第四章

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4.1 概述4.2 阴极射线示波管 4.3 图形显示的基本原理 4.4 通用示波器

4.4.1 通用示波器的组成及主要技术性能

4.4.2 垂直系统（ Y 通道）

4.4.3 水平系统（ X 通道）

4.4.4 主机系统（ Z 通道）

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4.5 示波器的选择和使用 4.5.1 示波器选择的一般原则

4.5.2 示波器的正确使用

4.6 示波器的基本测量方法 4.6.1 测量脉冲信号参数

4.6.2 测量电压

4.6.3 测量时间和频率

4.6.4 测量正弦信号的相位

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第 4 章 电子示波器4.1 概述

示波器 ——把人眼看不见的电信号转换成具体的可见图像显示在屏幕上的仪器。它是典型的时域测量仪器。频谱分析仪——典型的频域测量仪器，也称为频域示波器。 逻辑分析仪——典型的数据域测量仪器，也称为逻辑示波器。 示波器的基本功能： 直接测量被测信号的电压、频率、周期、时间、相位、调幅系数等参数； 间接观测电路的有关参数及元器件的伏安特性； 利用传感器，还可测量各种非电量甚至人体的某些生理现象，常用在科学研究、航空航天、工农业生产、医疗卫生、地质勘探等方面。

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图 4.2 电子枪内部的等电位线分布图 图 4.3 电子聚焦过程

4.2 阴极射线示波管

1. 电子枪

图 4.1 示波管的内部结构示意图（ 1 ）电子束的聚焦

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（2）第三阳极A3的作用 2.偏转系统

     

a

dd

dU

ULlD

2

示波管的偏转因数 S d

ad

Ll

dU

D

US

2

3. 荧光屏

图 4.4 电子在偏转板内的运动

Ud—— 偏转电压；Ua—— 第 2 阳极 A2 上的电压； L ， ld ， d—— 与示波管结构有关的尺寸。

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4.3 图形显示的基本原理

1. 波形显示原理例如，将 ux 、 uy 信号分别加到 X 、 Y 偏转板上，如 ux 、

uy 同步则屏幕上显示如图 4.5 所示 ; 如 ux 、 uy 不同步则屏幕上显示如图 4.6 所示

图 4.5 波形显示原理

图 4.6 扫描电压与被测电压不同步yx TT )4/5(

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2.X － Y 显示原理

图 4.7 两个同频率信号构成的李沙育图形

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图 4-8 通用示波器总方框图

1. 通用示波器的组成包括三个部分：垂直系统（ Y 通道） 、水平系统（ X 通

道）、主机系统（ Z 通道），工作过程如图 4.8 （ b）。

4.4.1 通用示波器的组成及主要技术性能

4.4 通用示波器

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2. 通用示波器的主要技术性能(1) 扫描时间因数 单位为“ t/div” 或“ t/cm” ， t 可取 s ，ms 或 s 。 (2) 触发性能 触发包括内、外触发和电源触发。 (3)  垂直偏转因数 单位为 Vp-p /div 或 Vp-p /cm 。

图 4.9 带宽的表示方法

(4)  频带宽度 ( 频域响应 )

fH ( 单位 :Hz) 与示波器的上升时间 tro （ s ）关系： 在交流耦合位置， Y 轴系统对输入的低频方波会产生下垂，如果低频方波宽度为 τ，重复频率 f=1/2τ ，则下截止频率：

fSSf eeL 2

fH tro≈0.35

BY = fH － fL≈fH

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(5) 瞬态响应（时域响应）

图 4.10 瞬态响应的表示方法

①    Sb ：上冲量 ②   Sc ：阻尼振荡③    Sd ：预冲，又称前冲 ④    Se ：下垂⑤    Sf ：后过冲 ⑥    tr ：上升时⑦    tf ：下降时间 ⑧    脉冲宽度 τ

⑨    脉冲周期和重复频率： ⑩    脉冲的占空系数 ε ：

例如 SBM － 10A 型示波器 fH =30MHz ，则上升时间：

（ 6 ） 输入阻抗

ns121030

35.0/35.0

6H

ftr

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4.4.2 垂直系统（ Y 通道）

图 4.11 垂直系统的基本组成

1. 输入电路 输入电路完成对输入信号的耦合和大小的粗调作用，并在输入信号与前置放大器之间起阻抗变化的作用。（ 1 ）探头 示波器在使用前必须进行探头的校准，如图 4.12 所示。

