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1、4.1 概 述,电子示波器简称示波器。它是一种用荧光屏显示电量随时间变化过程的电子测量仪器。它能把人的肉眼无法直接观察的电信号，转换成人眼能够看到的波形，具体显示在示波屏幕上，以便对电信号进行定性和定量观测，其它非电物理量亦可经转换成为电量使用示波器进行观测，因此示波器是一种广泛应用的电子测量仪器，它普遍地应用于国防、科研、学校以及工、农、商业等各个领域。,电子示波器的基本特点是：能显示信号波形，可测量瞬时值，具有直观性。输入阻抗高，对被测信号影响小。工作频带宽，速度快，便于观察高速变化的波形的细节。目前示波器的工作频；舻最宽可达1000MHz，预计不久将研制出带宽2GHz以上的示波器。在示波
2、器的荧光屏上可描绘出任意两个电压或电流量的函数关系，故可作为比较信号用的高速XY记录仪。,由于示波器的上述特点，电子示波器除直接用于电量测试外，也可配以其他设备组成综合测量仪器。电子示波器的主要用途是：观测电信号波形。测量电压电流的幅度、频率、时间、相位等电量参数。显示电子网络的频率特性。显示电子器件的伏安特性。,4.2 示波管,示波管波形显示的基本原理1.显示随时间变化的图形2显示任意两个变量之间的关系3扫描的概念4同步的概念5连续扫描和触发扫描,4.2.1 示波管,示波管主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成，基本结构如下图所示。,1 电子枪,电子枪的作用是发射电子并形成很细的高速电子束
3、，它由灯丝h、阴极K、栅极G1、前加速极G2和阳极A1、A2组成。通过调节G1对K的负电位可控制电子束的强弱，从而调节光点的亮度，即进行“辉度”控制。调节A1的电位器称为“聚焦”旋钮，通过对它进行调节可调节G2与A1和A1与A2之间的电位；调节A2电位的旋钮称为“辅助聚焦”。,1 电子枪,电子束聚焦的原理是，电子从阴极K发射，经G1、G2、A1、A2聚焦和加速后进入偏转系统。电子在电子枪中的运动轨迹如下图所示。,2 偏转系统,示波管的偏转系统由两对相互垂直的平行金属板组成，分别称为垂直偏转板和水平偏转板。当有外加电压作用时，偏转板之间形成电场；在偏转电场作用下，电子束打向由X、Y偏转板共同决定
4、的荧光屏上的某个坐标位置。为了示波器有较高的测量灵敏度，Y偏转板置于靠近电子枪的部位，而X偏转板在Y的右边。,3 荧光屏,荧光屏将电信号变为光信号，是示波管的波形显示部分。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”。,4.2.2 波形显示的基本原理,图4.22 偏转系统工作原理图,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
5、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。,4.2.2 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。,4.2.2 波形显示的基本原理,1显示随时间变化的图形（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。,4.2.2 波形显示的基本原理,1显示随时间变化的图形（续）,仅
6、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。,4.2.2 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。,4.2.2 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。,4.2.2 波形显示的基本原理,2显示任意两个变量之间的关系（续
7、）,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。,4.2.2 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”。,4.2.2 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
8、测电压周期Ty保持Tx=nTy的关系，则称扫描电压与被测电压“同步”。,4.2.2 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。,4.2.2 波形显示的基本原理,5连续扫描和触发扫描 扫描电压是连续的方式称为连续扫描。当欲观测脉冲信号，尤其是占空比很小的脉冲时，采用连续扫描存在一些问题：选择扫描周期等于脉冲重复周期时，难以看清脉冲波形的细节。,4.2.2 波形显示的基本原理,5连续扫描和触发扫描（续）选择扫描周期等于脉冲底宽时，观测者不易观察波形，而且扫描的同步很难实现。,4.2.2 波形显示的基本原理,5连续扫描和触发扫描（续）
