双踪示波器的电路设计.docx
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双踪示波器的电路设计
毕业设计说明书(论文)中文摘要
本文对双踪示波器的扫描信号发生器电路进行了研究。
首先详细介绍了双踪示波器的显示原理和组成结构。
其次,针对扫描信号发生器的特点提出了几种方案加以比对。
在此基础上,设计了一种高线性度扫描发生器电路。
本设计以弥勒电压发生器为主体并通过扫描发生环的方式来产生扫描锯齿波电压。
这种锯齿波电压线性度较好,扫描时间可在一定范围内调节,触发方式有自动、常态和锁定三种方式可供选择。
最后,介绍了该电路的装配、调试及故障检修方法。
关键词示波器扫描环锯齿波波形
毕业设计说明书(论文)外文摘要
TitleDualTraceOscilloscopeCircuitDesign(b)
ScanGeneratorCircuit
Abstract
Thispaperisstudiedonthedoubletraceroscilloscopescanningsignalsgeneratorcircuit.Firstlyitintroducesthe principleandstructureofthedoubletraceroscilloscope.Secondly,itputsforwardseveralproposalstocontrastaccordingtothecharacteristicsofscanningsignalsgeneratorthanthem.Onthisbasis,itdesignsakindofhigh-linearityscanninggeneratorcircuit.Thisdesigniscomposedmainlyofmaitreyavoltagegenerator andthroughscanning togeneratescanningringsaw-toothwavevoltage.Thissaw-toothsignalwavehasgood,linearityscanningtime,andcanbeadjustedwithincertainscope.Thewayoftriggerwhichcouldbechoosefromthreeaspects,automatically,normalandlocking.Finally,itintroduceshowtoassemblethecircuitandcommissioningthecircuitandthemethodofbreakdownmaintenance
keywordOscilloscopeScanRingSaw-toothWave
1绪论………………………………………………………………………………………1
2系统方案论证……………………………………………………………………………3
2.1示波器中波形显示原理………………………………………………………………3
2.2双踪示波器双通道显示原理………………………………………………………5
2.3模拟示波器的组成……………………………………………………………………9
2.4扫描信号发生器系统方案选择…………………………………………………13
3电路设计………………………………………………………………………………16
3.1时基闸门………………………………………………………………………………16
3.2扫描电压发生器………………………………………………………………………26
3.3电压比较器…………………………………………………………………………33
3.4释抑电路…………………………………………………………………………36
3.5电源电路………………………………………………………………………………42
4电路的安装与调试……………………………………………………………………45
