示波器原理及其应用 一 模拟示波器 示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉 眼看不见的电信号变换成看得见的图象，便于人们研究各种 电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的 电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点 。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以 在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器 能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用 它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调 幅度等等。 普通示波器有五个基本组成部分：显示电路、垂直（Y轴 ）放大电路、水平（X轴）放大电路、扫描与同步电路、电源 供给电路。 普通示波器的原理功能方框图 示波器的基本组成示波器的基本组成 示波器的基本组成示波器的基本组成 示波管示波管(CRT)(CRT)显示系统、显示系统、Y Y轴放大系统、轴放大系统、X X轴放大及扫描触发系统、轴放大及扫描触发系统、 电源供给系统电源供给系统。 电子枪、偏转系统、荧光屏电子枪、偏转系统、荧光屏 uu 示波管（示波管（CRTCRT）显示系统结构简介）显示系统结构简介 A1：第一阳极 G：控制栅极 K：阴极 F：灯丝 G：对应亮度旋钮 A2：第二阳极 K G A1 A2共同完成聚焦 X：水平 偏转板 Y：竖直偏转板 荧光屏 uu 电子放大系统：电子放大系统：竖直放大器、水平放大器 uu 扫描触发系统：扫描触发系统：扫描发生器、触发电路 作用：在偏转板上加足够的电压，使电子束获得明显偏移； 对较弱的被测信号进行放大 扫描发生器作用：产生一个与时间成正比的电压作为扫描信号 触发电路作用：形成触发信号。示波器工作在自动（AUTO) 方式时，扫描发生器始终有扫描信号输出；当示波器处于 AC/DC触发方式工作时，扫描发生器必须有触发信号的激励 才能产生扫描信号。一般对应： 内触发方式时，触发信号由被测信号产生，满足同步要求 外触发方式时，触发信号由外部输入信号产生 （扫描和同步）（扫描和同步） 示波原理示波原理( (沙斗实验沙斗实验) ) 沙斗实验：沙斗沙斗实验：沙斗 Y Y方向做自由单摆方向做自由单摆 运动。运动。 纸张纸张P P沿沿X X方向方向 做匀速移动，则沙做匀速移动，则沙 漏的轨迹就是一条漏的轨迹就是一条 随时间变化的周期随时间变化的周期 性正弦波曲线。性正弦波曲线。 示波管显示原理 产生高速飞行的电子束 使电子沿Y方向偏移 使电子沿x方向偏移 示波管显示原理 电子沿Y方向向上偏移 1、Y偏转电极板加一直流电压 (上正下负)，此时， 电子束向上偏移，亮点出现在荧光屏正上方。 一个直流电压加到一对偏转板上时，将使光点在荧光屏 上产生一个固定位移，该位移的大小与所加直流电压成正比 。 电子沿Y方向向下偏移 示波管显示原理 2、Y偏转电极板加一直流电压 (上负下正)，此时， 电子束向下偏移，亮点出现在荧光屏正下方。 电子沿X方向向里偏移 示波管显示原理 3、X偏转电极板加一直流电压 (上正下负)，此时， 电子束向里偏移，亮点出现在荧光屏正右方。 电子沿X方向向外偏移 示波管显示原理 4、X偏转电极板加一直流电压 (上负下正)，此时， 电子束向外偏移，亮点出现在荧光屏正左方。 uu 示波器扫描原理示波器扫描原理 只在竖直偏转板上 加正弦电压的情形 只在水 平偏转 板上加 一锯齿 波电压 的情形 如果将一个频率在10Hz20Hz以上的正弦交流电压加 到一对偏转板上时，光点在荧光屏上将随电压的变化而移动 。 由于荧光屏的余辉现象和人眼的 视觉暂留现象，在荧光屏上看到的就 不是一个上下移动的点，而是一根垂 直的亮线了。