電子測量技術(shù)基礎(chǔ)第04章

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1、第 4章 電子示波器 第 4章 電子示波器 4.1 概述 4.2 示波管 4.3 電子示波器的結(jié)構(gòu)框圖與性能 4.4 電子示波器的 Y、 X通道及校正器 4.5 雙蹤和雙線示波器 4.6 高速和取樣示波器 4.7 記憶示波器與存儲示波器 *4.8 數(shù)字化波形處理系統(tǒng)簡介 小結(jié) 習(xí)題 4 第 4章 電子示波器 4.1 概 電子示波器簡稱示波器。 它是一種用熒光屏顯示電量 隨時間變化過程的電子測量儀器。 它能把人的肉眼無法直 接觀察到的電信號轉(zhuǎn)換成人眼能夠看到的波形， 具體顯示 在熒光屏上， 以便對電信號進(jìn)行定性和定量觀測， 其他 非電物理量亦可經(jīng)轉(zhuǎn)換成為電量， 使用示波器進(jìn)行觀測， 因此示波器是

2、一種廣泛應(yīng)用的電子測量儀器， 它普遍地應(yīng) 用于國防、 科研、 學(xué)校以及工、 農(nóng)、 商業(yè)等各個領(lǐng)域。 第 4章 電子示波器 (1) 能顯示信號波形， 可測量瞬時值， 具有直觀性。 (2) 輸入阻抗高， 對被測信號影響小。 測量靈敏度高， 并有較強的過載能力， 目前示波器的最高靈敏度可達(dá)到 10 V/div(微伏 /格 ) (3) 工作頻帶， 速度快， 便于觀察高速變化的波形的 細(xì)節(jié)。 目前示波器的工作頻帶最寬可達(dá) 1000 MHz， 預(yù)計不 久將研制出帶寬為 2 GHz以上的示波器。 第 4章 電子示波器 (4) 在示波器的熒光屏上可描繪出任意兩個電壓或電流 量的函數(shù)關(guān)系， 可作為比較信號用的高

3、速 X-Y 由于示波器的上述特點， 電子示波器除直接用于電量 測試外， (1) (2) 測量電壓和電流的幅度、 頻率、 時間、 相位等電 (3) (4) 顯示電子器件的伏安特性。 第 4章 電子示波器 總之， 電子示波器是測量電子電路工作情況的不可或 電子示波器的發(fā)展可溯源到 19世紀(jì)末研制成的第一支冷 陰極靜電偏轉(zhuǎn)電子射線示波管。 20世紀(jì) 40年代末， 逐漸建 立起專門生產(chǎn)示波器的廠家。 幾十年來， 示波器由電子管 示波器發(fā)展到晶體管、 集成電路的示波器， 由模擬電路發(fā) 展到數(shù)字電路， 由通用寬帶示波器發(fā)展到高速取樣示波器、 記憶示波器、 數(shù)字存儲示波器、 邏輯示波器等多種類型示 波器，

4、它還可與微型計算機連接組成智能測量系統(tǒng)。 第 4章 電子示波器 建國以后， 我國示波器工業(yè)也有了很大的發(fā)展， 有些 已接近世界先進(jìn)水平， 但與工業(yè)先進(jìn) 的國家還有一定的差距。 目前電子示波器的主要生產(chǎn)廠家 和產(chǎn)品系列如表 4.1-1所示。 本章在介紹示波器組成結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上， 介紹示波器的 工作原理、 種類及應(yīng)用。 第 4章 電子示波器 第 4章 電子示波器 第 4章 電子示波器 4.2 示 波 示波器的核心部件是示波管， 它在很大程度上決定了 整機的性能。 示波管是一種整個被密封在玻璃殼內(nèi)的大型 真空電子器件， 也叫陰極射線管。 電視機的彩色顯像管和 計算機的監(jiān)視器都是在電子示波管的基礎(chǔ)上發(fā)展

5、起來的， 第 4章 電子示波器 示波管由電子槍、 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三部分組成， 如圖 4.2-1所示。 其用途是將電信號轉(zhuǎn)變成光信號并在熒 光屏上顯示。 電子槍的作用是發(fā)射電子并形成很細(xì)的高 速電子束， 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)由 X方向和 Y方向兩對偏轉(zhuǎn)板組成， 它的作用是決定電子束怎樣偏轉(zhuǎn)， 熒光屏的作用則是顯 示偏轉(zhuǎn)電信號的波形。 第 4章 電子示波器 圖 4.2-1 示波管及電子束控制電路 第 4章 電子示波器 4.2.1 電子槍由燈絲 (h)、 陰極 (K)、 柵極 (G1)、 前加速極 (G2)、 第一陽極 (A1)和第二陽極 (A2) 燈絲 h用于對陰極 K加熱， 加熱后的陰極發(fā)射電子。 柵 極

6、 G1電位比陰極 K低， 對電子形成排斥力， 使電子朝軸向 運動， 形成交叉點 F1, 并且只有初速度較高的電子能夠穿 過柵極奔向熒光屏， 初速度較低的電子則返回陰極， 被陰 極吸收。 如果柵極 G1電位足夠低， 則可使發(fā)射出的電子全 部返回陰極， 因此， 調(diào)節(jié)柵極 G1的電位可控制射向熒光屏 的電子流密度， 從而改變熒光屏亮點的輝度。 第 4章 電子示波器 圖 4.2-1中輝度調(diào)節(jié)旋鈕控制電位器 RW1進(jìn)行分壓調(diào)節(jié)， 即調(diào)節(jié)柵極 G1的電位。 控制輝度的另一種方法是以外加電 信號控制柵陰極間電壓， 使亮點輝度隨電信號強弱而變化 (像電視顯像管那樣 )， 這種工作方式稱為“輝度 調(diào)制”。 這個

7、外加電信號的控制形成了除 X方向和 Y方向之 外的三維圖形顯示， 稱為 Z軸控制。 第 4章 電子示波器 G2、 A1、 A2構(gòu)成一個對電子束的控制系統(tǒng)。 這三 個極板上都加有較高的正電位， 并且 G2與 A2相連。 穿過 柵極交叉點 F1的電子束由于電子間的相互排斥作用而散 開。 進(jìn)入 G2、 A1、 A2構(gòu)成的靜電場后， 一方面受到陽 極正電壓的作用加速向熒光屏運動， 另一方面由于 A1與 G2、 A1與 A2形成的電子透鏡的作用向軸線聚擾， 形成很 細(xì)的電子束。 第 4章 電子示波器 如果電壓調(diào)節(jié)得適當(dāng)， 則電子束恰好聚焦在熒光屏 S的中心點 F2處。 圖 4.2-1中 RW2和 RW3

8、分別是“聚焦”和 “輔助聚焦”旋鈕所對應(yīng)的電位器， 調(diào)節(jié)這兩個旋鈕使 得電子束具有較細(xì)的截面， 射到熒光屏上， 以便在熒光 屏上顯示出清晰的、 聚焦很好的波形曲線。 第 4章 電子示波器 4.2.2 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)由水平偏轉(zhuǎn)板 X1、 X2和垂直偏轉(zhuǎn)板 Y1、 Y2這兩 對相互垂直的偏轉(zhuǎn)板組成。 垂直偏轉(zhuǎn)板 Y在前， 水平偏轉(zhuǎn)板 X在后， 如果僅在 Y1、 Y2偏轉(zhuǎn)板間加電壓， 則電子束將根據(jù) 所形成的電場強弱與極性在垂直方向上運動。 如果 Y1為正， Y2為負(fù)， 則電子束向上運動， 電場強， 運動距離大， 電場 弱， 運動距離?。?若 Y1為負(fù)， Y2為正， 則電子束向下運動。 同理， 在 X1、

