毕业设计（论文）双踪示波器的电路设计(三)—水平放大电路的设计

本科毕业设计说明书（论文） 第 53 页 共 49 页1 绪论现代科技的发展离不开各种仪器仪表的帮助，示波器便是一种功能强大用途广泛的仪器。示波器是用来显示、测量被观察信号的波形与参数，并能够记录、存储、处理待研究变化过程中信息的多用途电子显示仪器。它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的变化过程。示波器可以利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点。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的变化曲线1。本论文对示波器的特性和功能做了简要的论述,在比较数字示波器与模拟示波器的X通道放大器工作原理和组成方案的基础上，论述和设计了20M双踪示波器的水平电路和校准电路组成方案。对电路设计过程中器件参数的选择作了详细的分析，对设计过程中遇到的问题提出了解决方案。1.1 示波器的功能作用电子示波器不但可以观察电信号的波形，而且还可以测量频率、周期、幅度、相位、功率等多种电参量。近代示波器对微微级的快速脉冲和变化极其缓慢的信号都可作定性和定量分析。此外，通过换能器还可以测量压力、速度、温度、声、光等非电量。随着生产和科学技术的迅速发展，电子示波器的性能日趋提高，品种日益增多，结构更加完善，已广泛地应用到物理学、化学、生物学、数学、医学等各种学科领域和电子工程、钢铁冶炼、仪器仪表、计算技术、雷达导航、自动控制、宇宙飞行等各种工程技术之中了2。1.2 示波器的主要分类示波器的分类繁多。依据示波器的工作原理，可将测量示波器分为两大类。第一类是电子示波器。这是用阴极射线管(CRTCathode Ray Tube)显示波形和符号的示波器，即阴极射线示波器(CROCathode Ray Oscilloscope)，或叫电子测量示波器，简称示波器1。第二类是电磁示波器。它采用磁电式振动子由光线将波形显示在毛玻璃屏幕上或记录在对紫外线感光的专用记录纸上。电磁示波器也叫做磁电式示波器，俗称振子示波器或光线示波据。 通常，又将电子示波器划分为五种类型。（1）通用示波器它采用单枪示波管作为显示器，是能定性、定量地观测信号的示波器。（2）多束与多踪示波器 采用多枪或多束示波管显示波形的示波器叫做多束或多线示波器；采用单枪单束示波管经变换进行多踪或多迹显示波形的示波器叫做多踪或多迹示波器。这类示该器能同时定性、定量的观测与比较两个以上信号的波形。多束(多线)、多踪(多迹)示波器的型号国内用汉语拼音字母“SR”表示。例如SR6型双线示波器、SR2型四踪示波器、SR13型双踪双时基示波器2。（3）取样示波器这是一类依据取样原理，对高频信号取样变换成低频信号，然后用普通示波管显示波形的示波器。取样示波器的型号用汉语拼音字母“SQ”表示，例如的SQ12型、SQl3型及SQ22型取样示波器等。（4）记忆示波器这是一种采用记忆示波管、具有存储信号功能的示波器。记忆示波器的型号用汉语拼音字母“SJ”表示。例如国产SJ1型记忆示波器即是能模拟存储信号的示波器。（5）特种示波器指不属于以上四种类型，能满足特殊或专门用途或具有待殊装置、特别功能的示波器。我国用汉语拼音字母“SZ”表示特种示波器的型号，如SZ6型电视示波器、SZ5型矢量电平示波器、SZ4型XY示波器等。近年来问世的数字存储示波器、数据处理示波器、逻辑分析仪以及其他新型专用示波器也被归类为特种示波器。按照电子示波器采集测量数据和显示波形的原理和特点，现代电子示波器还可分为模拟示波器、数字示波器(包括数字存储示波器和具有CRT数字读出功能的示波器)与模拟/数字混合型示波器三大类。其中，数字示波器可以分为数字存储示波器( DSO)、数字荧光示波器( DPO)和采样示波器。2 总体方案论证通用示波器品种繁多，电路各异。但主要由四个部分组成：垂直系统(主要是垂直放大)、水平系统(主要是扫描和水平放大) 、显示电路和低、高压电源。示波器电路基本结构方框图如图2.l所示。被测信号由Y轴输入端送至垂直系统，经内部Y轴放大电路放大后加至示波管的垂直偏转板，控制光点在荧光屏垂直方向上移动。水平系统中扫描信号发生器产生锯齿波电压（亦称时基信号），经放大后加至示波管的水平偏转板，控制光点在荧光屏水平方向上匀速运动。示波管用来显示被测信号的波形。加至示波管垂直偏转板上被测电压使光点垂直运动，加至水平偏转板上的锯齿波电压使光点沿水平方向匀速运动，二者合成，光点便在荧光屏上描绘出被测电压随时间变化的规律，即是被测电压波形2。外输出输入电路Y前置放大器延迟线Y后置放大器触发整形电路扫描发生器水平放大电路校准信号发生器低压电源高压和显示电路Z轴电路至各电路Y轴输入外触发输入外X输入外Z轴输入示波管内图2.1 示波器电路基本结构方框图2.1 示波器的基本构成电路及作用 2.1.1 示波器的基本构成示波器主要由示波管、Y轴偏转系统、X轴偏转系统、控制电路、电源校准信号源组成。各部分电路介绍如下：示波管：示波管是示波器的核心部分，它的功能是把电信号转变为光信号。示波管主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成3。电子枪包括灯丝F、阴极K、控制栅极G、第一阳极A1、第二阳极A2和第三阳极A3等。