该亮线的长短在示波器 的垂直放大增益一定的情况下决定于 正弦交流电压峰一峰值的大小。 如果分别将两个交变 电压同时加到垂直和水平 两对偏转板上，则荧光屏 上的光点位置就由两个方 向的位移所共同决定。 如果将代表被测信号的正弦波电压加 到垂直偏转板上，锯齿波扫描电压加到水 平偏转板上，而且被测信号电压的频率等 于锯齿波扫描电压的频率(fX=fY)，则荧光 屏上将显示出一个周期的被测信号电压随 时间变化的波形曲线 TX=TY uu 示波器扫描原理示波器扫描原理 若加到垂直偏转板上的正弦波 电压频率是加到水平偏转板上的 锯齿波扫描电压频率的二倍 (2fX=fY) ，则荧光屏上显示出两个 周期正弦波形曲线。 TX=2TY 以此类推，当TX=nTY，则屏幕 显示n个周期正弦波形。 uu 示波器扫描原理示波器扫描原理 uu 同步（整步）原理同步（整步）原理 紊乱的波形 当被测信号电压的频率与锯齿波电压的频率不成整数倍数时，则 荧光屏上不能获得稳定的波形 由此可见，为了在荧光屏上获得稳定的图像，TX(包括正程与回程)与 TY必须成整数倍关系，即TXnTY (n为正整数)，以保证每次扫描的起始点 都对应信号电压uy的相同相位点上，这种过程称为“同步”。示波器中，通 常利用被测信号uy (或用与uy相关的其他信号)去控制扫描电压发生器的振 荡周期，以迫使TXnTY。 不稳定波形 形成原因 uu 同步（整步）原理同步（整步）原理 扫描时由于锯齿波 周期性复原，要求光点 所画的轨迹和第一周期 的完全重合，再由视觉 残留，观察到一个稳定 的波形 。 Tx=nTy , fy=nfx 为使荧光屏上的图形稳定，被测信号电压的频率应与锯齿波电压的 频率保持整数比的关系，即同步关系。需要在其扫描电路上输入一个与被 观察信号频率相关的同步信号，当所加同步信号的频率接近锯齿波频率的 自主振荡频率（或接近其整数倍）时，就可以把锯齿波频率“拖入同步”或 “锁住”。 拖入同步 t t 0 0 uY uX uu触发同步电路触发同步电路，它从垂直放大电路中取出部分待测信号，输入它从垂直放大电路中取出部分待测信号，输入 到扫描发生器，迫使锯齿波与待测信号同步，此称为到扫描发生器，迫使锯齿波与待测信号同步，此称为“ “内触发内触发” ”。操操 作时使用作时使用“ “电平电平” ”（LEVELLEVEL）旋钮）旋钮 选择触发时机。 连续扫描与触发扫描 1、连续扫描 触发扫描的特点是，只有在外加输入信号(称为触发信 号)的作用下光屏上才有时基线；反之，无触发信号荧光 屏上只显示一个亮点。 触发扫描不仅可用于观察连续信号波形，而且适用于 观测脉冲信号波形。 连续扫描是扫描电压为周期性锯齿波电压。其特点是 即使没有外加信号，在荧光屏上也能显示一条时基线。前面 介绍过的扫描即为连续扫描。 2、触发扫描 触发扫描的特点是，只有在外加输入信号(称为触发信号)的作用下 ，扫描发生器才工作。 触发扫描不仅可用于观察连续信号波形，而且适 用于观测窄脉冲信号波形。 uu 触发扫描触发扫描 为了在示波器上观察到稳定不动的信号波形：用被测 信号或其他信号来控制扫描电压的产生时刻，称为扫描触 发。该系统的主要作用是用来产生锯齿波信号，并保证被 测信号波形与扫描信号波形之间有确定的相位关系。扫描 系统所需的触发信号可选用内触发信号，也可选用外触发 信号，一般多选用内触发信号进行扫描显示，仅在同步困 难时才选用外触发的方式。当被测信号达到某一选择的电 平时，触发电路就输出一个脉冲信号去启动扫描电路使光 点开始水平扫描。 触发系统包括触发信号源、触发方式、触发电平和触 发极性。合理地选择触发信号源对正确观察被测信号之间 的相位关系是十分重要的。 双踪示波器的基本组成 双踪示波器基本原理 双踪（或多踪）示波是在单线示波器的基础上，增设一个 专用电子开关，用它来实现两种（或多种）波形的分别显示。 电子开关K的作用是使加在示波管垂直偏转板上的两种信 号电压作周期性转换。