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电子测量技术基础电子测量技术基础4.1概述概述电子示波器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到的电信号转换成人眼能够看到的波形，具体显示在荧光屏上，以便对电信号进行定性和定量观测，其他非电物理量亦可经转换成为电量，使用示波器进行观测。电子示波器的基本特点如下：(1)能显示信号波形，可测量瞬时值，具有直观性。(2)输入阻抗高，对被测信号影响小；测量灵敏度高，并有较强的过载能力，目前示波器的最高灵敏度可达到10 V/div(微伏/格)。(3)工作频带，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带最宽可达1000 MHz，预计不久将研制出带宽为2 GHz以上的示波器。(4)在示波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，可作为比较信号用的高速X-Y记录仪。电子示波器的主要用途如下：(1)观测电信号波形。(2)测量电压和电流的幅度、频率、时间、相位等电量参数。(3)显示电子网络的频率特性。(4)显示电子器件的伏安特性。4.2示波管示波管示波器的核心部件是示波管。示波管是一种整个被密封在玻璃壳内的大型真空电子器件，也叫阴极射线管。电视机的彩色显像管和计算机的监视器都是在电子示波管的基础上发展起来的，它们的组成结构与原理基本相同。示波管由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成，如图4.2-1所示。其用途是将电信号转变成光信号并在荧光屏上显示。图4.2-1示波管及电子束控制电路电子枪的作用是发射电子并形成很细的高速电子束，偏转系统由X方向和Y方向两对偏转板组成，它的作用是决定电子束怎样偏转，荧光屏的作用则是显示偏转电信号的波形。4.2.1电子枪电子枪电子枪由灯丝(h)、阴极(K)、栅极(G1)、前加速极(G2)、第一阳极(A1)和第二阳极(A2)组成。灯丝h用于对阴极K加热，加热后的阴极发射电子。栅极G1电位比阴极K低，对电子形成排斥力，使电子朝轴向运动，形成交叉点F1,并且只有初速度较高的电子能够穿过栅极奔向荧光屏，初速度较低的电子则返回阴极，被阴极吸收。如果栅极G1电位足够低，则可使发射出的电子全部返回阴极，因此，调节栅极G1的电位可控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变荧光屏亮点的辉度。辉度调节旋钮控制电位器RW1进行分压调节，即调节栅极G1的电位。控制辉度的另一种方法是以外加电信号控制栅阴极间电压，使亮点辉度随电信号强弱而变化(像电视显像管那样)，这种工作方式称为“辉度调制”。这个外加电信号的控制形成了除X方向和Y方向之外的三维图形显示，称为Z轴控制。G2、A1、A2构成一个对电子束的控制系统。这三个极板上都加有较高的正电位，并且G2与A2相连。穿过栅极交叉点F1的电子束由于电子间的相互排斥作用而散开。进入G2、A1、A2构成的静电场后，一方面受到阳极正电压的作用加速向荧光屏运动，另一方面由于A1与G2、A1与A2形成的电子透镜的作用向轴线聚拢，形成很细的电子束。如果电压调节得适当，则电子束恰好聚焦在荧光屏S的中心点F2处。RW2和RW3分别是“聚焦”和“辅助聚焦”旋钮所对应的电位器，调节这两个旋钮使得电子束具有较细的截面，射到荧光屏上，以便在荧光屏上显示出清晰的、聚焦很好的波形曲线。4.2.2偏转系统偏转系统偏转系统由水平偏转板X1、X2和垂直偏转板Y1、Y2这两对相互垂直的偏转板组成。垂直偏转板Y在前，水平偏转板X在后。电子束最终的运动情况取决于水平方向和垂直方向电压的合成作用，当X、Y偏转板加不同电压时，荧光屏上的亮点可以移动到屏面上的任一位置。为了显示电信号的波形，通常在水平偏转板上加一线性锯齿波扫描电压ux（“时基信号”或“扫描信号”），该扫描电压将Y方向所加信号电压uy作用的电子束在屏幕上按时间沿水平方向展开，形成一条“信号电压-时间”曲线，即信号波形，参见图4.2-2。图4.2-2偏转系统工作原理图当uy信号为正弦波时，只有在扫描电压ux的频率fx与被观察的信号电压uy的频率fy相等或成整倍数n时，才能稳定地显示一个或n个正弦波形，如图4.2-2(b)、(c)所示。