01 示波器工作原理

 

示波器是利用電子示波管的特性，將人眼無法直接觀測的交變電信號轉換成圖像，顯示在熒光屏上以便測量的電子測量儀器。它是觀察數(shù)字電路實驗現(xiàn)象、分析實驗中的問題、測量實驗結果必不可少的重要儀器。示波器由示波管和電源系統(tǒng)、同步系統(tǒng)、X軸偏轉系統(tǒng)、Y軸偏轉系統(tǒng)、延遲掃描系統(tǒng)、標準信號源組成。

 

1、示波管

 

陰極射線管(CRT)簡稱示波管，是示波器的核心。它將電信號轉換為光信號。正如圖1所示，電子槍、偏轉系統(tǒng)和熒光屏三部分密封在一個真空玻璃殼內，構成了一個完整的示波管。

 

圖1 示波管的內部結構和供電圖示

 

（1）熒光屏

 

現(xiàn)在的示波管屏面通常是矩形平面，內表面沉積一層磷光材料構成熒光膜。在熒光膜上常又增加一層蒸發(fā)鋁膜。高速電子穿過鋁膜，撞擊熒光粉而發(fā)光形成亮點。鋁膜具有內反射作用，有利于提高亮點的輝度。鋁膜還有散熱等其他作用。

 

當電子停止轟擊后，亮點不能立即消失而要保留一段時間。亮點輝度下降到原始值的10％所經過的時間叫做“余輝時間”。余輝時間短于10μs為極短余輝，10μs—1ms為短余輝，1ms—0.1s為中余輝，0.1s-1s為長余輝，大于1s為極長余輝。一般的示波器配備中余輝示波管，高頻示波器選用短余輝，低頻示波器選用長余輝。

 

由于所用磷光材料不同，熒光屏上能發(fā)出不同顏色的光。一般示波器多采用發(fā)綠光的示波管，以保護人的眼睛。

 

（2）電子槍及聚焦

 

電子槍由燈絲(F)、陰極(K)、柵極(G1)、前加速極(G2)(或稱第二柵極)、第一陽極(A1)和第二陽極(A2)組成。它的作用是發(fā)射電子并形成很細的高速電子束。燈絲通電加熱陰極，陰極受熱發(fā)射電子。

 

柵極是一個頂部有小孔的金屬園筒，套在陰極外面。由于柵極電位比陰極低，對陰極發(fā)射的電子起控制作用，一般只有運動初速度大的少量電子，在陽極電壓的作用下能穿過柵極小孔，奔向熒光屏。初速度小的電子仍返回陰極。

 

如果柵極電位過低，則全部電子返回陰極，即管子截止。調節(jié)電路中的W1電位器，可以改變柵極電位，控制射向熒光屏的電子流密度，從而達到調節(jié)亮點的輝度。第一陽極、第二陽極和前加速極都是與陰極在同一條軸線上的三個金屬圓筒。前加速極G2與A2相連，所加電位比A1高。G2的正電位對陰極電子奔向熒光屏起加速作用。

 

電子束從陰極奔向熒光屏的過程中，經過兩次聚焦過程。第一次聚焦由K、G1、G2完成，K、K、G1、G2叫做示波管的第一電子透鏡。第二次聚焦發(fā)生在G2、A1、A2區(qū)域，調節(jié)第二陽極A2的電位，能使電子束正好會聚于熒光屏上的一點，這是第二次聚焦。A1上的電壓叫做聚焦電壓，A1又被叫做聚焦極。有時調節(jié)A1電壓仍不能滿足良好聚焦，需微調第二陽極A2的電壓，A2又叫做輔助聚焦極。

 

（3）偏轉系統(tǒng)

 

偏轉系統(tǒng)控制電子射線方向，使熒光屏上的光點隨外加信號的變化描繪出被測信號的波形。圖8.1中，Y1、Y2和Xl、X2兩對互相垂直的偏轉板組成偏轉系統(tǒng)。Y軸偏轉板在前，X軸偏轉板在后，因此Y軸靈敏度高(被測信號經處理后加到Y軸)。兩對偏轉板分別加上電壓，使兩對偏轉板間各自形成電場，分別控制電子束在垂直方向和水平方向偏轉。

 

（4）示波管的電源

 

