zhuǎn)靈敏度偏轉(zhuǎn)靈敏度”，單位為單位為“cm/V”或或“div/V”。 示波器

15、常用偏轉(zhuǎn)因數(shù)進(jìn)行垂直方向標(biāo)度，。示波器常用偏轉(zhuǎn)因數(shù)進(jìn)行垂直方向標(biāo)度，。當(dāng)當(dāng)“微調(diào)微調(diào)”旋鈕置于旋鈕置于“校校準(zhǔn)準(zhǔn)”位置時，偏轉(zhuǎn)因數(shù)的實際大小等于位置時，偏轉(zhuǎn)因數(shù)的實際大小等于“偏轉(zhuǎn)因數(shù)偏轉(zhuǎn)因數(shù)”旋鈕所指示的數(shù)值。旋鈕所指示的數(shù)值。第4章 波形測試與儀器 114.輸入阻抗輸入阻抗Zi 示波器輸入阻抗示波器輸入阻抗Zi，即被測電路的等效負(fù)載，可等效為輸入，即被測電路的等效負(fù)載，可等效為輸入電阻電阻Ri和輸入電容和輸入電容Ci的并聯(lián)。測量高頻信號時應(yīng)考慮輸入電容的影響。的并聯(lián)。測量高頻信號時應(yīng)考慮輸入電容的影響。 5. 輸入方式輸入方式 輸入方式即輸入耦合方式，一般有直流（輸入方式即輸入耦合方式，一

16、般有直流（DC）、交流（）、交流（AC）和接地）和接地（GND）三種耦合方式。）三種耦合方式。 變換交流耦合和直流耦合，可以測出交流信號中直流成分的大小。變換交流耦合和直流耦合，可以測出交流信號中直流成分的大小。 6. 觸發(fā)源選擇方式觸發(fā)源選擇方式 觸發(fā)源是指用于提供產(chǎn)生掃描電壓的同步信號來源，一般有內(nèi)觸發(fā)觸發(fā)源是指用于提供產(chǎn)生掃描電壓的同步信號來源，一般有內(nèi)觸發(fā)(INT，雙蹤示波器又有雙蹤示波器又有CH1、CH2之分之分)、外觸發(fā)、外觸發(fā)(EXT)和線觸發(fā)（和線觸發(fā)（LINE）三種方）三種方式。內(nèi)觸發(fā)是指由被測信號來產(chǎn)生同步觸發(fā)信號。外觸發(fā)是指由外部電路式。內(nèi)觸發(fā)是指由被測信號來產(chǎn)生同步觸發(fā)

17、信號。外觸發(fā)是指由外部電路提供的信號來產(chǎn)生同步觸發(fā)信號。線觸發(fā)又稱為電源觸發(fā)，是指利用示波提供的信號來產(chǎn)生同步觸發(fā)信號。線觸發(fā)又稱為電源觸發(fā)，是指利用示波器內(nèi)部工頻電源來產(chǎn)生同步觸發(fā)信號器內(nèi)部工頻電源來產(chǎn)生同步觸發(fā)信號。第4章 波形測試與儀器 124.4 通用示波器通用示波器Y通道（垂直系統(tǒng)）通道（垂直系統(tǒng)）示波器示波器Y通道主要由輸入電路、前置放大器、延遲級和輸出放大器等通道主要由輸入電路、前置放大器、延遲級和輸出放大器等組成。它的主要作用是把被測信號變換成為大小合適的雙極性對稱信號后組成。它的主要作用是把被測信號變換成為大小合適的雙極性對稱信號后加到加到Y(jié)偏轉(zhuǎn)板上，使顯示的波形適于觀測；向

18、偏轉(zhuǎn)板上，使顯示的波形適于觀測；向X通道提供內(nèi)觸發(fā)信號源；通道提供內(nèi)觸發(fā)信號源；補償補償X通道的時間延遲，以觀測到諸如脈沖等信號的完整波形。通道的時間延遲，以觀測到諸如脈沖等信號的完整波形。4.4.1 輸入電路輸入電路主要包括探極、耦合方式變換開關(guān)、衰減器、阻抗變換及倒相放大器主要包括探極、耦合方式變換開關(guān)、衰減器、阻抗變換及倒相放大器等部分。等部分。1. 探極探極被測信號與示波器的連接可以選用引線或附帶的探極，通常選用高頻被測信號與示波器的連接可以選用引線或附帶的探極，通常選用高頻特性良好、抗干擾能力強的高輸入阻抗探極。正確使用探極，可以提高示特性良好、抗干擾能力強的高輸入阻抗探極。正確使用

19、探極，可以提高示波器的輸入阻抗，增強示波器的抗干擾能力，擴展示波器的電壓量程。波器的輸入阻抗，增強示波器的抗干擾能力，擴展示波器的電壓量程。第4章 波形測試與儀器 13探極探極衰減器衰減器阻抗變換阻抗變換及倒相放及倒相放大器大器偏轉(zhuǎn)因數(shù)偏轉(zhuǎn)因數(shù)Y前置前置放大器放大器DCACGNDS耦合方式耦合方式被測信號被測信號uy(t)圖圖4.6 Y通道輸入電路通道輸入電路第4章 波形測試與儀器 14 (b)輸入輸入示波器示波器探探 極極CiRi 1M (a)C9M高阻同高阻同軸電纜軸電纜探針探針地線地線輸入輸入示波器示波器探探 極極CiRi 1MC9M高阻同軸電纜高阻同軸電纜探針探針地線地線圖圖4.7 兩