4.2.3荧光屏荧光屏荧光屏不是导电体。当电子束轰击荧光粉时，激发产生荧光形成亮点。不同成分的荧光粉，发光的颜色不尽相同，一般示波器选用人眼最为敏感的黄绿色。荧光粉从电子激发停止时的瞬间亮度下降到该亮度的10%所经过的时间称为余辉时间。荧光粉的成分不同，余辉时间也不同，为适应不同需要，将余辉时间分为长余辉(100 ms1 s)、中余辉(1100 ms)和短余辉(10 s10 ms)等不同规格。普通示波器需采用中余辉示波管，而慢扫描示波器则采用长余辉示波管。4.3电子示波器的结构框图与性能电子示波器的结构框图与性能4.3.1电子示波器的结构框图电子示波器的结构框图电子示波器由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。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、到示波管的垂直偏转板Y1、Y2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，输出推挽的锯齿波信号、加到水平偏转板X1、X2上。图4.3-1示波器组成框图及波形关系图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时，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4.3-1(b)中的波形、可见，触发点即锯齿波的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线，对Y方向加入的信号进行延迟，并且使其延迟时间2略大于由水平通道引起的固有触发延迟1，以确保触发扫描与显示信号同步。来自Y通道的同步信号(即被观察信号)被称为“内”同步；来自仪器外部的同步信号被称为“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性。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他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。4.3.2示波器的主要性能指标示波器的主要性能指标1.频率响应频率响应(频带宽度频带宽度)指垂直偏转通道(Y方向放大器)对正弦波的幅频响应下降到中心频率的0.707(3 dB)倍时的频率范围。示波器垂直偏转通道的带宽必须足够宽，如果通道的带宽不够，则对于信号的不同频率分量，通道的增益不同，信号波形便会产生失真。因此，为了能够显示窄脉冲，示波器Y通道带宽必须很宽。例如，SR-8型二踪示波器带宽fh=15 MHz,SBM-10A示波器的带宽fh=30 MHz，目前最宽的示波器频率范围fh已达到1000 MHz。单位输入信号电压uy引起光点在荧光屏上偏转的距离H称为偏转灵敏度S，即S=(4.3-1)则uy=H d(4.3-2)2.偏转灵敏度偏转灵敏度(S)式中，d为灵敏度的倒数1/S，称为偏转因数。S的单位为cm/V、cm/mV或div/V(格/伏)，d的单位为V/cm。在测量时，从示波器垂直通道衰减器刻度可读得它的偏转因数d，根据显示的波形高度H，按式(4.3-2)可求得显示波形的电压幅度。3.扫描频率扫描频率示波器屏幕上光点水平扫描速度的高低可用扫描速度、时基因数、扫描频率等指标来描述。扫描速度就是光点水平移动的速度，其单位是cm/s或div/s(格/秒)。扫描速度的倒数称为时基因数，它表示光点水平移动单位长度(cm或div)所需的时间。扫描频率表示水平扫描的锯齿波的频率。一般示波器X方向扫描频率可由t/cm或t/div分挡开关进行调节，此开关标注的是时基因数。SR-8双踪示波器的时基因数范围为1 s/div0.2 s/div,SBM-10A 型示波器的时基因数范围为0.5 s/cm0.05 s/cm。4.输入阻抗输入阻抗输入阻抗是指示波器输入端对地的电阻Ri和分布电容Ci的并联阻抗。要求输入电阻Ri大而输入电容Ci小。输入电容Ci在频率越高时，对被测电路的影响越大。5.示波器的瞬态响应示波器的瞬态响应示波器的瞬态响应就是示波器的垂直系统电路在方波脉冲输入信号作用下的过渡特性。图4.3-2显示了一个正向标准方波脉冲经过示波器后波形发生畸变的情况，与图3.6-1 相似。