第3章电子示波器.ppt
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1、1,第3章,电子示波器,3.1 概述 3.2 示波管及波形显示原理 3.3 电子示波器电路的基本组成及原理 3.3.2 通用示波器Y通道(垂直系统) 3.3.3 通用示波器X通道(水平系统) 3.4 SS5702双踪示波器 3.5 双扫描示波器 3.6 取样示波器 3.7 数字存储示波器 本章小结,2,第3章 电子示波器,学习参考:示波器主要用来观测信号波形、测量电压、频率、时间等参数,是电子测量三大仪器之一。本章主要介绍波形测试原理及示波器的组成原理与应用。要求通过学习了解示波器的组成、理解它的工作原理、掌握它的应用。 本章要点:示波管组成及波形显示原理,示波器扫描过程、组成、技术指标及应用
2、。,3,3.1 概述,电子示波器简称为示波器,它借助阴极射线示波管(CRT,Cathode Ray Tube)电子射线的偏转将电信号变换成可见图像,实现波形的显示,实现电压、周期、频率、时间、相位、调制系数等参数的测量。示波器也是构成特性曲线测试仪器等的重要组成部分,例如晶体管特性图示仪、扫频仪等。 示波器按其性能、结构分为: (1)通用示波器 通用示波器采用单束示波管,它分为单踪、双踪、多踪示波器。单踪示波器在荧光屏上只能显示一个信号的波形,双踪示波器在荧光屏上可显示两个信号的波形,多踪示波器在荧光屏上可同时显示两个以上信号的波形。,4,(2)多束示波器 多束示波器又称为多线示波器,它采用多
3、束示波管,荧光屏上显示的每个波形都由单独的电子束扫描产生,能同时观测、比较两个以上的波形。 (3)取样示波器 取样示波器将高频、超高频信号经取样变换为较低频率信号后再显示,适用于测量高频、超高频信号。 (4)存储示波器 存储示波器具有存储被测信号的功能,适用于异地观测、异地分析测量。 (5)专用示波器 专用示波器能够满足特殊的用途,如监测调试电视系统的,5,电视示波器,用于调试彩色电视中有关色度信号幅度和相位的矢量示波器和用于观测调试计算机和数字系统的逻辑示波器等。 本章着重讨论通用示波器的工作原理及其应用。 3.2.1 阴极射线示波管的构造 阴极射线示波管是示波器重要组成部分,用来将电信号变
4、换为光信号而加以显示。CRT主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三大部分组成,它们都封装在密闭呈真空的玻璃壳内,其结构如图3.1所示。,3.2 示波管及波形显示的基本原理,6,示波管属于电真空器件,又称为阴极射线管(CRT)。,兰色:电力线 红色:等位面,7,电子枪的作用是发射电子并形成强度可控制的很细的电子束。 它由以下几部分组成:,1.灯丝F在交流低压(如6.3V)下使钨丝烧热,用于加热阴极。,2.阴极K是一个表面涂有氧化钡(其逸出功小,内部自由电子容易逸出) 的金属,3.第一栅极G1调节G1的电位可以调节示波器的亮度,常置于示波器 面板上供使用。,当控制信号加于G1,其亮度可随之改变,则可以传
5、递信息,称为示波器的 Z轴电路。,4.第二栅极G2隔离开G1和A1,以减小亮度调节与聚焦调节的相互影响。,5.第一阳极A1与第二阳极A2构成一个电子透镜,对电子束起聚焦作用。,6.第二阳极A2是个更大的同轴圆筒,其上电压较高,它主要与A1构成 电子透镜。,7.第三阳极A3具有上万伏的高压,用于对电子束加速,故也称后加速 阳极。,8,1. 电子枪 电子枪用来发射电子并形成很细的高速电子束。它主要由灯丝F、阴极K、控制栅极G、第一阳极A1、第二阳极A2和后加速阳极A3组成。 阴极是一个表面涂有氧化物的金属圆筒,在灯丝的加热下,阴极散射出大量游离电子。 控制栅极是顶端有孔的圆筒,套装在阴极外面,其电
6、位比阴极电位低,用于控制射向荧光屏的电子数量,改变电子束打在荧光屏上亮点的亮度。调节电位器RP1可以调节亮度,称之为“辉度(INTENSITY)”调节旋钮。与控制栅极极性相反的电压加到阴极上时,也可起到与控制栅极相同的作用。 第一、二阳极是中间开孔、内有许多栅格的金属圆筒,它们与控制栅极配合完成对电子束的加速和聚焦,聚焦就是使电子束在荧光屏上的亮点直径变小,调节电位器RP2、RP3可使荧,9,光屏亮点鲜明,得到最佳的聚焦效果,RP2、RP3分别称为“聚焦(FOCUS)”调节和“辅助聚焦(AUX FOCUS)”调节旋钮。 后加速阳极用来加速电子束,提高示波管的偏转灵敏度。 2. 偏转系统 偏转系