9、 X2間加電壓， 電子束將根據(jù)電場的強弱與極 性在水平方向上運動， 電子束最終的運動情況取決于水平方 向和垂直方向電壓的合成作用， 當(dāng) X、 Y偏轉(zhuǎn)板加不同電壓 時， 熒光屏上的亮點可以移動到屏面上的任一位置。 第 4章 電子示波器 為了顯示電信號的波形， 通常在水平偏轉(zhuǎn)板上加一線性 鋸齒波掃描電壓 ux， 該掃描電壓將 Y方向所加信號電壓 uy作用 的電子束在屏幕上按時間沿水平方向展開， 形成一條“信 號電壓 -時間”曲線， 即信號波形， 參見圖 4.2-2。 水平偏轉(zhuǎn) 板 X板上所加鋸齒形電壓稱為“時基信號”或“掃描信號”。 當(dāng) uy信號為正弦波時， 只有在掃描電壓 ux的頻率 fx 與被

10、觀察的信號電壓 uy的頻率 fy相等或成整倍數(shù) n時， 才能穩(wěn) 定地顯示一個或 n個正弦波形， 如圖 4.2-2(b)、 (c)所示。 第 4章 電子示波器 圖 4.2-2 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作原理圖 第 4章 電子示波器 4.2.3 在熒光屏的玻殼內(nèi)側(cè)涂上熒光粉， 就形成了熒光屏， 它不是導(dǎo)電體。 當(dāng)電子束轟擊熒光粉時， 激發(fā)產(chǎn)生熒光形 成亮點。 不同成分的熒光粉， 發(fā)光的顏色不盡相同， 一般 示波器選用人眼最為敏感的黃綠色。 熒光粉從電子激發(fā)停止 時的瞬間亮度下降到該亮度的 10%所經(jīng)過的時間稱為余輝時 間。 熒光粉的成分不同， 余輝時間也不同， 為適應(yīng)不同需 要， 將余輝時間分為長余輝 (100

11、 ms1 s)、 中余輝 (1100 ms) 和短余輝 (10 s10 ms)等不同規(guī)格。 普通示波器需采用中余 輝示波管， 而慢掃描示波器則采用長余輝示波管。 第 4章 電子示波器 4.3 4.3.1 電子示波器的基本組成框圖如圖 4.3-1所示。 電子示波器 由 Y通道、 X通道、 Z通道、 示波管、 幅度校正器、 掃描時間 校正器、 電源幾部分組成。 被觀察的波形通過 Y通道探頭， 經(jīng)過衰減加到垂直前置放大器的輸入端， 垂直前置放大器的 推挽輸出信號和經(jīng)過延遲線、 垂直末級放大器， 輸出足 夠大的推挽信號、 10 到示波管的垂直偏轉(zhuǎn)板 Y1、 Y2上。 由 時基發(fā)生器產(chǎn)生線性掃描電壓，

12、經(jīng)水平末級放大器放大后， 輸出推挽的鋸齒波信號、 加到水平偏轉(zhuǎn)板 X1、 X2上。 第 4章 電子示波器 圖 4.3-1 示波器組成框圖及波形關(guān)系圖 第 4章 電子示波器 為了在示波管上得到穩(wěn)定的顯示波形， 要求每次掃描 的鋸齒波信號起點應(yīng)對應(yīng)于周期性被顯示信號的同一相應(yīng) 點， 因此， 將被顯示信號的一部分送到觸發(fā)同步電路， 當(dāng)該電路得到的信號相應(yīng)于輸入信號的某個電平和極性時， 觸發(fā)同步電路即產(chǎn)生觸發(fā)信號去啟動時基發(fā)生器， 產(chǎn)生 一個由觸發(fā)信號控制的掃描電壓。 Z軸電路應(yīng)在時基發(fā)生 器輸出的正程時間內(nèi)產(chǎn)生加亮 (增輝 )信號加到示波管控制 柵極上， 使得示波管在掃描正程加亮光跡， 在掃描回程使

13、 光跡消隱。 第 4章 電子示波器 由圖 4.3-1(b)中的波形、 、 可見， 觸發(fā)點即鋸 齒波的掃描起點并不在被顯示信號的起始過零點， 因此， 信號前沿?zé)o法觀察。 為了克服此缺點， 在垂直前置放大器 之后加入延遲線， 對 Y方向加入的信號進(jìn)行延遲， 并且使 其延遲時間 2略大于由水平通道引起的固有觸發(fā)延遲 1， 以確保觸發(fā)掃描與顯示信號同步。 第 4章 電子示波器 來自 Y通道的同步信號 (即被觀察信號 )被稱為“內(nèi)”同步； 來自儀器外部的同步信號被稱為“外”同步。 示波器除了用 于觀察信號波形外， 當(dāng)用于其他測量時， X偏轉(zhuǎn)板上也可不 加時基信號， 而是加上待測的或參考的信號， 這個信號

14、可從 X輸入端直接接入示波器， 經(jīng)過輸入電路和放大器后加于 X 偏轉(zhuǎn)板。 輸入電路一般由衰減器、 射極跟隨器和放大器組成。 校正器用來校準(zhǔn)示波器的主要特性。 常用的有幅度校正 器和掃描時間校正器。 第 4章 電子示波器 電源一般由兩個整流器組成。 高壓整流器供給示波 管高壓電極電壓， 低壓整流器供給示波器所有其他電路 的電壓和示波管低壓電極電壓。 通常低壓電源采用穩(wěn)壓 器， 電子束控制電路與電源連在一起， 包括亮度、 聚焦、 輔助聚焦和光點位置控制。 第 4章 電子示波器 4.3.2 為了正確選擇和使用示波器， 必須了解以下六項最重 1. 頻率響應(yīng) (頻帶寬度 ) 示波器最重要的工作特性就是頻

15、率響應(yīng) fh(最高工作頻 率 )， 又稱帶寬。 這是指垂直偏轉(zhuǎn)通道 (Y方向放大器 )對正 弦波的幅頻響應(yīng)下降到中心頻率的 0.707( 3 dB)倍時的頻 第 4章 電子示波器 由于信號通過線性電路時， 輸出信號的頻譜 G()等于 輸入信號的頻譜 F()乘以電路的頻率特性 K()， 即 G()=K() F()， 因此， 如果要求任意形狀信號通過該 電路時不產(chǎn)生畸變， 則要求電路對被傳輸信號的所有頻譜 分量的幅頻特性為常數(shù)。 示波器垂直偏轉(zhuǎn)通道的帶寬必須 足夠?qū)挘?如果通道的帶寬不夠， 則對于信號的不同頻率分 量， 通道的增益不同， 信號波形便會產(chǎn)生失真。 因此， 為 了能夠顯示窄脈沖， 示波

16、器 Y通道帶寬必須很寬。 例如， SR-8型二蹤示波器帶寬 fh=15 MHz, SBM-10A示波器的帶寬 fh=30 MHz， 目前最寬的示波器頻率范圍 fh已達(dá)到 1000 MHz。 第 4章 電子示波器 2. 偏轉(zhuǎn)靈敏度 (S) 單位輸入信號電壓 uy引起光點在熒光屏上偏轉(zhuǎn)的距離 H 稱為偏轉(zhuǎn)靈敏度 S， 即 S= (4.3-1) 則 uy= =H d (4.3-2) 式中， d為靈敏度的倒數(shù) 1/S， 稱為偏轉(zhuǎn)因數(shù)。 S的單位為 cm/V、 cm/mV或 div/V(格 /伏 )， d的單位為 V/cm。 yu H S H 第 4章 電子示波器 在測量時， 從示波器垂直通道衰減器刻度

17、可讀得它的 偏轉(zhuǎn)因數(shù) d， 根據(jù)顯示的波形高度 H， 按式 (4.3-2)可求得顯 示波形的電壓幅度。 例如， d=2 V/cm， 熒光屏上 uy波形高 度 H=2.6 cm， 則所觀察波形幅度 uy=2 V/cm 2.6 cm=5.2 V。 第 4章 電子示波器 3. 示波器屏幕上光點水平掃描速度的高低可用掃描速度、 時基因數(shù)、 掃描頻率等指標(biāo)來描述。 掃描速度就是光點水 平移動的速度， 其單位是 cm/s或 div/s(格 /秒 )。 掃描速度的 倒數(shù)稱為時基因數(shù)， 它表示光點水平移動單位長度 (cm或 div) 所需的時間。 掃描頻率表示水平掃描的鋸齒波的頻率。 一 般示波器 X方向掃描