示波器的瞬态响应特性一般可用图中所示脉冲的上升时间tr、下降时间tf、上冲s0、下冲sn、预冲sp及下垂等参数表示。Um是标准方波脉冲的基本幅度(简称脉冲幅度)，b是上冲量(脉冲前沿高出Um部分的冲击量)，f是下冲量(脉冲后沿低于脉冲底值的突出部分)，U为平顶降落量(方波持续期间顶部幅度的下降量，也称下垂)。图4.3-2示波器的瞬态响应上冲s0是脉冲前沿的上冲量b与Um的百分比值，即下冲s0是脉冲前沿的上冲量b与Um的百分比值，即下垂是脉冲平顶降落量U与Um的百分比值，即预冲sp是脉冲波阶跃之前的预冲量d与Um的百分比值，即示波器说明书中通常只标示出上升时间tr及上冲s0的数值。由于示波器中的放大器是线性网络，因此放大器的频带宽度fB与上升时间tr有确定的关系：fBtr350。示波器中，fB=fh。例如,SBM-10A型示波器的fh=30 MHz，由此可求得上升时间为上升时间tr越小越好。瞬态响应指标在相当大的程度上决定了示波器所能观测的脉冲信号的最小宽度。6.扫描方式扫描方式示波器中的扫描电压锯齿波是一种线性时间基线。线性时基扫描可分成连续扫描和触发扫描两种方式。图4.3-3是连续扫描电压波形，回扫后没有等待时间，故适用于观测连续信号。图4.3-4是触发扫描电压波形，它只在触发信号的激励下才开始扫描，每完成一次扫描后就处于等待状态，直到下一次触发信号到来时再进行扫描。图4.3-3连续扫描电压波形图4.3-4触发扫描电压波形4.4电子示波器的电子示波器的Y、X通道及校正器通道及校正器电子示波器的基本部件由垂直偏转通道(Y通道)、水平偏转通道(X通道)、增辉和Z轴调制、校正器及电源组成。4.4.1垂直偏转通道垂直偏转通道(Y通道通道)垂直通道的任务是检测被观察的信号，并将它无失真或失真很小地传输到示波管的垂直偏转板上。同时，为了与水平偏转系统配合工作，要将被测信号进行一定的延迟。垂直偏转系统由输入电路、阻抗变换器、延迟线和放大器组成，如图4.3-1(a)所示。1.输入电路输入电路输入电路由探头、衰减器等组成。被测信号通过垂直偏转通道加到示波管的Y偏转板上，整个输入电路可以看成一个二端网络，为了不失真地传输信号，此二端网络应是一个交直流耦合电路，通过该耦合电路后，信号再加到放大器进行放大。1)输入耦合方式 对于通频带下限不是0的示波器，放大器为交流耦合放大器，其输入端也用电容耦合；对于通频带从0开始的示波器，可以观察信号的直流分量或变化极慢的信号，放大器是直接耦合的(直流放大器)。可用开关S来控制，当开关S打向DC位置时，耦合电容C短接，成为直流耦合，否则为交流耦合。图4.4-1阻容补偿分压器2)衰减器由于经常需要观察幅度较小的电压波形，因此示波器的灵敏度设计得较高，但当需要观察幅度较大的信号时，就必须接入衰减器对信号先进行衰减。对衰减器的要求是输入阻抗高，同时在示波器的整个通频带内衰减的分压比均匀不变。要达到这个要求，仅用简单的电阻分压是达不到目的的。因为在下一级的输入及引线都存在分布电容，这个分布电容的存在对于被测信号高频分量有严重的衰减，会造成信号的高频分量的失真(脉冲上升时间变慢)。采用阻容补偿分压器，图中R1、R2为分压电阻(R2包括下一级的输入电阻)，C2为下一级的输入电容和分布电容，C1为补偿电容。调节C1，当满足关系式C1R1=C2R2时，分压比K0在整个通频带内是均匀的，它可表示为(4.4-1)可以无畸变地传输窄脉冲信号，仅仅是信号幅度降为原幅度的1/K0。大多数示波器的输入电阻Ri都设计在1 M左右，它的大小主要取决于R1，因为Ri=R1+R2，而R2R1。输入电容Ci为C1、C2的串联值和引线分布电容C0之并联值，即Ci=C1C2/(C1+C2)+C0，约为几十皮法。通常用一个多量程开关换接不同的R2、C2来改变衰减量。早期的示波器开关位置都标有衰减量，如衰减30、100等。现在都标以偏转因数值，当示波器最高灵敏度为0.02 cm/mV时，最小偏转因数为50 mV/cm，衰减2、4、10倍时，分别标以偏转因数100 mV/cm、200 mV/cm、0.5 V/cm。3)探头用示波器观察信号波形时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Ci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4.4-2所示的探头检测被观察信号。探头里有一可调的小电容C(510 pF)和大电阻R并联。