4.1电子元件选取………………………………………………………………………45
4.2焊接电路板的注意事项……………………………………………………………47
4.3电路的调试…………………………………………………………………………47
4.4扫描信号发生器常见故障排除……………………………………………………49
结束语……………………………………………………………………………………50
致谢……………………………………………………………………………………51
参考文献………………………………………………………………………………52
附录A扫描信号发生器电路原理图……………………………………………………53
附录B74LS74芯片介绍…………………………………………………………………54
1绪论
示波器的英文名称为oscilloscope,其定义为:
显示被测量瞬时值的轨迹变化情况的仪器。
其发展的初期主要为模拟示波器。
二十世纪四十年代是电子示波器兴起的时代,因为电视和雷达的开发需要性能良好的波形观察工具。
泰克成功开发带宽10MHz的同步示波器,这是近代示波器的基础。
五十年代电子计算机和半导体的问世,促进电子示波器的带宽达到了100MHz。
六十年代美国、英国、日本、法国在电子示波器开发方面有着不同的贡献,出现了带宽6GHz的取样示波器、带宽为4GHz的行波示波管、带宽为1GHz的存储示波管;便携式、插件式示波器成为其系列产品。
直到七十年代模拟式电子示波器达到了高峰,行谱系列非常完整。
带宽为1GHz的多功能插件式示波器代表着当时测量技术的发展高水平,为测试数字电路又开发出了添逻辑示波器和数字波形记录器[1]。
示波器是一种用途广泛的电子测量仪器。
能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象,便于人们研究各种电现象变化的过程。
示波器利用狭窄、高速电子组成的电子束,打在涂有荧光物质的屏面(示波管)上,就可产生细小的光点。
同时,在被测信号的作用下,电子束就好像一支笔的笔尖,可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值变化的曲线。
利用示波器能够观察各种信号幅度随时间变化的波形曲线,还可以用它来测试各种电量:
如电流、电压、频率、相位差、调幅度等等。
总之,示波器是观察数字电路中的实验现象、分析实验问题、测量实验结果必不可少的重要测量仪器。
在现代示波器使用中,模拟示波器市场份额占有的比例逐年下降。
但是,模拟示波器的某些特点,却是数字示波器所不具备的。
其优点如下:
(1)操作简单——模拟示波器操作全部都在面板上,波形显示及时,而数字示波器在波形处理和显示时往往需要较长处理时间。
(2)垂直分辨率高——模拟示波器连续且无限级,而数字示波器分辨率一般情况下只有10位至8位。
(3)数据更新快——模拟示波器每秒捕捉几十万波形量,而数字示波器每秒捕捉几十个波形量。
(4)实时带宽和实时显示——模拟示波器连续波形与单次波形的带宽相同,而数字示波器的带宽与其取样率密切相关,当取样率不高时需借助内插计算,这时就容易出现混淆波形。
总之,模拟示波器为工程技术人员适时提供眼见为实的波形,在规定的带宽内可非常放心的进行测试。
而且人类五官中眼睛的视觉十分灵敏,屏幕波形能够瞬间反映至大脑作出判断,微细变化都可被感知。
因此,模拟示波器深受使用者欢迎。
示波器主要由示波管、电源系统、X轴偏转系统、同步系统、延迟扫描系统、Y轴偏转系统、标准信号源等组成。
但是要提高模拟示波器的带宽,需要示波管、垂直放大和水平扫描全面的推进。
本论文简单介绍了示波器的基本组成、显示原理。
因为水平扫描速率和分辨率是模拟示波器性能的一个关键组成部分,所以本论文将提出几种关于扫描信号发生器的设计方案并从系统方案设计和电路设计等方面加以重点讨论,最后选择一个最优的方案进行详细的叙述和设计[1]。
