第1章 電子示波器的基本原理

第1章通用電子示波器的基本原理概述CRT及波形顯示原理通用示波器的基本原理11-1概述1、促使了雷達技術的發(fā)展2、促進了科學科學研究和科學技術的發(fā)展一、示波器的作用二、示波器的分類2根據(jù)示波器對信號的處理方式的不同可分為模擬、數(shù)字兩大類：模擬示波器——采用模擬方式對時間信號進行處理和顯示。數(shù)字示波器——對信號進行數(shù)字化處理后再顯示。1、模擬示波器模擬示波器可分為通用示波器、多束示波器、取樣示波器、記憶示波器和專用示波器等。通用示波器采用單束示波管，又可分為單蹤、雙蹤、多蹤示波器。多束示波器采用多束示波管，熒光屏上顯示的每個波形都由單獨的電子束掃描產(chǎn)生。3取樣示波器可以用較低頻率的示波器測量高頻信號。記憶示波器采用有記憶功能的示波管，實現(xiàn)模擬信號的存儲、記憶和反復顯示。專用示波器是能夠滿足特殊用途的示波器，又稱特種示波器。42、數(shù)字示波器數(shù)字是近10多年來示波器的新發(fā)展。它將輸入信號數(shù)字化（時域取樣和幅度量化）后，經(jīng)由D/A轉換器再重建波形。數(shù)字示波器具有記憶、存貯被觀察信號功能，又稱為數(shù)字存貯示波器。根據(jù)取樣方式不同，數(shù)字示波器又可分為實時取樣、隨機取樣和順序取樣三大類。

51-2CRT及波形顯示的基本原理CRT主要由電子槍、偏轉系統(tǒng)和熒光屏三部分組成，基本結構如下圖所示。一、陰極射線管（CRT）電子槍偏轉系統(tǒng)熒光屏6二、波形顯示的基本原理1．顯示隨時間變化的圖形1）Ux、Uy為固定電壓時，有下面四種情況：光點出現(xiàn)在熒光屏的中心位置。

光點僅在垂直方向偏移：Uy為正電壓時，光點從熒光屏的中心往垂直方向上移；Uy為負電壓時，光點從熒光屏的中心往垂直方向下移。

7波形顯示的基本原理光點僅在水平方向偏移：Ux為正電壓時，光點從熒光屏的中心往水平方向右移；Ux為負電壓時，光點從熒光屏的中心往水平方向左移。

當兩對偏轉板上同時加固定的正電壓時，光點位置應為兩電壓的矢量合成。8波形顯示的基本原理2）X、Y偏轉板上分別加變化電壓，有下面兩種情況：僅在垂直偏轉板的兩板間加正弦變化的電壓，則光點只在熒光屏的垂直方向來回移動，出現(xiàn)一條垂直線段。9波形顯示的基本原理僅在水平偏轉板的兩板間加鋸齒電壓，則光點只在熒光屏的水平方向來回移動，出現(xiàn)一條水平線段。10波形顯示的基本原理3）Y偏轉板加正弦波信號電壓，X偏轉板加鋸齒波電壓，熒光屏上將顯示出被測信號隨時間變化的一個周期的波形曲線。

11波形顯示的基本原理示波器兩個偏轉板上都加正弦電壓時顯示的圖形稱為李沙育（Lissajous）圖形，這種圖形在相位和頻率測量中常會用到。若兩信號的初相相同，且在X、Y方向的偏轉距離相同，在熒光屏上畫出一條與水平軸呈45度角的直線。

2．顯示任意兩個變量之間的關系12波形顯示的基本原理若兩信號的初相相差90度，且在X、Y方向的偏轉距離相同，在熒光屏上畫出的圖形為圓。13波形顯示的基本原理3．掃描的概念如果在X偏轉板上加一個隨時間線性變化的電壓，垂直偏轉板不加電壓，那么光點在水平方向的偏移距離為:光點在鋸齒波電壓作用下掃動的過程稱為“掃描”，能實現(xiàn)掃描的鋸齒波電壓稱為掃描電壓，光點自左向右的連續(xù)掃動稱為“掃描正程”，自熒光屏的右端迅速返回左端起掃點的過程稱為“掃描逆程”。比例系數(shù)Sx稱為示波管的X軸偏轉靈敏度。14波形顯示的基本原理n=21)如果掃描電壓周期Tx與被測電壓周期Ty保持Tx=nTy的關系，則稱掃描電壓與被測電壓“同步”。uyTyTxuxtt4．同步的概念15波形顯示的基本原理2）Tx≠nTy(n為正整數(shù))，即不滿足同步關系時，顯示的波形不穩(wěn)定。16波形顯示的基本原理掃描電壓是連續(xù)的方式稱為連續(xù)掃描。當欲觀測脈沖信號，尤其是占空比很小的脈沖時，采用連續(xù)掃描存在一些問題：選擇掃描周期等于脈沖重復周期時，難以看清脈沖波形的細節(jié)。5．連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描17波形顯示的基本原理選擇掃描周期等于脈沖底寬時，觀測者不易觀察波形，而且掃描的同步很難實現(xiàn)。18波形顯示的基本原理觸發(fā)掃描時，使掃描脈沖只在被測脈沖到來時才掃描一次；沒有被測脈沖時，掃描發(fā)生器處于等待工作狀態(tài)。19波形顯示的基本原理為了使回掃產(chǎn)生的波形不在熒光屏上顯示，可以設法在掃描正程期間，給示波器增輝。若不增輝將產(chǎn)生如圖的回掃線6．掃描過程的增輝201-3通用示波器的基本原理一、通用示波器的組成及原理框圖概述211．輸入電路：包括衰減器和輸入選擇開關。最佳補償條件：過補償：欠補償：改變分壓比的開關為示波器的垂直靈敏度粗調開關，在面板上用“V/cm”標記。

