双踪示波器扫描信号发生电路设计.pdf

南京理工大学泰州科技学院毕业设计说明书(论文)作作者者:阳乙升学学 号号：05050241学学院院(系系):电子电气工程学院专专业业:电子信息工程题题目目:双踪示波器的电路设计(二二)扫描发生器电路的设计指导者：指导者：评阅者：评阅者：汤金生教授毕 业 设 计 说 明 书（论 文）中 文 摘 要毕 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 要毕 业 设 计 说 明 书（论 文）外 文 摘 要TitleTitleDual Trace Oscilloscope Circuit Design(b)Scan Generator CircuitAbstractAbstractThis paper is studied on the double tracer oscilloscope scanning signalsgenerator circuit.Firstly it introduces theprinciple and structure ofthe double tracer oscilloscope.Secondly,it puts forward severalproposals to contrast according to the characteristics of scanning signalsgenerator than them.On this basis,it designs a kind of high-linearityscanning generator circuit.This design is composed mainly of maitreyavoltage generatorand through scanningto generate scanning ringsaw-tooth wave voltage.This saw-tooth signal wave has good,linearityscanning time,and can be adjusted within certain scope.The way of triggerwhich could be choose from three aspects,automatically,normal andlocking.Finally,it introduces how to assemble the circuit andcommissioning the circuit and the method of breakdown maintenancekeywordOscilloscopeScan RingSaw-toothWave目录1 绪论12 系统方案论证32.1 示波器中波形显示原理32.2 双踪示波器双通道显示原理52.3 模拟示波器的组成92.4 扫描信号发生器系统方案选择133 电路设计163.1 时基闸门163.2 扫描电压发生器263.3 电压比较器333.4 释抑电路363.5 电源电路424电路的安装与调试454.1 电子元件选取454.2 焊接电路板的注意事项474.3 电路的调试474.4 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 B 74LS74 芯片介绍54本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文）第 1页共 54 页1 1绪论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。本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文）第 2页共 54 页总之，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。本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文）第 3页共 54 页2 2系统方案论证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。2.12.1示波器中波形显示原理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。U/Vt/s210V1+V2-V23458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；在时本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文）第 4页共 54 页间 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：yHS(2.1)则dHSHy(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 lHz2Hz，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 10Hz20Hz 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本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文）第 5页共 54 页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。