2系统方案论证
一台完整的模拟示波器通常由CRT、X通道、Y通道和电源等几部分组成。
其中CRT包括荧光屏、电子枪和偏转板三个部分。
输入的被测信号经放大后直接加在Y轴偏转板上,同时在X轴偏转板上加上一个与时间成正比的锯齿波电压,使电子枪产生的电子束能够在静电力的作用下产生连续偏转,从而光点就会在荧光屏上描绘出被测信号随时间变化的波形。
为了显示出多个被测信号,通常在Y通道中插入通道转换器,将多个被测信号轮流加到Y偏转板上。
为了保证被显示的波形稳定,需要X轴偏转板上的锯齿波电压每次都从被测信号上的一个确定的点开始扫描,所以X通道一般都设有同步触发电路。
在本节叙述中,首先将介绍示波器的显示原理,再进一步的介绍示波器的组成,并对组成示波器的各部分之原理和作用做简要描述。
并就扫描信号发生部分提出两种系统方案进行比对,最终选择一种方案在第三节中进行设计。
2.1示波器中波形显示原理
根据示波管的显示原理,当把一个直流电压加到偏转板上时,直流电压将使光点在荧光屏上产生固定的位移,该位移大小与所加的直流电压成正比。
如果分别将两个直流电压同时加到水平和垂直偏转板上,则荧光屏上的光点位置就由两个方向的位移矢量叠加后来决定。
如果将一个正弦交流电压加到一对偏转板上,光点在荧光屏上的位置将随电压的变化而移动,如图2.1所示。
图2.1正弦信号光点图
当垂直偏转板上加上一个正弦交流电压时,在时间t=0瞬间,电压为Vo(零值),荧光屏上的光点的位置就在坐标原点0上,在时间t=1瞬间,电压为V1(正值),荧光屏上光点的位置就在坐标原点0点上方的1上,位移的大小正比于电压V1;在时间t=2瞬间,电压为V2(最大正值),荧光屏上的光点的位置在坐标原点0点上方的2点上,光点的垂直位移正比于电压V2;以此类推,在时间t=3,t=4,…,t=8的各个瞬间,荧光屏上的光点的位置分别为3,4,…,8点。
既单位输入信号的电压uy引起光点在荧光屏上偏转距离H称为偏转灵敏度,用符号S表示,即:
(2.1)
则
(2.2)
式中,d为灵敏度的倒数1/S,称为偏转系数。
S的单位为cm/V、cm/mV或div/V,d的单位为V/cm。
同理,在交流电压以后的周期中都将重复第一个周期的变化情况。
但是,如果加在垂直偏转板上的正弦交流电压的频率很低,仅为lHz~2Hz,那么,在荧光屏上就会显示出一个上下移动光点。
光点距离坐标原点的瞬时偏转值与此时加在垂直偏转板上的电压瞬时值成正比。
如果加在垂直偏转板上的交流电压的频率在10Hz~20Hz以上,则由于人眼的视觉暂留和荧光屏的余辉现象,此时在荧光屏上肉眼观察到的就不是一个上下移动的点,而是一根垂直亮线。
在示波器的垂直放大增益一定的情况下该亮线的长短取决于正弦交流电压峰峰值的大小。
同理,如果在水平偏转板上加的是一个正弦交流电压,就会产生和垂直偏转相类似的情况,只是此时光点只在水平轴上移动罢了。
若被测信号电压的频率为锯齿波电压频率整数倍,则荧光屏上将稳定显示出周期为整数的被测信号波形。
如果被测信号电压的频率与锯齿波电压的频率不成整数倍时,则荧光屏上就不能获得稳定显示的波形,显示图形就不稳定[2]。
由上述可见,为了使示波器在观察各种不同频率的周期信号时荧光屏上能够显示出稳定的波形,必须要求被测信号电压的频率应与锯齿波电压的频率保持同步关系,即整数比的关系。
为了实现这一点,就要求锯齿波电压的扫描频率连续且可调,其次,由于锯齿波信号频率和被测信号频率的相对不稳定性,即使临时把锯齿波电压的频率调成与被测信号频率成整倍数的关系,也不能使图形保持一直稳定。
因此,在示波器中都设有“扫描—触发”同步装置。
既在锯齿波形成电路的某部分加上一个同步信号来保持扫描的同步,对于只能够产生连续扫描(即产生的锯齿波周而复始连续不断)一种状态的简易示波器(比如国产SB-10型的示波器等)而言,需要在示波器的扫描电路上输入一个频率与被观察信号相关的同步信号,当所加的同步信号的频率接近或为整数倍锯齿波频率的自主振荡频率时,所加的同步信号就可以把锯齿波频率“锁住”或“拖入同步”[2]。