图4.4-2示波器探头如果设计示波器输入电阻Ri为1 M时，R应取9 M，同时调整补偿电容C可以得到最佳补偿，即满足CRRiCi，则调整补偿电容C时的波形如图4.4-3所示，通常调整C，以达到图(a)所示的理想补偿波形。图4.4-3补偿电容的波形探头中的电阻电容R、C与示波器的输入阻抗Ri、Ci形成补偿式分压器，一般分压比做成101，此时分压器不会引入被测信号的失真。同时，探头和电缆都是屏蔽的，不会引入干扰，输入阻抗也大为增加，Ri=10 M,Ci=10 pF。唯一的缺点是送到示波器输入端的信号减小了10倍，计算脉冲幅度时，应将偏转因数乘以10。为了避免这一缺点，可采用有源探头，即探头内有一个场效应管源极跟随器，它的传输系数近似为1，同时又具有高输入阻抗和屏蔽性。探头里的微调电容是对特定的示波器调定的，各台示波器的Ci值一般都不相同，所以探头不能互换使用，否则会引入明显的波形畸变。2.阻抗变换器阻抗变换器阻抗变换器一般可由射极跟随器构成。射极跟随器的高输入阻抗使得示波器对外呈现高输入阻抗，射极跟随器的低输出阻抗容易与后接的低阻延迟线相匹配，亦可在发射极接一个电位器，以便微调所显示波形的幅度。3.延迟线延迟线当示波器工作在“内”触发状态时，利用垂直通道输入的被测信号去触发水平偏转系统产生扫描电压波，从接受触发到开始扫描需要一小段时间，这样就会出现被测信号到达Y偏转板而扫描信号尚未到达X偏转板的情况。必须将接入Y通道的被测信号进行一定的延迟，以便与水平系统的扫描电压在时间上相匹配。通常延迟时间在50200 ns 之间，延迟应稳定，否则会导致图像的水平漂移和晃动。对延迟线的基本要求是在垂直系统的工作频带内，它能够无失真地并有一定延时地传递信号。在带宽较窄的示波器里，一般采用多节LC网络作延迟线，在带宽较宽(大于15 MHz)时，则采用平衡螺旋线作延迟线。无论采用哪种延迟线，其特性阻抗均在几百欧姆以下，延迟线的前边必须用低输出阻抗的电路作驱动级，延迟线的后边用低输入阻抗的电路作缓冲器。在示波器的实际电路中，还要接入各种补偿电路，以补偿延迟线及安装过程中引起的失真。4.垂直偏转放大器垂直偏转放大器被测信号经探头检测引入示波器后，微弱的信号必须经放大器放大后加到示波器的垂直偏转板，使电子束有足够大的偏转能量：应具有足够大的信号放大倍数。当示波管灵敏度及示波器偏转因数一定时，放大器的增益K的计算如下：K=1000 (4.4-2)式中，S为示波器偏转因数，SV为示波管灵敏度。当S为1 cm/50 mV时，高灵敏度示波管的SV=0.5 cm/V，此时，要求放大器的放大倍数K=40；一般示波管的SV=0.04 cm/V，要求放大器的放大倍数K=500。放大器还应具有足够的带宽。放大器的低频截止频率受耦合电容或射极旁路电容的限制，必须加大这些电容以降低低频截止频率或采用直接耦合(直流放大器)。高频截止频率受两个因素限制：其一是晶体管放大倍数随频率升高而下降；其二是晶体管输出端分布电容C0(集电结电容和引线分布电容之和)及负载电容CL对高频的分流使高频增益下降，由它造成的高频截止频率为(4.4-3)式中，RL和CL是放大器的等效负载电阻和等效负载电容。为了展宽通频带宽度必须采取下列措施：(1)选用截止频率高的器件，尽量减小负载电容和分布电容，并选取小的集电极电阻。(2)电路中引入强的负反馈，如放大器开环增益为K0，反馈系数为F，则加负反馈后，高频截止频率扩展为原来的(1+K0F)倍。(3)在电路中用电抗元件(电容或电感)加以补偿，使放大器截止频率高一些，使总的频率响应在高频端有所提升。若要求更高的带宽，如大于1 GHz，则可采用取样的方法把观察信号“减慢”，然后再带宽较窄的放大器放大。垂直偏转系统的末级放大器都采用推挽式放大器，它输出一对平衡的交流电压加到偏转板，这样当被测电压幅度任意改变时，偏转的基线电位(即偏转板之间的中心电位)保持不变。垂直偏转通道放大器可以设计成输入端为单端放大器，而在接到示波管之前变换成差动放大器，也可以从输入端到输出端都设计成差动放大器。示波器后面一般都有插孔，幅度较大的信号可以不经过垂直偏转通道从插孔直接加到偏转板上，以减少显示波形的畸变。4.4.2水平偏转通道水平偏转通道(X通道通道)水平偏转通道即X通道，其作用是产生一个与时间呈线性关系的电压，并加到示波管的X偏转板上，使电子射线沿水平方向线性地偏移，形成时间基线。设Sx为水平方向的偏转灵敏度，水平板上所加电压为Ux(t)，则偏转距离x为x=SxUx(t)。