2.22.2双踪示波器双通道显示原理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。衰减器射极跟随器前置放大器平衡倒相器放大器延时器电子开关K时基发生器衰减器射极跟随器前置放大器平衡倒相器输入 A输入 B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。本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文）第 6页共 54 页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。UAUB通道 A通道 B通断通断通断10234断通(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，01 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；12 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；23 这段时间，荧光屏上再显示出信号 UA的一段波形；34 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。t/s本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文）第 7页共 54 页但由于被测信号 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本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文）第 8页共 54 页的波形显示。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。本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文）第 9页共 54 页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。2.32.3模拟示波器的组成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。水平放大前置放大垂直放大输入可变衰减扫描信号放大器示波管触发电路uA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。本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文）第 10页共 54 页KCW1R2R3W2W3R1G2A1A2FBY1X1X2A3S+亮度聚焦Y2辅助聚焦R4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，CW1R2R3W2R1KG2A1FBA2W3本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文）第 11页共 54 页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，进入偏转系统的电子会在偏转电场力的作用下射向荧光屏棉板的指定位置。如果互相平行的两块偏转板的电位差等于零，那么通过偏转板空间具有速度的电子束就会沿着原方向（设为轴线方向）运动，并打在荧光屏的坐标原点上。Y2X2A3SY1X1本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文）第 12页共 54 页如果两块偏转板之间存在恒定的电位差，则偏转板间就形成了一个恒定的均匀电场，这个电场的方向与电子的运动方向相垂直，在电场力的作用下,电子发生偏转。在两偏转板之间的空间内电子做抛物线运动，离开偏转板时电子就沿着抛物线在这一点上做切线运动,降落在荧光屏上。这个降落点距离荧光屏原点（0）在 Y 方向上有一段距离，这段距离称为垂直偏移量，用 y 表示。偏移量 y 与垂直偏转板上所加的偏转电压Vy成正比。同理，如果在水平偏转板上加上直流电压时，也发生类似的偏转情况，只是光点的偏转是在水平方向上。（3）荧光屏荧光屏位于示波管的末端，它的作用是接受偏转后的电子束轰击，显示出轰击的轨迹来，以便观察。在示波管的荧光屏内壁涂有一层发光物质，当荧光屏上受到高速电子冲击后就发出荧光。光点的亮度取决于电子的数目、密度及冲击时的有效其速度。由上面章节的论述可知，改变控制极电压，冲击荧光屏的电子数目将随之改变，光点亮度也就改变。因此在使用示波器时，不宜让很亮的光点长时间出现在示波管荧光屏一个固定的位置上，否则该点荧光物质将会因长期受电子冲击而老化甚至被烧坏，从而失荧光屏去发光能力。