第7章 波形显示与测量

null第7章 波形显示与测量 第7章 波形显示与测量 7.1 示波器的功能与分类 7.2 示波显示的基本原理 7.3 模拟示波器 7.4 取样示波器 7.5 数字存储示波器 7.6 示波器的应用 思考题77.1 示波器的功能与分类7.1 示波器的功能与分类 7.1.1 示波器的功能 示波器是一种电子图示测量仪器，它可以用来观察和测量随时间变化的电信号图形，可以定性地观察电路的动态过程，如观察电压、电流的变化过程，还可以定量测量各种电参数，例如测量脉冲幅值、上升时间、重复周期或峰值电压等。由于示波器能够直接对被测电信号的波形进行显示、测量，并能对测量结果进行运算、分析和处理，功能全面，加之具有灵敏度高、输入阻抗高和过载能力强等一系列特点，因此在生产、维修、教学、科学研究等领域中得到了极其广泛的应用。null 7.1.2 示波器的分类 从示波器的性能和结构出发，可将示波器分为模拟示波器、数字示波器、混合示波器和专用示波器。 1． 模拟示波器 （1） 通用示波器： 采用单束示波管的示波器。这类示波器采用单束示波管，有单踪型和多踪型，能够定性、定量地观测信号，是最常用的示波器。多踪示波器是采用单束示波管而带有电子开关的示波器，它能同时观测几路信号的波形及其参数，或对两个以上的信号进行比较。null （2） 多束示波器：采用多束示波管的示波器。与通用示波器的叠加或交替显示多个波形不同，其屏上显示的每个波形都由单独的电子束产生，能同时观测、比较两个以上的波形。  （3）取样示波器：它根据取样原理将高频传号转换为低频传号，然后再用通用示波器显示其波形。这样，被测信号的周期被大大展宽，便于观察信号的细节部分，常用于观测300 MHz以上的高频信号及脉冲宽度为纳秒级的窄脉冲信号。目前已被数字存储示波器或数字取样示波器所取代。null 2． 数字示波器 （1）数字存储示波器（DSO，Digital Storage Oscilloscope）： 它能将电信号经过数字化及后置处理后再重建波形，具有记忆、存储被观测信号的功能，可以用来观测和比较单次过程和非周期现象、低频和慢速信号以及在不同时间或不同地点观测到的信号。它往往还具有丰富的波形运算能力，如加、减、乘、除、峰值、平均、内插、FFT、滤波等，并可方便地与计算机及其它数字化仪器交换数据。 （2）数字荧光示波器（DPO，Digital Phosphor Oscilloscope）： 采用先进的数字荧光技术，能够通过多层次辉度或彩色显示长时间信号，具有传统模拟示波器和现代数字存储示波器的双重特点。null 3． 混合示波器 混合信号示波器是把数字示波器对信号细节的分析能力和逻辑分析仪对多通道的定时测量能力组合在一起的仪器。 4.专用示波器 不属于以上几类、能满足特殊用途的示波器称为专用示波器或特殊示波器。例如监测和调试电视系统的电视示波器，主要用于调试彩色电视中有关色度信号幅度和相位的矢量示波器等等。7.2 示波显示的基本原理 7.2 示波显示的基本原理 7.2.1 阴极射线示波管 典型的示波器利用阴极射线示波管CRT作为显示器，CRT是示波器的重要组成部分，其作用就是把电信号转换为光信号而加以显示。其构造与电视机显像管相同，主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三大部分组成，三大部分均封装在密闭呈真空的玻璃壳内，其结构示意图如图7.1所示（图中省略了玻璃外壳）。 null图7.1 阴极射线示波管结构示意图null 1.电子枪  电子枪的作用是发射电子并形成聚束的高速电子流。它主要由灯丝F、阴极K、控制栅极G、第一阳极A1、第二阳极A2和后加速阳极A3组成。除灯丝外，其余电极的结构均是金属圆筒，且它们的轴心都保持在同一轴线上。 2.偏转系统  偏转系统的作用是使电子束产生在垂直和水平方向上的位移。 偏转系统位于第二阳极之后，由两对相互垂直且平行的金属板——X、Y偏转板（水平、垂直偏转板）组成，其中心轴线均与示波管的中心轴线重合，分别控制电子束在水平方向、垂直方向的偏转。 null 3.荧光屏 荧光屏是示波器的显示部分，为圆形曲面或矩形平面，其内壁涂有荧光物质，形成荧光膜。 当荧光物质受到电子枪发射的高速电子束轰击时就能产生荧光亮点，亮点的亮度取决于电子束中电子的数目、密度和速度。 