為使示波管正常工作，對電源供給有一定要求。規(guī)定第二陽極與偏轉板之間電位相近，偏轉板的平均電位為零或接近為零。陰極必須工作在負電位上。柵極G1相對陰極為負電位(—30V~—100V)，而且可調，以實現(xiàn)輝度調節(jié)。第一陽極為正電位(約+100V~+600V)，也應可調，用作聚焦調節(jié)。

 

第二陽極與前加速極相連，對陰極為正高壓(約+1000V)，相對于地電位的可調范圍為±50V。由于示波管各電極電流很小，可以用公共高壓經電阻分壓器供電。

 

02 示波器的基本組成

 

從上一小節(jié)可以看出，只要控制X軸偏轉板和Y軸偏轉板上的電壓，就能控制示波管顯示的圖形形狀。我們知道，一個電子信號是時間的函數(shù)f(t)，它隨時間的變化而變化。因此，只要在示波管的X軸偏轉板上加一個與時間變量成正比的電壓，在y軸加上被測信號(經過比例放大或者縮小)，示波管屏幕上就會顯示出被測信 號隨時間變化的圖形。電信號中，在一段時間內與時間變量成正比的信號是鋸齒波。

 

示波器的基本組成框圖如圖2所示。它由示波管、Y軸系統(tǒng)、X軸系統(tǒng)、Z軸系統(tǒng)和電源等五部分組成。

 

圖2示波器基本組成框圖

 

被測信號①接到“Y"輸入端，經Y軸衰減器適當衰減后送至Y1放大器(前置放大)，推挽輸出信號②和③。經延遲級延遲Г1時間，到Y2放大器。放大后產生足夠大的信號④和⑤，加到示波管的Y軸偏轉板上。為了在屏幕上顯示出完整的穩(wěn)定波形，將Y軸的被測信號③引入X軸系統(tǒng)的觸發(fā)電路，在引入信號的正(或者負)極性的某一電平值產生觸發(fā)脈沖⑥，啟動鋸齒波掃描電路(時基發(fā)生器)，產生掃描電壓⑦。

 

由于從觸發(fā)到啟動掃描有一時間延遲Г2，為保證Y軸信號到達熒光屏之前X軸開始掃描，Y軸的延遲時間Г1應稍大于X軸的延遲時間Г2。掃描電壓⑦經X軸放大器放大，產生推挽輸出⑨和⑩，加到示波管的X軸偏轉板上。z軸系統(tǒng)用于放大掃描電壓正程，并且變成正向矩形波，送到示波管柵極。這使得在掃描正程顯示的波形有某一固定輝度，而在掃描回程進行抹跡。

 

以上是示波器的基本工作原理。雙蹤顯示則是利用電子開關將Y軸輸入的兩個不同的被測信號分別顯示在熒光屏上。由于人眼的視覺暫留作用，當轉換頻率高到一定程度后，看到的是兩個穩(wěn)定的、清晰的信號波形。

 

示波器中往往有一個精確穩(wěn)定的方波信號發(fā)生器，供校驗示波器用。

 

03 示波器使用

 

本節(jié)介紹示波器的使用方法。示波器種類、型號很多，功能也不同。數(shù)字電路實驗中使用較多的是20MHz或者40MHz的雙蹤示波器。這些示波器用法大同小異。本節(jié)不針對某一型號的示波器，只是從概念上介紹示波器在數(shù)字電路實驗中的常用功能。

 

1、熒光屏

 

熒光屏是示波管的顯示部分。屏上水平方向和垂直方向各有多條刻度線，指示出信號波形的電壓和時間之間的關系。水平方向指示時間，垂直方向指示電壓。水平方向分為10格，垂直方向分為8格，每格又分為5份。垂直方向標有0％，10％，90％，100％等標志，水平方向標有10％，90％標志，供測直流電平、交流信號幅度、延遲時間等參數(shù)使用。根據(jù)被測信號在屏幕上占的格數(shù)乘以適當?shù)谋壤?shù)(V／DIV，TIME／DIV)能得出電壓值與時間值。

 

2、示波管和電源系統(tǒng)

 

（1）電源(Power)

 

示波器主電源開關。當此開關按下時，電源指示燈亮，表示電源接通。

 

（2）輝度(Intensity)

 