根据材料物理学可知，不同的物质总是有不同的价带。所以在荧光屏涂不同荧光物质，在受电子冲击后荧光屏将显示出不同的颜色和表现出不同的余辉时间。通常供观察一般信号波形用的是发绿光的荧光物质，这种示波管为中余辉示波管；发橙黄色光的荧光屏供观察非周期性及低频信号，属长余辉示波管；照相用示波器，一般都采用发蓝色的短余辉示波管。2.3.2 垂直（Y 轴）放大电路因为示波管的偏转灵敏度很低，如常用的示波管 13SJ38J，其垂直偏转灵敏度仅为 0.86mm/V（约 12V 电压产生 1cm 的偏移量），所以为了得到垂直方向的适当大小的图形，被测信号电压一般都要先经过垂直放大电路的放大，再加到示波管的垂直偏转板上。2.3.3 水平（X 轴）放大电路因为示波管水平方向的偏转灵敏度也很低，所以为了得到水平方向适当大小的图形，接入示波管水平偏转板的电压（锯齿波电压或其它电压）也要先经过水平放大电路放大后，再加到示波管的水平偏转板上。2.3.4 电源供给电路电源供给电路提供给垂直与水平放大电路、扫描与同步电路以及示波管与控制电本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文）第 13页共 54 页路所需的负高压、灯丝电压等。由波器的原理功能方框图 2.2 可知，示波管的水平偏转电压，虽然多采用锯齿波电压（用于观察波形时），但是有时在测量频率、相位差也采用其它的外加电压。因此在示波器电路中水平放大电路输入端会有一个水平信号选择开关，通过这个选择开关可以按照需要选用示波器内部的锯齿波电压，或选用外加在 X 轴输入端上的电压来作为水平偏转电压。2.3.5 扫描与同步电路扫描电路产生一个锯齿波电压。该锯齿波电压的频率能在一定的范围内连续可调。锯齿波电压的作用是使示波管阴极发出的电子束在荧光屏上形成周期性的、与时间成正比的水平位移，即形成时间基线。这样，才能把加在垂直方向的被测信号按时间的变化波形展现在荧光屏上。根据示波器的原理可知,扫描信号发生器的作用是接受外部闸门控制信号,自动的产生扫描信号(锯齿波电压),同时把闸门信号送给增辉电路,以加亮扫描正程的亮度,并对逆程光迹进行消隐3。2.42.4 扫描信号发生器系统方案选择扫描信号发生器系统方案选择在现代示波器中，数字存储示波器（DSO）可由计数器计数递增的地址信号通过D/A 转换产生读出时基信号。但实时显示配有光标读出的数字示波器本质上仍是模拟示波器，只不过加入了P/A 控制单元，实现了光标数字读出功能。这类示波器仍以锯齿波发生器配以释抑电路构成扫描发生器环，实现示波器的时基扫描功能。扫描锯齿波电压多采用弥勒扫描发生器电路产生。为了形成稳定的锯齿波扫描电压，还配置时基闸门电路、电压比较器或跟随器、扫描抑释电路构成一个闭合控制系统既扫描发生器环。同理用单片机也可以满足控制要求，因为可以通过对单片机内部烧入扫描发生信号的程序，再通过外部的 A/D、D/A 及 I/O 接口来实现对外部的电路的控制和作用。根据设计要求，带宽在 020M，因为要求不高,所以扫描信号发生器可以通过扫描发生器环来实现也可以通过单片机来实现。下面就对两种方案做逐一叙述3。(1)方案一:扫描发生器环方式图 2.8 是时基电路的基本组成部分,时基发生器由时基闸门、扫描发生器、电压比较器和抑释电路组成。本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文）第 14页共 54 页-EX 放大输出S2RP单次扫描增辉电路时基闸门扫描发生器释抑电路电压比较器触发电路键入uA示波器图 2.8 扫描信号发生电路如图 2.8,当时基闸门接收到合适的同步触发脉冲以后,扫描发生器就开始扫描,输出幅度与频率稳定、线性度良好的锯齿波扫描电压。在此期间，释抑电路封锁时基闸门让其不被误触发，稳定扫描，直到前一个扫描周期完成，下一个触发脉冲的到来，释抑电路才释放时基闸门电路，再开始新的扫描周期。RP用于波形稳定度的调节4。(2)方案二:单片机方式根据扫描信号发生的原理,可以使用单片机的方式来产生量化的扫描电压,然后通过 A/D 转换形成模拟量的扫描电压,如下图 2.9 示。NNY开始扫描器工作Y单片机D/AVCOLPA/D检测是否触发？扫描是否一周期？（a）程序流程图（b）扫描信号发生器框图图 2.9 单片机实现扫描信号发生器如图 2.9（a）所示,由外部电路将触发电路转化成一个触发脉冲送入到单片机的一本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文）第 15页共 54 页个 I/O 端口，单片机通过对这个端口的信号进行采集和判断，当没有触发信号时，单片机就不调用锯齿波发生程序，并一直等待和不停的检测 I/O 端口是否有触发脉冲到来；到 I/O 端口有触发脉冲到来的时候，单片机就调用锯齿波形发生子程序，并向固定 I/O 口输出扫描发生信号，如图 2.9（b）所示，通过 A/D 转换，再经过 VCO 和 LP作用于外部，直到扫描完一个周期，单片机就中断返回，并在次检测是是否有外部触发，并进行下一次的扫描信号发生3。(3)方案比较方案一电路结构简单，而且就设计要求来说，此方法可以完全满足我们的设计要求，并能够实时显示待测信号，性能稳定，造价便宜。