null 7.2.2 示波管显示原理 1. 显示随时间变化的图形 1) 扫描的概念 若想观测一个随时间变化的信号，例如f(t)=Umsinωt，那么只要把被观测的信号转变成电压加到Y偏转板上，电子束就会在Y方向上随信号的规律变化，任一瞬间的偏转距离正比于该瞬间Y偏转板上的电压。但是如果水平偏转板间没加电压，则荧光屏上只能看到一条垂直的直线，如图7.2（a）所示。时间基线（简称时基线），如图7.2（b）所示。被测信号随时间变化的波形，如图7.2（c）所示。 null图7.2 扫描过程 (a） 只加信号电压; (b） 时间基线的获得; (c） 信号波形在时间轴上展开 null 2） 信号与扫描电压的同步 图7.3为扫描电压与被测信号同步时的情况。 如果没有这种同步关系，则后一扫描周期描绘的图形与前一扫描周期描绘的图形不重合，如图7.4所示。  null图7.3 扫描电压与被测信号同步null图7.4 扫描电压与被测电压不同步null 3） 连续扫描和触发扫描 连续扫描与触发扫描的比较如图7.5所示。其中图7.5（a）为被测脉冲，若用连续扫描来显示它，扫描信号的周期有两种可能的选择：  (1) 选择扫描周期Tn等于脉冲重复周期Ts，这种情况如图7.5（b）所示。不难看出，屏幕上出现的脉冲波形集中在时间基线的起始部分，即图形在水平方向被压缩，以致难以看清脉冲波形的细节，例如很难观测它的前后沿时间。 (2) 选择扫描周期Tn等于脉冲底宽τ。为了将脉冲波形在水平方向展宽，必须null图7.5 连续扫描和触发扫描的比较null 4） 扫描过程的增辉 在以上的讨论中假设了扫描回程时间接近于零，但实际上回扫是需要一定时间的，这就对显示波形产生了一定的影响。图7.6仍是扫描周期等于两倍信号周期的情况，只是扫描电压有一定的回扫时间（图中7-8段）。 null图7.6 扫描回程对显示波形的影响null 2. 显示任意两个变量之间的关系 如果这两个信号初相相同，则可在荧光屏上画出一条直线； 若X、Y方向的偏转距离相同，这条直线与水平轴呈45°，如图7.7（a）所示。如果这两个信号初相相差90°，则在荧光屏上画出一个正椭圆；若X、Y方向的偏转距离相同，则在荧光屏上画出一个圆，如图7.7（b）所示。 null 图7.7 两个同频率信号构成的李沙育图形 (a) Uy与Ux同相位； (b) Uy超前Ux 90°7.3 模拟示波器7.3 模拟示波器 7.3.1 模拟示波器的基本组成 通用模拟示波器主要由示波管、垂直（Y轴）通道、扫描（锯齿波）信号发生器、水平(X轴）通道以及电源等部分组成，其结构框图如图7.8所示。 null图7.8 通用模拟示波器的基本结构框图null 1. 示波管 2. Y轴通道  1） 输入电路 输入电路主要包括探极、耦合方式转换开关、衰减器、阻抗变换及倒相放大器等部分，如图7.9所示。 null图7.9 Y通道输入电路框图null (1) 探极。 无源探极的结构如图7.10所示。 null图7.10 无源探极的结构null 具体做法是将示波器标准信号发生器产生的方波加到探极上，用螺丝刀左右旋转补偿电容C，直到调出如图7.11（a）所示正确的方波（即正确补偿）为止。否则，会产生如图7.11（b）、（c）所示电容过补偿或欠补偿的波形。 null图7.11 探极的补偿结果null (2) 耦合方式选择开关。 (3) 衰减器。 (4) 阻抗变换及倒相放大器。 2） 前置放大器 3） 延迟级 4） 输出放大器 3. X轴通道  X轴通道由触发电路、扫描电路和X轴放大器组成。其组成框图如图7.12所示。null图7.12 X轴通道组成框图null 1） 触发电路 触发电路的作用在于选择触发源并产生稳定可靠的触发信号，以触发扫描发生器产生稳定的扫描电压。其组成框图如图7.13所示，主要由触发源选择、耦合方式选择开关、触发电平与斜率选择器、放大整形电路等组成。 null图7.13 触发电路组成框图null (1) 触发源选择。 (2) 触发耦合选择。 (3) 触发方式选择。 (4) 触发电平及斜率选择。 触发电平及触发极性可以直接从显示波形上进行判断，如图7.14所示。 (5) 放大整形电路。  