18、頻率可由 t/cm或 t/div分擋開關(guān)進(jìn)行調(diào)節(jié)， 此開關(guān)標(biāo)注的是時基因數(shù)。 SR-8雙蹤示波器的時基因數(shù)范 圍為 1 s/div0.2 s/div, SBM-10A 型示波器的時基因數(shù)范圍為 0.5 s/cm0.05 s/cm。 第 4章 電子示波器 4. 輸入阻抗是指示波器輸入端對地的電阻 Ri和分布電容 Ci 的并聯(lián)阻抗。 在觀測信號波形時， 把示波器輸入探頭接到 被測電路的觀察點， 輸入阻抗越大， 示波器對被測電路的 影響就越小， 所以要求輸入電阻 Ri大而輸入電容 Ci小。 輸 入電容 Ci在頻率越高時， 以 SBM-10型多用示波器為例， 垂直偏轉(zhuǎn)通道的輸入電 阻 Ri=1 M，

19、電容 Ci=27 pF。 第 4章 電子示波器 5. 示波器的瞬態(tài)響應(yīng)就是示波器的垂直系統(tǒng)電路在方波 脈沖輸入信號作用下的過渡特性。 圖 4.3-2顯示了一個正向 標(biāo)準(zhǔn)方波脈沖經(jīng)過示波器后波形發(fā)生畸變的情況， 與圖 3.6-1 相似。 示波器的瞬態(tài)響應(yīng)特性一般可用圖中所示脈 沖的上升時間 tr、 下降時間 tf、 上沖 s0、 下沖 sn、 預(yù)沖 sp及 下垂 等參數(shù)表示。 第 4章 電子示波器 圖 4.3-2中 Um是標(biāo)準(zhǔn)方波脈沖的基本幅度 (簡稱脈沖幅 度 )， b是上沖量 (脈沖前沿高出 Um部分的沖擊量 )， f是下沖 量 (脈沖后沿低于脈沖底值的突出部分 )， U為平頂降落量 (方波

20、持續(xù)期間頂部幅度的下降量， 也稱下垂 )。 第 3章曾 提到， 脈沖的上沖、 下沖、 平頂降落等也可以分別用它 們對脈沖幅度的百分比值表示， 因而可以分別定義如下： 第 4章 電子示波器 圖 4.3-2 示波器的瞬態(tài)響應(yīng) 第 4章 電子示波器 上沖 s0是脈沖前沿的上沖量 b與 Um的百分比值， 即 %100 m 0 U bs 下沖 s0是脈沖前沿的上沖量 b與 Um的百分比值， 即 %1 0 0 m U fs n 下垂 是脈沖平頂降落量 U與 Um的百分比值， 即 %1 0 0 m U U 第 4章 電子示波器 預(yù)沖 sp是脈沖波階躍之前的預(yù)沖量 d與 Um的百分比值， 即 %1 0 0 m

21、 p U ds 脈沖上升時間 tr和脈沖下降時間 tf與第 3章中的定義相同， 示波器說明書中通常只標(biāo)示出上升時間 tr及上沖 s0的數(shù) 值。 由于示波器中的放大器是線性網(wǎng)絡(luò)， 因此放大器的頻 帶寬度 fB與上升時間 tr有確定的關(guān)系： 第 4章 電子示波器 fB tr350。 當(dāng)知道了頻帶寬度 fB時， 可計算出 tr350/fB， 式 中 fB的單位為 MHz， tr的單位為 ns。 示波器中， fB=fh。 例如 , SBM-10A型示波器的 fh=30 MHz， 由此可求得上升時間為 s12 1030 3 5 03 5 0 6 h f t r 不難理解， 上升時間 tr 瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)在

22、相當(dāng)大的程度上決定了示波器所能觀測 的脈沖信號的最小寬度。 第 4章 電子示波器 6. 掃描方式 示波器中的掃描電壓鋸齒波是一種線性時間基線。 線 性時基掃描可分成連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描兩種方式。 圖 4.3-3 是連續(xù)掃描電壓波形， 回掃后沒有等待時間， 故適用于觀 測連續(xù)信號。 圖 4.3-4是觸發(fā)掃描電壓波形， 它只在觸發(fā)信 號的激勵下才開始掃描， 每完成一次掃描后就處于等待狀 態(tài)， 第 4章 電子示波器 圖 4.3-3 連續(xù)掃描電壓波形 第 4章 電子示波器 圖 4.3-4 觸發(fā)掃描電壓波形 第 4章 電子示波器 4.4 電子示波器的 Y、 X 電子示波器的基本部件由垂直偏轉(zhuǎn)通道 (Y通道

23、 )、 水平 偏轉(zhuǎn)通道 (X通道 )、 增輝和 Z軸調(diào)制、 校正器及電源組成。 4.4.1 垂直偏轉(zhuǎn)通道 (Y通道 ) 垂直通道的任務(wù)是檢測被觀察的信號， 并將它無失真 或失真很小地傳輸?shù)绞静ü艿拇怪逼D(zhuǎn)板上。 同時， 為了 與水平偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)配合工作， 要將被測信號進(jìn)行一定的延遲。 為了完成上述任務(wù)， 垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)由輸入電路、 阻抗變換 器、 延遲線和放大器組成， 如圖 4.3-1(a)所示。 第 4章 電子示波器 1. 輸入電路由探頭、 衰減器等組成。 被測信號通過垂直 偏轉(zhuǎn)通道加到示波管的 Y偏轉(zhuǎn)板上， 整個輸入電路可以看 成一個二端網(wǎng)絡(luò)， 為了不失真地傳輸信號， 此二端網(wǎng)絡(luò) 應(yīng)是一個交直流

24、耦合電路， 通過該耦合電路后， 信號再加 到放大器進(jìn)行放大。 下面先說明輸入耦合方式， 再說明對 于大信號必須加入衰減器的情況。 第 4章 電子示波器 1) 對于通頻帶下限不是 0的示波器， 放大器為交流耦合放大 器， 其輸入端也用電容耦合； 對于通頻帶從 0開始的示波 器， 可以觀察信號的直流分量或變化極慢的信號， 放大器是 直接耦合的 (直流放大器 )。 被測信號輸入端的耦合則視需要 而定， 可以是直流耦合， 也可以是交流耦合， 可用開關(guān) S來 控制， 如圖 4.4-1所示。 當(dāng)開關(guān) S打向 DC位置時， 耦合電容 C 短接， 成為直流耦合， 否則為交流耦合。 第 4章 電子示波器 2)

25、由于經(jīng)常需要觀察幅度較小的電壓波形， 因此示波器的 靈敏度設(shè)計得較高， 但當(dāng)需要觀察幅度較大的信號時， 就 對衰減器的要求是輸入阻抗高， 同時在示波器的整個通 頻帶內(nèi)衰減的分壓比均勻不變。 要達(dá)到這個要求， 僅用簡 單的電阻分壓是達(dá)不到目的的。 因為在下一級的輸入及引線 都存在分布電容， 這個分布電容的存在對于被測信號高頻分 量有嚴(yán)重的衰減， 會造成信號的高頻分量的失真 (脈沖上升 時間變慢 )。 第 4章 電子示波器 為此， 必須采用圖 4.4-1所示的阻容補償分壓器， 圖中 R1、 R2為分壓電阻 (R2包括下一級的輸入電阻 )， C2為下一級 的輸入電容和分布電容， C1為補償電容。 調(diào)