其中灯丝用来加热圆筒形阴极，使阴极发射电子。电子在控制栅极G（中间有一小圆孔的圆筒形）和第一阳极A1所形成的电场作用下沿轴向运动，形成电子束。偏转系统包括一对Y偏转板和一对X偏转板，每对偏转板的两板相互平行，两对偏转板之间相互垂直。Y偏转板控制电子束沿Y轴方向上下运动，X偏转板控制电子束沿X轴方向左右移动。荧光屏的内表面涂有荧光物质，荧光物质在高速电子的轰击下发光，形成光点。特别值得指出，在使用示波器时，不能让光点长时间停留在一点上，以免烧坏该点的荧光物质，以后在该点上留下不能发光的暗点。同样道理，也不能使光点或扫描线过亮4。Y轴偏转系统(垂直偏转电路)：Y轴偏转系统即Y轴通道、Y信道，或称垂直通道电路。它是输入被测信号的主要通道。由了被测电压信号往往很小，须经放大后才能送到示波管的Y轴偏转板垂直偏转板，所以要设置Y轴放大器，Y轴放大电路由前置放大器和输出放大器构成，为了能观测较大的信号，Y轴输入电路还接有衰减器，为达到扩展频带和观测快速单次瞬变现象，示波器的Y轴电路还具有触发信号放大器和延迟网络。X轴偏转系统(水平偏转电路)：X轴偏转系统即X轴通道、X信道，也称时基单元或水平通道电路。它主要由扫描发生器和水平放大器组成。扫描发生器通常是锯齿波振荡器。该振荡器所产生的锯齿波电压经X轴放大器放大后，送至水平偏转板，使电子束在荧光屏上形成与时间成正比的水平位移，即形成为时间基线。这样可将随时间变化的被测信号的波形展现在荧光屏上。为了使波形稳定，扫描锯齿波的频率必须与被测信号的频率成线性关系，因而水平电路系统要有触发和同步电路。此外，还设置有增辉和消隐电路，用于提高显示波形的亮度并抹去电子束在荧光屏上的回扫痕迹。控制电路：通用示波器的控制电路可由逻辑电路设计组成。现代示波器的控制电路由微处理器和相应的外部芯片完成逻辑控制功能。当然,这部分电路可采用包括RAM和ROM的微控制器(单片机)芯片来构成4。控制电路的重要功能是控制示波器(主要是数字示波器、智能示波器)的测量工停流程，接收键盘和其他输入信号，完成自检、测量、运算、存储、判断和有关的信息采集、处理、显示、传输、优化等控制功能。电源：示波器的电源供给示波管的高压、偏压、灯丝电压以及放大器、扫描发生器等各部分线路的供电电压。电源电路包括电源变压器，整流、滤波、稳压电路和电源变换器等。校准信号源：为在测量前校准示波器的偏转因数和时基，以求获得较准确的定量测量结果，在电子示波器内设置有校准信号。该校准信号具有确定的幅度和频率。通常是矩形波或方波，便于探极(探头)的校准，也可以是正弦波，从示波器面板上的专门输出端引出。2.1.2 示波器基本电路的功能如图2.1所示，各电路的功能如下。低压电源：给仪器各电路提供各档稳定的直流电压。高压和显示电路：提供示波管正、负直流高压以及辉度、聚焦和辅助聚焦调节等直流控制电压。Z轴电路：输出扫描增辉脉冲的放大信号，使屏幕上扫描正程期间显示的波形加亮，以便清晰地显示测量的波形。也可用外Z轴输入调制显示波形变暗。校准信号电路：它是机内的校准信号源。用来产生一个准确幅度和频率的信号(通常是对称方校)，对Y灵敏度、扫描时间因数或探极进行校正。输入电路：该电路具有信号输入交、直流耦合开关、高阻输入衰减器、阻抗转换器等电路，还具有灵敏度粗调、直流平衡等控制作用。Y前置放大器：将Y输入信号进行适当放大，单端输入信号转换成推挽输出信号，并从中取出内触发信号的电路。具有灵敏度微调和校正，Y轴位移等控制作用。延迟线：给Y轴输入信号有一定的延迟时间，并使该延迟时间大于水平扫描引入的延迟时间，使于在屏幕上完整地观察和测量所显示脉冲波形参数(如：前沿、上冲)。后置放大器：格前级推挽信号放大到足够幅度，用以驱动示波管的垂直偏转板，使光点在屏幕垂直方向按信号幅度移动。Y轴电子开关：用来控制垂直系统各前置放大器(如Y1、Y2等)的工作状态，使被测信号导通或断开。这样，采用单枪示波管可同时显示两个或多个信号波形的功能。内触发放大器：将弱的内触发信号适当放大(并提供相应的直流电平)，以满足触发整形电路输入灵敏度的要求5。触发整形电路：将不同波形的输入触发信号，转换成一定幅度的触发脉冲信号。它具有触发电平调节、触发极性转换、触发源、耦合方式、触发方式选择等控制作用。扫描发生器：在对应Y输入信号时间关系的触发脉冲作用下，产生线性交化的锯齿波扫描电压和增辉脉冲。它具有扫描时间因数的粗细调节、稳定度等控制作用。水平放大器：将扫描电压放大到足够幅度，去推动示波管的水平偏转板，使光点在屏幕水平方向偏转。有X位移和扩展等功能。延迟比较电路：获得所需的延迟时间，再启动被延迟扫描电路工作。增辉合成电路：A/B双扫描工作时，对应不同水平显示方式：A、B加亮A、B等，输出相应增辉脉冲。2.2 波形显示原理通常示波器是观察被测电压信号的波形，即vY=f (t)的图形。要求荧光屏上不失真地呈现vY=f(t)，则要求垂直偏转距离y正比于vY，水平偏转距离x正比于时间t。由于，因此只要将被测电压直接加到Y偏转板上，就可以使y 正比于vY。同样由于，只要水平偏转板上所加电压vX是随时间线性变化的波形，就可以使光点在荧光屏水平方向上匀速运动，即偏转距离x正比于时间t。vX的波形如图2.2所示，称为锯齿波电压或线性扫描电压。其中，Tf 为扫描正程时间，Tb 为扫描逆程时间，T为扫描周期，VXm为扫描电压幅度。产生扫描电压的电路称为锯齿波发生器或扫描电压发生器3。