旋轉此旋鈕能改變光點和掃描線的亮度。觀察低頻信號時可小些，高頻信號時大些。

 

一般不應太亮，以保護熒光屏。

 

（3）聚焦(Focus)

 

聚焦旋鈕調節(jié)電子束截面大小，將掃描線聚焦成最清晰狀態(tài)。

 

（4）標尺亮度(Illuminance)

 

此旋鈕調節(jié)熒光屏后面的照明燈亮度。正常室內光線下，照明燈暗一些好。室內光線不足的環(huán)境中，可適當調亮照明燈。

 

3、垂直偏轉因數(shù)和水平偏轉因數(shù)

 

（1）垂直偏轉因數(shù)選擇(VOLTS／DIV)和微調

 

在單位輸入信號作用下，光點在屏幕上偏移的距離稱為偏移靈敏度，這一定義對X軸和Y軸都適用。靈敏度的倒數(shù)稱為偏轉因數(shù)。垂直靈敏度的單位是為cm/V，cm／mV或者DIV／mV，DIV／V，垂直偏轉因數(shù)的單位是V／cm，mV／cm或者V／DIV，mV／DIV。實際上因習慣用法和測量電壓讀數(shù)的方便，有時也把偏轉因數(shù)當靈敏度。

 

蹤示波器中每個通道各有一個垂直偏轉因數(shù)選擇波段開關。一般按1，2，5方式從5mV／DIV到5V／DIV分為10檔。波段開關指示的值代表熒光屏上垂直方向一格的電壓值。例如波段開關置于1V／DIV檔時，如果屏幕上信號光點移動一格，則代表輸入信號電壓變化1V。

 

每個波段開關上往往還有一個小旋鈕，微調每檔垂直偏轉因數(shù)。將它沿順時針方向旋到底，處于“校準”位置，此時垂直偏轉因數(shù)值與波段開關所指示的值一致。逆時針旋轉此旋鈕，能夠微調垂直偏轉因數(shù)。垂直偏轉因數(shù)微調后，會造成與波段開關的指示值不一致，這點應引起注意。許多示波器具有垂直擴展功能，當微調旋鈕被拉出時，垂直靈敏度擴大若干倍(偏轉因數(shù)縮小若干倍)。例如，如果波段開關指示的偏轉因數(shù)是1V/DIV，采用×5擴展狀態(tài)時，垂直偏轉因數(shù)是0.2V／DIV。

 

在做數(shù)字電路實驗時，在屏幕上被測信號的垂直移動距離與+5V信號的垂直移動距離之比常被用于判斷被測信號的電壓值。

 

（2）時基選擇(TIME／DIV)和微調

 

時基選擇和微調的使用方法與垂直偏轉因數(shù)選擇和微調類似。時基選擇也通過一個波段開關實現(xiàn)，按1、2、5方式把時基分為若干檔。波段開關的指示值代表光點在水平方向移動一個格的時間值。例如在1μS／DIV檔，光點在屏上移動一格代表時間值1μS。

 

“微調”旋鈕用于時基校準和微調。沿順時針方向旋到底處于校準位置時，屏幕上顯示的時基值與波段開關所示的標稱值一致。逆時針旋轉旋鈕，則對時基微調。旋鈕拔出后處于掃描擴展狀態(tài)。通常為×10擴展，即水平靈敏度擴大10倍，時基縮小到1／10。例如在2μS/DIV檔，掃描擴展狀態(tài)下熒光屏上水平一格代表的時間值等于

 

2μS×(1/10)=0.2μS

 

TDS實驗臺上有10MHz、1MHz、500kHz、100kHz的時鐘信號，由石英晶體振蕩器和分頻器產生，準確度很高，可用來校準示波器的時基。

 

示波器的標準信號源CAL，專門用于校準示波器的時基和垂直偏轉因數(shù)。例如COS5041型示波器標準信號源提供一個VP-P=2V,f=1kHz的方波信號。

 

示波器前面板上的位移(Position)旋鈕調節(jié)信號波形在熒光屏上的位置。旋轉水平位移旋鈕(標有水平雙向箭頭)左右移動信號波形，旋轉垂直位移旋鈕(標有垂直雙向箭頭)上下移動信號波形。

 

4、輸入通道和輸入耦合選擇

 