26、節(jié) C1， 當(dāng)滿足 關(guān)系式 C1R1=C2R2時， 分壓比 K0在整個通頻帶內(nèi)是均勻的， 它可表示為 21 1 21 2 0 CC C RR RK (4.4-1) 這樣的分壓器做成的衰減器就可以無畸變地傳輸窄脈沖 信號， 僅僅是信號幅度降為原幅度的 1/K0。 第 4章 電子示波器 圖 4.4-1 阻容補償分壓器 第 4章 電子示波器 大多數(shù)示波器的輸入電阻 Ri都設(shè)計在 1 M左右， 它的大 小主要取決于 R1， 因為 Ri=R1+R2， 而 R2R1。 輸入電容 Ci為 C1、 C2的串聯(lián)值和引線分布電容 C0之并聯(lián)值， 即 Ci=C1C2/ (C1+C2) +C0， 通常用一個多量程開關(guān)

27、換接不同的 R2、 C2來改變衰減 量。 早期的示波器開關(guān)位置都標(biāo)有衰減量， 如衰減 30、 100 等。 現(xiàn)在都標(biāo)以偏轉(zhuǎn)因數(shù)值， 當(dāng)示波器最高靈敏度為 0.02 cm/mV 時， 最小偏轉(zhuǎn)因數(shù)為 50 mV/cm， 衰減 2、 4、 10倍時， 分別 標(biāo)以偏轉(zhuǎn)因數(shù) 100 mV/cm、 200 mV/cm、 0.5 V/cm。 設(shè)計示 波器應(yīng)做到開關(guān)在不同位置時， 示波器的輸入阻抗不變。 偏 轉(zhuǎn)因數(shù)的標(biāo)注請參見圖 4.5-3中 Y通道的兩個調(diào)節(jié)旋鈕 V/div。 第 4章 電子示波器 3) 用示波器觀察信號波形時， 長長的引線往往會引起各種 雜散干擾， 所以通常使用同軸電纜作為輸入引線， 以

28、避免 干擾影響。 因同軸電纜內(nèi)外導(dǎo)體間存在電容使輸入電容 Ci顯 著增加， 這對觀察高頻電路或窄脈沖是很不利的， 因此， 高頻示波器常用圖 4.4-2所示的探頭檢測被觀察信號。 探頭 里有一可調(diào)的小電容 C(510 pF)和大電阻 R并聯(lián)。 如果設(shè)計 示波器輸入電阻 Ri為 1 M時， R應(yīng)取 9 M， 同時調(diào)整補償 電容 C可以得到最佳補償， 即滿足 CRRiCi， 則調(diào)整補償電 容 C時的波形如圖 4.4-3所示， 圖 (a)為理想補償?shù)牟ㄐ危?圖 (b)為過補償?shù)牟ㄐ巍?通常 (c)為欠補償?shù)牟ㄐ巍?通常調(diào)整 C， 以達(dá)到圖 (a)所示的理想補償波形。 第 4章 電子示波器 圖 4.4-

29、2 示波器探頭 第 4章 電子示波器 圖 4.4-3 補償電容的波形 第 4章 電子示波器 探頭中的電阻電容 R、 C與示波器的輸入阻抗 Ri、 Ci形 成補償式分壓器， 一般分壓比做成 10 1， 此時分壓器不會 引入被測信號的失真。 同時， 探頭和電纜都是屏蔽的， 不 會引入干擾， 輸入阻抗也大為增加， Ri=10 M, Ci=10 pF。 唯一的缺點是送到示波器輸入端的信號減小了 10倍， 計算脈沖幅度時， 應(yīng)將偏轉(zhuǎn)因數(shù)乘以 10。 為了避免 這一缺點， 可采用有源探頭， 即探頭內(nèi)有一個場效應(yīng)管源 極跟隨器， 它的傳輸系數(shù)近似為 1， 同時又具有高輸入阻抗 和屏蔽性。 另外， 必須強調(diào)的

30、是， 探頭里的微調(diào)電容是對 特定的示波器調(diào)定的， 各臺示波器的 Ci值一般都不相同， 所以探頭不能互換使用， 否則會引入明顯的波形畸變。 第 4章 電子示波器 2. 阻抗變換器一般可由射極跟隨器構(gòu)成。 射極跟隨器的高 輸入阻抗使得示波器對外呈現(xiàn)高輸入阻抗， 射極跟隨器的低 輸出阻抗容易與后接的低阻延遲線相匹配， 亦可在發(fā)射極接 一個電位器， 以便微調(diào)所顯示波形的幅度。 第 4章 電子示波器 3. 當(dāng)示波器工作在“內(nèi)”觸發(fā)狀態(tài)時， 利用垂直通道輸 入的被測信號去觸發(fā)水平偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生掃描電壓波， 從接 受觸發(fā)到開始掃描需要一小段時間， 這樣就會出現(xiàn)被測信 號到達(dá) Y偏轉(zhuǎn)板而掃描信號尚未到達(dá) X偏轉(zhuǎn)

31、板的情況， 為了 正確顯示波形， 必須將接入 Y通道的被測信號進(jìn)行一定的延 遲， 以便與水平系統(tǒng)的掃描電壓在時間上相匹配。 通常延 遲時間在 50200 ns 之間， 這個延遲準(zhǔn)確性要求不高， 但 延遲應(yīng)穩(wěn)定， 否則會導(dǎo)致圖像的水平漂移和晃動。 第 4章 電子示波器 對延遲線的基本要求是在垂直系統(tǒng)的工作頻帶內(nèi)， 它能 夠無失真地并有一定延時地傳遞信號。 在帶寬較窄的示波器 里， 一般采用多節(jié) LC網(wǎng)絡(luò)作延遲線， 在帶寬較寬 (大于 15 MHz)時， 則采用平衡螺旋線作延遲線。 無論采用哪種延遲 線， 其特性阻抗均在幾百歐姆以下， 延遲線的前邊必須用低 輸出阻抗的電路作驅(qū)動級， 延遲線的后邊用

32、低輸入阻抗的電 路作緩沖器。 在示波器的實際電路中， 還要接入各種補償電 路， 以補償延遲線及安裝過程中引起的失真。 第 4章 電子示波器 4. 被測信號經(jīng)探頭檢測引入示波器后， 微弱的信號必須經(jīng) 放大器放大后加到示波器的垂直偏轉(zhuǎn)板， 使電子束有足夠大 的偏轉(zhuǎn)能量。 當(dāng)示波管靈敏度及示波器偏轉(zhuǎn)因數(shù)一定時， 放 大器的增益 K的計算如下： K= 1000 (4.4-2) 式中， S為示波器偏轉(zhuǎn)因數(shù)， SV為示波管靈敏度。 當(dāng) S為 1 cm/50 mV時， 高靈敏度示波管的 SV=0.5 cm/V， 此時， 要求 放大器的放大倍數(shù) K=40； 一般示波管的 SV=0.04 cm/V， 要求 放大

33、器的放大倍數(shù) K=500。 VS S 第 4章 電子示波器 垂直偏轉(zhuǎn)放大器設(shè)計中除了要考慮放大器應(yīng)具有足夠大 的信號放大倍數(shù)外， 還要考慮波形無失真的被放大， 即放 大器應(yīng)具有足夠的帶寬。 換句話說， 就是具有足夠低的 低頻截止頻率和足夠高的高頻截止頻率。 第 4章 電子示波器 放大器的低頻截止頻率受耦合電容或射極旁路電容的 限制， 必須加大這些電容以降低低頻截止頻率或采用直接 耦合 (直流放大器 )。 高頻截止頻率受兩個因素限制： 其一 是晶體管放大倍數(shù)隨頻率升高而下降； 其二是晶體管輸出 端分布電容 C0(集電結(jié)電容和引線分布電容之和 )及負(fù)載電容 CL對高頻的分流使高頻增益下降， 由它造

34、成的高頻截止頻 率為 LL CR f 2 1h (4.4-3) 式中， RL和 CL是放大器的等效負(fù)載電阻和等效負(fù)載電容。 第 4章 電子示波器 (1) 選用截止頻率高的器件， 盡量減小負(fù)載電容和分布 電容， (2) 電路中引入強的負(fù)反饋， 如放大器開環(huán)增益為 K0， 反饋系數(shù)為 F， 則加負(fù)反饋后， 高頻截止頻率擴(kuò)展為原來的 (1+K0F) (3) 在電路中用電抗元件 (電容或電感 )加以補償， 使放大 器截止頻率高一些， 第 4章 電子示波器 采用以上各種措施后， 放大器的通帶寬度可大大提 高， 若要求更高的帶寬， 如大于 1 GHz， 則可采用取樣 的方法把觀察信號“減慢”， 然后再帶寬

