第二章 通用示波器及其基本知识（讲义）.docx

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1、第二章通用示波器及其基本知识通用示波器原理示波器是一种能将电信号用图形方式显现出来的电子仪器，它不但可以用来观察电压、电流的波形，测定电压、电流、功率，而且还可以用来定量的测量信号的频率、幅度、相位、宽度、调幅度、幅频特性、相频特性等参数。示波器还可以同其他仪器相结合，测定电路的输入阻抗、输出阻抗，检查各种元件数的参数、检查电路的工作状态和失真情况以及对各种非电量的测量，示波器在维修各种电子设备中是必不可少的主要工具之一。世界上第一台示波器于1931年在美国研制成功，20世纪60年代发达国家首先将示波器用于汽车点火系统和故障诊断，20世纪80年代，我国开始在汽车发动机故障诊断方面应用示波器。在

2、近70年的时间里，示波器由电子管发展到晶体管，又发展到集成电路；由单一的通用型示波器发展到取样、记忆、数字存储、逻辑、智能化、专用示波器等十大系列，几百个品种。用于汽车故障检测的示波器称之为“汽车专用示波器”，它以测量响应快、频率范围宽、灵敏度高、输入阻抗高和过载能力强等优点，已经成为从事汽车相关行业的专业人士最基本且必备的测试仪器了。在本章中，我们将为您讲述通用示波器和汽车专用示波器的相关知识。第一节常用示波器的种类及特点示波器是一种用途极为广泛的电子仪器，它的基本功能是将各种时域信号波形描述在荧光屏上，以便观察、测量和分析。在电子设备中有很多用来传输、存储或处理各种信号的电路，在检查、调试

3、或维修这些设备时。往往需要检测电路的输入或输出的波形信号，通过对信号波形的观测判断电路是否正常。根据不同的分类标准，可将示波器进行不同的分类，此外，还有一些有特色的、可用于特殊环境的示波器。一、按性能和频带宽度划分：（一）简易示波器：用作一般的定性观察，频带宽度在5Mhz以下，常用连续扫描方式，如ST16。（二）低频示波器：又叫做慢扫示波器，适用于测量低频信号，其频带宽度上限不超过IMHz,如SR-54型。（三）普通示波器：适用于测量中频信号，其频带宽度上限频率在5-60MHz,如SBM-IO型。（四）宽带示波器：频带宽度的上限频率在60MHZ以上，如SBM14型。（五）高频示波器和超高频示波

4、器：可测量的频带宽度上限频率分别为100MHz和1000MHzo二、从技术原理上划分：（一）模拟式示波器：即通用示波器，采用单线示波管作显示器，可作为一般的定性和定量测量。（二）数字记忆示波器：又叫模拟存储示波器，是将测量的信号数字化以后暂存在存储器中，然后再从存储器中读出显示在示波管上。目前常用的数字存储技术有A/D、DSP等。三、从显示信号的数量上划分：（一）单踪示波器：采用单线示波管作显示器，只可显示一个信号。如SBT5型。（二）双踪示波器：采用两束示波管，可同时观测和比较两个信号波形或图象，如SBT6型。（三）多踪示波器：可同时显示多个信号的波形。采用取样技术，将高频信号先进行取样，从

5、而模拟变换成低频信号，然后再进行显示。四、按显示方式划分：（一）光点扫描式示波器：采用示波管的光点扫描来显示波形或图象。（二）光栅增辉式示波器：采用大屏幕的显象管作为显示器，利用光栅增辉技术显示波形及图象。另外，还有一些有特色的示波器，例如取样示波器（用取样技术将高频信号转换为低频信号，再用通用示波器显示）、特种示波器（有某种特殊要求的示波器）等等。总之，电子示波器今后发展的方向是扩展频带、提高灵敏度，增加使用功能,做到多用化、数字化、程序化，以实现测试自动化。第二节示波管显示的基本原理一、示波管的结构在示波器中用于显示被观测信号波形的电子束管称为示波管。示波管是示波器的核心部件，它是一种整个

6、被密封在玻璃壳内的大型真空电子射线管，即阴极射线管CRT-Cathode-RayTude的一种。CRT作为显示被观测波形曲线、图象与数据的测量显示器或终端部件，不仅适用与示波器，而且还广泛应用于电子计算机终端、雷达设备、自动导航、天体观测、石油化工生产现场以及飞行器、舰船、核堆工况等检测装置。不仅如此，CRT在生物医学领域还被神奇地利来显示脑、心、胃等器官的立体动态图象。而在示波器上，它的作用是把被测电信号转换成光信号，在荧光屏上显示出来。电子枪2-电子束3-荧光屏4 -光亮点普通示波管由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成。其结构示意图如图2-1所示。5垂直偏转板6水平偏转板02-1（一）电子