由上式可知，随时间线性增长的扫描电压加在水平偏转板上，屏幕电子束即能由左向右随时间作水平扫描，这种扫描称为线性时基扫描。1.扫描分类扫描分类线性时基扫描方式可分为连续扫描和触发扫描两类。1)连续扫描该方式的扫描电压是周期性的锯齿波电压。在扫描电压的作用下，示波管光点将在屏幕上作连续重复周期的扫描，若没有Y通道的信号电压，则屏幕上只显示出一条时间基线。在时域测量中，在Y通道加入周期变化的信号电压，即可显示信号波形。连续扫描最主要的问题是如何保证在屏幕上显示出稳定的信号波形。为了得到稳定的波形显示，必须使扫描锯齿波电压周期T与被测信号周期Ty保持整数倍的关系，即T=nTy。由于扫描电压是由示波器本身的时基电路产生的，它与被测信号电压不相关，因此一般采用被测信号(或与被测信号相关的信号)控制、触发时基电路，使T=nTy，这个过程称为同步。显示情况如图4.4-4所示。图4.4-4连续扫描的波形显示2)触发扫描被测波形与扫描电压的同步问题在观测脉冲波形时尤为突出。图4.4-5是连续扫描和触发扫描观测脉冲波形的比较。其中，被测脉冲的持续时间与重复周期比(t0/Ty)很小。图4.4-5脉冲信号的连续扫描与触发扫描显示如果增加扫描频率(如图(c)所示的波形)，则虽可以观察被测脉冲的细节，但光点在水平方向多次扫描中只有一次扫描出脉冲波形，因此显示的脉冲波形本身很黯淡，而时基线却很亮，这不仅观察困难，而且同步也较难。图(d)所示是触发扫描的情形，扫描发生器平时处于等待工作状态，只有送入触发脉冲时才产生一次扫描电压，在屏幕上扫出一个展宽的脉冲波形，而不显示出时间基线。图(b)、(c)是用连续扫描方式显示被测脉冲波形，扫描周期分别为T=Ty和T=t0。从图(b)上很难看清波形的细节，特别是脉冲波的上升沿。2.水平通道的组成框图水平通道的组成框图示波器的水平通道包括三部分：触发电路，其中包括触发方式选择、脉冲整形电路；时基发生器，由闸门电路、扫描发生器、电压比较器和释抑电路组成；水平放大器。时基发生器是水平通道的核心，用来产生线性度好、频率稳定、幅度相等的锯齿波电压；水平放大器用来放大锯齿波电压，输出对称的锯齿波电压，加至水平偏转板；触发电路控制时基的扫描闸门，以实现与被测信号的严格同步。水平通道的结构框图3.时基发生器时基发生器时基发生器由时基闸门、扫描发生器、电压比较器和释抑电路组成。时基闸门电路是一个典型的施密特电路，它是双稳态触发电路，当触发脉冲在t1时刻到来时，电路翻转，输出高电平，使得扫描电压发生器开始工作。图4.4-7时基发生器扫描电压产生器是一个密勒积分器，它能产生高线性度的锯齿波电压。当开关S断开时，电源电压E通过电阻R对电容C充电，产生负向锯齿波U0，此电压一路送入水平放大器，另一路送入时基发生器的电压比较器。时基闸门电路的两个稳态相当于开关S的断开和闭合，开关S闭合时，电容C迅速放电，使U0迅速回升，形成扫描回程电压。图4.4-8密勒积分电路电压比较器将送入的电压U0与参考电压Ur进行比较。当U02.51。扩展“10”时，其最快扫描速度可以达到20 ns/div，误差除0.2 s/div挡15%外，其余各挡均10%。X外接：灵敏度3 V/div；频带宽度100 Hz250 kHz,3 dB;输入阻抗，1 M，40 pF。触发同步性能如表4.5-1所示。3)主机示波管12 SJ 102型矩形屏示波管的加速电压为2 kV，屏幕有效工作面积为6 div 10 div(1 div=0.8 cm)，中余辉。校准信号：矩形波1 kHz,误差2%,幅度1 V,误差3%。2.使用使用SR-8型双踪示波器的面板布置如图4.5-3所示。接通电源时，将各控制件置于适中位置，如果看到光点，即可调整辉度，使光点或时基线的亮度适当；如果找不到光点，则可按下“寻迹”按键，以辨别光点的偏向，再调整“Y轴移位”或“X轴移位”使光点居中。示波器的Y轴灵敏度开关“V/div”位于0.2挡，其“微调”位于“校准”位置，此时如果被测波形占Y轴的坐标幅度H为5 div，则此时信号电压Uy幅度为Uy=V/divH(div)=0.2 V/div5 div =1 V1）电压测量若被测信号经探头输入，则应将探头衰减10倍的因素考虑在内，被测信号Uy幅度为Uy=0.2 V/div5 div10=10 V直流电压的测量也可如此计算，将直流电压信号线与时基线比较，求出直流电压占Y轴的坐标幅度H，得到直流电压幅度值。