20、種無源探極的結(jié)構(gòu)兩種無源探極的結(jié)構(gòu)(a)(b)(c)圖圖4.8 探極補償情況探極補償情況第4章 波形測試與儀器 15 2. 耦合方式選擇開關(guān)耦合方式選擇開關(guān) 耦合方式選擇開關(guān)一般有耦合方式選擇開關(guān)一般有DC、AC和和GND三個擋位。在不斷開被測信號的情三個擋位。在不斷開被測信號的情況下，況下，GND耦合為示波器提供測量直流耦合為示波器提供測量直流電壓的參考零電平。電壓的參考零電平。 3.衰減器衰減器 衰減器一般為阻容步進(jìn)衰減器，其衰減器一般為阻容步進(jìn)衰減器，其電路原理如圖電路原理如圖4.9所示。改變衰減器衰減所示。改變衰減器衰減比，也就改變了示波器偏轉(zhuǎn)因數(shù)，從而比，也就改變了示波器偏轉(zhuǎn)因數(shù)，從

21、而使顯示波形的幅度得以調(diào)整。使顯示波形的幅度得以調(diào)整。 對于圖對于圖4.9所示的阻容衰減器，只有當(dāng)滿足所示的阻容衰減器，只有當(dāng)滿足R1C1=R2C2時，衰減器才具時，衰減器才具有平坦的幅頻特性，即示波器偏轉(zhuǎn)因數(shù)與輸入信號頻率無關(guān)，其衰減比為有平坦的幅頻特性，即示波器偏轉(zhuǎn)因數(shù)與輸入信號頻率無關(guān)，其衰減比為R2/(R1+R2)。 uiR1R2C1C2uo+圖圖4.9 阻容步進(jìn)衰減器原理圖阻容步進(jìn)衰減器原理圖第4章 波形測試與儀器 164. 阻抗變換及倒相放大器阻抗變換及倒相放大器 阻抗變換及倒相放大器的作用是將來自衰減器的單端輸入信號變換為阻抗變換及倒相放大器的作用是將來自衰減器的單端輸入信號變換

22、為后級差分放大器所需的雙端輸出信號，以克服放大器零點漂移的影響；提后級差分放大器所需的雙端輸出信號，以克服放大器零點漂移的影響；提高放大器輸入阻抗；隔離前后級的影響；提供高放大器輸入阻抗；隔離前后級的影響；提供Y偏轉(zhuǎn)板所需的對稱信號。偏轉(zhuǎn)板所需的對稱信號。 與該電路有關(guān)的旋鈕有直流與該電路有關(guān)的旋鈕有直流“平衡平衡” 及偏轉(zhuǎn)因數(shù)及偏轉(zhuǎn)因數(shù)“微調(diào)微調(diào)”等旋鈕。等旋鈕。“微調(diào)微調(diào)”可以連續(xù)調(diào)節(jié)顯示波形的幅度；適當(dāng)調(diào)節(jié)可以連續(xù)調(diào)節(jié)顯示波形的幅度；適當(dāng)調(diào)節(jié)“平衡平衡”可以避免因為可以避免因為偏轉(zhuǎn)因數(shù)的改變而使波形產(chǎn)生位移，示波器面板上一般不予設(shè)置。偏轉(zhuǎn)因數(shù)的改變而使波形產(chǎn)生位移，示波器面板上一般不予設(shè)

23、置。 4.4.2 前置放大器前置放大器 前置放大器的作用是對前級輸出信號進(jìn)行初步放大，補償延遲級對信前置放大器的作用是對前級輸出信號進(jìn)行初步放大，補償延遲級對信號的損耗；為號的損耗；為X通道的觸發(fā)電路提供大小合適的內(nèi)觸發(fā)信號，以得到穩(wěn)定通道的觸發(fā)電路提供大小合適的內(nèi)觸發(fā)信號，以得到穩(wěn)定可靠的內(nèi)觸發(fā)脈沖?？煽康膬?nèi)觸發(fā)脈沖。 與前置放大器有關(guān)的開關(guān)旋鈕有與前置放大器有關(guān)的開關(guān)旋鈕有“倒相倒相”開關(guān)、垂直開關(guān)、垂直“移位移位”旋鈕。旋鈕?！暗瓜嗟瓜唷遍_關(guān)通過改變加在前置放大器的雙端輸入信號的極性使顯示波形開關(guān)通過改變加在前置放大器的雙端輸入信號的極性使顯示波形倒置；倒置；“移位移位”旋鈕通過調(diào)節(jié)同軸雙聯(lián)電位器反向?qū)ΨQ地改變前置放大器旋鈕通過調(diào)節(jié)同軸雙聯(lián)電位器反向?qū)ΨQ地改變前置放大器雙端輸出信號中的直流成分而使波形垂直移位雙端輸