null 图7.14 不同触发电平、触发极性下的波形 被测正弦信号； (b) 零电平正极性触发； (c) 正电平正极性触发；(d) 正电平负极性触发； (e) 负电平负极性触发； (f) 负电平正极性触发null 2） 扫描信号发生器 现代示波器通常用扫描发生器环来产生扫描信号，常由积分器、扫描闸门及比较和释抑电路组成，如图7.15所示。 null图7.15 扫描信号发生器组成框图null 3）X轴放大器 4. 电源部分 7.3.2 示波器的多波形显示 1. 多线示波 多线示波是指采用多线示波管（又称为多束示波管）制成的多线示波器来显示多路波形。多线示波管内装有多个（一般有两个）独立的电子枪，每个电子枪能同时发出一束电子束，每一电子束都有各自独立的偏转系统，偏转系统各自控制电子束的偏转，共用一个荧光屏显示。多线示波器各通道间相互独立，交叉干扰小，测量准确度高，但它制造困难，成本高， 所以较少使用。null 2. 多踪示波 多波形显示常用的方法是多踪示波。其组成及原理与单踪示波器类似，是在单踪示波器的基础上增加了电子开关而形成的。它也采用单束示波管，其内只有一个电子枪、一套Y偏转板，通过在Y通道上增设的电子开关来高速控制几个被测信号轮流地接入Y偏转板而在荧光屏上显示出多个波形，即采用了时分复用技术，这一技术充分利用了电子开关的高速转换特性和人眼的视觉惰性。它具有实现简单、价格低的优点，因而得到了广泛应用。最常用的是双踪示波器，即能够显示两个波形的多踪示波器，其简要原理框图如图7.16所示。null图7.16 双踪示波器的简要原理框图null (3) “叠加（CH1+CH2）”： 两通道同时工作，Y1、Y2通道的信号在公共通道放大器中进行代数相加后送入垂直偏转板，显示两路信号叠加后的波形。 (4) “交替（ALT）”： 若通道1输入正弦波，通道2输入同频率的三角波，则屏上显示的波形如图7.17（a）所示。 (5) “断续（CHOP）”： 这样显示出的波形是由许多线段组成的，只要转换频率远远高于被测信号的频率, 这些线段及其间隔就很短，看起来显示的波形好像是连续的，如图7.17（b）所示。 null图7.17 交替和断续时显示的波形 （a） 交替; （b） 断续null 7.3.3 通用模拟示波器的主要技术性能指标 通用模拟示波器的主要技术性能指标有：  （1） 频带宽度BW： 通常指Y通道的工作频率范围，即Y通道输入信号上、下限频率之差。现代示波器的下限频率都已延伸至0 Hz，因而示波器的频带宽度可用上限频率来表示。通常要求：  BW≥3fmax （7-1） 式中fmax为被测信号的最高频率。 null （2） 输入灵敏度： （3） 输入阻抗：  （4） 扫描速度：  （5） 时域响应： 当输入理想的矩形脉冲波后，从示波器显示的波形中可看出上升时间tr、下降时间tf、上冲δ、反冲ε、平顶跌落Δ等脉冲参数。频带宽度BW与上升时间t之间一般有确定的内在关系，即 （7-2）null 7.3.4 YB4365型双踪示波器 1. 主要特点 （1） 屏幕显示设定状态，多种参数均可在屏幕上以字符形式显示。 （2）具有光标卡尺线，可对光标线之间的ΔU、ΔT、1/ΔT等参数进行测量。 （3）可自动设定最佳扫描速度，并跟随输入信号自动设定扫速。 （4） 采用先进的表面贴装工艺，体积小，可靠性高。 （5） 开关电源供电，确保仪器在市电压90~260 V之间正常使用。 null 2. 技术指标 （1）带宽： DC～100 MHz（-3 dB）。 （2）Y轴偏转灵敏度： 2 mV/div~5 V/div，按1-2-5进制，分11挡，±5%。 （3）频带响应： 5 mV/div时，DC~100 MHz（-3 dB）。 （4）上升时间： 3.5 ns。 （5）最高安全输入电压： 400 V（DC+AC峰值），≤1 kHz。 （6） 扫描速度： null （7） 扫描线性误差： ≤5%。 （8） 扩展后线性误差： ≤15%。 （9） 光标读出： 4位数字显示。 （10） 校正输出：方波，0.5 UP-P±2%，1kHz±10%。 7.4 取样示波器7.4 取样示波器 7.4.1 取样的概念 1. 取样原理 取样示波器与普通示波器的主要区别在于取样示波器运用了取样技术。欲观察一个波形，可以把这个波形在示波器上连续显示，也可以在这个波形上取很多的点，把连续波形变换成离散波形，只要取样点数足够多，这些离散点也能够反映原波形的形状。这种从被测连续波形上取得一系列样点(也就是获取一系列离散时刻对应的信号幅值)的过程就是取样，又称采样。 