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第3章電子測量顯示技術

本章內容：3.1示波器的功能、分類和發展

3.2信號的波形顯示3.3信號分析和頻域測量顯示技術顯示技術分為:

時域顯示：示波器頻域顯示：頻譜分析儀

教學要求：

掌握示波器和頻譜分析儀的工作原理；掌握常見示波器和頻譜分析儀的使用方法

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3.1示波器的功能、分類和發展1.示波器的分類

根據示波器對信號的處理方式的不同可分為模擬、數字兩大類：模擬示波器：采用模擬方式對時間信號進行處理和顯示。可分為通用示波器、多束示波器、取樣示波器、記憶示波器和專用示波器等通用示波器采用單束示波管，分為單蹤、雙蹤、多蹤示波器。多束示波器采用多束示波管，熒光屏上顯示的每個波形都由單獨的電子束掃描產生。取樣示波器可以用較低頻率的示波器測量高頻信號。記憶示波器采用有記憶功能的示波管，實現模擬信號的存儲、記憶和反復顯示。專用示波器是能夠滿足特殊用途的示波器，又稱特種示波器。如：心電示波器、矢量示波器數字示波器（數字存儲示波器）

對信號進行數字化處理后再顯示。分為實時、隨機、順序三種取樣方式。具有存儲、單次顯示、非周期顯示，高檔的具有FFT功能、通信等；

100MHz以上的示波器一般為數字示波器。第3頁

2.示波器的主要技術指標

1）頻帶寬度BW和上升時間tr

BW：Y通道輸入信號的的頻帶寬度。BW=fH-fL,一般fL＝0上升時間tr：輸入理想階躍信號時，示波上升沿從10%到90％所需時間，反映了示波器Y通道跟隨輸入信號快速變化的能力。頻帶寬度BW與上升時間tr的關系可近似表示為：2）掃描速度：是指熒光屏上單位時間內光點水平移動的距離，單位為“cm/s”熒光屏上通常用間隔1cm的坐標線作為刻度線，因此掃描速度的單位也可表示為“div/s”。掃描速度的倒數稱為“時基因數”，它表示單位距離代表的時間，單位為“t/cm”或“t/div”，時間t可為μs、ms或s，在示波器的面板上，通常按“1、2、5”的順序分成很多檔。3.示波器的發展

(1)20世紀30～50年代是模擬示波器的誕生和實用化階段。1958年時模擬示波器的最高帶寬達到100MHz。電子管的時代，個頭大（2）20世紀60年代是示波器技術水平不斷提高的階段。如模擬示波器帶寬從100MHz、150MHz到300MHz，取樣示波器的帶寬則達到了18GHz。（3）20世紀70年代開始模擬示波器的技術指標大幅度提高以及數字示波器誕生和發展階段。模擬示波器的帶寬由1971年的500MHz到1979年的1GHz，創造了模擬示波器的帶寬高峰。晶體管及集成電路時代

（4）目前數字存儲示波器是示波器發展的主要方向數字存儲示波器的技術指標都優于模擬示波器，尤其在帶寬上，數字存儲示波器正在逐步取代模擬示波器。第6頁

3.1.1CRT顯示技術

1.示波管的基本結構

CRT主要由電子槍、偏轉系統和熒光屏三部分組成。電子槍FKG1G2A1A2Y偏轉X偏轉偏轉系統熒光屏熒光屏－E＋E灰度聚焦輔助聚焦第9頁

（2）Y偏轉板加正弦波信號電壓，X偏轉板加鋸齒波電壓，熒光屏上將顯示出被測信號隨時間變化的一個周期的波形曲線。1）顯示隨時間變化的圖形（續）

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2）掃描的概念

如果在X偏轉板上加一個隨時間線形變化的電壓，垂直偏轉板不加電壓，那么光點在水平方向的偏移距離為，比例系數Sx稱為示波管的X軸偏轉靈敏度(cm/V)，hx為光點移動速度(cm/s)，水平亮線“時間基線”