7、统的作用是:扫描电压、被测信号加到X、Y偏转板上时,各自在X、Y偏转板间形成偏转电场,分别使电子束产生在X、Y方向上的位移,由此确定出亮点在荧光屏上的位置。 偏转系统位于第二阳极之后,由两对相互垂直的X(水平)、Y(垂直)偏转板组成,分别控制电子束水平方向、垂直方向的偏转,偏转的距离分别与加在偏转板上的电压大小成正比,该特性称为阴极射线示波管的线性偏转特性。,10,为了显示出被测信号的波形,扫描电压和被测信号电压分别加在示波管X、Y偏转板上。扫描电压是与时间成正比的锯齿波,因此,电子束在水平方向上的偏转距离与时间成正比,这是示波器测量时间、周期等参数的原理依据。改变扫描电压的大小,可以调整显示
8、波形的宽度。锯齿波和被测信号都变换成极性相反的对称信号后加到偏转板上,如图3.1所示。被测信号变换后加在Y偏转板上,使电子束产生与信号电压成正比的偏移,这是示波器测量电压等参数的原理依据。改变Y偏转板上的信号电压大小,可以调整显示波形的幅度。 当在Y1、Y2偏转板上再叠加上对称的正、负直流电压时,显示波形会整体向上移位,反之,向下移位,调节该直流电压的旋钮称为“垂直移位(VERTICAL)”旋钮。当在X1、X2偏转板上再叠加上对称的正、负直流电压时,显示波形会整体向左移,11,位,反之,向右移位,调节该直流电压的旋钮称为“水平移位(HORIZONTAL)”旋钮。 3. 荧光屏 荧光屏内壁涂有荧
9、光物质(磷光质),外壁则是玻璃管壳。当荧光物质受到电子枪发射的高速电子束轰击时能发出荧光,并维持一定的时间,该现象称为荧光物质的余辉现象。按照余辉现象维持时间(即余辉时间)的长短,荧光物质分为短余辉(小于1ms)、中余辉(1ms2ms)和长余辉(大于2s,甚至可达几分钟或更长)等几种。被测信号频率越低,越宜选用余辉长的荧光物质,反之,宜选用余辉短的荧光物质。荧光物质发出的颜色有黄色、绿色、蓝色等几种,普通示波管常选用黄色或绿色的荧光物质。,12,3.2.3 电子束偏转原理,1静电偏转-光点法-用干示波器,2磁偏转-光栅法-用于电视机、计算机显示器及示波器。,比例系数称为示波管的偏转因数,单位为
10、cm/V,它的倒数Dy1hy称为示波管的偏转灵敏度,单位为V/cm。偏转灵敏度是示波管的重要参数。,13,为了进行定量测试,一般在荧光屏内壁预先沉积一个透明刻度,称为内刻度;或在屏外安置标有刻度的透明塑料板,称为外刻度。刻度区域通常为一矩形,称为测量窗或显示窗,其尺寸是示波器可视尺寸,一般为10div8div(宽高)。 3.2.5 波形显示原理 1. 波形显示(扫描) 当示波管未加偏转电压时,电子束打在荧光屏中心位置上而产生亮点。当在示波管X、Y偏转板上都只加直流电压时,也可以在荧光屏上得到一个位置产生变化的亮点。每个亮点所在的位置都可以设为起始点。 被测信号的波形可以看作是由很多亮点构成的,
11、由示波管的线性偏转特性可知,每个亮点在X、Y方向上的坐标(即相对,14,于起始点的距离)分别与被测信号波形中该点的时间及瞬时电压成正比。当被测电压、扫描电压分别加至垂直、水平偏转板上时,电子束受到垂直、水平偏转板的共同作用,使电子束每一时刻产生的亮点的垂直位移与被测电压的瞬时电压成正比,而在时间上则一一对应,这样就在荧光屏上得到一个留存时间很短的亮点轨迹,即波形。如图3-4所示。只要被测信号是周期性信号,每次得到的波形又能完全重复,并且每次重复的间隔时间又很短,就可以得到稳定的被测信号波形,重复间隔时间应少于人眼视觉暂留时间,否则,波形会闪烁,不便于观测。 2. 扫描及同步 图3.2为扫描电压
12、实际波形。,15,图3-4 扫描电压与信号电压共同作用,16,波形显示的基本原理,1显示随时间变化的图形 (1)Ux、Uy为固定电压时,有下面四种情况:,光点出现在荧光屏的中心位置。,光点仅在垂直方向偏移 :Uy为正电压时,光点从荧光屏的中心往垂直方向上移;Uy为负电压时,光点从荧光屏的中心往垂直方向下移。,17,波形显示的基本原理,1显示随时间变化的图形(续),光点仅在水平方向偏移 :Ux为正电压时,光点从荧光屏的中心往水平方向右移;Ux为负电压时,光点从荧光屏的中心往水平方向左移。,当两对偏转板上同时加固定的正电压时,光点位置应为两电压的矢量合成。,18,波形显示的基本原理,1显示随时间变