2)时间测量首先将X通道扫描控制开关“t/div”的“微调”置于“校准”位置上，这样可以由开关的指示值直接计算出时基线上X方向被测两点之间距离D的时间间隔为T=t/divD(div)例如，扫描控制开关置于0.2 ms/div，被测波形两点间距离D为6 div（如图），则时间间隔T为T=0.2 ms/div6 div=1.2 ms 当距离D为某一周期波形的一个周期距离时，计算出的T为该波形的周期。当距离D为某两个波形间的距离时，计算出的T为这两个波形间的时间差。当距离D为脉冲宽度时，计算出的T为该脉冲的持续时间。3）频率测量4)相位测量双踪显示可测得两个相同频率信号的相位关系。测量相位时触发点正确与否很重要，应将Y轴触发源开关置于“YB”的位置，然后用内触发形式启动扫描，测两信号的相位差。如图所示的被测波形，其一个周期占横坐标刻度上8个div，则1 div对应45相位，两波形相位间隔D为1.5 div，则两波形间相位差为f=D(div)45/div=1.5 div45/div=67.54.6高速和取样示波器高速和取样示波器产生畸变的主要因素如下：(1)示波器偏转板电容C与引线电感L的影响。当测量高频信号时，偏转板电容C与引线电感L构成的谐振回路将使阶跃信号产生畸变，在上升沿处形成过阻尼、临界阻尼或阻尼振荡(欠阻尼)三种情况。图4.6-1分布参数的影响为了减小分布参数的影响，应尽量减小L和C。快速示波管的偏转板引线从旁边引出以缩短其长度，从而减小了引线电感；同时增大偏转板间距可减小C。但带来的问题是偏转灵敏度也随之降低。(2)电子渡越时间的影响。当电子束通过偏转板时，偏转板上的电压不变，那么电子束的偏转量正比于偏转电压。普通示波管中电子通过偏转板的时间即电子渡越时间为110ns 量级。如果显示波形周期或脉宽比它大得多，则可以认为在波形显示期间，偏转板上的电压近似不变。但是，当显示高频信号 时，因电子通过偏转板期间偏转板上电压会有明显变化，故所显示的波形也会有很大失真。对于正弦波，会使得波形振幅变小，且引入相位差；对于脉冲波形，表现为上升沿和下降沿均变慢，甚至畸变为三角形波。(3)Y偏转放大器带宽不足。放大器高频截止频率不够高，对于高频信号将产生前、后沿失真。(4)扫描速度不够快。当显示高频信号时，要有足够快的扫描速度。例如，要求光迹在5 ns时间内扫过10 cm长的距离，扫描速度为0.5 ns/cm，普通示波器无法达到。(5)亮度不够。对于高速脉冲，例如宽为5 ns的脉冲，扫出一个波形的时间仅为5 ns，即使扫描重复频率为每秒1000次，图形亮度仍很弱。4.6.1高速示波器高速示波器高速示波器要显示ns、ps级的脉冲或微波信号，它不同于普通示波器的关键之处是示波管、Y放大器和时基发生器。1.示波管示波管高速示波器采用专用示波管。高速示波管的偏转系统接线要短(从管旁引出)，偏转板间距离d要大，以减小分布电容，加速电压要高，以减小电子渡越时间，因而导致偏转灵敏度将很低。为了保证示波器的灵敏度，要求Y轴放大器必须有更大的放大倍数，这无疑增加了Y轴放大器实现上的困难。因此，在要求更高速度时，可采用行波示波管。2.放大器放大器Y轴放大器是宽带放大器，目前集成电路放大器带宽可达1000 MHz以上。3.时基发生器时基发生器高速示波器的时基发生器在扫描期间的扫描速度很高，因而扫描电容充、放电电流很大。例如，扫描因数为1 ns/cm时，回扫速度可达du/dt=51010 V/s，电容为40 pF时，因i=Cdu/dt，故流过开关的电流达2 A，这就对充、放电开关提出较苛刻的要求。由于高速示波管的偏转灵敏度很低，因此常常要求形成几百伏的扫描电压。回扫时间应很短，因为它限制被测脉冲的最高重复频率。上述要求都必须有较大功率的电路才能满足要求。一般频宽为100 MHz以上的示波器称为高速示波器，主要用于国防、科研等领域。4.6.2取样示波器取样示波器将高频(一般为1000 MHz以上)的重复性的周期信号经过取样(取样速率可调节)变换成低频的重复性的周期信号，再运用通用示波器的原理进行显示和观测的示波器称为取样示波器。前面介绍的示波器都是“实时信号”显示的示波器，而取样示波器则经过频率转换，是一种“非实时取样”的示波器。这种非实时取样技术把一个高频或超高频的信号经过跨周期的取样，形成一个波形和相位完全相同、幅度相等或形成某种严格比例的低频(或中频)信号。对低频信号的测量，要比对高频或超高频信号的测量在技术上成熟得多，测量精度也易于得到保证。