图 4.12

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图 4.13 耦合电路和衰减器

（ 2 ）输入耦合方式 有 DC 、 AC 和⊥（ GND ）三种方式。（ 3 ） 步进衰减器 （ 4 ） 阻抗转换器

2. 前置放大器对信号进行适当放大，并同时完成各种功能调节（包括增益微调、 Y 轴位移、极性转换等）和取出内触发信号。

3. 延迟线 对通过 Y 轴电路的被测信号适当延迟。 4. 后置放大器将被测信号放大到足够大的幅度，用以驱动示波管的垂直

偏转系统，使电子束获得 Y 方向的满偏转。并完成垂直偏转因数“ ×5” 或“ ×10”扩展功能。

5. 内触发放大器放大内触发信号用于启动水平扫描电路。

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图 4.14 双踪示波器的基本组成框图

双踪示波器有五种工作方式：Y1 、 Y2 、 Y1±Y2 、断续和交替。

（ 1 ）交替显示电子开关的转换受扫描控制电

路的操纵，它的转换周期和扫描周期相等。如图 4.15（ a ）所示。

（ 2 ）断续显示电子开关工作于自激状态，不受扫描发生器的控制。两个信号的光点轮流地显示在屏幕上，如图 4.15 (b) 所示。

图 4.15 双踪显示方式

6. 双踪显示原理

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4.4.3 水平系统（ X 通道）示波器的水平系统包括三个部分：①触发电路；②时基发生器；③水平放大器。

图 4.16 水平系统总方框图

1. 触发电路为时基发生器提供符合要求的触发脉冲。触发电路包括触发源选择、触发耦合方式选择、触发放大整形电路。（ 1 ） 触发源选择 ①内触发（ INT ） ②外触发（ LINE ） ③电源触发

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（ 2 ）触发耦合方式为了适应不同的被测信号

频率，示波器一般设有如图 4.17 所示几种

触发耦合方式。“① DC” 直流耦合 “② AC” 交流耦合 “③ AC” （ H ）

图 4-17

（ 3 ） 触发方式（ TRIG MODE ）选择触发方式通常有常态、自动和电视三种方式：① 常态触发方式（ NORM ）不同的触发极性和触发电平，触发点不同，即扫描起始点不同，则显示的波形也不相同，如图 4.18 所示。

图 4.18 触发极性和触发电平不同对波形显示的影响

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不足点：在没有输入信号或触发电平调节不适当时，就没有触发脉冲输出，因而也无扫描基线。

② 自动触发方式（ AUTO ）在无被测信号输入时仍产生扫描电压，一旦有触发信号，自激多谐振荡器由触发信号同步而形成触发扫描，一般测量均使用自动触发方式。

③ 电视触发方式（ TV ）产生行、场同步触发脉冲来实现电视触发功能，使示波器

可用于电视信号的监测和电视设备的维修。TV-V ：用于观测电视信号中的行信号波形。TV-H ：用于观测电视信号中的场信号波形。（ 4 ） 触发整形电路对任意的输入到触发电路的信号（波形复杂，频率、幅度

、极性也不尽相同）进行放大、整形，变换为符合时基发生器要求的边沿陡峭、宽度适中、极性和幅度一定的触发脉冲，以保证时基发生器的稳定工作。

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2. 时基发生器电路（扫描发生器电路）时基发生器也称扫描发生器环，主要由扫描闸门、扫描电压产生电路、比较和释抑电路组成，如图 4.19 （ a ）所示。

（ 1 ）时基发生器电路的一般工作过程如图 4.19 （ b ）所示，图中， T1 为锯齿波正程； T2

为锯齿波回程； th 为释抑时间； T0 为静止期； T 为锯齿波周期。

图 4.19

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图 4.20 用施密特电路构成的时基闸门电路 （ 3 ）扫描锯齿波产生电路 密勒积分电路原理如图 4.21 （ a ）所示。积分器的输出电压：

tCR

Edt

R

E

Cu

TT

t

TTout

0

1

（ 2 ）扫描闸门 产生闸门信号。图 4.20 （ a ）用施密特触发器构成的时基闸门电路。V1 、 V2 组成施密特触发器，起门控电路作用， V3 为门开关管。