光點在鋸齒波作用下掃動的過程稱為“掃描”，能實現掃描的鋸齒波電壓稱為掃描電壓，光點自左向右的連續掃動稱為“掃描正程”，自熒光屏的右端迅速返回左端起掃點的過程稱為“掃描逆程”。3）同步的概念如果掃描電壓周期Tx與被測電壓周期Ty保持Tx=nTy的關系，則稱掃描電壓與被測電壓“同步”。此時，熒光屏上將穩定顯示n個周期的被測信號波形。Tx≠nTy(n為正整數)，即不滿足同步關系時，顯示的波形不穩定。

2.波形顯示的基本原理

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4）連續掃描和觸發掃描

TyTyTyTx被測信號為脈沖，占空比低左上圖，掃描周期等于Ty，脈沖窄，不易觀察右上圖，掃描周期為脈沖寬度τ，脈沖被展寬，但有很多次“掃空”，脈沖部分不亮左圖，有脈沖時掃描，無脈沖時停掃，脈沖被展寬同時有亮。2.波形顯示的基本原理

3.1.2LCD顯示技術液晶顯示器，簡稱LCD(LiquidCrystalDisplay)液晶：特殊的物質，它完全介于固態、液態與氣態之外同時具備了晶體與液態的兩種性給液晶充電會改變它的分子排列，繼而造成光線的扭曲或折射液晶顯示：被動顯示在電子顯微鏡下液晶分子的形態20世紀70年代初，TN(TwistedNematic)-LCD(扭曲向列)顯示器。單色顯示，電子表、計算器等領域20世紀80年代：STN(SuperTwistedNematic)-LCD(超扭曲向列)；TFT-LCD(薄膜晶體管)技術20世紀80年代末90年代初，LCD工業開始高速發展。3.1.2LCD顯示技術3.1.3顯示技術的展望1.CRT自身更新，仍居霸主長遠：CRT將被平板型顯示器，特別是液晶顯示器所代替目前：技術成熟、模擬驅動的優勢、不斷改新，仍有市場2.平板顯示（1）液晶顯示器件異軍突起

（2）電致發光顯示東山再起

（3）發光二極管顯示長壽命、可靠性高

（4）等離子顯示不可低估

（5）熒光顯示器件顯示優美、豪華

3.大屏幕顯示穩步發展投影大屏幕、巨型平板顯示、電視墻3.2.1模擬示波器的組成及原理1.通用示波器的組成Y輸入電路Y前置放大器觸發電路延遲線Y后置放大器水平放大器掃描發生器Y輸入外觸發內外至X偏轉板至Y偏轉板校準信號發生器低壓電源高壓電源電源至各電路正高壓負高壓X輸入校準信號輸出Y輸入內外觸發外電源輸出X輸入6部分：垂直系統、水平系統、Z軸系統（正程增輝、逆程消隱）、示波管及電源、校準信號或者：電路部分＋示波管第18頁

最佳補償最佳補償：過補償

：欠補償：

vivoR1R2C1C2過補償欠補償Z1Z2R1R2C1C2欠過1）垂直系統1.通用示波器的組成（1）輸入電路衰減：適應不同量程輸入耦合方式：

有AC、GND、DC三檔選擇開關。觀察交流信號時，“AC”檔，確定零電壓時，“GND”檔。觀測頻率很低的信號或帶有直流分量的交流信號時，置“DC”檔。（2）前置放大器：

將信號適當放大，從中取出內觸發信號，并具有靈敏度微調、校正、Y軸移位、極性反轉等控制作用。“Y軸位移”通過調節直流電位來完成。1）垂直系統（1）輸入電路第21頁

2）水平系統

水平通道包括觸發電路、掃描電路和水平放大器等部分。其主要任務是產生隨時間線性變化的掃描電壓，再放大到足夠的幅度，然后輸出到水平偏轉板，使光點在熒光屏的水平方向達到滿偏轉。3.2.1模擬示波器的組成及原理