13、化的图形(续) (2)X、Y偏转板上分别加变化电压,有下面两种情况:,仅在垂直偏转板的两板间加正弦变化的电压,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。,19,波形显示的基本原理,1显示随时间变化的图形(续),仅在水平偏转板的两板间加锯齿电压,则光点只在荧光屏的水平方向来回移动,出现一条水平线段。,20,波形显示的基本原理,1显示随时间变化的图形(续) (3)Y偏转板加 正弦波信号电压, X偏转板加锯齿波 电压,荧光屏上 将显示出被测信 号随时间变化的 一个周期的波 形曲线。,21,波形显示的基本原理,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
14、育(Lissajous)图形,这种图形在相位和频率测量中常会用到。,若两信号的初相相同,且在X、Y方向的偏转距离相同,在荧光屏上画出一条与水平轴呈45度角的直线。,22,波形显示的基本原理,2显示任意两个变量之间的关系(续),若两信号的初相相差90度,且在X、Y方向的偏转距离相同,在荧光屏上画出的图形为圆。,23,波形显示的基本原理,3扫描的概念 如果在X偏转板上加一个随时间线形变化的电压,垂直偏转板不加电压,那么光点在水平方向的偏移距离为 ,比例系数Sx称为示波管的X轴偏转灵敏度。 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
15、正程”,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”。,24,Ts为扫描正程时间, 在此期间电子束产生自 左至右的移动,称为“扫 描正程”;Tb为扫描逆程 时间,在此期间电子束 产生自右至左的移动,称为“扫描逆程”或“扫描回程”,以保证下次扫描从起始点开始向右扫描;Tw为扫描休止时间,以保证下次扫描在荧光屏上的起始点能够与本次扫描的起始点重合,为便于分析通常不予考虑。当扫描逆程时间和扫描休止时间均为零时,扫描电压为理想扫描电压。 3. 扫描过程的增辉与隐熄 扫描正程时显示被测信号的波形,要求在此期间增强波,25,形的亮度,即增辉,可以在控制栅极上叠加正极性脉冲或在阴极上叠加负极性脉冲
16、来实现增辉。在扫描逆程时,电子束在向左移动的过程中会出现亮线,该亮线称为回扫线。假如在Y偏转板上加正弦电压,在扫描休止时,电子束会在起始点位置出现一条垂直的亮线,该亮线称为休 止线。应对回扫线和休止线进 行消隐,否则,将影响波形的 观测,如图3.3所示,可以在控 制栅极上叠加负极性脉冲或在 阴极上叠加正极性脉冲来实现 消隐。,26,如果要得到稳定的周期性被测信号波形必须满足同步条件: Tx=Ts+Tb+Tw=nTy(n为正整数) (3-1) 式中,Tx为扫描信号周期;Ty为被测信号周期。 由此可见,被测信号和扫描电压对电子束的作用时间总是相等的。所以,扫描电压正程、逆程时间等于被测信号的几个周
17、期,就相应地扫描得出被测信号几个周期的波形,其中扫描逆程得到的波形(即回扫线)是紧随扫描正程波形之后的被测信号波形的回折,即以扫描正程结束点所在纵轴为轴线将正程之后的波形向起始方向对折,并且使扫描逆程的结束点与扫描起始点重合,如图3.4所示。图3.4中,扫描电压周期为被测信号周期的三倍,满足式(3-1)的关系,可以得到稳定的波形,这种现象称为同步。否则,会产生左移或右移的不 稳定波形或亮带。,27,波形显示的基本原理,4同步的概念 (1)Tx=nTy(n为正整数):荧光屏上将稳定显示n个周期的被测信号波形。,n=2,如果扫描电压周期Tx与被测电压周期Ty保持Tx=nTy的关系,则称扫描电压与被
18、测电压“同步”。,28,波形显示的基本原理,4同步的概念(续) (2)TxnTy(n为正 整数),即不满足同 步关系时,显示的 波形不稳定。,29,4.连续扫描和触发扫描 示波器一般采用电 平触发的方法获取被测信号 的周期信息,从而实现扫描 电压与被测信号的同步,这 个过程称为触发同步,在这 种状态下的扫描称为触发扫 描,是示波器优先采用的扫 描方式。,30,扫描电压是连续的方式称为连续扫描,扫描电压是在自激状态下产生的。有时扫描电压是在手动控制下产生的,称之为单次扫描,单次扫描适于观测非周期性信号。有时在自动电路控制下,连续扫描和触发扫描可以实现自动变换,这种扫描方式称为自动扫描,是操作示波