对于具有等待扫描(即当被测信号来到时才产生一个锯齿波进行一次扫描,而平时不产生锯齿波)功能的示波器(如ST-16型示波器、SR-8型双踪示波器、SBT-5型同步示波器等等)而言,需要输入一个与被测信号相关的触发信号在其扫描电路上,使被测信号与扫描过程密切配合。
如此,只要按照需要来选择适当的触发信号或同步信号,就可使任何欲研究的过程与锯齿波扫描频率保持同步[3]。
2.2双踪示波器双通道显示原理
图2.2为双踪示波器组成框图。
双踪示波器是在单线示波器的基础之上,增设了一个专用电子开关,用电子开关来实现两种波形的分别显示。
因为双踪示波器比双线示波器简单,且不需要使用结构复杂、价格昂贵的“双腔”示波管,所以双踪示波获得了很普遍的应用。
图2.2双踪示波器组成框图
如图2.2,双踪示波器的垂直偏转通道由A、B两个通道组成。
两个通道的输出信号在电子开关的控制下,交替通过主通道加到示波管的同一偏转板上。
其中,A、B两个通道是相同的,都包括衰减器、射极跟随器、前置放大器以及平衡倒像器。
其中,平衡倒相器的作用是把输入信号转换成对称波形输出。
电子开关是由触发电路控制的一对放大器构成。
主通道由中间放大器、延迟线等构成,对两个通道是公用的。
在双踪示波器中电子开关K使加在示波管垂直偏转板上的两种信号电压作周期性转换。
如图2.3所示。
(a)示波器上波形(b)电子开关控制图
图2.3UA和UB信号交替测量
例如,0~1这段时间,电子开关让信号通道A接通,这时在荧光屏上将显示出如图2.3所示UA的一段波形;1~2这段时间,电子开关K让信号通道B接通,这时荧光屏上将显现出如图2.3中信号UB所示的一段波形;2~3这段时间,荧光屏上再显示出信号UA的一段波形;3~4这段时间,荧光屏上将再一次显示UB的一段波形……。
这样,虽然两个信号在荧光屏上是交替显示的,但是由于荧光屏的余辉现象(冲击荧光屏的高速电子在停止冲击荧光屏后,荧光屏受冲击处仍会保留一段发光的时间)和人眼的视觉暂留现象现象,就可同时在荧光屏上观察到两个被测信号波形。
在图2.2双踪示波器组成的基本原理框图中,为了保持荧光屏显示出来稳定的两种信号波形,则要求扫描信号频率、被测信号频率与电子开关的转换频率三者之间满足一定的关系。
首先,扫描信号的频率与两个被测信号的频率之间应该是成整数比的关系,既要求“同步”。
这一点与单线示波器的显示原理是完全相同的,只是现在的被测信号变成了两个,而扫描电压就一个。
因为实际应用中,需要观察和比较的两个信号互相常常是有一定的内在联系,所以上述的同步要求一般是容易被实现的。
为了使荧光屏上两个被测信号的波形显示都稳定,除满足上述要求外,为了在示波器上所显示合适的波形个数,以便于观察,还必须合理的选择电子开关的转换频率。
显然,电子开关的转换与X轴的扫描始在时间上终保持着一致的步调,即电子开关的转换频率和X轴扫描信号的频率是相等的。
对于双踪示波器采用“交替”转换和采用“断续”转换方式的交替转换工作方式和波形示意图的显示的波形与双线示波法所显示的波形及其相似,都没有间断点。
但由于被测信号UA、UB的波形依次交替的出现在荧光屏上,如果交替间隙时间超过了人眼视觉暂留时间和荧光屏余辉时间,那么人们在荧光屏上所观察到的波形就会有闪烁现象。
为了避免出现这种情况,则必须要求电子开关有足够高的转换频率。
也就是说,当被测信号的频率较低时,采用交替转换工作方式是不合适的,应采用断续转换的工作方式。
如果电子开关用断续转换的工作方式时,且在X轴扫描的每一个扫描过程中,电子开关都保持足够高的转换频率分别对所要显示的每个被测信号进行周期性的多次取样。
那么,即使被测信号频率较低,也可避免波形显示中出现波形闪烁的现象。