35、較窄的放大器 放大， 垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的末級放大器都采用推挽式放大器， 它輸出一對平衡的交流電壓加到偏轉(zhuǎn)板， 這樣當(dāng)被測電 壓幅度任意改變時， 偏轉(zhuǎn)的基線電位 (即偏轉(zhuǎn)板之間的中 心電位 ) 第 4章 電子示波器 垂直偏轉(zhuǎn)通道放大器可以設(shè)計成輸入端為單端放大器， 而在接到示波管之前變換成差動放大器， 也可以從輸入端 到輸出端都設(shè)計成差動放大器。 這是因為差動放大器抑制 寄生信號的能力強， 而不管這種寄生信號是由附近的干擾 源通過空間耦合而來， 還是通過傳導(dǎo)而來。 此外， 差動放 大器還能大大改善因環(huán)境溫度、 電源電壓、 晶體管參數(shù)等 示波器后面一般都有插孔， 幅度較大的信號可以不經(jīng) 過垂直偏轉(zhuǎn)通道

36、從插孔直接加到偏轉(zhuǎn)板上， 以減少顯示波 形的畸變。 第 4章 電子示波器 4.4.2 水平偏轉(zhuǎn)通道 (X通道 ) 水平偏轉(zhuǎn)通道即 X通道， 其作用是產(chǎn)生一個與時間呈線 性關(guān)系的電壓， 并加到示波管的 X偏轉(zhuǎn)板上， 使電子射線 沿水平方向線性地偏移， 形成時間基線。 設(shè) Sx為水平方向 的偏轉(zhuǎn)靈敏度， 水平板上所加電壓為 Ux(t)， 則偏轉(zhuǎn)距離 x為 x=SxUx(t)。由上式可知， 隨時間線性增長的掃描電壓加在水 平偏轉(zhuǎn)板上， 屏幕電子束即能由左向右隨時間作水平掃描， 這種掃描稱為線性時基掃描。 本書著重介紹線性時基掃描 方式， 對于其他掃描方式如圓掃描、 對數(shù)掃描等不作介紹。 第 4章 電

37、子示波器 1. 掃描分類 1) 該方式的掃描電壓是周期性的鋸齒波電壓。 在掃描電 壓的作用下， 示波管光點將在屏幕上作連續(xù)重復(fù)周期的掃 描， 若沒有 Y通道的信號電壓， 則屏幕上只顯示出一條時間 基線。 在時域測量中， 在 Y通道加入周期變化的信號電壓， 即可顯示信號波形。 連續(xù)掃描最主要的問題是如何保證在 屏幕上顯示出穩(wěn)定的信號波形。 第 4章 電子示波器 為了得到穩(wěn)定的波形顯示， 必須使掃描鋸齒波電壓周 期 T與被測信號周期 Ty保持整數(shù)倍的關(guān)系， 即 T=nTy。 由于 掃描電壓是由示波器本身的時基電路產(chǎn)生的， 它與被測信 號電壓不相關(guān)， 因此一般采用被測信號 (或與被測信號相關(guān) 的信號

38、 )控制、 觸發(fā)時基電路， 使 T=nTy， 這個過程稱為同 步。 利用這種同步方法可使掃描信號發(fā)生器在一定頻率穩(wěn) 定度范圍內(nèi)保證 T與 Ty的整數(shù)倍關(guān)系， 實現(xiàn)穩(wěn)定的顯示。 顯 示情況如圖 4.4-4 第 4章 電子示波器 圖 4.4-4 連續(xù)掃描的波形顯示 第 4章 電子示波器 2) 被測波形與掃描電壓的同步問題在觀測脈沖波形時尤 為突出。 圖 4.4-5是連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描觀測脈沖波形的比 較。 其中， 圖 (a)是被測脈沖波形， 可看到脈沖的持續(xù)時 間與重復(fù)周期比 (t0/Ty)很小， t0為被測脈沖底寬。 圖 (b)、 (c) 是用連續(xù)掃描方式顯示被測脈沖波形， 掃描周期分別為 T=

39、Ty和 T=t0。 從圖 (b)上很難看清波形的細(xì)節(jié)， 特別是脈沖 波的上升沿。 第 4章 電子示波器 如果增加掃描頻率 (如圖 (c)所示的波形 )， 則雖可以觀 察被測脈沖的細(xì)節(jié)， 但光點在水平方向多次掃描中只有一 次掃描出脈沖波形， 因此顯示的脈沖波形本身很黯淡， 而時基線卻很亮， 這不僅觀察困難， 而且同步也較難。 圖 (d)所示是觸發(fā)掃描的情形， 掃描發(fā)生器平時處于等待工 作狀態(tài)， 只有送入觸發(fā)脈沖時才產(chǎn)生一次掃描電壓， 在屏 幕上掃出一個展寬的脈沖波形， 而不顯示出時間基線。 第 4章 電子示波器 圖 4.4-5 脈沖信號的連續(xù)掃描與觸發(fā)掃描顯示 第 4章 電子示波器 2. 如圖

40、4.4-6所示， 示波器的水平通道包括三部分： 觸 發(fā)電路， 其中包括觸發(fā)方式選擇、 脈沖整形電路； 時基 發(fā)生器， 由閘門電路、 掃描發(fā)生器、 電壓比較器和釋抑電 路組成； 水平放大器。 時基發(fā)生器是水平通道的核心， 用來產(chǎn)生線性度好、 頻率穩(wěn)定、 幅度相等的鋸齒波電壓； 水平放大器用來放大 鋸齒波電壓， 輸出對稱的鋸齒波電壓， 加至水平偏轉(zhuǎn)板； 觸發(fā)電路控制時基的掃描閘門， 以實現(xiàn)與被測信號的嚴(yán)格 同步。 第 4章 電子示波器 圖 4.4-6 水平通道的結(jié)構(gòu)框圖 第 4章 電子示波器 3. 時基發(fā)生器由時基閘門、 掃描發(fā)生器、 電壓比較器和 釋抑電路組成， 其結(jié)構(gòu)框圖及各點波形如圖 4.4

41、-7 時基閘門電路是一個典型的施密特電路， 它是雙穩(wěn)態(tài)觸 發(fā)電路， 當(dāng)觸發(fā)脈沖在 t1時刻到來時， 電路翻轉(zhuǎn)， 輸出高 電平， 使得掃描電壓發(fā)生器開始工作。 第 4章 電子示波器 圖 4.4-7 時基發(fā)生器 第 4章 電子示波器 掃描電壓產(chǎn)生器是一個密勒積分器， 它能產(chǎn)生高線性 度的鋸齒波電壓， 其原理如圖 4.4-8 所示。 當(dāng)開關(guān) S斷開時， 電源電壓 E通過電阻 R對電容 C充電， 產(chǎn)生負(fù)向鋸齒波 U0， 此電壓一路送入水平放大器， 另一路送入時基發(fā)生器的電 壓比較器 (見圖 4.4-7)。 時基閘門電路的兩個穩(wěn)態(tài)相當(dāng)于開關(guān) S的斷開和閉合， 開關(guān) S閉合時， 電容 C迅速放電， 使 U

42、0迅速回升， 第 4章 電子示波器 圖 4.4-8 密勒積分電路 第 4章 電子示波器 電壓比較器將送入的電壓 U0與參考電壓 Ur進(jìn)行比較， 當(dāng) U02.5 1 擴(kuò)展“ 10”時， 其最快掃描速度可以達(dá)到 20 ns/div， 誤差除 0.2 s/div擋 15%外， 其余各擋均 10% X外接： 靈敏度 3 V/div； 頻帶寬度 100 Hz250 kHz, 3 dB; 輸入阻抗， 1 M， 40 pF 觸發(fā)同步性能如表 4.5-1所示。 第 4章 電子示波器 3) 示波管 12 SJ 102型矩形屏示波管的加速電壓為 2 kV， 屏幕有效工作面積為 6 div 10 div(1 div