19、器时通常选用的扫描方式。 上述扫描电压均为锯齿波电压,如果只在水平偏转板上加扫描电压,在荧光屏上会产生一条可反映时间长短的水平亮线,称之为时间基线,简称为时基线,这种扫描方式称为直线扫描。 触发扫描时,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。,31,a图为被测的窄脉冲信号, b图为采用低速的连续扫描信号,扫描周期为T=Ty b图中波形水平方向被压缩,在示波器屏幕上很难看清波形的细节,无法分析脉冲信号的各个参数 c图为采用高速的连续扫描信号,扫描周期为T=,提高了扫描频率,将脉冲信号展宽了,但图形阴暗,时基线太明显,32,33,在示波管中,电子束同时受
20、X和Y两个偏转板的作用, 若Y偏转板上加正弦波信号电压uy=Uymsint ,X偏转 板上加锯齿波电压ux=kt ,且Tx=Ty,则电子束在两 个电压的同时作用下,在水平方向上和垂直方向上同 时产生位移,荧光屏上将显示出被测信号随时间变化 的一个周期的波形曲线。若两偏转板的信号都为正弦 波且初相相同,可在荧光屏上显示一条与水平轴呈 45角的直线,若两个信号的初相为90,则在荧光 屏上显示出一个正椭圆,若x和y方向的偏转距离相 同,则显示一个正圆形。示波器两个偏转板上都加正 弦电压时显示的图形称李沙育图形,这种图形在相位 和频率测量中常常会用到。如图3-3(a) 所示为不同初 相不同频率时的李沙
21、育波形。,5. XY显示方式,34,(c),(b),(a),35,3.3 电子示波器电路的基本组成及原理,3.3.1 电子示波器的基本组成,36,通用示波器主要由 X通道(HORIZONTAL)、Y通道(VERTICAL)、主机三大部分组成。 X通道(水平系统) X通道由触发电路、扫描电路和X放大器组成。它的主要作用是:在触发信号的作用下,输出大小合适、极性相反的对称扫描电压,以驱动电子束水平偏转。 Y通道(垂直系统) Y通道由衰减器、前置放大器、延迟级、输出放大器等组成。它的主要作用是:对单端输入的被测信号进行变换、处理成为大小合适极性相反的对称信号加到Y偏转板上,使电子束产生垂直偏转。,3
22、7,38,(3)主机部分 主机部分主要包括标准信号源、增辉电路、电源、示波管等部分。增辉电路的作用是在扫描正程时使波形增辉,扫描逆程或扫描休止期时使回扫线和休止线消隐;或在外加高频信号的作用下,对显示波形进行亮度调制,即使波形亮暗变化情况受外加信号的控制,波形由实线变为虚线,由此可测量信号周期或频率。标准信号源用于提供幅度、周期等都很准确的方波信号,例如1kHz、10mVP-P的方波,以便对示波器有关技术指标进行校准调整。 由于增辉信号是加在示波管的控制栅极或阴极上,而控制栅极或阴极均与偏转板垂直,符合三维坐标关系,故增辉电路等又称为Z轴系统,有时也将主机部分称为Z轴系统。有关主机部分的内容不
23、再进行详细介绍。,39,3.3.2 通用示波器Y通道(垂直系统),示波器Y通道主要由输入电路、前置放大器、延迟级和输出放大器等组成,如图3.5所示。它的主要作用是把被测信号变换成为大小合适的双极性对称信号后加到Y偏转板上,使显示的波形适于观测;向X通道提供内触发信号源;补偿X通道的时间延迟,以观测到诸如脉冲等信号的完整波形。 1 输入电路 如图3.6所示,输入电路主要包括探极、耦合方式变换开关、衰减器、阻抗变换及倒相放大器等部分。 探极 被测信号与示波器的连接可以选用引线或附带的探极,通,40,常选用高频特性良好、抗干扰能力强的高输入阻抗探极。 探极分为有源探极和无源探极两种,探极中通常设置有
24、衰减器。有源探极具有良好的高频特性,衰减比为1:1,适于测试高频小信号,但需要示波器提供专用电源,应用较少。应用较多的是无源探极,衰减比(输入/输出)有1:1、10:1和100:1三种,前两种的应用比较普遍,后一种通常用于高频测量。当探极衰减比为10:1或100:1时,被测电压值是示波器测得电压的10倍或100倍。,41,无源探极的结构如图3.7所示。如果要正确地测量高频波和方波,需要调节探极补偿电容器C。补偿电容的位置有的在探针处(图3.7(a)),有的在探极末端(图3.7(b))或在校准盒内。调整补偿电容时,将示波器 标准信号发生器产生的方 波加到探极上,用螺刀左 右旋转补偿电容C,直到
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