基于LABVIEW的虚拟示波器设计

第2章 虚拟示波器的原理

2．1 示波器的基本原理

示波器是利用电子射线的偏转，来显示电信号瞬时值图象（常成为时间波形）的一种仪器。它能快速的把肉眼不能直接看见的电信号的时变规律，以可见的形式，形象的显示出来。目前，示波器在信号测试、信号比较、逻辑分析等领域得到了广泛的应用。

2．1．1 示波器波形显示原理

在示波器的荧光屏上，显示电压波形的原理如下：被测电压是时间的函数，在直角坐标系统中，可以用ux?f(t)的曲线表示。示波器的两副偏转板使电子束在两个互相垂直的方向偏转，这两个方向可以看成是坐标轴。因此，要在管子的荧光屏上显示被测电压的波形，就必须使射线沿水平方向的偏转同时间成正比，而在垂直方向同被测电压成正比（每一瞬间）。

所以，锯齿波电压加到水平偏转板上，它迫使射线以恒定的速度从左向右沿水平方向偏转。并且很快的返回到起始位置。射线沿水平轴经过的距离跟时间成正比。

被测电压加到垂直偏转板上，因而，每一瞬间射线的位置单值的对应于这一瞬间被测信号的值。在锯齿波电压作用期间，射线就绘出了被测信号的曲线，示波器波形显示原理如图2-1所示。

图2-1 示波器波形显示原理

以上图形是锯齿波的重复周期等于输入信号周期整数倍的情况（一倍），荧光屏上显示出的信号图形是稳定不动的。如果不是整数倍，则每次出现的信号波形就不会重合，图形将不断移动，不利于观测。为了保证锯齿波的周期等于输入信号的整数倍，示波器必须具有同步或触发电路。

2．1．2 通用示波器的组成部分

现在示波器的简化方框图如图2-2所示。它主要由主机、Y轴系统、X轴系统三部分组成。

图2-2 示波器的简化方框图

被测信号①接到“Y”输入端，经Y轴衰减器适当衰减后送至Y1放大器（前置放大），推挽输出信号②和③。经延迟级延迟r1时间，到Y2放大器。放大后产生足够大的信号④和⑤，加到示波管的Y轴偏转板上。为了在荧屏上显示出完整的稳定波形，将Y轴的被测信号③引入X轴系统的触发电路，在引入信号的正（或者负）极性的某一电平值产生触发脉冲⑥，启动锯齿波扫描电路（时基发生器），产生扫描电压⑦。由于从触发到启动扫描有一时间延迟r2，为了保证Y轴信号到达荧光屏之前X轴开始扫描，Y轴的延迟时间r1应稍大于X轴延迟时间r2。扫描电压⑦经X轴放大器放大，产生推挽输出⑨和⑩，加到示波管的X轴偏转板上。Z轴系统用于放大扫描电压正程，并且变成正向矩形波，送到示波管栅极。这使得在扫描正程显示的波形有某一固定辉度，而在扫描回程进行抹迹。 1主机

主机部分包括示波管、Z信道、电源和校准器等。

（1）阴极射线管（CRT）简称示波管，是示波器的核心。它将电信号转换为光信号。下图2-3是示波管内部结构图。

图2-3 示波管的内部结构图

（2）Z 信道又称调亮信道，它将调亮电路送来的调亮信号送到示波管的控制栅极，使示波管在扫描正程时才出现射线的光迹。显然，调亮信号应该是一个持续时间同扫描正程相等的正方波电压。

（3）示波器的电源分为高压电源和低压电源两种。低压电源常采用典型的串联调整式温压电路。现代示波器的高压电源大部分采用图2-4所示直流-直流变换器方案。

直流输入电压 高频振荡器 变换器 整流器 滤波器 直流输出电压

图2-4 直流—直流变换器

它由高频振荡器产生近于方波的高频振荡，再用变压器把它升压到所需的电压值，经过整流和滤波，得到所需的直流电压。这种用高频产生高压的方法，其优点是：变压器和滤波器可以做的较小；纹波电压和噪声都比较低；振荡器的负载一旦加重，能自动停振，有自动保护的作用。

（4）示波器主机中有一个固定频率和幅度，并具有较高准确度的内部信号源。它可以是正弦波、方波或脉冲波，用于自校水平系统扫速和垂直系统灵敏度。

2 Y轴系统

Y信道是被测信号通过的通道，因此，它需要足够宽的频宽，带内的幅-频特性应平坦，相-频特性为直线。Y信道主要包括探极、衰减器、倒相放大器、前置放大器、延迟线、输出放大器等几个部分。 （1）示波器的探极是连接在外部的一个输入电路部件，它的基本作用是便于在被测源上探测信号和提高示波器的输入阻抗，从而展宽示波器的实际频带。 （2）示波器的被测信号幅度变化范围宽广，小到几十毫伏，大到几百伏。为了保证垂直放大器正常工作，对大信号需要进行衰减。为使信号不畸变，通常采用电阻电容分压器，为了不影响被测信号电路原有工作状态，衰减器的阻抗还必须足够高。

（3）由于示波管垂直偏转板需要对称电压，即要求Y轴要对称输出，因此在前置放大器中设置倒相电路，将单端输入信号变成对称输入信号。 （4）前置放大器常用来将单端输入信号变成双端对称信号输出。它的增益要求不高，但是频带宽度要比整体的频响指标值还要宽广，同时还要实现各种控制功能、增益微调、增益扩展、变换极性和垂直移位等。

（5）示波器的水平扫描锯齿波信号起始点与触发信号之间有一段延迟时间，为了观测脉冲的前沿，就必须在Y轴放大器中插入延迟线，使被测信号起点和扫描信号起点同步。为此，延迟线在Y轴的频带宽度内，要能无失真的滞后一段时候传输被测信号，滞后时间称为延迟线的延迟时间（td）。示波器的延迟时间通常为60ns—200ns。为了防止延迟线传输信号产生反射，导致波形失真，它的特定阻抗必须与电路上的负载想匹配。

（6）Y信道输出放大器的主要作用是把延迟线送来的信号放大到足够的幅度，以推动示波管里的垂直偏转系统产生满偏转。因此，它应有足够的放大系数（一般为5—50，级数为1—3级）。大的动态范围，小的非线形失真以及良好的频率特性和过渡特性。 3 X轴系统

X信道的主要作用是产生一个随时间线形变化的电压（称锯齿波电压）。将这个电压放大到足够的幅度，加到示波管的水平偏转板，去控制射线沿水平方向从左向右随时间线形偏转，以形成时间基线（称时基）。为了获得稳定的图象，应能选择合适的同步或者触发信号，并把它放大和形成触发脉冲，去触发时基闸门。因此，X信道应包括时基发生器，触发电路和X放大器等几个部分。 （1）时基发生器

① 扫描的种类

扫描的方式有很多种，有直线扫描、圆扫描和螺旋扫描，在示波器中，几乎都是采用直线扫描。直线扫描还可以分为连续扫描和出发扫描。连续扫描的扫描电压就是周期性的锯齿波电压。如果用示波器研究研究脉冲过程，连续扫描就不适用了，必须用出发扫描。

② 时基电路与工作原理

在现在示波器中，时基发生器由时基闸门、积分器（扫描电压发生器）、电压比较器和释抑电路四个部分组成。它们构成一个环形自控系统。时基电路方框图如图2-5所示。