null图7.18 取样原理null 2. 实时取样与非实时取样 取样分为实时取样和非实时取样两种。从信号波形一个周期中取得大量取样点来表示一个信号波形（也就是取样脉冲的周期远小于输入信号的周期），并且取样持续的时间等于输入信号的一个周期或多个周期或输入信号实际经历的时间，这种取样方式称为实时取样，如图7.19（a）所示。 null 图7.19 实时与非实时取样示意图 (a) 实时取样； (b) 非实时取样null 步进间隔Δt与信号最高频率fh间应满足取样定理：  （7-3） 7.4.2 取样示波器的工作原理 相比较而言，取样示波器与通用示波器主要有以下区别： （1） 取样示波器延迟级放在取样门前面，以便在内触发时提前提取一部分被测信号作为触发信号，这样观测时不会丢掉信号的陡峭前沿。 （2） 取样示波器X通道产生时基扫描信号，是利用每一个Δt步进延迟脉冲去触发阶梯波形成电路，使它的输出增长一级，扫描信号是线性阶梯波。null图7.20 取样示波器的原理框图null （3） 通用示波器中，每触发一次，能产生一个完整的扫描信号； 而取样示波器中，每触发一次，只能获得一个样点。 （4） 取样示波器显示的波形由许多点组成，波形反映被测信号包络，但波形是经过变换的，波形经历时间远大于被测信号的实际经历时间。 7.4.3 取样示波器的主要参数 取样示波器除了具有通用示波器的性能指标外，还具有其本身的技术参数，主要有：  （1） 取样示波器的带宽。  null 取样示波器的频带宽度为 （7-4） （2） 取样密度。 取样密度是指电路扫描时，在示波管屏幕X轴上每格显示的被测信号所对应的取样点数，常用每厘米的光点数来表示。 null （3）等效扫描速度。 通用示波器的扫描速度是指单位时间内电子束在水平方向上的位移。 （4）取样频率。取样频率即取样脉冲的重复频率。取样频率越高，越能反映被测信号的特性。  7.5 数字存储示波器7.5 数字存储示波器 7.5.1 数字存储示波技术简介 数字存储示波采用数字电路，先经过A/D 变换器，模拟输入信号波形被变换成数字信息，存储于数字存储器中；需要显示时，再从存储器中读出，通过D/A 变换器，将数字信息变换成模拟波形显示在示波管上。数字存储示波的基本原理框图如图7.21所示。 null图7.21 数字存储示波的基本原理框图null 1. 数字存储示波器的主要特点 与模拟示波器相比，数字存储示波器有以下优点： （1） 波形可长期保存、多次显示。 （2） 支持负延时触发。 （3） 便于观测单次过程和突发事件。 （4） 具有多种显示方式。 （5） 便于进行数据分析、处理。 （6） 具有多种输出方式，便于进行功能扩展和自动测试。 （7） 集成度高，体积小，重量轻。null 2. 信号采样 模拟信号在数字存储示波器内首先要进行采样变成数字信号，然后才能进行进一步的处理。 1） 采样方式  在实时采样中，一个信号的所有采样点在一个单一的信号获取段中取得，见图7.22（a）。等效时间采样又大体分为两类： 序列采样和随机性采样，见图7.22（b）、（c）。随机采样技术的另一个衍生的采样法是多点随机采样，即在每个获取的信号周期中采样若干个点，见图7.22（d）。  null图7.22 数字存储显示技术中的各种采样技术null 2） 采样速率 采样速率又称为数字化速率，对它的描述方式通常有三种：  (1) 用采样次数来描述，表示为单位时间内采样的次数，如20×106次/s(20 MS/s）。  (2) 用采样频率来描述，如20 MHz。 (3) 用信息率来描述，表示为每秒钟存储多少位（比特）的数据，如每秒钟存储160兆位的数据，这对于一个8位的A/D转换器来说，就相当于20×106次/s的采样速率。 null 实际上，一个仪器的采样速率是随时基设置的不同而改变的。二者之间的关系是：  （7-5） 例如，一个仪器有1024个波形记录寄存单元，扫描长度为10个单位刻度，而时基设置为10μs/div，那么采样速率为 null 3. 波形显示技术 1） 点显示技术 点显示就是在屏幕上以有间隔的点的形式将被获取的信号波形显示出来。 2） 数据点插入技术 在波形显示技术中，常常使用插入器将一些数据补充给仪器，插在所有相邻的采样点之间。 简要介绍几种常用插入技术。 (1) 向量式显示（线性插入）。 某些视觉误差可以通过对显示点选加一个向量（按信号规律事先计算好的一系列点）的方法来进行纠正。 null (2) 正弦插入。 这种方法专用于信号波形的复现。一般情况下，每个周期使用2.5个数据字就足以构成一个较完整的正弦波形。但是，正弦插入法有时会对阶跃波形产生作用。 (3) 改进型正弦插入。 改进型正弦插入可以避免对阶跃波形的不良影响，方法是引入一个前置数字滤波器，它与插入器相配合，使信号波形的重新组合结果能产生一个良好的外观。 null (4) SineX/X插入。 这种技术的原理是： 在采样点之间插入曲线段而使显示波形平滑。但是，有时由于过于依赖曲线的平滑性而使用很少的采样点（有时少达每周期4个），因而噪声容易混入数据中。 null 7.5.2 数字存储示波器的技术性能指标 数字存储示波器主要有以下技术性能指标： （1） 采样速率。 （2） 有用存储带宽。 （7-6） （3） 有用上升时间。 如图7.23所示，两种不同的采样位置竟造成了波形中出现上升时间分别为0.8倍和1.6倍采样间隔的差别，这种显示上升时间完全取决于采样发生在输入信号波形的哪一个部位。 null图7.23 采样点位置不恰当造成的上升时间误差null 为此，定义一个DSO的有用上升时间UTR作为判断采样间隔是否满意的标志：  UTR =1.6×最小采样间隔时间 （7-7） （4） 测量分辨率。 测量分辨率通常用A/D转换器的M进制位数表示，位数越多，分辨率越高，测量误差和波形失真越小。 （5） 存储容量。 存储容量又称为存储长度，通常定义为获取波形的取样点数目，用数据存储器存储容量的字节数表示。null DSO还有一些其他的重要性能和特征，在选用时必须注意 (1) 当使用DSO进行模拟显示时，应注意它的模拟能力。 (2) 各种复杂的触发能力，如延时触发、逻辑触发等 (3) 包络显示能力，指示波形的最大值和最小值等。 (4) 闪烁/峰尖捕捉能力。 (5) 与绘图仪、PC机的连接口问题。 (6) 协助噪声滤波的均值计算等。 (7) 波形的数学计算、分析及信号加工能力。 null 7.5.3 模拟/ 数字示波器 一个实际的带有计算机接口的模拟/数字示波器的典型框图示于图7.24。在此仪器中，作为模拟示波器所需要的所有基本单元模块（如同步衰减器、钳制放大器、触发电路、延时线、垂直和水平输出放大器、Z轴电路等）都包括在如下附加电路中： (1) 微处理器及相关电路；  (2) 数字时基；  (3) 数字获取存储器；  (4) 数字显示；  (5) 向量发生器；  (6) 存储形成电路；  (7) 通信接口。null图 7.24 模拟/数字示波器原理框图null TEK2232型示波器各部分的主要技术指标如下： (1） 数字存储系统： ① 最高取样速率： 100 MS/s（每个通道）。 ② 有效取样速率： 2 GS/s（重复存储方式时)，单通道： 0.5 μs/div以及更快的扫速, 双通道： 0.2 μs/div以及更快的扫速。 ③ 垂直分辨率： 8 bit（每格25级）； 12 bit（在平均方式时）。 null ④ 水平分辨率：10 bit（每格100个点）；9 bit（双通道使用时）。 ⑤ 记录长度：4 KB或1 KB（单通道使用时）；2 KB或512 KB（双通道使用时）。 ⑥ 前/后触发： 可设定1/8、1/2或7/8触发点。 ⑦ 峰值 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 ： 捕捉毛刺的最小宽度为10 ns。 ⑧ 累计峰值检测。 ⑨ 平均（平均次数为1~256，可选择）。 null （2） 垂直系统（两个通道）： ① 垂直工作方式： 通道1、通道2、通道2反向、相加、交替、继续（500 kHz）、X-Y。 ② 频带宽度： 100 MHz，-3 dB（0~35℃）；80 MHz，-3 dB（35~50℃或2 mV/div时）。 ③ 上升时间： 小于3.5 ns（0~35℃）； 小于4.4 ns（35~50℃或2 mV/div时）。 ④ Y轴偏转灵敏度和准确度： 2 mV/div~5 V/div，按1—2—5进制，分11挡；±2%（15~35℃），±3%（0~50℃）。 null ⑤ 共模抑制比： 大于10∶1（在50 MHz时）。 ⑥ 输入阻抗： 1 MΩ/20 pF。 ⑦ 最大输入电压： 400 V（DC+AC峰值）； 800UP～P (峰值)。 ⑧ 通道隔离度： 100∶1(在50 MHz时)。 null （3） 水平系统： ① 扫描速度： A扫描0.05 μs/div~0.5 s/div, 按1—2—5进制, 分21挡，扩展×10（最快扫速为5 ns/div）； B扫描0.05 μs/div~0.05 ms/div，按1—2—5进制，分19挡； 在存储状态时, A扫描0.05 μs/div~5 s/div, 按1—2—5进制, 分24挡, 扩展×10（最快扫速为5 ns/div）。 ② 扫描准确度: 非存储状态时，×1挡±2%（15~35℃）, ×10挡±3%（15~35℃）,×1挡±3%（0~50℃）, ×10挡±4%（0~50℃）; 存储状态时, ±0.1%（10格）。null ③ 水平工作方式: 非存储状态时，A扫描、交替扫描（B加亮A和B）、B扫描； 存储状态时： A扫描、B加亮A、B扫描、4 K COMPRESS。 ④ 延迟晃动: 5000∶1。 ⑤ 延迟时间准确度： ±1%（15~35℃)。 （4） 触发系统： ① 触发灵敏度： 内触发： 0.35 div（10 MHz），1.5 div（100 MHz）； 外触发： 40 mV（10 MHz）， 150 mV（100 MHz）。 null ② 触发工作方式：A触发方式：峰-峰、自动（TV行同步）、常态、TV场同步、单次； B触发方式： 延迟启动、延迟触发。 ③ 触发源： A触发： 垂直方式、通道1、通道2、电源、外； B触发： 垂直方式、通道1、通道2。 ④ 触发耦合方式： 内触发： AC（交流，触发方式为峰-峰、自动、电视行、电视场）； DC（直流，触发方式为常态、单次）；外触发： AC、DC、DC/10。 ⑤ 可变释抑：＞10∶1。 null （5）X-Y工作方式： ① 偏转灵敏度与垂直系统的偏转灵敏度相同。 ② 频带宽度：X轴：非存储工作方式时为2.5 MHz，存储工作方式时与垂直系统的频带宽度相同; Y轴： 与垂直系统的频带宽度相同。 ③ 相位差： ＜±3°(0~150 kHz)。 6） 显示系统： ① 显示屏幕： 8 cm×10 cm。 ② Z轴： 5 V（DC至20 MHz）。 null （7） 其他： ① 游标功能和准确度：ΔU: ±3%; ΔT： ±1显示间隔(5 s/div~1 μs/div)，±2显示间隔+500 ps(0.5 μs/div~0.05 μs/div)。 ② X-Y绘图输出： 绘图输出整个显示波形，数字读出以及坐标格。 ③ 外时钟输入： 滚动方式： DC~1 kHz； 记录方式： DC~100 kHz。 ④ 可连接的接口：GPIB、IEEE-488.1、RS-232C。7.6 示波器的应用7.6 示波器的应用 7.6.1 示波器的选用 1. 示波器的选择 1） 根据被测信号的特性来选择 (1) 定性观察频率不高的一般周期性信号，可选用普通示波器或简易示波器。 (2) 观察非周期信号、宽度很小的脉冲信号，应选用具有触发扫描或单次扫描的宽带示波器。 (3) 观察快速变化的非周期性信号，应选用高速示波器。  null (4) 观察频率很高的周期性信号，可以选用取样示波器。 (5) 观察低频缓慢变化的信号，可选用长余辉、慢扫描示波器。 (6) 需要对两个信号进行比较时，应选用双踪示波器； 需要对两个以上信号比较时，则选用多踪示波器或多束示波器。 (7) 若被测信号为一次性过程或复杂波形，需将被测信号存储起来，以便进一步分析、研究，可选用存储示波器。null 2） 根据示波器的性能来选择 (1) 频带宽度和上升时间。 如果示波器的频带宽度不够，则输入信号中的高频分量将被极大地衰减。如将一个50 MHz的方波加至一个频宽150 MHz的数字示波器上，将得到如图7.25（a）所示的波形； 若加至一个频宽500 MHz的数字示波器上，得到的波形将如图7.25（b）所示。 null 图7.25 50 MHz方波在不同频宽示波器上显示的波形 (a) 频宽150 MHz; （b） 频宽500 MHznull (2) 垂直偏转灵敏度。 (3) 输入阻抗。 (4) 扫描速度。 2. 示波器的使用要点 示波器在使用时应注意以下几点：  (1） 选择合适的电源，并注意机壳接地。