（1）輸入通道選擇

 

輸入通道至少有三種選擇方式：通道1(CH1)、通道2(CH2)、雙通道(DUAL)。選擇通道1時，示波器僅顯示通道1的信號。選擇通道2時，示波器僅顯示通道2的信號。選擇雙通道時，示波器同時顯示通道1信號和通道2信號。測試信號時，首先要將示波器的地與被測電路的地連接在一起。

 

根據(jù)輸入通道的選擇，將示波器探頭插到相應通道插座上，示波器探頭上的地與被測電路的地連接在一起，示波器探頭接觸被測點。示波器探頭上有一雙位開關。此開關撥到“×1”位置時，被測信號無衰減送到示波器，從熒光屏上讀出的電壓值是信號的實際電壓值。此開關撥到“×10"位置時，被測信號衰減為1／10，然后送往示波器，從熒光屏上讀出的電壓值乘以10才是信號的實際電壓值。

 

（2）輸入耦合方式

 

輸入耦合方式有三種選擇：交流(AC)、地(GND)、直流(DC)。當選擇“地”時，掃描線顯示出“示波器地”在熒光屏上的位置。直流耦合用于測定信號直流絕對值和觀測極低頻信號。交流耦合用于觀測交流和含有直流成分的交流信號。在數(shù)字電路實驗中，一般選擇“直流”方式，以便觀測信號的絕對電壓值。

 

5、觸發(fā)

 

第一節(jié)指出，被測信號從Y軸輸入后，一部分送到示波管的Y軸偏轉板上，驅動光點在熒光屏上按比例沿垂直方向移動；另一部分分流到x軸偏轉系統(tǒng)產生觸發(fā)脈沖，觸發(fā)掃描發(fā)生器，產生重復的鋸齒波電壓加到示波管的X偏轉板上，使光點沿水平方向移動，兩者合一，光點在熒光屏上描繪出的圖形就是被測信號圖形。

 

由此可知，正確的觸發(fā)方式直接影響到示波器的有效操作。為了在熒光屏上得到穩(wěn)定的、清晰的信號波形，掌握基本的觸發(fā)功能及其操作方法是十分重要的。

 

（1）觸發(fā)源(Source)選擇

 

要使屏幕上顯示穩(wěn)定的波形，則需將被測信號本身或者與被測信號有一定時間關系的觸發(fā)信號加到觸發(fā)電路。觸發(fā)源選擇確定觸發(fā)信號由何處供給。通常有三種觸發(fā)源：內觸發(fā)(INT)、電源觸發(fā)(LINE)、外觸發(fā)EXT)。

 

內觸發(fā)使用被測信號作為觸發(fā)信號，是經常使用的一種觸發(fā)方式。由于觸發(fā)信號本身是被測信號的一部分，在屏幕上可以顯示出非常穩(wěn)定的波形。雙蹤示波器中通道1或者通道2都可以選作觸發(fā)信號。

 

電源觸發(fā)使用交流電源頻率信號作為觸發(fā)信號。這種方法在測量與交流電源頻率有關的信號時是有效的。特別在測量音頻電路、閘流管的低電平交流噪音時更為有效。

 

外觸發(fā)使用外加信號作為觸發(fā)信號，外加信號從外觸發(fā)輸入端輸入。外觸發(fā)信號與被測信號間應具有周期性的關系。由于被測信號沒有用作觸發(fā)信號，所以何時開始掃描與被測信號無關。

 

正確選擇觸發(fā)信號對波形顯示的穩(wěn)定、清晰有很大關系。例如在數(shù)字電路的測量中，對一個簡單的周期信號而言，選擇內觸發(fā)可能好一些，而對于一個具有復雜周期的信號，且存在一個與它有周期關系的信號時，選用外觸發(fā)可能更好。

 

（2）觸發(fā)耦合(Coupling)方式選擇

 

觸發(fā)信號到觸發(fā)電路的耦合方式有多種，目的是為了觸發(fā)信號的穩(wěn)定、可靠。這里介紹常用的幾種。

 

AC耦合又稱電容耦合。它只允許用觸發(fā)信號的交流分量觸發(fā)，觸發(fā)信號的直流分量被隔斷。通常在不考慮DC分量時使用這種耦合方式，以形成穩(wěn)定觸發(fā)。但是如果觸發(fā)信號的頻率小于10Hz，會造成觸發(fā)困難。