方案二是采用单片机来实现，我们都知道单片机处理的是数字信号，那么在其中就不可避免的有 A/D 和 D/A 转换，也就不可避免的产生1 的误差（单片机程序执行需要指令周期），而且从成本来来说，方案二较方案一要高出很多。所以，综上所述，方案一更符合我们的设计要求。所以在第三节中将针对方案一的系统结构进行电路的设计和实现。本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文）第 16页共 54 页3 3电路设计电路设计在示波器中扫描信号发生器能够产生一个线性的扫描时基电压信号，将被测信号在时间上拓展并稳定的显示出来。常用示波器有自动、触发和锁定三种扫描方式。工作电压一般为 DC24V、DC45V。由系统方案论述可知，通过扫描发生器环来组成扫描发生器的方式有很多的优点，其组成框图如下图 3.1 示。时钟信号t1X 放大输出RP时基闸门扫描发生器电压比较器-E增辉t1t2U0t1t2t1t2ur释抑电路图 3.1 扫描发生环组成框图在图 3.1 中，当时基闸门接收到合适的同步触发脉冲以后,闸门打开，扫描发生器开始扫描,输出幅度、频率稳定、线性度良好的锯齿波扫描电压。在此期间，释抑电路封锁时基闸门让其不被误触发，稳定扫描，直到前一个扫描周期完成。在下一个触发脉冲的到来时，释抑电路才释放时基闸门电路，再开始新的扫描周期。RP用于波形稳定度的调节3。在本电路设计部分，根据图 3.1 按照扫描环的功能将其分成五个组成部分，即：时基闸门、扫描电压发生器、电压比较器、释抑电路和电源电路。在下面的叙述中将本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文）第 17页共 54 页分别对每个组成部分作详细的分析和介绍并设计出实际的电路。3.13.1时基闸门时基闸门时基闸门接受触发整形后的信号的触发和控制并输出一个闸门信号去触发锯齿波发生器工作，产生锯齿波，同时使 X-Y 保持同步。在整个扫描环路中时基闸门就相当一个可控开关4。（1）时基闸门设计原理介绍在示波器中，假设触发整形后送入到闸门的信号为 A，释抑信号为 B，那么闸门的功能就可以等效成下图 3.2 所示的逻辑框图。闸门触发整形后输出信号 A去控制锯齿波发生器C释抑信号 B图 3.2 闸门控制框图设触发整形后的输出信号 A 电压不为零时或者说是达到可触发电平时状态为 H，其余状态为 L；同理，锯齿波扫描信号一个周期正征程扫描未结束时释抑比较信号 B有效时为 H，其余为 L；闸门输出触发锯齿波发生器产生锯齿波的信号 C 的有效触发信号为 H，无效为 L。那么闸门和外部控制信号就应该满足如下表 1 的真值表关系。注：L:在数字电路中表示低电平,电压为 02.7V，H:在数字电路中表示高电平,门限电压2.7V。表 1 闸门控制真值表外部输入闸门信号闸门输出信号ABCLLLLHHHHHHLH根据真值表 1，可以画出卡诺图和逻辑关系结构如图 3.3。本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文）第 18页共 54 页ABLHLHHLLL11&ABC图(a)闸门控制卡诺图图(b)闸门控制逻辑连接图 3.3闸门功能图根据卡诺图 3.3(a)，列写出逻辑关系式 3.1，如下：BAC（3.1）根据 3.1 关系式可以画出逻辑图如图 3.3(b)，从图 3.3(b)可以看出只有当 A、B 两个信号同时为 L 时，闸门便可以产生一个有效的信号去触发锯齿波发生器产生锯齿波。不过，这种控制方式要满足示波器的扫描控制要求是有一定条件限制的。所以图3.3 这种电路设计结构的触发点也可能出现如图 3.4 所示的情况5。213t/s0图 3.4 扫描触发点图在图 3.4 中，假设闸门电路在图中 1 点被信号 A 触发，且扫描环的产生扫描电压的频率满足在触发信号 A 的电压从 3 下降到 2 过程中就已经扫描完了一个征程，那么很有可能闸门在 2 这点被误认为又有一个新的触发信号送入。但是，此时一个周期的待测信号并没有被扫描完成。因此扫描并不能够同步。显然，如果在图 3.4 中选择 1 点为扫描电压产生的触发点，也就是触发信号的上升边沿。那么就可以保证闸门不被误触发。因此触发门控可以选择成一种上升沿触发锁存器组合电路结构来作为闸门6。根据上面的论证，时基闸门电路应该完成逻辑功能如表 2 所示。表 2 时基闸门控制真值表时钟信号工作方式释抑信号输出自动HH自动HH常态HHU/v本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文）第 19页共 54 页常态HH自动LL自动LL常态LL常态LL为了防止在扫描信号发生器工作中时基闸门不被误触发，闸门可以选用上升沿双D 触发器 74LS74 来构成，关于 74LS74 的介绍，请见附录 B。通过表 2 可以得出，闸门电路可由构成比较电压的触发同步电路和扫描闸门翻转电路两部分组成，下面就分别对其进行介绍。（2）时基闸门电路设计在整个时基闸门电路中，根据时基闸门的工作过程。可将闸门分成触发同步电路、触发控制电路两个部分进行设计。下面就分别对这两个部分进行设计。（a