使用前要预热几分钟再调整各旋钮。 (2） 经过探极衰减后的输入信号切不可超过示波器允许的输入电压范围，并应注意防止触电。 null （3） 根据需要，选择合适的输入耦合方式。 （4） 辉度要适中，不宜过亮，且亮点不能长时间停留在同一点上，特别是暂时不观测波形时，更应该将辉度调暗，以免缩短示波管的使用寿命。 （5） 聚焦要合适，不宜太散或过细。 （6）测量前要注意调节“轴线校正（TRACE ROTATION”）旋钮，使荧光屏刻度轴线与显示波形的轴线平行。 （7） 尽量在荧光屏有效尺寸内进行测量。 （8） 探极要与示波器配套使用，不能互换，且使用前要校正。 null （9） 波形不稳定时，通常按“触发源”、“触发耦合方式”、“触发方式”、“扫描速度”、“触发电平”的顺序进行调节。 7.6.2 示波器测量应用 1. 直流电压的测量 测量步骤如下：  （1） 置“扫描方式”开关于“AUTO”位置，选择扫描速度，以使扫描不发生闪烁现象。 （2） 视所测电压的大小，置“V/div”到适当位置，将“微调”调至“CAL”位置。 （3） 置“交流-地-直流”开关于“GND”位置。此时的扫描垂直位置即为零伏基准线。null （4） 将被测电压加至输入端后，将“交流-地-直流”开关置于“DC”位置，此时所显示的直线位置即为所测电压值。若直线位于零伏基准线之上，则所测电压为正； 若直线位于零伏基准线之下，则所测电压为负。 （5） 若所测电压超出显示范围，应增大“V/div”； 若所测电压数值过小，应减小“V/div”后重新测量，由此可得图7.26所示的直流电压为2.8 V（图中V/div=1 V/div）。null 图7.26 直流电压的测量 (a） “交流-地-直流”开关置 GND； (b） “交流-地-直流” 开关置DCnull 2. 交流电压的测量 测量步骤如下：  （1） 置“交流-地-直流”开关于“GND”位置。调节垂直“位移”旋钮，使该扫描线准确地落在水平刻度线上。 （2） 视被测电压的大小，置“V/div”到适当位置，将“微调”调至“CAL”位置。 （3） 将被测电压加至输入端后，将“交流-地-直流”开关置于“AC”位置，此时所显示的波形即为所测交流电压，如图7.27所示。 （4） 在图7.27中，“V/div”的位置为50 mV/div，波形的峰值与谷值之间为3.6个格，由此可算出所测交流电压的峰-峰值为180 mV。null图7.27 交流电压的测量null 3. 时间、周期与频率的测量 1） 周期的测量 2） 时间间隔的测量  3） 频率的测量 (1) 测周期法。 (2) 李沙育图形法。 当李沙育图形稳定后，设荧光屏X轴方向与图形的切线交点数为Nx，Y轴方向与图形的切线交点数为Ny，则已知频率fx与待测频率fy有如下关系：  null （7-11） 即 图7.28所示的李沙育图形及式（7-12）即可测出被测信号的频率。 （7-12） null图7.28 几种常用的李沙育图形null 4. 相位的测量 1） 双踪示波器测时间间隔法 利用双踪示波器按前述的方法测出两路信号的周期T和其时间间隔Δt，利用下式即可求出其相位差：   （7-13） 在图7.29中，u1与u2的周期为5格， u1与u2之间的相位差为1.65格，由此可得，u2超前u1为1.65/5×2π≈2π/3，即u2超前u1的相位角为120°。null图7.29 u1与u2的相位差测量null 2） 李沙育图形法 测量原理同李沙育图形测频法。测量时，u1接示波器X轴输入， u2接Y轴输入， u1与u2相位不同，荧光屏上就会出现不同的图形。在图7.30中，u1与u2滞后φ角，李沙育图形为一斜椭圆，其中，a表示t1（u2过零）时刻u1的幅值，b表示在t2时刻u1的峰值，则 a=bsinφ （7-14） 可求得 （7-15）null图7.30 用李沙育图形法测量相位差null 5. 调幅系数的测量 1) 直线扫描法 直线扫描法测量调幅系数时，将被测信号加到示波器Y轴输入端，调整示波器有关的开关旋钮，得到如图7.31所示的调幅波波形，测出A、B的长度，代入下式计算得出调幅系数：   （7-16）null图7.31 直线扫描法测量调幅系数null 2） 梯形图法 梯形图法测量调幅系数时，示波器工作于X-Y方式，将调幅波、调制信号分别加至示波器X、Y轴输入端，在荧光屏上显示出图7.32所示的梯形图，测出A、B的长度，利用式（7-16）计算即可。 