二、通用示波器的垂直通道（1）衰減器22輸入耦合方式設有AC、GND、DC三檔選擇開關。觀察交流信號時，置“AC”檔。確定零電壓時，置“GND”檔。觀測頻率很低的信號或帶有直流分量的交流信號時，置“DC”檔。（2）輸入耦合方式通用示波器的垂直通道23前置放大器包括源極射極跟隨器和前置放大器前置放大器將信號適當放大，從中取出內(nèi)觸發(fā)信號，并具有靈敏度微調、校正、Y軸移位、極性反轉等控制作用。Y前置放大器大都采用差分放大電路，輸出一對平衡的交流電壓。若在差分電路的輸入端輸入不同的直流電位，相應的Y偏轉板上的直流電位和波形在Y方向的位置也會改變。可通過調節(jié)“Y軸位移”旋鈕，調節(jié)直流電位以改變被測波形在屏幕上的位置。2．前置放大器241）源極射極跟隨器25源極射極跟隨器器有兩個作：一是高阻輸入、低阻輸出，以減輕對信號的影響。其輸入電阻近于開路，即Ri→∞；輸出電阻R0為射極輸出器的輸出電阻，用式子表為其中Rs為源極輸出器的輸出器的輸出電阻。Rs很小，若忽略不計，則26阻抗變換器的第二個作用負責將輸放的單端信號變?yōu)槠胶廨敵?。BG1柵極加信號，BG2柵極加直流電平，BG3、BG4射極輸出的信號便是平衡信號。直流平衡電位器W調整靜態(tài)工作點，使Uel=Ue2。Av≈1272）前置放大器28經(jīng)過△-Y變換后，分析增益微調作用非常方便。調W相當于同時調了r1、r2,亦即調了射極負反饋，從而改變增益。在調W的過程中，始終保證r1=r2=r，使差分的參數(shù)對稱地變化。如果不采用△形網(wǎng)絡，而直接采用Y形網(wǎng)絡，需要使用雙聯(lián)同軸電位器，使電路復雜。經(jīng)過△-Y變換后，求解放大倍數(shù)也甚方便（設放大器空載）。29觸發(fā)掃描時，掃描的開始時間總是滯后于被觀測脈沖一段時間，這樣，脈沖的上升過程就無法被完整地顯示出來。左圖為沒有延遲線時屏幕上顯示的脈沖。3．延遲線通用示波器的垂直通道30延遲線的作用就是把加到垂直偏轉板上的脈沖信號延遲一段時間，以保證在屏幕上掃描出包括上升時間在內(nèi)的脈沖全過程。延遲線的輸入級需采用低輸出阻抗電路驅動，而輸出級則采用低輸入阻抗的緩沖器。通用示波器的垂直通道31通常采用的延遲線有：（1）集中參數(shù)延遲線。一般用多節(jié)：LC網(wǎng)絡組成，這種延遲線的節(jié)數(shù)較多，每節(jié)的截止頻率不高，而且體積大、成本高，現(xiàn)在很少采用。（2）分布參數(shù)延遲線。常用螺旋線式、同軸電纜式和印制式。下圖給出螺旋線式和印制板式延遲線。32Y輸出放大器是將延遲線傳來的被測信號放大到足夠的幅度，用以驅動示波管的垂直偏轉系統(tǒng)，使電子束獲得Y方向的滿偏轉。