图2.2 扫描电压波形下面以vY为正弦波的情况为例，解释示波器是如何在荧光屏上形成图形的，参见图2.3的示意图。设vX的周期T等于正弦信号vY的周期TY。当t = 0时，vY = 0，vX = 0，光点在荧光屏上的0点。t=t1时，vY = VYm，vX = VX1，这两个电压同时作用，使光点在垂直方向上移动距离y=Y1，在水平方向移动距离x=X1，光点落在荧光屏的1点。同理，在t2 、t3 和 t4刻，光点落在荧光屏的2、3和4点，t从t4变到t5时，vY从VY4变到0，而vX 从最大值VXm变到0，使光屏上的光点从4点回到0点（即原点位置）2。下一个周期重复上述过程，如此循环下去，光点运动反复多次，荧光屏上便显示出明亮而稳定的正弦波形了，人的视觉感觉到一个亮的图形。Ty=T时荧光屏上扫描后的波形如图2.4所示。 图2.3 Ty=T时荧光屏上形成图形过程图2.4 Ty=T时荧光屏上扫描后波形当被测电信号的周期确定后，可改变扫描电压的周期T，来改变荧光屏上显示图形的周期数。例如，T = 2TY时，荧光屏上显示两个周期的图形，图形形成过程如图2.5所示，扫描后形成的波形如图2.6所示。T = nTY时，荧光屏上显示出n个周期的图形（n为整数）。图2.5 T = 2TY荧光屏上形成图形过程图2.6 T = 2TY 时荧光屏上扫描后波形以上分析表明，扫描电压的幅度VXm决定了荧光屏上显示图形在水平方向上的宽度，而扫描电压的周期T决定了显示波形的周期数。还需要指出，扫描电压在扫描正程时间内的线性是一项十分重要的技术指标。在扫描正程时间内，若扫描电压随时间严格按线性规律变化，则电子束在水平方向上的运动是匀速的，电子束从左到右的扫描速度均相等，显示的波形不会失真。如果扫描电压不是随时间线性变化，电子束在水平方向上的运动不是匀速的，从左到右的扫描速度不等，扫描速度快的地方，波形在水平方向上变疏，扫描速度慢的地方，波形则变密8。因此，对扫描信号发生器的基本要求是能输出频率、幅度均可调节，且具有良好线性的锯齿波形。2.3 示波器的双踪显示2.3.1 双踪示波器的显示原理在生产和科研中，常常需要同时观测几个信号，测量它们之间的时间、相位及幅度关系。实现这些多波形显示常采用多线显示、多踪显示和双扫描显示等。在示波器实现双踪显示时为了保持荧光屏显示出来的两种信号波形稳定，则要求被测信号频率、扫描信号频率与电子开关的转换频率三者之间必须满足一定的关系。首先，两个被测信号频率与扫描信号频率之间应该是成整数比的关系，就是让锯齿波电压的扫描起点自动跟着被测信号改变，这被称作 “同步”。这一点与单线示波器的原理是相同的，只是被测信号有两个，而扫描电压只有一个1。为了使荧光屏上显示的两个被测信号波形都稳定，除了要满足上述要求外，还必须合理地选择电子开关的转换频率，使得在示波器上所显示的波形个数合适，以便于观察。显然，电子开关的转换与X轴的扫描始终保持着一致的步调，即电子开关的转换频率等于X轴扫描信号的频率。采用“断续”转换和采用“交替”转换方式的波形示意图与双线示波法所显示的波形非常相似，它们都没有间断点。但由于被测信号的波形是依次交替地出现在荧光屏上的，所以，如果交替的间隙时间超过了人眼的视觉暂留时间和荧光屏的余辉时间，则人们所看到的荧光屏上的波形就会有闪烁现象。为了避免这种情况的出现，就要求电子开关有足够高的转换频率。这就是说当被测信号的频率较低时，不宜采用“交替”转换工作方式，而应采用“断续”转换工作方式。当电子开关用“断续”转换工作方式时，在X轴扫描的每一个过程中，电子开关都以足够高的转换频率，分别对所显示的每个被测信号进行多次取样。这样，即使被测信号频率较低，也可避免出现波形的闪烁现象。同时，由于在一次扫描的过程中，光点在两个图形上交换的次数极多，所以图形上的细小断裂痕迹不显著，并不妨碍对波形细节的观察。由于开关的转换频率选得远大于X轴扫描频率，所以荧光屏上显示的图形不会是断续图形，而是连续的图形。2.3.2 双踪示波器的显示方式双踪示波器可以有五种显示方式（1）“Y1”通道Y1单独工作，电子开关电路工作于双稳态的某一个稳态，Y1通道信号被送入垂直偏转板。（2）“Y2”通道Y2单独工作，电子开关电路工作于双稳态的另一个稳态，Y2通道信号被送入垂直偏转板。（3）“Y1Y2”两通道同时工作，电子开关打开，两通道同时畅通，Y1、Y2信号在公共通道放大器中进行代数相加后送入垂直偏转板。Y2通道的前置放大器内设有转换开关，可改变输入信号极性，从而实现两信号的“和”或“差”功能。与普通示波器相同，以上三种显示均为单踪显示方式，只显示一个被测信号的波形。（4）“交替”转换方式，电子开关将两通道信号轮流加于垂直偏转板，扫描电路控制电子开关转换频率，使其与扫描频率相等。在“交替”方式工作时，若第一周期电子开关使Y1门接通，则显示Y1输入信号波形；第二扫描周期，电子开关接通Y2门，则显示Y2输入信号波形，如此重复，并在荧幕上轮流显示出两个信号波形。若被测信号周期不大长，那么利用屏幕的余辉和人眼的残留效应，我们会感觉到屏幕是同时显示出两个波形。（5）“断续”转换方式，电子开关工作于自激振荡状态，其扫描频率远低于转换频率，它不受扫描频率控制，在一次扫描时间内，电子开关转换多次，控制Y1、Y2两个通道轮流显示出两个波形，所以，在屏幕上看到的是由若干取样光点所构成的“断续”波形。只有当转换频率远高于被测信号频率时，人眼看到的波形才是连续的。