7、枪电子枪的作用是发射电子，并形成很细的高速电子束,这些电子束经过加速、聚焦、后加速，经偏转系统电场力的控制作用而偏转，使电子束在荧光屏上的运动轨迹而产生偏移，当对偏转系统施加被观测信号和扫描信号时，所要观测的被观测信号变化曲线或图形、数据就可在荧光屏上显现出来。电子枪由灯丝（h）阴极（K）、栅极（G）、和阳极（Al、A2）组成。灯丝用于对阴极加热，K的顶端涂有氧化物质，能发射热电子。套在阴极外面的电极G称为栅极（控制极或调制极），呈圆筒形，顶端有个小孔，小孔正对阴极端头的氧化物面。阴极发射的电子，在阳极的作用下，通过栅极小孔飞出，射向荧光屏。栅极电位设置比阴极低，对电子形成排斥力，若改变控制控

8、制栅极与阴极之间的负偏压，就可以改变电子流的强弱，即飞出电子的数量，从而改变荧光屏上光点的亮暗，从而达到“调节亮度”的目的。在示波管的结构中，阳极Al、A2都是圆筒形电极，它们都带有较高的正电压，构成一个对电子束的控制系统。Al是电子的加速极，电压比阴极高约IkV。Al和A2之间形成的特殊电场能使运动的电子束会聚，形成很细的电子束。同时，电子束在阳极正高压的作用下，加速向荧光屏运动。有的示波管有高压后加速极，用来增大光点亮度，-一般小型示波器无后加速极。1.偏转系统偏转系统的作用是使电子束有规律地移动，从而在荧光屏上显示出被测波形。它位于第三阳极和荧光屏之间，由水平偏转板X和垂直偏转板Y两对相

9、互垂直的偏转板组成。前者是垂直放置后者是水平放置。如图2-2所示口2302-2如果两对偏转板从电子枪射出的电子束不受电场的作用，将沿着直线前进,在荧光屏中心显示一个静止的光点。如果对两对偏转板上同时加上电压，电子束的运动情况将取决于水平方向与垂直方向电压的合成作用。为了显示电信号的波形，通常在垂直偏转板上输入被测信号，再水平偏转板上加个线形锯齿波扫描电压，该扫描电压将Y方向所加的信号电压作用的电子束在荧光屏上按水平方向展开，形成一条“信号电压一时间”曲线，即信号波形，如图2-3所示。2.荧光屏示波管前端的内壁上涂有一层荧光物质，形成荧光屏，它是示波器的显示部分。荧光屏受到高速电子束的轰击后，把

10、电子的动能转化成光能，形成一个光点。当电子束的信号偏离后，该点仍会继续发亮，但亮度会逐渐下降。光点亮度下降到至最大植10%的持续时间称余辉时间。由于荧光物质的余辉，同时人眼也有视觉暂留，当电子束受偏转板电场快速偏转扫描时，我们能看见完整的波形。不同成分的荧光粉，发光颜色不同。普通示波器大都是绿色，高频示波器多为蓝紫色，低频示波器多为黄色。在使用过程中，应该注意保护荧光屏。二、示波原理电子束从电子枪中发射出来后，受到阳极正电压的吸引，经偏转系统向荧光屏方向加速前进。如果偏转板上不加电压，则电子束只能径直射向荧光屏中央，使荧光屏中央出现一个轴光点。2-4Yooodoodoo如果在Y偏转板上加一直流

11、电压，如图2-4所示，则在两块Y偏转板之间就会产生一个由上向下的电场。当电子束向荧光屏方向加速运动穿过该电场时，受到电场力的作用产生向上的偏转;如果所加偏转电压的极性改变，则电子束将向下偏转。X轴偏转的原理与Y轴偏转的原理相同，可使电子束向左或向右偏转。在X偏转板和Y偏转板上同时施加电压后，在两个电场力的共同作用下，电子束就可以上下左右的移动。由于荧光屏的余辉和眼睛视觉暂留的综合作用，就能在荧光屏上看到亮点所描绘出的各种波形。一般情况下，被测电压加在Y轴偏转板上，而X轴偏转板上加随时间线性变化的锯齿波扫描电压。这时，由于电子束在作垂直运动的同时，又以匀速沿水平方向移动，因而在荧光屏上扫描出被测