Y輸出放大器應具有穩(wěn)定的增益、較高的輸入阻抗、足夠寬的頻帶、較小的諧波失真。

Y輸出放大器大都采用推挽式放大器，有利于提高共模抑制比?？刹捎酶淖冐摲答伒姆椒ǜ淖兎糯笃鞯脑鲆妫姘迳系摹啊?”或“×10”開關）。4．Y輸出放大器通用示波器的垂直通道33二、通用示波器的水平通道水平通道包括觸發(fā)電路、掃描電路和水平放大器等部分，其主要任務是產(chǎn)生隨時間線性變化的掃描電壓，再放大到足夠的幅度，然后輸出到水平偏轉板，使光點在熒光屏的水平方向達到滿偏轉。34觸發(fā)電路的作用是為掃描信號發(fā)生器提供符合要求的觸發(fā)脈沖。包括觸發(fā)源選擇、觸發(fā)耦合方式選擇、觸發(fā)方式選擇、觸發(fā)極性選擇、觸發(fā)電平選擇和觸發(fā)放大整形等電路。通用示波器的水平通道1．觸發(fā)電路35內(nèi)觸發(fā)（INT）：將Y前置放大器輸出（延遲線前的被測信號）作為觸發(fā)信號，適用于觀測被測信號。外觸發(fā)（EXT）：用外接的、與被測信號有嚴格同步關系的信號作為觸發(fā)源，用于比較兩個信號的同步關系。電源觸發(fā)（LINE）：用50Hz的工頻正弦信號作為觸發(fā)源，適用于觀測與50Hz交流有同步關系的信號。（1）觸發(fā)源選擇通用示波器的水平通道36“DC”直流耦合：用于接入直流或緩慢變化的觸發(fā)信號?！癆C”交流耦合：用于觀察從低頻到較高頻率的信號。“AC低頻抑制”耦合：用于觀察含有低頻干擾的信號。“HFREJ”高頻抑制耦合：用于抑制高頻成分的耦合。通用示波器的水平通道（2）觸發(fā)耦合方式37常態(tài)（NORM）觸發(fā)方式：指有觸發(fā)源信號并產(chǎn)生了有效的觸發(fā)脈沖時，熒光屏上才有掃描線。自動（AUTO）觸發(fā)方式：有連續(xù)掃描鋸齒波電壓輸出，熒光屏上總能顯示掃描線。電視（TV）觸發(fā)方式：是在原有放大、整形電路基礎上插入電視同步分離電路實現(xiàn)的，以便對電視信號（如行、場同步信號）進行監(jiān)測與電視設備維修。（3）掃描觸發(fā)方式選擇（TRIGMODE）通用示波器的水平通道38觸發(fā)極性和觸發(fā)電平?jīng)Q定觸發(fā)脈沖產(chǎn)生的時刻，并決定被顯示信號的起始點。觸發(fā)極性是指觸發(fā)點位于觸發(fā)源信號的上升沿還是下降沿。觸發(fā)電平是指觸發(fā)脈沖到來時所對應的觸發(fā)放大器輸出電壓的瞬時值。通用示波器的水平通道（4）觸發(fā)極性選擇和觸發(fā)電平調節(jié)39通用示波器的水平通道40觸發(fā)和整形電路的作用是將Y前置放大器送來的同步信號進一步放大、整形，變換為時基發(fā)生器的觸發(fā)脈沖，啟動掃描環(huán)，使之滿足TX=NTy。

。整形電路的基本形式是電壓比較器，當輸入的觸發(fā)源信號與通過“觸發(fā)極性”和“觸發(fā)電平”選擇的信號之差達到某一設定值時，比較電路翻轉，輸出矩形波，然后經(jīng)過微分整形，變成觸發(fā)脈沖。下面先看觸發(fā)斜率-電平選擇器的基本原理圖。（5）觸發(fā)和放大整形電路4142SR-8示波器觸發(fā)電路43掃描發(fā)生器環(huán)又叫時基電路，常由積分器、掃描閘門及比較釋抑電路組成。通用示波器的水平通道2．掃描發(fā)生器環(huán)44閘門電路產(chǎn)生快速上升或下降的閘門信號，閘門信號啟動掃描發(fā)生器工作，產(chǎn)生鋸齒波電壓，同時把閘門信號送到增輝電路，以便在掃描正程加亮掃描的光跡。釋抑電路起到了穩(wěn)定掃描鋸齒波的形成、防止干擾和誤觸發(fā)的作用，確保每次掃描都在觸發(fā)源信號的同樣的起始電平上開始以獲得穩(wěn)定的圖象。45通用示波器的水平通道1）掃描方式選擇：包括連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描。2）掃描門 a.控制積分器掃描。 b.起正程加亮作用。 c.使雙蹤示波器工作于交替狀態(tài)。46通用示波器的水平通道常用的閘門電路有雙穩(wěn)態(tài)、施密特觸發(fā)器和隧道二極管整形電路。右圖為施密特觸發(fā)器構成的閘門電路。2）掃描門47通用示波器的水平通道3）積分器密勒（Miller）積分器