2.4 水平放大电路方案论证水平放大器主要用来放大扫描锯齿波电压，将单端信号放大并变成双端差分输出，去驱动示波管水平偏转板。为了无失真地放大扫描波电压，水平放大器需有一定的带宽度和较大的动态范围。输出级通常采用具有低输出阻抗的并联电压负反馈放大电路，选用高反压、小电容、中功率的高频晶体管，并用NPN型和PNP型两种器件构成互补输出级，实现水平放大末级电路输出低阻抗、高增益、快响应、大幅度的各项要求6。2.4.1 数字示波器水平放大电路方案数字示波器是是将被测信号经数据采集，A/D转换，软件编程等一系列的技术制造出来的高性能示波器。数字示波器一般支持多级菜单，能提供给用户多种选择，多种分析功能。还有一些数字示波器可以提供存储，实现对波形的保存和处理。数字示波器的总体系统框图如图2.7所示。高频晶振选通89C51INT0计数器双口ROMLCD键盘显示模拟开关电平抬升电路放大电路触发电平调节电路A/D被测信号图2.7 数字示波器系统框图数字示波器的X通道放大器由地址计数信号经A/D转换为阶梯锯齿波，经X输出放大器放大后送至X偏转板，由液晶显示屏（LCD）显示被测信号的波形和相关参数。数字示波器具有波形触发、存储、显示、测量、波形数据分析处理等独特优点。并且可以存储之前测量的波形和数据。但其价格较为昂贵，一般只有大型企业和研究所使用7。2.4.2 模拟示波器水平放大电路方案模拟示波器的X通道放大器用来放大扫描电路输出的锯齿波时基电压信号。当设置示波器为XY显示方式时，X通道放大器还用于放大来自X通道输入端的X轴信号，使X通道信号和Y通道的信号同时作用于示波管的水平偏转板与垂直偏转板，显示被测信号的波形。与Y通道放大器一样，X通道放大器不仅要将单端输入的锯齿波信号进行放大，而且还要将其变换为双端对称输出电压，以能作用到示波管的水平偏转板，驱动示波管电子束沿X轴方向偏转。虽然对示波器X通道频带宽度和增益等指标的规定通常并不高于Y通道的技术参数，但对X通道放大器的技术要求同样是严格和明确的。具体要求如下所示：（1）X通道放大器要有满足产品设计要求的频带宽度和较大的动态工作范围，几乎不失真地放大锯齿波扫描电压和X轴输入信号；（2）X通道末级放大器即输出放大器应具有高增益、快响应、大幅度和低阻抗输出；（3）将单端输入变为对称双端输出；（4）设置移位、增益与相位调节、时基扩展等功能；（5）要有级间的阻抗匹配与隔离措施；（6）具有时基扫描与XY工作方式及转换功能等。为满足上述要求，X通道放大器均采取宽带多级直接耦合平衡放大器，通常由前级对称差分放大器和末级并联电压负反馈放大器组成，选用高反压、小极间电容、中功率的高频NPN与PNP两种晶体管器件构成互补输出级，可具有良好的线性和低值输出阻抗。X通道水平放大器的典型电路结构框图如图2.8所示。BA对称输出X输出放大器前置放大器倒相放大器衰减器源极跟随器延时补偿电路去X偏转板X输入自扫描电路S图2.8 水平放大电路组成框图X轴信号首先经过输入级电路的电平衰减、阻抗隔离和延时补偿电路作用，再由开关S置于B接入到放大器电路进行放大。此时，示波器的工作方式是XY显示工作方式。当开关S打到A的位置时，将扫描锯齿波引入到X通道放大器进行倒相增幅，这时为示波器的YT工作方式。在X通道各级放大器电路中，通过控制增益或直流电平的方法，达到调节电子束水平移位、放大增益微调、X扩展以及寻迹等功能。2.5 校准信号源方案凡测量示波器都具有内部校准信号源，输出固定幅度和频率的脉冲信号，用于测量前或测量过程中对示波器垂直通道电子束偏转灵敏度和水平通道扫描时间因数或扫速的校准。校准信号应具有较高的准确度，它的技术指标直接影响在示波器的荧光屏或屏幕上进行定量测试和取得数值测量结果的准确度。示波器校准电路部分框图如图2.9所示。正弦振荡器限幅放大器跟随器分压器信号输出图2.9 校准信号源组成框图在示波器电路设计方案中，通常采用方波信号发生器电路作为校准信号源频率多取为1kHz，经分压器输出。用方波可校准探极。产生校准信号的振荡器可由自激多谐振荡器、LC正弦振荡器、集成测量信号源等电路实现。在此选用：正弦振荡器、限幅放大器、跟随器、分压器组成的电路实现校准电路，输出1kHz2VPP的矩形波。振荡器输出的信号经限幅放大，由跟随器隔离并经分压与电位器微调，可获得所要求电平的幅度校准信号。在振荡器是正弦振荡电路的情况下，在其下一级应接入限幅放大器以将正弦波变为稳定振幅的矩形波。由于多谐振荡器输出为固定的矩形波，所以多谐振荡器的下一级可不加限幅放大器。2.6 设计方案比较模拟示波器与数字示波器相比较具备以下优点：（1）操作简单：全部操作都在面板上可以找到，波形反应及时，数字示波器往往要较长处理时间。（2）垂直分辨率高：连续而且无限级，数字示波器分辨率一般只有8位至10位。（3）数据更新快：每秒捕捉几十万个波形，数字示波器每秒捕捉几十个波形。（4）实时带宽和实时显示：连续波形与单次波形的带宽相同，数字示波器的带宽与取样率密切相关，取样率不高时需借助内插计算，容易出现混淆波形。简而言之，模拟示波器为工程技术人员提供眼见为实的波形，在规定的带宽内可非常放心进行测试。对比上述两种方案：模拟示波器电路简单，性能好。并且价格便宜，适合在学校和中小企业使用，性价比较高。因此根据设计任务书的要求，本课题选择模拟示波器方案设计水平放大电路和校准信号源部分。3 电路设计在本章节将详细阐述分析水平放大电路与校准信号源的各组成电路，分析其功能，对部分元件的选择做出了计算分析。