9、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。,4.3 电子示波器的组成结构,一、电子示波器结构框图 电子示波器的基本组成框图如图431所示。电子示波器由Y通道、X通道、Z通道、示波管、幅度校正器、扫描时间校正器、电源几部分组成。,图4.31 示波器组成框图及波形关系图,图4.31 示波器组成框图及波形关系图,被观察的波形通过Y通道探头，经过衰减加到垂直前置放大器的输入端，垂直前置放大器的推挽输出信号和经过延迟线、垂直末级放大器，输出足够大的推挽信号加到示波管的垂直偏转板Y1Y2上。由时基发生器产生线性扫描电压，经水平末级放大器放大后，输出推挽
10、的锯齿波信号加到水平偏转板X1、X2上。,为了在示波管上得到稳定的显示波形，要求每次扫描的锯齿波信号起点，应对应于周期性被显示信号的同一相应点，因此，将被显示信号的一部分送到触发同步电路，当该电路得到的信号相应于输入信号的某个电平和极性，触发同步电路即产生触发信号去启动时基发生器，产生一个由触发信号控制的扫描电压。Z轴电路应在时基发生器输出的正程时间内产生加亮(增辉)信号加到示波管控制栅极上，使得示波管在扫描正程加亮光迹，在扫描回程使光迹消隐。,由图431(b)中的波形可见，触发点即锯齿波扫描起点并不在被显示信号的起始过零点，因此，信号前沿无法观察。为了克服此缺点，在垂直前置放大器之后加入延迟
11、线，对Y方向加入的信号进行延迟，并且使其延迟时间 略大于由水平通道引起的固有触发延迟，以确保触发扫描与显示信号同步。,同步信号采自于Y通道的(即被观察信号)被称为“内”内步；来自于仪器外部的同步信号的方式被称为“外”同步。示波器除了用于观察信号波形外，当用于其他测量时，X偏转板上也可不加时基信号，而是加上待测的或参考的信号，这个信号可从x输入端直接接入示波器，经过输入电路和放大器后加于X偏转板。输入电路一般由衰减器、射极跟随器和放大器组成。,校正器用来校准示波器的主要特征。常用的有幅度校正器和扫描时间校正器。电源一般由两个整流器组成。高压整流器供给示波管高压电极电压，低压整流器供给示波器所有其
12、它电路的电压和示波管低压电极电压。通常低压电源采用稳压器，较精密的示波器高压电源也采取稳压措施。电子束控制电路与电源连在一起，包括亮度、聚焦、辅助聚焦和光点位置控制。,4.4 电子示波器的垂直通道,1.延迟线 触发扫描时，扫描的开始时间总是滞后于被观测脉冲一段时间，这样，脉冲的上升过程就无法被完整地显示出来。,左图为没有延迟线时屏幕上显示的脉冲。,延迟线的作用就是把加到垂直偏转板上的脉冲信号延迟一段时间，以保证在屏幕上扫描出包括上升时间在内的脉冲全过程。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。,2.探头 用示波器观察信号波形时，长长的引线往往会引进各种杂散干扰
13、，所以通常使用同轴电缆作为输入引线，以避免干扰影响。因同轴电缆内外导体间存在电容使输入电容叭显著增加，这对观察高频电路或窄脉冲是很不利的，因此，高频示波器常用图4.42所示的探头检测被观察信号。,图4.42 示波器探头,探头里有一可调的小电容C(5l0pF)和大电阻只并联。如果设计示波器输入电阻Ri为1M时，R应取9M，同时调整补偿电容C可以得到最佳补偿，即满足。调整补偿电容C时的波形如图44-3所示，图中(a)为正常补偿的波形，(b)为过补偿的波形，(c)为欠补偿的波形，应调整C，使达到图(a)的正确补偿情况。,图4.43 补偿电容的波形,4.5.1 示波器的正确使用,使用注意事项（1）检查
14、电源电压。（2）通电预热后再调整各旋钮，同时注意各旋钮应先大致旋在中间位置。（3）亮度不宜开得过高，且亮点不宜长期停留在固定位置，不观测波形时，应该将辉度调暗。（4）输入信号电压的幅度应控制在示波器的最大允许输入电压范围内。,4.5.1 示波器的正确使用,2通用示波器的主要技术性能（1）Y轴通道 包括偏转灵敏度、频带宽度、输入阻抗、最大输入电压、工作方式及Y通道延迟时间等。（2）X轴通道包括时基因数、工作方式、触发方式、耦合方式及外触发最大输入电压等。（3）主机包括显示尺寸、后加速阳极电压、校准信号等。,4.5.1 示波器的正确使用,3通用示波器的面板示意图（1）CH1（X）通道1：垂直输入端
15、。（2）CH2（Y）通道2：垂直输入端。（3）VOLTS/DIV输入衰减器。（4）VERT MODE：垂直方式选择开关。（5）SOURCE触发源选择开关。（6）COUPLING触发信号耦合方式开关。（7）TIME/DIV扫描时间选择开关。,4.5.1 示波器的正确使用,3通用示波器的面板示意图（续）（8）SWEEP MODE扫描方式选择开关。（9）EXT TRIG和EXT HOR外触发和外水平共用输入端。（10）LEVEL HOLD OFF触发电平和释抑时间双重控制旋钮。（11）X-Y方式。,4.5.1 示波器的正确使用,3通用示波器的面板示意图（续）,4.5.1 示波器的正确使用,4探头的正