同时,由于在一次扫描过程中,在两个图形上交换的光点次数极多,所以图形上的细小断裂痕迹就不明显,也不妨碍对波形细节的观察。
实际上,因为在选择转换开关的时候总会让转换开关的转换频率远大于X轴的扫描频率,所以在荧光屏上显示的图形是连续的图形,而不会是断续图形。
图2.3(a)中垂直方向的虚线表示了电子开关的转换过程。
因为示波器电路使电子束在转换过程中被截止,所以图2.3(a)中所示的垂直虚线也是不可见的。
图2.2是双踪示波器的原理功能方框图。
由图可见,它主要是由两个通道的Y轴前置放大电路、门控电路、电子开关、混合电路、延迟电路、Y轴后置放大电路、触发电路、扫描电路、X轴放大电路、Z轴放大电路、校准信号电路、示波管和高低压电源供给电路等组成。
在观察信号波形时,两个被测信号uA,uB通过A,B两个输入端送入示波器,信号先被分别送到Y轴前置放大电路进行放大。
因为通道A和通道B都接受电子开关的控制,所以uA,uB两信号就被轮换着输送到后面的混合电路,最后加到示波管的垂直偏转板上。
为了适应各种测试需要,电子开关应该至少有五种不同的工作状态,即交替、YA、YB、YA+YB、断续等。
显示方式开关控制着这5种工作状态。
当显示方式开关置于交替显示时,电子开关为一个双稳态电路。
它受到从扫描电路送来的闸门信号控制,使Y轴两个前置通道随着扫描电路门信号的变化而交替的工作。
交替转换的频率与扫描电路产生的扫描信号的频率有关。
交替工作状态适合于观测频率不太低的被测信号。
当显示方式开关被置于YA或YB位置时,电子开关就为一单稳态电路。
前置放大电路YB或YA可单独进行工作,此时,双踪示波器可被作为普通单线示波器来使用。
当显示方式开关置于YA+YB位置时,电子开关便处于不工作的状态。
此时,YA、YB两通道同时输入到混合电路并送出显示,因而可在CRT上得到两信号相加或相减的波形显示。
然而,两信号是相加还是相减,必须通过YA通道的极性开关来选择。
这个开关有两个位置,当在第一个位置(+YA),荧光屏上的图形实际上为两信号之和;当在第二个位置(-YA),荧光屏上的图形实际上为两信号之差。
为了观察随时间变化被测信号的波形,示波管的水平偏转板上必须加线性扫描电压(锯齿波电压)。
在示波器中这个扫描电压是由扫描电路产生的。
在示波器中,当触发整形后输出的触发信号加到触发电路时,扫描电路被触发,扫描电路就会产生至少一个周期的周期性扫描信号;反之,如果不对扫描电路施加加触发信号,扫描电路就不会产生扫描信号。
在示波器中触发有内触发、外触发两种方式,通过触发选择开关来选择。
当该开关置于内触发位置时,触发信号采样于经Y轴通道送入的被测信号。
当该开关置于外触发位置时,扫描发生器的触发信号是由示波器电路外部送入的,但是,这个信号应与被测信号的频率成整数比的关系。
示波器在一般使用中,一般采用内触发的工作方式。
而内触发也分为两种触发方式,由内触发选择开关控制。
如果开关置于常态的位置时,触发电路的触发信号取自YA,YB两个通道。
此时,便可同时稳定地显示出两个通道各自的被测信号的波形。
在示波器的使用中,如果用双踪显示来作时间比较分析,就应该将内触发开关选择置于YB的位置。
在YB位置,触发电路的触发信号只取自YB通道的输入被测信号。
此时只有当被测信号uA,uB的频率成整数比时,荧光屏上才能同时稳定地显示两个被测信号的波形。
此时,扫描电路所产生的扫描信号(锯齿波信号),通过X轴选择开关接到X轴放大电路,扫描信号经放大后送到示波管的X轴偏转板,将被测信号的电压变化在时间轴进行拓展并在CRT上显示。
这就是观察信号随时间变化的波形。
除上述情况外,用示波器进行其它方式测试(比如观察李沙育图形)时,X轴选择开关置X外接档,此时示波器可将X轴输入端的输入的信号,加到X轴的放大电路进行放大,再被送至X轴偏转板。
示波器中Z轴放大电路对荧光屏上光点辉度起着调节的作用,可以抹去没必要显示的光点轨迹。