3.1 水平放大电路的设计为了将扫描电路所产生的锯齿波电压信号予以不失真的放大至满足示波管水平偏转板灵敏度的要求，示波器采用了水平放大电路。对水平故大电路的要求是，放大倍数、频率响应特性能够适应示波器扫描范围的需要，而且要求电路的非线性失真小，有对称输出。为了使用方便，要求水平放大电路的增益和对称输出端相对直流电位均可持续调节，以达到沿水平方向随意调节波形大小和位置的目的。本课题对电路的要求为工作电压：DC24V、DC200V，频率宽度：01MHz，输出幅度：90Vpp，线性误差：3。X通道放大器可采取宽带多级直接耦合平衡放大器来设计，通常由前级对称差分放大器和末级并联电压负反馈放大器组成，选用高反压、小极间电容、中功率的高频NPN与PNP两种晶体管器件构成互补输出级，可具有良好的线性和低值输出阻抗。3.1.1 射极跟随器电路设计射极跟随器又称共集电极放大电路，为满足设计要求，集电极不接地而接-12V。它的电路模型如图3.1所示。图3.1 射随器电路如上图3.1所示，图中U0信号指的是由示波器触发整形电路送出的X轴信号，U1信号指的是经射随器电路放大以后的X轴信号。当电路用于显示XY图形时，开关电路JC1使外接X轴信号电路导通，即共集电级三级管V1处于导通状态。经过Y通道前置放大器放大和内触发放大的X轴信号加于V1的基级，经三极管V1放大后，由发射级输送给下一级电路进行增幅放大。射随器电路的输入电压和输出电压近似相等，对于电压该电路没有放大能力，只对电流有放大能力7。为使三极管满足电路要求，选用高反压、小极间电容、中功率的PNP三级管V1。该三极管放大倍数为=30，集电极导通电压为，取集电极电流，为满足电路工作需求三极管压降Vce=15V。 式（3.1）所以可得： 式（3.2）在这里电阻R2取标称值3K。因为： 式（3.3）所以： 式（3.4）因为： 式（3.5） 式（3.6）取。所以： 式（3.7）取标称值电阻R1阻值为10K。3.1.2 单端输入双端输出电路设计如图3.2单端输入双端输出电路所示，信号U0由三极管V1的基极输入，由三极管V1和V2的集电极输出信号U1和U2。电阻R3与R8为隔离电阻，保证三极管的工作稳定。电位器R1用来调节X外部位移，电位器R6用来调节X内部位移。图3.2 单端输入双端输出电路当输入信号U0送至三极管V1时，添加一个由三极管V2构成的电路来实现信号的单端输入对双端输出，信号U1与U2分别由三极管V1与V2的集电极输出。在单端输入、对称输出的差动放大电路中，输入信号加在一个管子的输入端，而另一个管子的输入信号是取自两管共用的阴极(射级)电阻，故又称为阴极(射极)耦合放大电路。这种耦合方式输入的信号极性正好与加到单端差动电路输入端被放大信号的极性相反。为了使两者在数值上相等，阴极(射极)电路中的信号取样电阻必须有一定的数值。这个数值不一定正好满足静态工作点的要求，故在具体的示波器阴极(射极)耦合电路中，信号取样电阻仅仅是静态偏置电阻的一部分8。为实现这一功能，选用的三极管为PNP型。三极管V2的集电极导通电压为VBEQ=0.7V, 放大倍数=30。取集电极电流为。为满足电路需求，三极管V2压降。所以： 式（3.8）R103取标称值2K,同理R5也取2V。因为： 式（3.9） 式（3.10）所以： 式（3.11）取标称值R8等于4.7K，同理R3也为4.7K。在上述单端输入双端输出电路中，电容C1与C2主要的作用为滤波。保证电路信号的输出与三极管V2电路一致。 式（3.12） 式（3.13）因为设计的示波器频率fL=20M,所以： 式（3.14）所以取C1=0.01f,同理C2也取0.01f。3.1.3 差分放大电路设计三极管V1与V2组成一级差分放大电路，信号U0由三极管V1的基极输入，信号U2由V1集电极输出，信号U1由三极管V2的基极输入，信号U2由V2集电极输出。这是一种双端输入双端输出的接法，如图3.3所示。图3.3 差分放大电路三极管V1与V2特性相同，元件参数之值相等。这种电路一般有两个输入端、两个输出端。两输入信号之差为电路的输入信号；两管阳极(或集电极)输出电压之差为电路的输出信号。二极管V1与V2的导通与否决定了电路工作于“1”或“10”状态，电位器R7用于调节电路工作于“10”状态时的增益。由于两管电路对称，元件参数也全部对称，因而电源电压的变化和管子温度的不稳定性均不会在其输出端引起漂移。所以，这种电路的“零点漂移”小且稳定性高。为了观测直流信号，目前国产大部分示波器都采用这种平衡式直流差动放大电路。这种电路级间是直接耦合的，它可以做到在保证足够稳定度的情况下得到足够大的放大倍数。在示波器的具体电路中，随着应用场合的不同，有时它是单端输入，有时则为对称双端输入；而其输出则是采用双端对称输出，以便保证示波管有最好的工作状态9。3.1.4 “1”与“10”控制电路设计三极管V1与V2构成“1”与“10”控制电路，如图3.4所示。图3.4 “1”与“10”控制电路电路工作于“1” 还是“10”状态，由一级差分放大电路决定。当一级差分放大电路的两个二极管V3和V4都不导通时，三级管V5起作用，电路工作于“1”状态。当二极管V3和V4都导通时，三极管V6起作用，电路工作于“10”状态，其中电位器R7用于控制“10”状态的增益调节。在“1”与“10”控制电路中，采用共基极放大电路，用来保证静态工作点的稳定。