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（ 4 ）比较电路和释抑电路比较电路利用它的比较、识别电平的功能来控制锯齿波的幅度 , 使电路产生等幅扫描。释抑电路用来使扫描发生器电路在扫描逆程开始后 , “抑止”扫描闸门，使“抑止”期间不再受同极性触发脉冲的触发， 以便扫描锯齿波产生电路恢复到扫描的起始电平上。 （ 5 ）扫描方式分类 扫描可分为连续扫描和触发扫描两种方式。

图 4.22 比较电路和释抑电路图 4.21 密勒扫描电路原理

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图 4.23 连续扫描的波形显示 图 4.24 脉冲信号的连续扫描和触发扫描显示

① 连续扫描当扫描环工作在自激状态时，扫描电压是周期性的锯齿波电压。② 触发扫描只有在触发脉冲作用下才产生一次扫描电压，即扫描环工作在它激状态。触发扫描时锯齿波可以是连续状态，也可以是间歇状态。

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图 4.25 AB 交替扫描显示方式

（ 6）双扫描显示双扫描显示——利用 X轴电子开关使得能够以不同扫描速度分别

显示同一波形的不同部分。水平通路有两个扫描通路 :A扫描和 B扫描 (又称延迟扫描 )。以A扫描通路为主， B扫描在 A扫描开始工作后的某一时刻开始扫描， B扫描被 A扫描所延迟， B扫描又称为延迟扫描。

3. 水平放大器 水平放大器是 X 轴主放大器，主要用来放大扫描锯齿波电压，将单端信号变为双端输出信号去驱动示波管的水平偏转板。同时还具有 X 位移和扩展等功能。

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4.4.4 主机系统（ Z 通道） 1.高低压电源 为示波器的各级电路提供所需的低、高压电源。2. 显示电路和 Z轴电路 包括阴极射线示波管和为示波管各个电极提供电压的电路、光迹旋转电路及 Z 轴电路。

图 4.27 显示电路

3.校准信号发生器产生基准方波信号，它为仪器提供校准信号源，以便随时校准示波器的垂直灵敏度和扫描时间因数等。

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4.5 示波器的选择和使用

1. 根据被测信号特性选择2. 根据示波器的性能选择示波器的主要性能指标有三个：（ 1 ）频带宽度和上升时间例如，若被测信号上升时间为 60ns 时，要求示波器：

4.5.1 示波器选择的一般原则

ns20ns603

1rt MHz5.1720/35.0 YB或

（ 2 ）垂直灵敏度（垂直偏转因数）垂直灵敏度是垂直偏转因数的倒数，它决定了被测信号在垂直方向的展示能力。（ 3 ）扫描速度扫描速度指扫描时间因数的倒数，它决定了在水平方向对信号的展示能力。

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1. 使用时注意事项2. 使用方法（ 1 ） YB4320 示波器的主要技术性能· 垂直系统： ① CH1 和 CH2 的偏转因数 : 5mV /div～ 5V /div ，按 1-2-5 步进 ,

共 10档； ② 上升时间：≤ 17.5ns ；上冲：≤ 5% ； ③ 最大输入电压： 400V （ DC+ACP-P ）； ④ 输入阻抗： a.1MΩ±2% ， 25pF±3pF ； b.经探极 10MΩ±5 ，约 17pF ； ⑤ 垂直系统工作方式： CH1 、 CH2 、 CH1+CH2 、双踪。· 水平系统：① 扫描方式 ×1 、 ×5 ； ×1 、 ×5 交替扫描；② 扫描时间因数： 0.1μs /div～ 0.2s /div±5% ，按 1-2-5 步进，共

20挡；③ 扫描扩展： 20ns /div～ 40ms /div 。

4.5.2 示波器的正确使用

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· 触发系统：① 触发方式：自动，常态、交替、 TV-V 、 TV-H ；② 触发源：内触发（ INT ）、 CH2 触发、电源触发、外触发

；③ 触发极性： + 、—。·X-Y 工作方式：①CH1 为 X 轴， CH2 为 Y 轴；②X 轴带宽： DC～ 500KHz ； · 校准信号：提供频率 1KHz （ ±2% ），电平 0.5V （ ±2% ）的方波信号。·CH1 输出：①输出电压最小 20mV /div ；② 输出阻抗约 50Ω ；③带宽 50Hz～ 5MHz （ -3dB ）。· 电源： 50Hz±5% 、 220V±10%