12、电压随时间变化的波形。如果锯齿波扫描电压的周期与被测电压的周期完全相等，扫描电压每变化一次，荧光屏上就出现一个完整的被测波形。每一个周期出现的波形都重叠在一起，荧光屏上就能看到一个稳定清晰的波形，如图2-5所示。如果锯齿波扫描电压周期是被测信号周期的整数倍，荧光屏上会稳定地显示出若干个被测信号的波形。为达到上述目的，调节扫描电压的频率可以通过调节示波器面板上的“扫描范围”和“扫描微调”旋钮来实现。O2-5ODODDD实际上，由于锯齿波扫描电压和被测电压来自两个电源，两个电压周期的整数倍关系很难长时间保持绝对稳定，因此，需要利用整步作用来保持上述整数倍的关系。整步作用是把信号电压送人扫描发生器，

13、使锯齿波扫描电压的频率受到被测信号的控制而使两者同步。这个起整步作用的信号电压叫“整步电压”，整步电压越大，整步作用越强。整步电压除了可取自被测信号外，还可取自示波器内部的正、负电源。整步电压的选择和大小调节可由示波器面板上的“整步选择”和“整步调节”旋钮来实现。第三节通用示波器的基本结构一、示波器的组成通用示波器的简化框图如图2-6所示，它主要是由Y（垂直）通道、X（水平）通道和主机部分构成。图2-6普通示波器简要框图首先对这框图作-概述：Y偏转通路有两个相同的输入通道Yl和Y2o利用电子开关，可以对Yl,Y2输入信号作选择，单显示或同时显示。Y通道中的时间延迟线能让被测信号延迟一一段时间到

14、达示波管。因为触发扫描器只有当被观测的信号到来时才工作，也就是说，扫描需要一定的电平。因此扫描开始的时间总是滞后于被观测脉冲一段时间，其结果是脉冲的上升过程无法被显示出来，因为有一段时间扫描尚未开始。延迟线的作用就是把加到垂直偏转板的脉冲信号也延迟一段时间，使信号出现的时间滞后于扫描开始的时间，这样就能在荧光屏上扫描出脉冲全过程。如果没有延迟线,在荧光屏上就看不到被测信号的初始部分。X偏转通路产生锯齿形扫描波，作为Y波的时间尺度。通道包括同步触发电路，扫描信号发生器和X放大器。X通道可不作扫描，而让外信号放大后加到X偏转板，实现多功能显示。当X同步扫描时，可用内部Y信号同步，也可用外信号同步。

15、主机部分包括示波管，Z通道，整机供电电源和校准信号发生器等。示波管的相关知识我们前面已经介绍过了，这里不再缀余；Z通道是用来将X通道产生的增辉信号放大后加到示波管的控制栅极；校准信号发生器是一个标准方波电压发生器，用已知的准确方波信号去校准X,Y轴的坐标刻度。二、Y通道Y通道即垂直通道，又称Y轴偏转系统或垂直偏转系统。主要包括输入电路、前置放大器、延迟电路和放大器等几部分。（一）输入电路输入电路又包括测量探头、输入衰减器、射极跟随器等部分。1 .探头的基本作用是增大Y入口的输入阻抗，即增大输入电阻、减少并联电容，从而减弱仪器和连接线对被测电路的影响，便于直接在被测电源上探测信号，从而展宽示波器

16、的实际使用频带。探头按电路原理分为有源和无源两种。有源探头的优点是不需要灯丝、轻巧可靠、温升较小，一般装有发射极跟随器，有高的输入阻抗和低的输出阻抗。有源探头可以在无衰减的情况下，获得优良的高频工作性能，特别适用于探测高速小信号（通常小于2pF）。无源探头实际上是一个补偿分压器，如下图所示的分压器式无源探头电路。调整补偿电容CI可以得到最佳补偿。进行调整时，应一边查看屏幕显示波形，一边微调电容，当示波器上显示的波形如图2-7a）时，表明得到最佳补偿。过补偿和欠补偿的波形亦如图2-7）b、2-7C）所示。1.Lb）a）图2-7a）最佳补偿b）过补偿C）欠补偿2 .输入衰减器用来衰减输入信号，保证显示屏上的信号不致因