3.1.5 X末级放大器设计经一级差分放大电路放大后的信号U0被送至X末级放大器，最后输出信号U1送至X偏转板。电路如图3.5所示。位于三极管V1与三极管V2之间的电容C1为隔离电容，它的作用为防止电路之间的相互影响，根据经验，取C1=C2=0.01uF。电容C2和C3的作用为滤去高频，用于滤波。三级管V1是一个恒流源电路，负载为电阻R1。它可以保证电路的稳定工作。与三极管V2基极相连的电阻R5可以起到分流的作用12。图3.5 X末级放大电路如图3.5所示，三极管V1与V2构成共基极放大电路，根据电路需求，三极管V1导通电压为0.7V，集电极电压，发射级电压。取集电极电流，三极管放大倍数为=40。所以： 式（3.15） R1取标称值1.5K。因为： 式（3.16） 式（3.17） 式（3.18）取电阻R2阻值为100K。3.2 校准信号源电路设计校准信号源电路用于产生一个频率为1KHz,幅度为2VPP的矩形波。3.2.1 正弦振荡器电路设计三极管V1与三极管V2构成正弦振荡器电路，如图3.6所示。图3.6 正弦振荡器电路它的振荡频率由电阻R1，电容C1以及电位器R2决定，其中电位器R2可以用于调节输出波形的频率，取R1=10K，R2=10K。电容C1为级间隔离电阻，C1的充放电过程会形成脉冲，产生的信号最终送入芯片74LS74的3脚进行整形 13。根据经验取C1=0.022F。为满足电路工作要求，三极管V1的导通电压为0.7V，。取三级管的集电极电流。所以： 式（3.19） 式（3.20）取标称值R3=30K。 式（3.21） 式（3.22）所以输出频率为1KHz。3.2.2 射随器电路设计三极管V1构成是射极跟随器电路，电路如图3.7所示。图3.7 射随器电路如图3.7所示射随器电路可以用于防止负载对振荡频率和幅度产生的影响。电容C2和电阻R5并联是为了减小对高频信号的阻抗，用于提高响应速度。电位器R3用于调节输出方波的幅度。由74LS74的5脚输出的信号输入三极管V1的基极，经调整幅度后输出固定的矩形波。为满足电路需求，三极管基极电压为，取，三极管放大倍数为=100。因为： 式（3.23） 式（3.24）所以： 式（3.25）取电阻R1阻值为12K。3.2.3 74LS74芯片介绍74LS74芯片是一个典型的维持阻塞D触发器电路芯片，它包含两个相同的、相互独立的边沿触发D触发器电路模块。结构简单，简单构思巧妙，抗干扰性好14。其引脚图如图3.9所示。需要分频的信号接CLK，输出反馈接到输入D端。CLR和PR是清零端和置1端，都是低电平有效。不用的话就把它们接无效电平，即都接高电平即可。需要控制清零和置1就把它们接到控制端15。图3. 9 74LS74引脚图74LS74各引脚功能如表1所示。表1 74LS74各引脚功能描述引脚号引脚代码引脚功能参数：R+/R-备注1CLR1复位信号9.10/4.381.该集成块为14脚封装。2.电源：14脚为+5V。3.复位：1脚、13脚。4.主要用途：双D触发器。2D1触发信号/4.713CLK1时钟信号9.10/4.914RP1控制/4.685同相位输出3.71/3.006反相位输出/6.287GND地0/08反相位输出/6.289同相位输出3.71/3.0010RP2控制0.21/0.2111CLK2时钟信号/4.2012D2触发信号0.33/0.3313CLR2复位信号9.10/4.3814电源0.21/0.214 电路的安装与元件选择本章对电路的调试与元器件的选择过程作了详细的阐述。4.1 电路的安装首先，安装示波器的电路板，将其固定后后用平头螺丝旋紧。让后将示波器的的外围螺丝安上旋紧。将各电路板的排线进行焊接，在焊接的过程中要注意排线的顺序，不可颠倒，同时不可以虚焊。当所有的接线焊接完成后，电路板部分安装完成。然后是安装示波管，首先要将示波管的支架固定安装好，然后将示波管固定好。待这一切完成后，将示波管与电路板的接口接好，在接的时候要注意对好各个接口，不可接错。至此示波器的主体部分安装完成，然后完成对示波器的调试。最后将外壳安装固定好，至此示波器的安装过程完成。4.2 电路元器件的选择正确的选择和使用电子元器件是提高电子整机技术性、稳定性、可靠性、安全性重要条件。4.2.1 电阻器的选用电阻器有不同的分类方法。按材料分，有碳膜电阻、水泥电阻、金属膜电阻和线绕电阻等不同类型；按功率分，有不同额定功率的电阻；按电阻值的精确度分，有精确度为5%、10%、20%等的普通电阻，还有精确度为0.1%、0.2%、0.5%、l%和 2%等的精密电阻。电阻的类别可以通过外观的标记识别。电阻器的种类有很多，通常分为三大类：固定电阻，可变电阻，特种电阻。在电子产品中，以固定电阻应用最多。而固定电阻以其制造材料又可分为好多类，但常用、常见的有RT型碳膜电阻、RJ型金属膜电阻、RX型线绕电阻，还有近年来开始广泛应用的片状电阻。型号命名很有规律，第一个字母R代表电阻；第二个字母的意义是：T碳膜，J金属，X线绕，这些符号是汉语拼音的第一个字母。在国产老式的电子产品中，常可以看到外表涂覆绿漆的电阻，那就是RT型的。而红颜色的电阻，是RJ型的。一般老式电子产品中，以绿色的电阻居多。为什么呢？这涉及到产品成本的问题，因为金属膜电阻虽然精度高、温度特性好，但制造成本也高，而碳膜电阻特别价廉，而且能满足民用产品要求。电阻器当然也有功率之分。