43、=0.8 cm)， 中余 校準(zhǔn)信號： 矩形波 1 kHz, 誤差 2%, 幅度 1 V, 誤 差 3%。 第 4章 電子示波器 2. SR-8型雙蹤示波器的面板布置如圖 4.5-3所示。 接通電源時， 將各控制件置于適中位置， 如果看到光 點， 即可調(diào)整輝度， 使光點或時基線的亮度適當(dāng)； 如果找 不到光點， 則可按下“尋跡”按鍵， 以辨別光點的偏向， 再調(diào)整“ Y軸移位”或“ X軸移位”使光點居中。 第 4章 電子示波器 圖 4.5-3 SR-8型雙蹤示波器的面板布置圖 第 4章 電子示波器 示波器的 Y軸靈敏度開關(guān)“ V/div”位于 0.2擋， 其“微調(diào)” 位于“校準(zhǔn)”位置， 此時如果被測

44、波形占 Y軸的坐標(biāo)幅度 H 為 5 div， 則此時信號電壓 Uy幅度為 (見圖 4.5-4) Uy=V/div H(div) =0.2 V/div 5 div =1 V 第 4章 電子示波器 圖 4.5-4 電壓測量 第 4章 電子示波器 若被測信號經(jīng)探頭輸入， 則應(yīng)將探頭衰減 10倍的因素考 慮在內(nèi)， 被測信號 Uy幅度為 Uy=0.2 V/div 5 div 10 =10 V 直流電壓的測量也可如此計算， 將直流電壓信號線與時 基線比較， 求出直流電壓占 Y軸的坐標(biāo)幅度 H， 得到直流電 壓幅度值。 第 4章 電子示波器 2) 首先將 X通道掃描控制開關(guān)“ t/div”的“微調(diào)”置于“校

45、準(zhǔn)” 位置上， 這樣可以由開關(guān)的指示值直接計算出時基線上 X方向 被測兩點之間距離 D的時間間隔為 T=t/div D(div) 例如， 掃描控制開關(guān)置于 0.2 ms/div， 被測波形兩點間距 離 D為 6 div， 則時間間隔 T為 (見圖 4.5-5) T=0.2 ms/div 6 div=1.2 ms 當(dāng)距離 D為某一周期波形的一個周期距離時， 計算出的 T 為該波形的周期。當(dāng)距離 D為某兩個波形間的距離時， 計算出 的 T為這兩個波形間的時間差， 參見圖 4.5-6 第 4章 電子示波器 圖 4.5-5 時間間隔測量 第 4章 電子示波器 圖 4.5-6 時間差測量 第 4章 電子

46、示波器 當(dāng)距離 D為脈沖寬度時， 計算出的 T為該脈沖的持續(xù)時間， 見圖 4.5-7。 3） 對周期性的重復(fù)頻率來說， 可按時間測量的公式測 定其每一周的時間 T， 按照頻率 f與周期 T的倒數(shù)關(guān)系來計 算頻率， 即 Tf 1 第 4章 電子示波器 圖 4.5-7 脈寬測量 第 4章 電子示波器 4) 雙蹤顯示可測得兩個相同頻率信號的相位關(guān)系。 測量 相位時觸發(fā)點正確與否很重要， 應(yīng)將 Y軸觸發(fā)源開關(guān)置于 “ YB”的位置， 然后用內(nèi)觸發(fā)形式啟動掃描， 測兩信號的 相 如圖 4.5-8所示的被測波形， 其一個周期占橫坐標(biāo)刻度 上 8個 div， 則 1 div對應(yīng) 45 相位， 即 360 1

47、/8， 兩波形 相位間隔 D為 1.5 div， f=D(div) 45 /div=1.5 div 45 /div=67.5 第 4章 電子示波器 圖 4.5-8 相位測量 第 4章 電子示波器 4.6 (1) 示波器偏轉(zhuǎn)板電容 C與引線電感 L的影響。 當(dāng)測量高 頻信號時， 偏轉(zhuǎn)板電容 C與引線電感 L構(gòu)成的諧振回路將使 階躍信號產(chǎn)生畸變， 在上升沿處形成過阻尼、 臨界阻尼或 阻尼振蕩 (欠阻尼 )三種情況。 過阻尼使得上升沿變壞。 欠 阻尼時， 在上升沿頂部疊加振蕩信號。 其等效電路及波形 情況如圖 4.6-1所示。 第 4章 電子示波器 圖 4.6-1 分布參數(shù)的影響 第 4章 電子示波

48、器 為了減小分布參數(shù)的影響， 應(yīng)盡量減小 L和 C。 所以， 快速示波管的偏轉(zhuǎn)板引線從旁邊引出以縮短其長度， 從而 減小了引線電感； 同時增大偏轉(zhuǎn)板間距可減小 C， 但帶來 的問題是偏轉(zhuǎn)靈敏度也隨之降低， 這是人們所不希望的。 (2) 電子渡越時間的影響。 當(dāng)電子束通過偏轉(zhuǎn)板時， 偏轉(zhuǎn)板上的電壓不變， 那么電子束的偏轉(zhuǎn)量正比于偏轉(zhuǎn)電 壓。 第 4章 電子示波器 普通示波管中電子通過偏轉(zhuǎn)板的時間即電子渡越時間為 110ns 量級。 如果顯示波形周期或脈寬比它大得多， 則可 以認(rèn)為在波形顯示期間， 偏轉(zhuǎn)板上的電壓近似不變。 但 是， 當(dāng)顯示高頻信號， 即顯示納秒級脈沖或幾百兆赫茲的 正弦波時， 因

49、電子通過偏轉(zhuǎn)板期間偏轉(zhuǎn)板上電壓會有明顯 變化， 故所顯示的波形也會有很大失真。 對于正弦波， 會 使得波形振幅變小， 且引入相位差； 對于脈沖波形， 表現(xiàn) 為上升沿和下降沿均變慢， 甚至畸變?yōu)槿切尾ā?第 4章 電子示波器 (3) Y偏轉(zhuǎn)放大器帶寬不足。 放大器高頻截止頻率不夠 高， 對于高頻信號將產(chǎn)生前、 (4) 掃描速度不夠快。 當(dāng)顯示高頻信號時， 要有足夠快 的掃描速度。 例如， 要求光跡在 5 ns時間內(nèi)掃過 10 cm長的 距離， 掃描速度為 0.5 ns/cm， (5) 亮度不夠。 對于高速脈沖， 例如寬為 5 ns的脈沖， 掃出一個波形的時間僅為 5 ns， 即使掃描重復(fù)頻率為

50、每秒 1000次， 圖形亮度仍很弱。 第 4章 電子示波器 4.6.1 高速示波器要顯示 ns、 ps級的脈沖或微波信號， 它不同 于普通示波器的關(guān)鍵之處是示波管、 Y放大器和時基發(fā)生器。 1. 高速示波器采用專用示波管。 如前所述， 高速示波管的 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)接線要短 (從管旁引出 )， 偏轉(zhuǎn)板間距離 d要大， 以減 小分布電容， 加速電壓要高， 以減小電子渡越時間， 因而導(dǎo) 致偏轉(zhuǎn)靈敏度將很低。 為了保證示波器的靈敏度， 要求 Y軸 放大器必須有更大的放大倍數(shù)， 這無疑增加了 Y軸放大器實現(xiàn) 上的困難。 因此， 在要求更高速度時， 可采用行波示波管。 第 4章 電子示波器 2. 放大器 Y軸放

