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示波器的基本工作原理
随着科学技术的发展,出现了各类电子示波器和示波测量仪器,如数字示波器、存贮示波器、取样示波器、扫频仪、晶体管图示仪等,但其基本组成都包括垂直通道、水平通道和波形显示三部分,如实图8-1所示。
8-1通用示波器的主要组成框图
(一)垂直通道
电子示波器中通常将被测信号加在垂直通道上,因此要求垂直通道不引起信号的失真。为增加示波器的功能和使用灵活性,垂直通道通常包括输入衰减器、前置放大器、延迟线、输出放大器及转换开关等部分。实图8-2为通用双踪示波器的垂直通道方框图。
1.输入电路
示波器的输入电路具有较高的输入阻抗,能调节输入信号大小,具有AC和DC耦合方式。输入电路通常包括探极和输入衰减器。
8-2垂直通道方框图
探极安装在示波器机体外部,用电缆和机体相联,其作用是便于直接探测被测信号,提高示波器的输入阻抗,减少波形失真,展宽示波器的使用频带等。最常用的探极为一无源RC电路。
8-3 RC补偿探极
衰减电路,如实图8-3所示。图中R2和C2(包括连接电缆的等效电路)为示波器的输入阻抗,R2通常为1 ,R1为探头内的串联电阻通常为9,C1为探头的分布电容和微调补偿电容,以上电阻、电容组成一个具有高频补偿的RC型分压器。当 时,分压器的分压比为 ,而且与频率无关,当R1=9,R2=1 ,分压比则为1:10,从探针看进去的输入电阻R=R1+R2=10,而输入电容, 。因此探头输入电容大大减小,输入阻抗提高十倍,探头具有10倍的衰减。
在测试一个方波信号时调整探头补偿电容C1过大,使 ,示波器显示波形将出现过补偿,当C1过小使 ,将出现补偿,只有正确调整微调电容C1使时,示波器才能得到良好的方波。如实图8-4所示。因此示波器和探头应配套使用,测试前用示波器的校正方波信号,先调整好探头补偿电容C1。
示波器的输入衰减器也是由一系列RC分压器组成,改变分压器的分压比即可改变示波的偏转灵敏度,即通过示波器Y轴灵敏度粗调开关调整,在面板上为偏转因数开关或灵敏度开关,通常用V/cm或V/div标记。例如GOS622B型示波器的输入灵敏度范围为5mv/div~5v/div,按1-2-5进制共10个档级。VP—5220A型示波器灵敏度范围为1mv/div~2v/div,按1-2-5进制共11个档级。
(a)正确补偿 (b)过补偿 (c)欠补偿
实图8-4 不同补偿的波形
2.延迟线
示波器在采用内同步方式工作时,只有当被观察的信号到来时触发扫描发生器才工作,因此扫描起始时间总是滞后于被观测脉冲一段时间,使脉冲的上升过程无法完整地被显示出来。延迟线的作用就是使被测量信号在通过垂直通道时延迟一段时间,使在示波屏上可以扫出脉冲的全过程。延迟电路有集总参数型和分布参数型。
3.Y放大器
Y放大器使示波器具有观测微弱信号的能力。通常Y放大器分为前置放大器和输出放大器两部分。前置放大器应有较高的输入阻抗、稳定的增益和足够的频带宽度,可以通过改变负反馈深度的方法调节放大器的增益,当示波器用于定量测量时,要固定放大器的增益,一定要将灵敏度微调电位器旋转到“校正”位置。
Y放大器的输出级通常采用差分放大器,使示波管的偏转板上获得对称和足够大的偏转信号。同时通过调节放大器的直流电压来改变Y方向的位置,即调面板上垂直位移旋钮。
4.频带宽度和上升时间
为了满足对信号观测的需要,首先要考虑示波器有足够的频带宽度,特别是对脉冲信号观察时,要保证信号的高频成分基本不衰减。通常示波器的带宽应为被测信号中最高频率的三倍左右。
信号所显示的上升时间也与通带宽度有关。若示波器的高端频率为fk ,则输入阶跃信号时显示的波形上升时间 tR为:
其中 fk单位为MHz,tR的单位为u s。
利用以上公式可估算带宽为100MHz的示波器,其系统的上升时间为3.5ns。
若被观测信号的实际上升时间为tr ,示波器显示出的信号上升时间为tr’ ,则可按下式求得被测信号实际上升时间 tr:
若trtR,则示波器的影响可忽略不计。
(二)水平通道
示波器的水平通道主要由扫描发生器环、触发电路和X放大器组成。
1.扫描发生器环
扫描发生器又称为时基电路,用来产生扫描信号,通常由积分器、扫描门及比较释抑电路组成。如实图8-5所示。
实图8-5 扫描发生器环的组成
扫描发生器环使输出锯齿波信号每一次都在同一起始电平开始,不论在触发扫描还是连续扫描下都保证产生稳定的等幅扫描信号,并与被测信号同步。
2.触发电路
触发电路的作用是提供一个适当的脉冲去启动扫描。其在面板上对应的功能键有:
(1)触发源选择
触发源包括触发信号来自Y信道的“内触发”,来自外部输入的“外
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