取样装置加普通示波器就是取样示波器的结构，取样装置可将频率上限扩展到十几GHz。1.非实时取样原理非实时取样原理图中，S为取样脉冲p(t)控制的电子开关，也叫取样门，在脉冲持续期tw相当于开关S闭合，在脉冲间歇期T0相当于开关S断开。图4.6-2取样门及取样脉冲开关S闭合时，取样电路的输出us(t)=ui(t)，由于脉冲宽度tw很窄，因此可以认为在此期间ui(t)的电压幅度是不变的。us(t)是宽度与脉冲宽度tw相同的离散取样信号。在脉冲间歇期T0期间，开关S断开，输入信号ui(t)不能通过开关，则us(t)输出信号幅度为0，这样通过取样脉冲的作用即将连续的输入信号ui(t)变成了离散的信号us(t)。非实时取样过程与实时取样过程的不同之处在于取样脉冲与输入信号之间时序上的差别。非实时取样过程对于输入信号是进行跨周期采样。如图4.6-3所示，图(a)为被测的高频信号ui(t)，图(b)为取样脉冲，通常取样脉冲的间隔为输入信号ui(t)的周期T+t(取样脉冲的间隔也可以是mT+t,当被测信号频率特别高时，m可取大于1的整数)。图4.6-3非实时取样过程每次取样点相当于前一个取样点时间延迟t，经过多次取样，最后将被测信号的波形展宽显示出来，如图4.6-3(c)和(d)所示，图(c)为采样值，图(d)是经过保持及延长后形成的量化信号。这样，通过若干周期对波形的不同点的采样，就将高频信号转换成了低频信号，以通用示波器显示uy(t)的包络波形来反映和表现被测的实际高频信号波形，这就是取样示波器的基本原理。简言之，图(d)中的uy(t)波形即为展宽了的ui(t)波形的一个周期，当取样点足够多时，uy(t)就能比较准确地反映ui(t)的波形了。2.取样示波器的组成取样示波器的组成被测信号ui通过取样门后，变成窄脉冲信号，经放大后，送入延长电路，形成信号包络。Y通道由取样门、放大电路及延长电路组成，延长电路中有保持电容及直流放大器，以便将窄脉冲取样信号us(t)展宽，得到量化的包络信号。图4.6-4取样示波器的组成框图为了在屏幕上显示出由不连续的亮点构成的取样信号波形，必须采用与取样信号同步的阶梯波作扫描电压。其波形对应关系如图4.6-5所示。在量化信号与阶梯扫描信号的共同作用下，就可在荧光屏上显示出被测高频信号的波形如图(c)所示，当取样点足够密时，该波形便能无失真地表现被测高频波形。图4.6-5显示过程取样示波器的X通道中的时基单元，除了产生阶梯波电压外，还产生与扫描电压同步的t延迟脉冲，用以同步取样门及延长门脉冲发生器，使整个系统协调地工作。取样示波器是一种非实时取样过程，它只能观测重复信号，对非重复的高频信号或单次信号，只能用高速示波器进行观测。4.7记忆示波器与存储示波器记忆示波器与存储示波器 记忆示波器与存储示波器分别利用模拟存储技术和数字存储技术将信息进行存储，当需要显示时，再在荧光屏上进行显示。这两种示波器主要用于记录瞬变的单次信号。存储技术与示波技术的结合给研究单次瞬变信号的波形带来了极大的方便。4.7.1记忆示波器记忆示波器记忆示波器的记忆功能是由记忆示波管完成的。利用具有记忆能力的材料制成的示波管结合相应的电子线路，就形成了记忆示波器。1.记忆示波管记忆示波管记忆示波管可分为可变余辉存储方式和快速转移存储方式两种示波管，它们都是将记忆信号存储于示波管的栅网上，需要显示时将它显示出来。栅网存储示波管的结构如图4.7-1 所示。图4.7-1栅网式记忆示波管的结构及泛射示意图在记忆示波管中存在两套电子枪，即“写入电子枪”和“读出电子枪”，这两套电子枪分别控制被测信号的“存储”和“显示”。构成记忆功能的部件是荧光屏前的栅网，栅网g3上涂有氟化镁一类的电介质，作为存储介质，形成存储体。由于栅网上的介质材料具有良好的绝缘性能，因此可以使电子较长时间地停留在上面。示波管内的写入电子枪与普通示波管电子枪的结构相同，K为阴极，g为栅极，A1、A2为两个阳极，调节栅网g3上的电压，可使栅网不起作用，则该示波管可像普通示波管一样显示波形。作记忆示波管使用时，写入电子枪发射的电子束轰击栅网，该电子束称为一次电子。受到轰击，栅网电介质发出二次电子，当二次发射比=二次电子数/一次电子数1时，栅网靶面区失去的电子多，呈现一个相对正的电位(原来栅网对地电位为10 V)，形成对波形的记录。栅网的收集极C专门收集发射的二次电子，以免二次电子的自由活动干扰网区的存储信息。整个栅网上电位的不均衡也就记录了写入电子枪发射的波形。