51、大器是寬帶放大器， 目前集成電路放大器帶寬 可達(dá) 1000 MHz 3. 高速示波器的時基發(fā)生器在掃描期間的掃描速度很 高， 因而掃描電容充、 放電電流很大。 例如， 掃描因數(shù) 為 1 ns/cm時， 回掃速度可達(dá) du/dt=5 1010 V/s， 電容為 40 pF時， 因 i=C du/dt， 故流過開關(guān)的電流達(dá) 2 A， 這就對 充、 放電開關(guān)提出較苛刻的要求。 由于高速示波管的偏轉(zhuǎn)靈敏 度很低， 因此常常要求形成幾百伏的掃描電壓。 另外， 回 掃時間應(yīng)很短， 因為它限制被測脈沖的最高重復(fù)頻率。 上 述要求都必須有較大功率的電路才能滿足要求。 第 4章 電子示波器 一般頻寬為 100

52、MHz以上的示波器稱為高速示波器， 主 要用于國防、 科研等領(lǐng)域。 目前， 美國泰克公司生產(chǎn)的 DP4000其帶寬達(dá) 350 MHz1 GHz， 美國泰克、 安捷倫、 力 科三大公司推出的 TDS3000B/TDS5000等系列， 其帶寬為 60 MHz2 GHz。 國內(nèi)江蘇綠揚電子儀器集團(tuán)也生產(chǎn)出帶寬達(dá) 1 GHz的示波器。 第 4章 電子示波器 4.6.2 將高頻 (一般為 1000 MHz以上 )的重復(fù)性的周期信號經(jīng) 過取樣 (取樣速率可調(diào)節(jié) )變換成低頻的重復(fù)性的周期信號， 再運用通用示波器的原理進(jìn)行顯示和觀測的示波器稱為取 樣示波器。 第 4章 電子示波器 前面介紹的示波器都是“實時

53、信號”顯示的示波器， 而取樣示波器則經(jīng)過頻率轉(zhuǎn)換， 是一種“非實時取樣”的 示波器。 這種非實時取樣技術(shù)把一個高頻或超高頻的信號 經(jīng)過跨周期的取樣， 形成一個波形和相位完全相同、 幅度 相等或形成某種嚴(yán)格比例的低頻 (或中頻 )信號。 對低頻信 號的測量， 要比對高頻或超高頻信號的測量在技術(shù)上成熟 得多， 測量精度也易于得到保證。 第 4章 電子示波器 取樣裝置加普通示波器就是取樣示波器的結(jié)構(gòu)， 取 樣裝置可將頻率上限擴(kuò)展到十幾 GHz。 1969年 HP公司試 制的 1811A型取樣示波器頻寬為 18 GHz。 我國普源精電公 司 2004年研發(fā)生產(chǎn)的 DS5000系列可達(dá) 1 GS/s實時

54、采樣率。 1. 圖 4.6-2是一個非實時取樣保持電路的原理圖。 圖 中， S為取樣脈沖 p(t)控制的電子開關(guān)， 也叫取樣門， 在 脈沖持續(xù)期 tw相當(dāng)于開關(guān) S閉合， 在脈沖間歇期 T0相當(dāng)于 開關(guān) S斷開。 第 4章 電子示波器 圖 4.6-2 取樣門及取樣脈沖 第 4章 電子示波器 開關(guān) S閉合時， 取樣電路的輸出 us(t)=ui(t)， 由于脈沖寬 度 tw很窄， 因此可以認(rèn)為在此期間 ui(t)的電壓幅度是不變的。 us(t)是寬度與脈沖寬度 tw相同的離散取樣信號， 在脈沖間歇 期 T0期間， 開關(guān) S斷開， 輸入信號 ui(t)不能通過開關(guān)， 則 us(t) 輸出信號幅度為

55、0， 這樣通過取樣脈沖的作用即將連續(xù)的輸 入信號 ui(t)變成了離散的信號 us(t)。 第 4章 電子示波器 非實時取樣過程與實時取樣過程的不同之處在于取樣 脈沖與輸入信號之間時序上的差別。 非實時取樣過程對于 輸入信號是進(jìn)行跨周期采樣。 如圖 4.6-3所示， 圖 (a)為被 測的高頻信號 ui(t)， 圖 (b)為取樣脈沖， 通常取樣脈沖的間 隔為輸入信號 ui(t)的周期 T+t(取樣脈沖的間隔也可以是 mT+t, 當(dāng)被測信號頻率特別高時， m可取大于 1的整數(shù) )。 第 4章 電子示波器 每次取樣點相當(dāng)于前一個取樣點時間延遲 t， 經(jīng)過多次 取樣， 最后將被測信號的波形展寬顯示出來

56、， 如圖 4.6-3(c) 和 (d)所示， 圖 (c)為采樣值， 圖 (d)是經(jīng)過保持及延長后形成 的量化信號。 這樣， 通過若干周期對波形的不同點的采 樣， 就將高頻信號轉(zhuǎn)換成了低頻信號， 以通用示波器顯示 uy(t)的包絡(luò)波形來反映和表現(xiàn)被測的實際高頻信號波形， 這 就是取樣示波器的基本原理。 簡言之， 圖 (d)中的 uy(t)波形 即為展寬了的 ui(t)波形的一個周期， 當(dāng)取樣點足夠多時， uy(t)就能比較準(zhǔn)確地反映 ui(t)的波形了。 第 4章 電子示波器 圖 4.6-3 非實時取樣過程 第 4章 電子示波器 2. 取樣示波器的組成框圖見圖 4.6-4。 被測信號 ui通過取

57、 樣門后， 變成窄脈沖信號， 經(jīng)放大后， 送入延長電路， 形成信號包絡(luò)。 Y通道由取樣門、 放大電路及延長電路組 成， 延長電路中有保持電容及直流放大器， 以便將窄脈沖 取樣信號 us(t)展寬， 得到量化的包絡(luò)信號。 第 4章 電子示波器 圖 4.6-4 取樣示波器的組成框圖 第 4章 電子示波器 為了在屏幕上顯示出由不連續(xù)的亮點構(gòu)成的取樣信號波 形， 必須采用與取樣信號同步的階梯波作掃描電壓。 其波 形對應(yīng)關(guān)系如圖 4.6-5所示。 在量化信號（見圖 4.6-5(a)與階 梯掃描信號 (見圖 4.6-5(b)的共同作用下， 就可在熒光屏上 顯示出被測高頻信號的波形如圖 (c)所示， 當(dāng)取樣

58、點足夠密 時， 即圖 (c)中亮點足夠密時， 該波形便能無失真地表現(xiàn)被 測高頻波形。 第 4章 電子示波器 圖 4.6-5 顯示過程 第 4章 電子示波器 取樣示波器的 X通道中的時基單元， 除了產(chǎn)生階梯波 電壓外， 還產(chǎn)生與掃描電壓同步的 t延遲脈沖， 用以同步 取樣門及延長門脈沖發(fā)生器， 取樣示波器是一種非實時取樣過程， 它只能觀測重復(fù)信 號， 對非重復(fù)的高頻信號或單次信號， 只能用高速示波器 進(jìn)行觀測。 第 4章 電子示波器 4.7 通用示波器不具有存儲信息的能力， 記憶示波器與存 儲示波器分別利用模擬存儲技術(shù)和數(shù)字存儲技術(shù)將信息進(jìn) 行存儲， 當(dāng)需要顯示時， 再在熒光屏上進(jìn)行顯示。 這兩

59、 種示波器主要用于記錄瞬變的單次信號。 存儲技術(shù)與示波 技術(shù)的結(jié)合給研究單次瞬變信號的波形帶來了極大的方便。 下面分別介紹這兩種示波器的存儲原理和工作方式。 第 4章 電子示波器 4.7.1 記憶示波器的記憶功能是由記憶示波管完成的。 利用 具有記憶能力的材料制成的示波管結(jié)合相應(yīng)的電子線路， 1. 記憶示波管可分為可變余輝存儲方式和快速轉(zhuǎn)移存儲 方式兩種示波管， 它們都是將記憶信號存儲于示波管的柵 網(wǎng)上， 需要顯示時將它顯示出來。 柵網(wǎng)存儲示波管的結(jié)構(gòu) 如圖 4.7-1 所示。 第 4章 電子示波器 圖 4.7-1 柵網(wǎng)式記憶示波管的結(jié)構(gòu)及泛射示意圖 第 4章 電子示波器 借用計算機術(shù)語， 信