1.通用示波器的組成（1）觸發電路

觸發電路的作用是為掃描信號發生器提供符合要求的觸發脈沖。包括觸發源選擇、觸發耦合方式選擇、觸發方式選擇、觸發極性選擇、觸發電平選擇和觸發放大整形等電路。

至掃描發生器環電源觸發方式選擇觸發脈沖輸出觸發電平調節放大、整形電路內外C1C2C3ACAC低頻抑制HFREJDC常態自動TV調節觸發脈沖輸出S1S2S4+-S3極性反轉電路觸發源選擇觸發極性選擇觸發源選擇內外電源DCACAC低頻抑制高頻耦合觸發耦合方式選擇極性選擇觸發方式選擇常態自動電視觸發源選擇：內觸發、外觸發、電源觸發觸發耦合方式：DC耦合（直流耦合）、AC耦合（交流耦合）、AC低頻抑制（抑制2K以下的信號，如50Hz）、AC高

頻抑制耦合（觀測5MHz以上信號）掃描觸發方式選擇：常態方式（有觸發信號源才能觸發）、自動（常用，沒有觸發信號也產生鋸齒波信號）、電視觸發方式（用于電視觸發功能，插入同步分離2）水平系統觸發極性選擇和觸發電平：

觸發極性選擇，觸發點位于觸發源上升沿或下降沿；觸發電平，觸發的臨界值。放大整形電路：

對觸發信號放大、整形，成矩形波，經微分整形，成觸發脈沖。觸發電平為正，上升沿觸發觸發電平為正，下降沿觸發觸發電平為負，下降沿觸發觸發電平為負，上升沿觸發閘門電路：產生門控信號

連續掃描：沒有觸發脈沖信號，閘門電路仍有門控信號輸出。

觸發掃描：只有在觸發脈沖作用下才產生門控信號。

（2）掃描發生器環

2）水平系統釋抑電路：

起到了穩定掃描鋸齒波的形成、防止干擾和誤觸發的作用，確保每次掃描都在觸發源信號的同樣的起始電平上開始以獲得穩定的圖象。2）水平系統（2）掃描發生器環

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（3）水平放大器

其基本作用是選擇X軸信號，并將其放大到足以使光點在水平方向達到滿偏的程度。

X放大器的輸入端置于“內”時，X放大器放大掃描信號；置于“外”時，水平放大器放大由面板上X輸入端直接輸入的信號。

3）通用示波器的其他電路高、低壓電源

分別用于示波器的高、中壓和直流供電。Z軸的增輝與調輝增輝：將閘門信號放大，使顯示的波形正程加亮。調輝：加外調制信號或時標信號，使屏幕顯示的波形發生相應地變化。校準信號發生器

可產生幅度和頻率準確的基準方波信號，為儀器本身提供校準信號源。2）水平系統第29頁

2）多蹤示波（續)

(4)交替方式（ALT）：適合于觀察高頻信號。

(5)斷續方式（CHOP）：適用于被測信號頻率較低的情況。

第一個掃描周期顯示Y1通道，第二個掃描周期顯示Y2通道，因為余輝效應，顯出兩個完整的波形。通過電平調整，可將兩個波形拉開觀察。在一個掃描周期內對兩個信號通斷，顯示出的各個波形是斷續的。2.示波器的多波形顯示

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1.概述

1)取樣的基本概念

取樣就是從被測波形上取得樣點的過程。分為實時取樣和非實時取樣兩種。實時取樣：從一個信號波形中取得所有取樣點，來表示一個信號波形的方法。非實時取樣：從被測信號的許多相鄰波形上取得樣點的方法，或稱為等效取樣。

3.2.2波形取樣技術及取樣示波器第31頁

2)取樣原理采樣保持器：

兩個取樣脈沖的時間間隔為：

由于波形包絡所經歷的時間變長了，可用低頻示波器顯示較高頻率的信號。步進間隔Δt與信號最高頻率fh應滿足取樣定理：非實時采樣只適用于周期性信號。3)顯示原理順序進行的取樣稱為順序取樣；否則稱為隨機取樣。順序取樣示波器中的水平掃描信號為階梯波電壓，階梯持續時間，階梯數對應屏幕上顯示的不連續的光點數。第32頁

2.取樣示波器的組成及工作原理(了解)

1)取樣示波器的基本框圖

延遲線取樣電路觸發電路Y延長門垂直放大器水平放大器步進脈沖發生器Y輸入外觸發內外掃描信號發生器至X偏轉板偏轉板Y輸入內外外觸發組成：示波管、X通道、Y通道與普通示波器相比，增加了取樣電路和步進脈沖發生器，延遲線放在輸入端。