null图7.32 梯形法测量调幅系数null 6. 脉冲测量 在脉冲和数字电路中，实际的脉冲（或方波）可能存在各种不完美的情况，如图7.33所示。null图7.33 脉冲的不完美情况null 7. 频率响应的测量 如图7.34所示，示波器以X-Y方式工作，扫频信号发生器输出的扫频正弦波连接到被测电路的输入端，被测电路的输出端被接到示波器的垂直信道。 用这种方法可将电路的全部频率响应迅速地显示在示波器上，如图7.35所示。 null图7.34 示波器扫频法测频率响应null图7.35 示波器扫频法显示的频率响应null 8. 数字存储示波器的应用 1）Δt和ΔU的测量 数字存储示波器可测量信号波形任一局部的时间和电压，即Δt和ΔU。如前所述，利用通用示波器也可测量Δt和ΔU。  2） 捕捉尖峰干扰 在数字存储示波器中设置了峰值检测模式。  3） 对机电信号进行测试 数字存储示波器只要配上适当的传感器，就能测量振动、加速度、角度、位移、功率以及压力等机电参数。 思考题7思考题7 1. 示波管主要由哪几部分组成？各部分的作用是什么？ 2. 如果被测正弦信号的周期为T，扫描锯齿波的正程时间为T/2，回程时间可以忽略，被测信号加在Y输入端，扫描信号加在X输入端，试用作图法说明信号的显示过程。 3. 试比较触发扫描和连续扫描的特点。 4. 通用示波器主要由哪几部分组成？ 各部分的作用是什么？  null 5. 对示波器探极有什么要求？ 为什么要进行探极校准？如何进行校准？ 6. 示波器触发方式有哪些？ 各自的作用是什么 7. 内触发信号可以在延迟线后引出吗？ 为什么？ 8. 试说明触发电平和触发极性调节的意义。 null 9. 在通用示波器中调节下列开关、旋钮的作用是什么？ （1） 辉度；（2）聚焦和辅助聚焦；（3）X轴移位；（4） 触发方式；（5）Y轴移位；（6）触发电平；（7） 触发极性；（8） 偏转灵敏度粗调（V/div）；（9） 偏转灵敏度细调；（10） 扫描速度粗调（t/div）； （11） 扫描速度微调。 10. 示波器观测正弦波时得到如图7.36所示的波形，已知信号连接正确、示波器工作正常，试分析产生的原因，并说明如何调节有关的开关旋钮，才能正常地显示波形。null图7.36 题10波形图null 11. 一示波器荧光屏的水平长度为10 cm，要求显示10 MHz的正弦信号两个周期，问示波器的扫描速度应为多少？ 12. 双踪显示方式有哪几种？ 交替显示和断续显示各适用于测试哪种信号？ 为什么？ 13. 通用示波器可以测量哪些参数？ 示波器测量电压和频率时产生误差的主要原因是什么？ 14. 什么是实时取样？ 什么是非实时取样？ 采用非实时取样示波器能否观察非周期性重复信号？ 能否观察单次信号？ 为什么？ 15. 数字存储示波器与模拟示波器相比有何特点？null 16. 有一正弦信号，使用垂直偏转因数为10 mV/div的示波器进行测量，测量时信号经过10∶1的衰减探头加到示波器，测得荧光屏上波形的高度为7.07 div，问该信号的峰值、有效值各为多少？ 17. 根据李沙育图形法测量相位的原理，试用作图法画出相位差为0°和180°时的图形，并说明图形为什么是一条直线。 18. 已知示波器最大时间因数为0.5 s/div，荧光屏水平方向有效尺寸为10 div，如果要观察两个周期的波形，问示波器最低工作频率是多少？（不考虑扫描逆程、扫描等待时间）  19. 一方波波形显示如图7.37所示，试判断示波器触发电平和触发极性各是怎样的。 null图7.37 题19波形图null 20. 双踪示波器测量相位差，显示波形如图7.38所示，测得AB=1 cm，AC=10 cm，试求两个波形的相位差。 null图7.38 题20波形图null 21. 已知示波器时间因数为 0.1 ms/div，偏转因数为0.2 V/div，探极衰减系数为10∶1，显示波形如图7.39所示，试求被测正弦波的有效值、周期和频率。 null图7.39 题21波形图null 22. 已知被测脉冲上升时间约为6 μs，试估算所选用示波器的频带宽度应至少为多少？（忽略示波器上升时间对测量结果产生的影响）   23. 如何用示波器扫频法测量电路的频率响应？