当扫描电路闸门信号送到Z轴放大电路时,Z轴放大电路便输出正向增辉脉冲信号,被加至示波管的控制极。
也就是说,在扫描信号的正征程过程中,荧光屏上的光点被增辉;而在电子开关的转换过程中,电子开关电路将输出脉冲信号加至Z轴放大电路,Z轴放大电路便向示波管的控制极输出负向脉冲信号。
如此,在电子开关整个的转换过程中,两个通道交替工作时的过渡光点就被消去了,提高了显示波形的清晰度。
校正信号电路在示波器中产生了频率一定、幅度一定的矩形信号(如国产SR-8型两踪示波器的校正信号是频率为lkHz、幅度为1V)。
通过校正信号可以检测和校正Y轴放大电路的灵敏度和X轴的扫描速度。
2.3模拟示波器的组成
模拟示波器由示波管和电源系统、同步系统、X轴偏转系统、Y轴偏转系统、延迟扫描系统、标准信号源组成。
其结构如图2.3。
图2.4模拟示波器结构方框图
从图2.4可以看出,被测信号经输入可变衰减器处理后,送入前位放大后,信号分成了两路,一路送入垂直放大电路进行Y放大后,加载到示波管的Y偏转板上;另外一路送入触发整形电路,进行触发整形后,产生一个触发脉冲信号去启动扫描信号发生器产生扫描信号,这种扫描信号再被送入X放大电路,进行X放大后加载到示波管的X偏转电路,对被测信号在时间上进行拉伸。
2.3.1显示电路(示波管)
显示电路包括示波管及控制电路两部分。
示波管在示波器中承载了图象的显示,其组成结构如下图2.5所示。
图2.5示波管组成图
示波管是一种特殊的电子管,是示波器一个重要组成部分。
如图2.5所示,示波管由偏转系统、电子枪和荧光屏三个部分组成。
下面按照功能对示波管组成的每个部分作简要介绍。
(1)电子枪
在示波管中电子枪用于产生并形成高速、聚束的电子流,去轰击示波管的荧光屏使之发光。
其组成结构如下图2.6示。
图2.6电子枪的组成结构图
如图2.6,电子枪主要由灯丝F、阴极K、控制极G、第一阳极A1、第二阳极A2组成。
除灯丝外,其余电极的都为金属圆筒,它们轴心都保持在同一轴线上。
示波管阴极被加热后,可沿轴向发射电子;控制极相对阴极是负电位,改变电位可以改变通过控制极小孔电子数目,也就可以控制荧光屏上光点的亮度。
所以为了提高屏上光点亮度,而不降低对电子束偏转的灵敏度,现代示波管中,还加上一个后加速电极A3在偏转系统和荧光屏之间。
在示波管中第一阳极对阴极而言加有约几百伏的正电压,在第二阳极上加有一个比第一阳极更高的正电压。
这样,穿过控制极小孔的电子束在第一阳极和第二阳极高电位的作用下,得到了加速,向荧光屏方向作高速冲击。
由于电荷同性相斥,电子束在打向荧光屏过程中会逐渐散开。
通过第一阳极与第二阳极之间电场聚焦作用,使电子束重新聚集起来并交汇于一点。
所以适当控制第一阳极和第二阳极之间电位差的大小,便能使焦点刚好落在荧光屏上,在荧光屏上显现出一个光亮细小的圆点。
既改变第一阳极和第二阳极之间的电位差,起调节光点聚焦的作用,这就是示波器的“辅助聚焦”和“聚焦”调节。
第三阳极是示波管锥体内部涂上一层石墨形成的,通常加有很高的电压,它有三个作用:
(a)使穿过偏转系统以后的电子进一步加速,使电子有足够的能量去轰击荧光屏,以获得足够的亮度;
(b)石墨层涂在整个锥体上,能对电子枪起到屏蔽作用;
(c)电子束轰击荧光屏会产生二次电子,处于高电位的A3可吸收这些二次电子。
(2)偏转系统
普通示波管的偏转系统都是静电偏转,由两对相互垂直的平行金属板组成,分别为水平偏转板和垂直偏转板。
其组成结构如下图2.7。
图2.7示波管中偏转板组成结构图
两个偏转板分别控制电子束在水平方向和垂直方向的运动。
当电子在偏转板之间运动时,如果偏转板上没有加电压,则偏转板之间无电场,电子束在离开第二阳极后进入偏转系统的电子将沿轴向运动,射向示波管屏幕的中心。
如果对偏转板加电压,则偏转板之间有电场,进入偏转系统的电
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- 示波器 电路设计