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（ 2 ） YB4320 示波器的前、后面板示意图

图 4.29

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（ 3 ） YB4320 示波器的基本操作说明（ 4 ）测量前的准备工作（ 5 ）信号测量的步骤第 1 步，将被测信号输入到示波器通道输入端。第 2 步，按照被测信号参数的测量方法不同，选择各旋

钮的位置，使信号正常显示在荧光屏上，记下一些读数或波形。

（ 6 ）输出信号3. 示波器的校验图 4.30 是采用 S04A 示波器校准仪校准示波器的原理图

。 

图 4.30 仪器连接

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4.6 示波器的基本测量方法 4.6.1 测量脉冲信号参数1.矩形脉冲测量的意义 2. 测量方法    

图 4.31 示波器测量波形参数

图 4.31 所示，已知 Y 轴偏转因数为 1V/div ，扫描偏转因数为 1 s/div ，则可得测量结果为 :上升时间： 0.5div×1s/div = 0.5s脉冲宽度： 5.7div×1s/div = 5.7s脉冲幅度： 4.5div×1V/div = 4.5V

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1. 直流电压测量

例如，若选择 CH1 输入信号，时基线在零电平的正方向（光迹上移）移动 5div ， Y1 轴偏转因数为 1V/div ，则被测直流电压为 5 div×1V/div =5V 。2. 正弦电压测量（ 1 ）不含直流分量的正弦电压测量【例 4-1】如图 4.32 （ a ）显示波形，如果 Y 轴偏转因数为 1V/div ，则峰 -峰值 Up-p 、振幅值 Um 、有效值 U 分别：Um= 3div×1V/div =3 V Up-p=6 div×1V/div =6V

U = Um /=3/2.12V

4.6.2 测量电压

图 4.32 正弦电压测量

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4.6.3 测量时间和频率

【例 4-2】如图 4.32 （ b ），若 Y 轴偏转因数为 1V/div ，分别计算直流分量 U0 、峰点电压的瞬时值 UP 、峰－峰值 Up-p 、振幅值 Um 、有效值 U 。

解： U0 =3×1 V/div=3V UP=4.5 div×1 V/div= 4.5 V

Up-p=3 div×1V/div =3 V Um= Up-p /2 = 3/2 =1.5 VVUU m 06.12/5.12/

1. 时间测量的原理根据两点之间水平距离与扫描时间因数，计算被测时间间隔： Δｔ = LDx / 水平扩展倍数 【例 4-3】如图 4.33 （ a ），扫描时间因数为 2μs/div ，水平扩展 ×1 ，求 a 、 c 两点之间的时间间隔 Δｔ。 Δｔ = （ 2μs/div×6div ） /1=12μs

（ 2 ）含有直流分量的正弦电压测量

3．参考电平的设定

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3. 直接法测量频率 ( 周期 )图 4.33 （ a ）测得的时间间隔Δｔ即为该信号的周期 T ，该信号的频率 f 为： f=1/T=1/ （ 12×10-6 ） 83.3kHz4. 李沙育图形法测量频率示波器工作在 X-Y显示方式，显示如图 4.34 波形，若水平线和垂直线分别与李沙育图形的交点数为 nH = m ， nV= n ，则 : n

m

n

n

f

f

T

T

V

H

x

y

y

x

图 4.33 时间的测量

2. 两个脉冲信号之间的时间间隔的测量

图 4.34 李沙育图形

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1. 测量原理相位的测量指两个同频信号之间相位差的测量。设任意两

个同频不同相位的正弦信号表达式分别为：

4.6.4 测量正弦信号的相位

)sin( 111 tUu m )sin( 222 tUu m

u2 相对于 u1 的相位差为 1212 )()( tt

2. 双踪示波法利用示波器的双踪显示原理 , 同时西安市两个同频率的正弦

信号。图 4.35 （ a ）相位差：

弧度度 2360 ac

ab

ac

ab

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图 4.35 相位差的测量

3 ．椭圆法（又称为李沙育图形法）将两个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 显示方式，这时示波器的荧光屏上会显示出一个椭圆波形。图 4.35 （ b ），相位差：

2

1

2

1 arcsinarcsiny

y

x

x

u

u

u

u

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