60、號的存儲稱做“寫”， 存儲信 號的取出稱做“讀”， 因此， 在記憶示波管中存在兩套 電子槍， 即“寫入電子槍”和“讀出電子槍”， 這兩套 電子槍分別控制被測信號的“存儲”和“顯示”。 構(gòu)成記 憶功能的部件是熒光屏前的柵網(wǎng)， 柵網(wǎng) g3上涂有氟化鎂一 類的電介質(zhì)， 作為存儲介質(zhì)， 形成存儲體。 由于柵網(wǎng)上 的介質(zhì)材料具有良好的絕緣性能， 因此可以使電子較長時 間地停留在上面， 這是實現(xiàn)存儲電信號的關(guān)鍵。 第 4章 電子示波器 示波管內(nèi)的寫入電子槍與普通示波管電子槍的結(jié)構(gòu)相同， K為陰極， g為柵極， A1、 A2為兩個陽極， 調(diào)節(jié)柵網(wǎng) g3上的 電壓， 可使柵網(wǎng)不起作用， 則該示波管可像普通示波

61、管一樣 顯示波形。 作記憶示波管使用時， 寫入電子槍發(fā)射的電子束 轟擊柵網(wǎng)， 該電子束稱為一次電子。 受到轟擊， 柵網(wǎng)電介 質(zhì)發(fā)出二次電子， 當(dāng)二次發(fā)射比 =二次電子數(shù) /一次電子數(shù) 1時， 柵網(wǎng)靶面區(qū)失去的電子多， 呈現(xiàn)一個相對正的電位 (原來柵網(wǎng)對地電位為 10 V)， 形成對波形的記錄。 柵網(wǎng)的 收集極 C專門收集發(fā)射的二次電子，以免二次電子的自由活 動干擾網(wǎng)區(qū)的存儲信息。 第 4章 電子示波器 整個柵網(wǎng)上電位的不均衡也就記錄了寫入電子槍發(fā)射的 波形。 如圖 4.7-2 所示， 當(dāng)需要顯示記錄的波形時， 由讀出 電子槍 (即泛射槍 )發(fā)出低速散射電子流， 在校直電極的作用 下， 散射電子

62、流均勻地、 近乎垂直地射向存儲柵網(wǎng)， 在散 射電子的轟擊下， 將柵網(wǎng)上記憶的潛波形在熒光屏上清晰 地重現(xiàn)出來。 由于柵網(wǎng)的存儲作用， 電荷波形在斷電情況 下仍能保持一段時間， 有的甚至長達(dá)一個星期， 保持時間 的長短主要取決于存儲柵網(wǎng)上電介質(zhì)材料的絕緣性能。 第 4章 電子示波器 每一只記憶示波管內(nèi)有兩只讀出電子槍， 每只電子槍 有一個陰極和兩個柵極， 如圖 4.7-1中 K1、 K2和 g11、 g12、 g21、 g22所示。 由這兩只電子槍發(fā)出的電子形成的泛射見圖 4.7-1(b)， 這些泛射電子均勻地射向柵網(wǎng)， 但只有柵網(wǎng)上記 錄了信號波形軌跡的校正的電位點， 散射電子可以通過柵 網(wǎng)而

63、轟擊到熒光屏上， 顯現(xiàn)出柵網(wǎng)記錄的波形， 未記錄波 形信號的柵網(wǎng)區(qū)保持 10 V的電位， 這些地方散射電子不 能通過， 這就是讀出電子槍波形顯示的原理。 第 4章 電子示波器 圖 4.7-2 柵網(wǎng)記錄的潛波形 第 4章 電子示波器 為了提高波形記錄速度， 研制成功了轉(zhuǎn)移式存儲管。 轉(zhuǎn)移式存儲管有兩個存儲柵網(wǎng)： 第一柵網(wǎng)和第二柵網(wǎng)。 第 一柵網(wǎng)的任務(wù)是： 快速記錄寫入電子束的波形， 但用該記 錄波形顯示時， 顯示時間極短。 第二柵網(wǎng)的任務(wù)是： 在泛 射電子轟擊第一柵網(wǎng)時， 將第一柵網(wǎng)的電荷圖像讀出， 經(jīng) “放大”轉(zhuǎn)移到第二柵網(wǎng)上， 即在第一柵網(wǎng)電荷圖像轉(zhuǎn)移 過程中， 電荷量增加很多， 這樣就顯著

64、延長了顯示時間。 由于第一柵網(wǎng)和第二柵網(wǎng)的聯(lián)合作用， 使得記憶示波管不 但有較高的記錄速度， 而且有較長的顯示時間。 第 4章 電子示波器 2. 記憶示波器又稱為模擬存儲示波器， 它以柵網(wǎng)為存儲 部件， 存儲模擬的電信號波形。 由于記憶示波管與普通示 波管不同， 因此， 記憶示波器組成電路中比普通示波器多 加了一套泛射系統(tǒng)的控制電路， 即讀出電子槍控制電路。 該電路提供讀出控制的所有電信號， 并有可變余輝的調(diào)節(jié) 功能。 第 4章 電子示波器 與一般存儲器的工作過程相同， 向柵網(wǎng)上記錄波形 的過程是： 首先清除柵網(wǎng)， 如同先將黑板擦干凈一樣， 然后控制向柵網(wǎng)寫入信號波形， 保存該波形， 最后顯示

65、 該波形。 國產(chǎn) SJ-6型記憶示波器控制電路方框圖如圖 4.7-3 所示。 該記憶示波器工作于以下 5種方式。 第 4章 電子示波器 圖 4.7-3 記憶示波器控制電路方框圖 第 4章 電子示波器 1) 轉(zhuǎn)換開關(guān) S1置于“可變余輝”擋， 則選用可變余輝方 式顯示波形。 多諧振蕩器方波經(jīng)單穩(wěn) A輸出正向脈沖， 該正向脈沖幅度、 寬度均可調(diào)， 經(jīng)箝位送到記憶示波管 的存儲柵網(wǎng)， 存儲柵網(wǎng)的電位高于讀出電子槍的陰極電 位， 由于不斷地俘獲泛射電子， 存儲柵網(wǎng)電位不斷降低， 因此當(dāng)柵網(wǎng)電位與讀出槍陰極電位相等時， 熒光屏上沒 有波形顯示。 正向脈沖的脈寬越寬， 則顯示時間就越短， 即余輝時間越短。

66、 第 4章 電子示波器 2) 采用可變余輝方式顯示波形時， 會使得記憶的波形從柵 網(wǎng)上消失， 為此， 存儲示波器設(shè)計了存儲方式， 以保存柵 網(wǎng)上的記錄波形。 當(dāng)開關(guān) S1置于“存儲”位置時， 即起到在 柵網(wǎng)上保存鎖定記錄波形的作用。 此時， 由開關(guān) S1E通過增 輝電路將 E2電壓加到寫入槍的控制極 g， 使記錄槍的電子 束截止， 不再寫入新的波形。 第 4章 電子示波器 3) 開關(guān) S1置于“清除”擋， 再按下“清除”按鈕， 這時 就給存儲柵網(wǎng)加 +85 V電壓， 按鈕斷開后， 脈沖形成電路通 過 S1C給存儲網(wǎng)加一個持續(xù)時間為 400 ms的正脈沖， 在脈沖 正跳變時， 存儲柵網(wǎng)電位上升， 吸收泛射電子， 400 ms過 后， 脈沖負(fù)跳變， 存儲柵網(wǎng)電位下降， 且低于截止電平， 不再吸收泛射電子， 這樣就為記錄新的波形做好了準(zhǔn)備。 第 4章 電子示波器 4) 記憶示波管的記錄速度取決于電子束的密度， 信號掃 速越快， 轟擊柵網(wǎng)的電荷密度就會降低， 當(dāng)被測信號加快 到一定程度， 柵網(wǎng)上電荷密度降到一定程度后， 該波形就 不能再被重現(xiàn)， 因此， 就產(chǎn)生了最大記錄速度這一指標(biāo)。 為了記錄