常见的是1/8瓦的“色环碳膜电阻”，它是电子产品和电子制作中用的最多的。当然在一些微型产品中，会用到1/16瓦的电阻，它的个头小多了。再者就是微型片状电阻，它是贴片元件家族的一员，以前多见于进口微型产品中，现在电子爱好者也可以买到了国产产品用来制作小型电子装置。电阻器选用的三项基本原则：（1）选择通过认证机构认证的生产线制造出的执行高水平标准的电阻器。（2）选择具备功能优势、质量优势、效率优势、功能价格比优势、服务优势的制造商生产的电阻器。（3）选择能满足上述要求的上型号目录的制造商，并向其直接订购电阻器。固定电阻器有多种类型，选择哪一种材料和结构的电阻器，应根据应用电路的具体要求而定。高频电路应选用分布电感和分布电容小的非线绕电阻器，例如碳膜电阻器、金属电阻器和金属氧化膜电阻器等。高增益小信号放大电路应选用低噪声电阻器，例如金属膜电阻器、碳膜电阻器和线绕电阻器，而不能使用噪声较大的合成碳膜电阻器和有机实心电阻器。线绕电阻器的功率较大，电流噪声小，耐高温，但体积较大。普通线绕电阻器常用于低频电路或中作限流电阻器、分压电阻器、泄放电阻器或大功率管的偏压电阻器。精度较高的线绕电阻器多用于固定衰减器、电阻箱、计算机及各种精密电子仪器中。所选电阻器的电阻值应接近应用电路中计算值的一个标称值，应优先选用标准系列的电阻器。一般电路使用的电阻器允许误差为5%10%。精密仪器及特殊电路中使用的电阻器，应选用精密电阻器。所选电阻器的额定功率，要符合应用电路中对电阻器功率容量的要求，一般不应随意加大或减小电阻器的功率。若电路要求是功率型电阻器，则其额定功率可高于实际应用电路要求功率的12倍。4.2.2 电容的选用电容器通常叫做电容。因电容的用途、结构及材料不同，电容的种类很多。根据电容的结构和容量是否可调，可将电容分为3大类：固定电容、半可变（微调）电容、可变电容。电容器的性能、结构用途等在很大程度上取决于电容器的介质，因此，电解质常以电解质来分类。可大致分为：有机介质（包括复合介质）电容器，如纸介电容器、塑料薄膜电容器、纸膜复合介质电容器、薄膜复合介质电容器等；无机介质电容器，如云母电容器、玻璃釉电容器、陶瓷电容器等；气体介质电容器，如空气电容器、真空电容器、充气式电容器等；电解电容器，如铝电解电容器、铌电解电容器等。（1）选择合适的型号一般在电路中用于低频耦合、旁路去耦等，电气性能要求不严格时可以采用纸介电容器、电解电容器等。低频放大器的耦合电容器，选用1F22F的电解电容器。旁路电容器根据电路工作频率来选，如在低频电路中，发射极旁路电容选用电解电容器，容量在10F220F之间，在中频电路中可选用0.01F0.1F的纸介、金属化纸介、有机薄膜电容器等；在高频电路中，则应选用云母电容器和瓷片电容器。在电源滤波和去耦电路中，可选用电解电容器。因为在这些场合中对电容器的要求不高，只要体积允许、容量足够就可以。（2）合理选择精度在旁路、退耦、低频耦合电路中，一般对电容器的精度没有很严格要求，选用时可根据设计值，选用相近容量或容量略大些的电容器。但在另一些电路中，如振荡回路、延时回路、音调控制电路中，电容器的容量就应尽可能和计算值一致。在各种滤波器和各种网络中，对电容量的精度有更高要求，应选用高精度的电容器来满足电路的要求。（3）确定电容器额定工作电压电容器的额定工作电压应高于实际工作电压，并留有足够余量，以防因电压波动而导致损坏。一般而言，应使工作电压低于电容器的额定工作电压的10%20%。在某些电路中，电压波动幅度较大，可留有更大的余量。电容器的额定工作电压通常是指直流值。如果直流中含有脉动成分，该脉动直流的最大值应不超过额定值；如果工作于交流，此交流电压的最大值应不超过额定值。并且随着工作频率的升高，工作电压应降低。有极性的电容器不能用于交流电路。电解电容器的耐温性能很差，如果工作电压超过允许值，介质损耗将增大，很容易导致温升过高，最终导致损坏。一般说来，电容器工作时只允许出现较低温升，否则属于不正常现象。因此，在设备安装时，应尽量远离发热元件（如大功率管、变压器等）。如果工作环境温度较高，则应降低工作电压使用。一般小容量的电容器介质损耗很小，耐温性能和稳定性都比较好，但电路对它们的要求往往也比较高，因此选择额定工作电压时仍应留有一定的余量，也要注意环境工作温度的影响。（4）尽量选用绝缘电阻大的电容绝缘电阻越小的电容器，其漏电流就越大，漏电流不仅损耗了电路中的电能，重要的是它会导致电路工作失常或降低电路的性能。漏电流产生的功率损耗，会使电容器发热，而其温度升高，又会产生更大的漏电流，如此循环，极易损坏电容器。因此在选用电容器时，应选择绝缘电阻足够高的电容器，特别是高温和高压条件下使用的电容器，更是如此。另外，作为电桥电路中的桥臂、运算元件等场合，绝缘电阻的高低将影响测量、运算等的精度，必须采用高绝缘电阻值的电容器。电容器的损耗在许多场合也直接影响到电路的性能，在滤波器，中频回路、振荡回路等电路中，要求损耗尽可能小，这样可以提高回路的品质因数，改善电路的性能（5）考虑温度系数和频率特性电容器的温度系数越大，其容量随温度的变化越大，这在很多电路是不允许的。例如振荡电路中的振荡回路元件、移相网络元件、滤波器等，温度系数大，会使电路产生漂移，造成电路工作的不稳定。这些场合应选用温度系数小的电容器，以确保其能稳定工作。另外在高频应用时，由于电容器自身电感、引线电感和高频损耗的影响，电容器的性能会变差。频率特性差的电容器不仅不能发挥其应有的作用，而且还会带来许多麻烦。