3.2.2波形取樣技術及取樣示波器2.取樣示波器的組成及工作原理(了解)

2)取樣示波器的垂直通道

垂直通道由延遲線、取樣電路、延長門和Y放大器等電路組成，最關鍵的電路是取樣電路，它產生正比于取樣值的階梯電壓。下圖為常用的閉環取樣電路組成A反饋電路CsCmui(t)S1取樣門取樣脈沖延長門脈沖S2延長門+-至Y放大器uo(t)b跟隨器交流放大器取樣門輸入取樣脈沖延長門延長門脈沖至Y放大器第一個取樣脈沖到來時，取樣門閉合，輸入的被測信號對取樣電容Cs充電；然后該電壓被送到交流放大器A放大，在延長門閉合期間對保持電容Cm充電；最后保持電壓經過反饋電路送回取樣電容Cs，故取樣電容Cs上最終得到的電壓為取樣值。當取樣門、延長門打開，電容上的電壓仍保持剛才取樣的值第二個取樣脈沖到來時，仍經歷取樣過程，輸出為此時取樣值，當脈沖過后，取樣門、延長門打開，電容上的電壓仍保持第二次取樣的值3)取樣示波器的水平通道

X通道主要包括觸發、放大、分頻單元、快斜波發生器、比較器、階梯波發生器和X放大器。下圖為階梯波發生器框圖：快斜波發生器水平放大器電壓比較器觸發脈沖階梯波發生器取樣脈沖發生器泵發生器至取樣門至X偏轉板觸發脈沖步進延遲脈沖取樣脈沖至取樣門圖示波形說明了步進脈沖發生器的工作過程2.取樣示波器的組成及工作原理(了解)

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4)取樣示波器的主要參數

（1）取樣示波器的帶寬：要提高取樣示波器的帶寬，取樣門用元件的高頻特性要足夠好；其次取樣脈沖本身要足夠窄。取樣脈沖通常有兩種形式：規則脈沖和尖三角脈沖。取樣門的最高工作頻率為 （τ為取樣脈沖底寬），即與取樣脈沖底邊的寬度成反比。（2）取樣密度

指電路掃描時，在示波器屏幕X軸上顯示的被測信號每格所對應的取樣點數，常用每厘米的光點數來表示。屏幕上的光點總數為

Us為X方向最大偏轉電壓；Δus為階梯波每級上升的電壓）。使ΔUs變小，可使總點數增加，即取樣密度變大；但取樣點過多可能導致波形閃爍。

（3）等效掃速：被測信號經歷時間與水平方向展寬的距離比。在取樣示波器中，雖然在屏幕上顯示n個亮點需要n（mT+Δt）的時間，但它等效于被測信號經過了nΔt的時間。Us為X方向最大偏轉電壓；N為X軸偏轉格數；為快斜波的斜率。

2.取樣示波器的組成及工作原理(了解)

1.記憶示波器

模擬記憶示波器是利用記憶示波管的波形記憶（存儲）特性實現波形較長時間的存儲，其核心是記憶示波管：

KGA1A2G11G12G21G22K1K2收集極存儲介質存儲柵網熒光屏YX寫入電子槍偏轉系統讀出電子槍記憶與顯示記錄系統泛射系統KGA1A2寫入電子槍偏轉系統記錄系統Y

XK1K2G11G12G21G22讀出電子槍記憶與顯示泛射系統收集極存儲介質存儲柵網熒光屏示波管內有兩種電子槍，一種稱為寫入槍，另一種稱為讀出槍。在記錄波形之前，首先對存儲柵網進行清除，清除網上的電子。寫入槍發射電子束，實現了存儲功能讀出時，在那些被記錄槍電子束掃描過的區域，讀出槍發出的泛射電子可以通過柵網而到達熒光屏，從而顯示波形。3.2.3波形存儲及顯示技術2.數字存儲示波器