16、确使用常见探头为低电容高电阻探头：,4.5.1 示波器的正确使用,4探头的正确使用（续）低电容探头的应用使输入阻抗大大提高，特别是输入电容大大减小。但是，将使示波器的灵敏度有所下降。探头和示波器是配套使用的，不能互换，否则将会导致分压比误差增加或高频补偿不当。低电容高电阻探头的校正方法是以良好的方波电压通过探头加到示波器，微调电容C以达到出现良好的方波。,4.5.2 用示波器测量电压,1直流电压的测量（1）测量原理 利用被测电压在屏幕上呈现的直线偏离时间基线（零电平线）的高度与被测电压的大小成正比的关系进行的。为被测直流电压值，h为被测直流信号线的电压偏离零电平线的高度；为示波器的垂直灵敏度，
17、k为探头衰减系数。,4.5.2 用示波器测量电压,1直流电压的测量（续）（2）测量方法 1）将示波器的垂直偏转灵敏度微调旋钮置于校准位置（CAL）。2）将待测信号送至示波器的垂直输入端。3）确定零电平线。4）将示波器的输入耦合开关拨向“DC”档，确定直流电压的极性。5）读出被测直流电压偏离零电平线的距离h。6）计算被测直流电压值。,4.5.2 用示波器测量电压,1直流电压的测量（续）例7-1 示波器测直流电压及垂直灵敏度开关示意图如图所示，h=4cm、V/cm、若k=10：1，求被测直流电压值。,(V),4.5.2 用示波器测量电压,2交流电压的测量（1）测量原理 为被测交流电压值（峰-峰值）
18、；h为被测交流电压波峰和波谷的高度或任意两点间的高度；为示波器的垂直灵敏度；为探头衰减系数。（2）测量方法 垂直偏转灵敏度微调旋钮置于校准位置；接入待测信号；输入耦合开关置于“AC”；调节扫描速度使波形稳定显示；调节垂直灵敏度开关；读出被测交流电压波峰和波谷的高度；计算被测交流电压的峰-峰值。,4.5.2 用示波器测量电压,2交流电压的测量（续）例7-2 示波器正弦电压如图所示，h=8cm、V/cm、若K=1：1，求被测正弦信号的峰-峰值和有效值。正弦信号的峰-峰值为正弦信号的有效值为,V,4.5.3 用示波器测量时间和频率,1测量周期和频率（1）测量原理 被测交流信号的周期（x为被测交流信号
19、的一个周期在荧光屏水平方向所占距离；为示波器的扫描速度；为X轴扩展倍率。周期的倒数即为频率。,4.5.3 用示波器测量时间和频率,1测量周期和频率（续）（2）测量方法 1）将示波器的扫描速度微调旋钮置于“校准”位置。2）将待测信号送至示波器的垂直输入端。3）将示波器的输入耦合开关置于“AC”位置。4）调节扫描速度开关，记录 值。5）读出被测交流信号的一个周期在荧光屏水平方向所占的距离x。6）计算被测交流信号的周期。,4.5.3 用示波器测量时间和频率,1测量周期和频率（续）例7-3 荧光屏上的波形如图所示，信号一周期7cm，扫描速度开关置于“10ms/cm”位置，扫描扩展置于“拉出10”位置，
20、求被测信号的周期。,ms,4.5.3 用示波器测量时间和频率,2测量时间间隔（1）测量同一信号中任意两点A与B的时间间隔的测量方法如下图。A与B的时间间隔（为A与B的时间间隔在荧光屏水平方向所占距离，为示波器的扫描速度）,4.5.3 用示波器测量时间和频率,2测量时间间隔（续）（2）若A、B两点分别为脉冲波前后沿的中点，则所测时间间隔为脉冲宽度，如下图示。,4.5.3 用示波器测量时间和频率,2测量时间间隔（续）（3）采用双踪示波器可测量两个信号的时间差。将B脉冲的起点左移1格，读出两被测信号起始点时间的水平距离。,4.5.4 用示波器测量相位,1用双踪示波法测量相位 将欲测量的两个信号A和B
21、分别接到示波器的两个输入通道。利用荧光屏上的坐标测出信号的一个周期在水平方向上所占的长度。再测量两波形上对应点之间的水平距离x，则两信号的相位差为,4.5.4 用示波器测量相位,1用双踪示波法测量相位（续）用这种方法测相位差时应该注意，只能用其中一个波形去触发另一路信号。,4.5.4 用示波器测量相位,2用李沙育图形法测量频率或相位（1）测量频率 示波器工作于X-Y方式下，将频率已知的信号与频率未知的信号加到示波器的两个输入端，调节已知信号的频率，使荧光屏上得到李沙育图形，由此可测出被测信号的频率。和 分别为水平线、垂直线与李沙育图形的交点数；、分别为示波器Y和X信号的频率。李沙育图形存在关系：,4.5.4 用示波器测量相位,2用李沙育图形法测量频率或相位（续）例7-4 如图所示的李沙育图形，已知X信号频率为6MHz，问Y信号的频率是多少？,或,MHz,MHz,4.5.4 用示波器测量相位,2用李沙育图形法测量频率或相位（续）（2）测量相位差把比较相位差的两个频率、同幅度的正弦信号分别送入示波器的Y通道和X通道，使示波器工作在X-Y方式，这时示波器的屏幕上会显示出椭圆波形，由椭圆上的坐标可求得两信号的相位差为,4.5.4 用示波器测量相位,2用李沙育图形法测量频率或相位（续）（2）测量相位差,