例如，纸介电容器的分布电感会使高频放大器产生超高频寄生反馈，使电路不能工作。所以选用高频电路的电容器时，一要注意电容器的频率参数，二是使用中注意电容器的引线不能留得过长，以减小引线电感对电路的不良因影响。4.2.3 三极管的选用三极管的种类很多，并且不同型号各有不同的用途。三极管大都是塑料封装或金属封装，常见三极管的外观，有一个箭头的电极是发射极，箭头朝外的是NPN型三极管，而箭头朝内的是PNP型。实际上箭头所指的方向是电流的方向。电子制作中常用的三极管有90系列，包括低频小功率硅管9013(NPN)、9012(PNP)，低噪声管9014(NPN)，高频小功率管9018(NPN)等。它们的型号一般都标在塑壳上，而样子都一样，都是TO92标准封装。在老式的电子产品中还能见3DG6(低频小功率硅管)、3AX31(低频小功率锗管)等,它们的型号也都印在金属的外壳上。我国生产的晶体管有一套命名规则，电子工程技术人员和电子爱好者应该了解三极管符号的含义。符号的第一部分“3”表示三极管,符号的第二部分表示器件的材料和结构。APNP型锗材料；BNPN型锗材料；CPNP型硅材料；DNPN型硅材料。符号的第三部分表示功能：U光电管；K开关管；X低频小功率管；G高频小功率管；D低频大功率管；A高频大功率管。另外，3DJ型为场效应管，BT开头的表示半导体特殊元件。选用的晶体管的参数应尽量满足下述条件：（1）特征频率要高，一般高频三极管可满足此参数要求。特征频率一般比电路的工作频率高3倍以上。（2）电流放大系数一般为40 至80；电流放大系数过高也不好，容易引起自激。（3）集电极结电容要小，以提高频率高端的灵敏度。（4）高频噪声系数应尽可能小些，以使灵敏度相对提高。（5）集电极反向电流要小，一般应小于10uA。（6）选用开关管就要求有较快的开关速度和较好的开关特性，特征频率要高，反向电流要小，发射极和集电极的饱和压降较低等。（7）选用光敏三极管时，除了选择最高工作电压、集电极最大电流、最大允许耗散功率等参数外，还要注意暗电流和光电流以及光谱响应范围等特殊参数。（8）选用高频低噪声三极管时，其技术参数有很多项，其主要特性参数有正向增益自动控制、噪声系数、特征频率等。4.2.4 二极管的选用半导体二极管主要是依靠PN结而工作的。与PN结不可分割的点接触型和肖特基型，也被列入一般的二极管的范围内。包括这两种型号在内，根据PN结构造面的特点，把晶体二极管分类如下：（1）点接触型二极管点接触型二极管是在锗或硅材料的单晶片上压触一根金属针后，再通过电流法而形成的。因此，其PN结的静电容量小，适用于高频电路。但是，与面结型相比较，点接触型二极管正向特性和反向特性都差，因此，不能使用于大电流和整流。因为构造简单，所以价格便宜。对于小信号的检波、整流、调制、混频和限幅等一般用途而言，它是应用范围较广的类型。（2）键型二极管键型二极管是在锗或硅的单晶片上熔接或银的细丝而形成的。其特性介于点接触型二极管和合金型二极管之间。与点接触型相比较，虽然键型二极管的PN结电容量稍有增加，但正向特性特别优良。多作开关用，有时也被应用于检波和电源整流（不大于50mA）。在键型二极管中，熔接金丝的二极管有时被称金键型，熔接银丝的二极管有时被称为银键型。（3）合金型二极管在N型锗或硅的单晶片上，通过合金铟、铝等金属的方法制作PN结而形成的。正向电压降小，适于大电流整流。因其PN结反向时静电容量大，所以不适于高频检波和高频整流。（4）扩散型二极管在高温的P型杂质气体中，加热N型锗或硅的单晶片，使单晶片表面的一部变成P型，以此法PN结。因PN结正向电压降小，适用于大电流整流。最近，使用大电流整流器的主流已由硅合金型转移到硅扩散型。（5）台面型二极管PN结的制作方法虽然与扩散型相同，但是，只保留PN结及其必要的部分，把不必要的部分用药品腐蚀掉。其剩余的部分便呈现出台面形，因而得名。初期生产的台面型，是对半导体材料使用扩散法而制成的。因此，又把这种台面型称为扩散台面型。对于这一类型来说，似乎大电流整流用的产品型号很少，而小电流开关用的产品型号却很多。（6）平面型二极管在半导体单晶片（主要地是N型硅单晶片）上，扩散P型杂质，利用硅片表面氧化膜的屏蔽作用，在N型硅单晶片上仅选择性地扩散一部分而形成的PN结。因此，不需要为调整PN结面积的药品腐蚀作用。由于半导体表面被制作得平整，故而得名。并且，PN结合的表面，因被氧化膜覆盖，所以公认为是稳定性好和寿命长的类型。最初，对于被使用的半导体材料是采用外延法形成的，故又把平面型称为外延平面型。对平面型二极管而言，似乎使用于大电流整流用的型号很少，而作小电流开关用的型号则很多。（7）合金扩散型二极管它是合金型的一种。合金材料是容易被扩散的材料。把难以制作的材料通过巧妙地掺配杂质，就能与合金一起过扩散，以便在已经形成的PN结中获得杂质的恰当的浓度分布。此法适用于制造高灵敏度的变容二极管。（8）外延型二极管用外延面长的过程制造PN结而形成的二极管。制造时需要非常高超的技术。因能随意地控制杂质的不同浓度的分布，故适宜于制造高灵敏度的变容二极管。（9）肖特基二极管基本原理是：在金属（例如铅）和半导体（N型硅片）的接触面上，用已形成的肖特基来阻挡反向电压。肖特基与PN结的整流作用原理有根本性的差异。其耐压程度只有40V左右。其特长是：开关速度非常快,反向恢复时间t特别地短。因此，能制作开关二极和低压大电流整