1)數字存儲示波器的組成原理

外觸發衰減器放大器觸發電路A/D轉換器延遲線存儲器（RAM）D/A轉換器地址計數器D/A轉換器垂直放大器水平放大器掃描發生器邏輯控制電路（微處理器）輸入內外實時存儲實時實時存儲存儲至X偏轉板至Y偏轉板輸入內外實時存儲實時實時存儲存儲當處于存儲工作模式時，其工作過程一般分為存儲和顯示兩個階段。在存儲工作階段，將模擬信號轉換成數字化信號，在邏輯控制電路的控制下依次寫入到RAM中。在顯示工作階段，將數字信號從存儲器中讀出轉換成模擬信號，經垂直放大器放大加到CRT的Y偏轉板。同時，CPU的讀地址計數脈沖加至D/A轉換器，得到一個階梯波掃描電壓，驅動CRT的X偏轉板。分為兩種工作方式實時：同模擬示波器存儲：存儲、顯示2.數字存儲示波器2)數字存儲式波器的工作方式(了解內容，通過實驗強化)

（1）數字存儲器的功能隨機存儲器RAM包括信號數據存儲器、參考波形存儲器、測量數據存儲器和顯示緩沖存儲器四種。（2）觸發工作方式

1）常態觸發—同模擬示波器基本一樣。

2）預置觸發—可觀測觸發點前后不同段落上的波形。（3）測量與計算工作方式 數字存儲示波器對波形參數的測量分為自動測量和手動測量兩種。一般參數的測量為自動測量，特殊值的測量使用手動光標進行測量。（4）面板按鍵操作方式 數字存儲示波器的面板按鍵分為立即執行鍵和菜單鍵兩種。

2.數字存儲示波器(了解內容，通過實驗強化)

3)數字存儲示波器的顯示方式

（1）存儲顯示：適于一般信號的觀測。（2）抹跡顯示：適于觀測一長串波形中在一定條件下才會發生的瞬態信號。（3）卷動顯示：適于觀測緩變信號中隨機出現的突發信號。（4）放大顯示：適于觀測信號波形細節。

（5）X—Y顯示（如李撒育圖形）（6）顯示的內插：在相鄰點之間插入新點插入技術可以解決點顯示中視覺錯誤的問題。主要有線性插入和曲線插入兩種方式。

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2.數字存儲示波器(了解內容，通過實驗強化)

4)數字存儲示波器的特點（1）波形的采樣/存儲與波形的顯示是獨立的因而可以無閃爍地觀測極慢變化信號；對于觀測極快信號來說，數字存儲示波器可采用低速顯示。（2）能長時間地保存信號便于觀察單次出現的瞬變信號。（3）先進的觸發功能不僅能顯示觸發后的信號，而且能顯示觸發前的信號。（4）測量準確度高采用了晶振和高分辨率A/D轉換器（5）很強的數據處理能力內含微處理器，能自動實現多種波形參數的測量與顯示；還具有自檢與自校等多種自動操作功能。（6）外部數據通信接口可以很方便地將存儲的數據送到計算機或其他的外部設備，進行更復雜的數據運算和分析處理。2.數字存儲示波器5)數字存儲示波器的主要技術指標

（1）最高取樣速率指單位時間內取樣的次數，用每秒鐘完成的A/D轉換的最高次數來衡量。實時取樣速率 （N為每格的取樣數；

t/div為掃描一格所用的時間即掃描時間因數）。（2）存儲帶寬(B)

與取樣速率密切相關。B＝fs/N，理論上N＝2即可，一般N＝4－10（3）分辨率包括垂直分辨率（電壓分辨率）和水平分辨率（時間分辨率）。垂直分辨率與A/D轉換器的分辨率相對應，常以屏幕每格的分級數(級／div)或百分數來表示。如：8位AD，垂直顯示8格，則為32級／div或0.39%

水平分辨率由存儲器的容量決定，常以屏幕每格含多少個取樣點或用百分數來表示。如RAM為1K，水平方向10格，則為：100點／div或0.1%（4）存儲容量由采集存儲器（主存儲器）的最大存儲容量來表示。(5）讀出速度讀出速度是指將數據從存儲器中讀出的速度，常用(時間)/div來表示。2.數字存儲示波器(了解內容)