两个信号在荧光屏上虽然是交替显示 的，但由于人眼的视觉暂留现象和荧光屏的余辉（高速电子 在停止冲击荧光屏后，荧光屏上受冲击处仍保留一段发光时 间）现象，就可在荧光屏上同时看到两个被测信号波形。 电子开关的工作方式有“交替”转换和“断续”转换两种。 采用“交替”转换方式 采用“断续”转换方式 当电子开关用断续转换工作方式时，在X轴扫描的每一个 过程中，电子开关都以足够高的转换频率，分别对所显示的每 个被测信号进行多次取样。 模拟示波器操作模拟示波器操作 示波器面板控制件的作用简介示波器面板控制件的作用简介 亮度：轨迹 亮度调节 电源开关电源指示灯 聚焦：轨迹 清晰度调节 荧光屏 校准信号 CH1或CH2：被测信号输入端口 注意双通道 被测信号耦合方式 AC：交流输入 DC： 直流输入 GND： 输入零信号 垂直位移 水平位移 被测信号输入 ALT：两个通道 交替显示 通道工作方式选择通道工作方式选择 CH1或CH2：1 或2单独显示 CHOP：两个通 道断续显示 ADD：显示两个 通道信号幅度的 代数和或差 通道2极 性转换 电压衰减及扫描速率电压衰减及扫描速率 VOLTS/DIVVOLTS/DIV：调节垂直 偏转灵敏度，指示垂直方 向每格的偏转电压值 VIRIABLEVIRIABLE：连续调 节垂直偏转灵敏度 TIME/DIVTIME/DIV：调节扫 描速率，指示水平方 向每格的扫描时间 X-YX-Y工作方式工作方式：CH1 输入X轴信号 VIRIABLE VIRIABLE PLEEPLEE 5 5： 连续调节扫 描速率 扫描方式选择扫描方式选择 自动（AUTO)：扫 描发生器自动工作 常态（NORM)单次（SINGLE) 被触发或准 备指示灯 电平（电平（LEVELLEVEL）：）： 调节被测信号在某 一电平触发扫描 触发方触发方式选择式选择 选择触发源信号选择触发源信号 内：内：CH1 CH2CH1 CH2 外：LINE EXT 触发极性选择：选择上 升或下降沿触发扫描 接地 外触发输入 CH1或CH2选择： “交替”或“断续”工 作方式时，选择频 率低的通道触发 单踪显示时，任选 其一，触发信号均 来自于被显示通道 选择触发信号 耦合方式： AC/DC TV AC常态 触发耦合方式 （COUPL ING） 顺时针旋足微调（VIRIABLE） CH1 触发源 （TRIGGER SOURCE） 0.1V(X) 电压衰减（ VOLTS/DIV） 0.5ms扫描速率（SEC/DIV）CH1 垂直方式（MODE ） 触发极性（SLOPE）居中 位移（三只）（ POSITION） 自动 扫描方式 （SWEEP MODE） 居中聚焦（FOCUS ） DC输入耦合居中 亮度（INTENSITV ） 作用位置控制件名称作用位置控制件名称 测量前示波器面板控件的位置 注意：测量时对控件进行适当的调节 uu 面板主要按钮面板主要按钮 uu垂直系统垂直系统 uu水平系统水平系统 t/DIVt/DIV：调节扫描速率，指示 水平方向每格的扫描时间水平方向每格的扫描时间 V/DIVV/DIV：调节垂直偏转灵敏度,指示 垂直方向每格的偏转电压值垂直方向每格的偏转电压值 uu触发电路触发电路 电平（电平（LEVELLEVEL）：）：调节被测信号在某一电平触发描。 旧示波器：顺时针到底，波形中心电平附近 uuX-YX-Y工作方式工作方式 X-YX-Y：显示两个相关量的函数图形。 CH1输入x轴信号，同时设置为X-YX-Y状态。 观察波形观察波形 （1）信号发生器输出 接CH1。 （2）调节信号发生器 的输出频率和电压及波 形。 （3）调节示波器CH1 通道偏转因数、扫描速 率、电平等，使显示波 形稳定。 要求：熟练要求：熟练偏转因数、扫描速率、电平偏转因数、扫描速率、电平等按钮操作等按钮操作 测量正弦信号电压与周期测量正弦信号电压与周期 测量原理 偏转因数V/div 时基因数T/div 电压：Upp=24=8V 假设：“ V/div ” 档位置于2V/div “ TIME/div ”的档位在0.5ms/div 周期 T=60.5=3mS 频率 f=1/T=333HZ 4格 1.6格 T=1.