当需要显示记录的波形时，由读出电子枪(即泛射枪)发出低速散射电子流，在校直电极的作用下，散射电子流均匀地、近乎垂直地射向存储栅网，在散射电子的轰击下，将栅网上记忆的潜波形在荧光屏上清晰地重现出来。由于栅网的存储作用，电荷波形在断电情况下仍能保持一段时间，有的甚至长达一个星期，保持时间的长短主要取决于存储栅网上电介质材料的绝缘性能。读出电子枪波形显示的原理：每一只记忆示波管内有两只读出电子枪，每只电子枪有一个阴极和两个栅极。由这两只电子枪发出的泛射电子均匀地射向栅网，但只有栅网上记录了信号波形轨迹的校正的电位点，散射电子可以通过栅网而轰击到荧光屏上，显现出栅网记录的波形，未记录波形信号的栅网区保持10 V的电位，这些地方散射电子不能通过。为了提高波形记录速度，研制成功了转移式存储管。转移式存储管有两个存储栅网：第一栅网和第二栅网。第一栅网的任务是：快速记录写入电子束的波形，但用该记录波形显示时，显示时间极短。第二栅网的任务是：在泛射电子轰击第一栅网时，将第一栅网的电荷图像读出，经“放大”转移到第二栅网上，即在第一栅网电荷图像转移过程中，电荷量增加很多，这样就显著延长了显示时间。第一栅网和第二栅网的联合作用，使得记忆示波管不但有较高的记录速度，而且有较长的显示时间。2.记忆示波器的工作方式记忆示波器的工作方式记忆示波器又称为模拟存储示波器，它以栅网为存储部件，存储模拟的电信号波形。记忆示波器组成电路中比普通示波器多加了一套泛射系统的控制电路，即读出电子枪控制电路。该电路提供读出控制的所有电信号，并有可变余辉的调节功能。与一般存储器的工作过程相同，向栅网上记录波形的过程是：首先清除栅网，如同先将黑板擦干净一样，然后控制向栅网写入信号波形，保存该波形，最后显示该波形。国产SJ-6型记忆示波器控制电路方框图如图4.7-3所示。该记忆示波器工作于以下5种方式。图4.7-3记忆示波器控制电路方框图1)可变余辉方式转换开关S1置于“可变余辉”挡，则选用可变余辉方式显示波形。多谐振荡器方波经单稳A输出正向脉冲，该正向脉冲幅度、宽度均可调，经箝位送到记忆示波管的存储栅网，存储栅网的电位高于读出电子枪的阴极电位，由于不断地俘获泛射电子，存储栅网电位不断降低，因此当栅网电位与读出枪阴极电位相等时，荧光屏上没有波形显示。正向脉冲的脉宽越宽，则显示时间就越短，即余辉时间越短。2)存储方式存储示波器设计了存储方式，以保存栅网上的记录波形。当开关S1置于“存储”位置时，即起到在栅网上保存锁定记录波形的作用。此时，由开关S1E通过增辉电路将E2电压加到写入枪的控制极g，使记录枪的电子束截止，不再写入新的波形。3)清除方式开关S1置于“清除”挡，再按下“清除”按钮，这时就给存储栅网加+85 V电压，按钮断开后，脉冲形成电路通过S1C给存储网加一个持续时间为400 ms的正脉冲，在脉冲正跳变时，存储栅网电位上升，吸收泛射电子，400 ms过后，脉冲负跳变，存储栅网电位下降，且低于截止电平，不再吸收泛射电子，这样就为记录新的波形做好了准备。4)最大记录方式记忆示波管的记录速度取决于电子束的密度，信号扫速越快，轰击栅网的电荷密度就会降低，当被测信号加快到一定程度，栅网上电荷密度降到一定程度后，该波形就不能再被重现，因此，就产生了最大记录速度这一指标。为了记录快速信号，可在对栅网“清除”后，减少栅网表面电位的下降量，这样可使较弱电荷密度的图形及泛射电子通过而得到显示，这就意味着记录速度的提高。从图4.7-3上看，在最大记录方式时，栅网通过S1C开关和电阻接到“清除”开关，而开关另一侧则是+85 V 电位。5)常态方式开关S1置“常态”方式，写入电子枪射出的高能电子束可以顺利地通过栅网到达荧光屏，显示出被测信号的波形。这时，记忆示波器的工作状态与通用示波器的相同。3.记忆示波器的发展概况记忆示波器的发展概况自20世纪70年代以来，记忆示波管在制造技术上有了新的突破，存储方式不断增多，在最早的双稳态存储方式的基础上，又研制出了可变余辉存储和快速转移存储方式。目前，采用快速存储转移方式的记忆示波器的存储记录速度已达4000 cm/s，存储带宽达500 MHz。记忆示波管的寿命已接近普通示波管，记忆示波器的价格在性能类似情况下只比普通示波器贵三分之一左右。但是，由于数字技术的迅猛发展，数字存储示波器的出现使得记忆示波器的发展受到威胁性的挑战。4.7.2数字存储示波器数字存储示波器数字存储示波器采用数字电路，将输入信号先经过A