6)數字存儲示波器的主要部件及要求

（1）高速A/D轉換器

并行比較式ADC采用直接比較原理，速度快，有閃爍式A/D（FlashA/D）之稱。但電路復雜，如8位AD轉換需要255個比較器（解釋編碼器原理）

并串式ADC

+VMSBLSBb7b6b5b4b3b2b1b0(MSB)(LSB)+-+-+-編碼邏輯電路輸出寄存器ViRRRr-Vr采樣時鐘比較器nn-11nn-11uib0b7+Ur-UrS/H4位并行A/D4位并行A/D4位D/A-+減法放大器ViV1ui相減，放大16倍b4-b7b0-b3高4位AD，其結果經DA后與輸入相減，且放大16倍，再與進行一次4位AD，轉換結果的結果權值低16倍，作為低4位結果。共需30個比較器2.數字存儲示波器(了解內容)

6)數字存儲示波器的主要部件及要求（續）

（2）存儲器

可將高速采集的數據分路變為低速數據進行存儲以降低對存儲速度的要求。（3）控制系統單處理器系統：僅有一個CPU，加上在CPLD或FPGA等數字邏輯的管理下進行工作的高速時鐘電路。多處理器系統：由多個CPU完成數據采集、數據處理、顯示、人機控制等功能

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3.2.3示波器的正確使用1.示波器的選用

（1）根據要顯示的信號數量，選擇單蹤或雙蹤示波器。（2）根據被測信號的頻率特點選擇。（3）根據被測信號的重現方式選擇。（4）根據被測信號是否含有交直流成分選擇。（5）根據被測信號的測試重點選擇。2.示波器使用注意事項（1）檢查電源電壓（2）通電預熱后再調整各旋鈕，同時注意各旋鈕應先大致旋在中間位置。（3）亮度不宜開得過高，且亮點不宜長期停留在固定位置，不觀測波形時，應該將輝度調暗。（4）輸入信號電壓的幅度應控制在示波器的最大允許輸入電壓范圍內。第45頁

3.通用示波器的主要技術性能

（1）Y軸通道：包括偏轉靈敏度、頻帶寬度、輸入阻抗、最大輸入電壓、工作方式及Y通道延遲時間等。（2）X軸通道：包括時基因數、工作方式、觸發方式、耦合方式及外觸發最大輸入電壓等。（3）主機：包括顯示尺寸、后加速陽極電壓、校準信號等。3.2.3示波器的正確使用第46頁

4．通用示波器的面板示意圖

（1）CH1（X）通道1：垂直輸入端。（2）CH2（Y）通道2：垂直輸入端。（3）VOLTS/DIV輸入衰減器。（4）VERTMODE：垂直方式選擇開關。（5）SOURCE觸發源選擇開關。（6）COUPLING觸發信號耦合方式開關。（7）TIME/DIV掃描時間選擇開關。（8）SWEEPMODE掃描方式選擇開關。（9）EXTTRIG和EXTHOR外觸發和外水平共用輸入端。（10）LEVELHOLDOFF觸發電平和釋抑時間雙重控制旋鈕。（11）X-Y方式。3.2.3示波器的正確使用5．探頭的正確使用

常見探頭為低電容高電阻探頭：探頭和示波器是配套使用的，不能互換，否則將會導致分壓比誤差增加或高頻補償不當。低電容高電阻探頭的校正方法是以良好的方波電壓通過探頭加到示波器，微調電容C以達到出現良好的方波。3.2.3示波器的正確使用第48頁

3.2.4示波器測量1．直流電壓的測量

（1）測量原理利用被測電壓在屏幕上呈現的直線偏離時間基線（零電平線）的高度與被測電壓的大小成正比的關系進行的。

VDC為被測直流電壓值，h為被測直流信號線的電壓偏離零電平線的高度；Dy為示波器的垂直靈敏度，k為探頭衰減系數。（2）測量方法1）將示波器的垂直偏轉靈敏度微調旋鈕置于校準位置（CAL）。2）將待測信號送至示波器的垂直輸入端。3）確定零電平線。4）將示波器的輸入耦合開關撥向“DC”檔，確定直流電壓的極性。5）讀出被測直流電壓偏離零電