 

直流耦合(DC)不隔斷觸發(fā)信號的直流分量。當觸發(fā)信號的頻率較低或者觸發(fā)信號的占空比很大時，使用直流耦合較好。

 

低頻抑制(LFR)觸發(fā)時觸發(fā)信號經過高通濾波器加到觸發(fā)電路，觸發(fā)信號的低頻成分被抑制；高頻抑制(HFR)觸發(fā)時，觸發(fā)信號通過低通濾波器加到觸發(fā)電路，觸發(fā)信號的高頻成分被抑制。此外還有用于電視維修的電視同步(TV)觸發(fā)。這些觸發(fā)耦合方式各有自己的適用范圍，需在使用中去體會。

 

（3）觸發(fā)電平(Level)和觸發(fā)極性(Slope)

 

觸發(fā)電平調節(jié)又叫同步調節(jié)，它使得掃描與被測信號同步。電平調節(jié)旋鈕調節(jié)觸發(fā)信號的觸發(fā)電平。一旦觸發(fā)信號超過由旋鈕設定的觸發(fā)電平時，掃描即被觸發(fā)。順時針旋轉旋鈕，觸發(fā)電平上升；逆時針旋轉旋鈕，觸發(fā)電平下降。當電平旋鈕調到電平鎖定位置時，觸發(fā)電平自動保持在觸發(fā)信號的幅度之內，不需要電平調節(jié)就能產生一個穩(wěn)定的觸發(fā)。當信號波形復雜，用電平旋鈕不能穩(wěn)定觸發(fā)時，用釋抑(HoldOff)旋鈕調節(jié)波形的釋抑時間(掃描暫停時間)，能使掃描與波形穩(wěn)定同步。

 

極性開關用來選擇觸發(fā)信號的極性。撥在“+”位置上時，在信號增加的方向上，當觸發(fā)信號超過觸發(fā)電平時就產生觸發(fā)。撥在“-”位置上時，在信號減少的方向上，當觸發(fā)信號超過觸發(fā)電平時就產生觸發(fā)。觸發(fā)極性和觸發(fā)電平共同決定觸發(fā)信號的觸發(fā)點。

 

6、掃描方式(SweepMode)

 

掃描有自動(Auto)、常態(tài)(Norm)和單次(Single)三種掃描方式。

 

● 自動：當無觸發(fā)信號輸入，或者觸發(fā)信號頻率低于50Hz時，掃描為自激方式。

 

● 常態(tài)：當無觸發(fā)信號輸入時，掃描處于準備狀態(tài)，沒有掃描線。觸發(fā)信號到來后，觸發(fā)掃描。

 

● 單次：單次按鈕類似復位開關。單次掃描方式下，按單次按鈕時掃描電路復位，此時準備好(Ready)燈亮。觸發(fā)信號到來后產生一次掃描。單次掃描結束后，準備燈滅。單次掃描用于觀測非周期信號或者單次瞬變信號，往往需要對波形拍照。

 

上面扼要介紹了示波器的基本功能及操作。示波器還有一些更復雜的功能，如延遲掃描、觸發(fā)延遲、X-Y工作方式等，這里就不介紹了。示波器入門操作是容易的，真正熟練則要在應用中掌握。值得指出的是，示波器雖然功能較多，但許多情況下用其他儀器、儀表更好。例如，在數(shù)字電路實驗中，判斷一個脈寬較窄的單脈沖是 否發(fā)生時，用邏輯筆就簡單的多；測量單脈沖脈寬時，用邏輯分析儀更好一些。

 

04 數(shù)字示波器使用必須注意問題

 

1、前言

 

數(shù)字示波器因具有波形觸發(fā)、存儲、顯示、測量、波形數(shù)據(jù)分析處理等獨特優(yōu)點，其使用日益普及。由于數(shù)字示波器與模擬示波器之間存在較大的性能差異，如果使用不當，會產生較大的測量誤差，從而影響測試任務。

 

2、區(qū)分模擬帶寬和數(shù)字實時帶寬

 

帶寬是示波器最重要的指標之一。模擬示波器的帶寬是一個固定的值，而數(shù)字示波器的帶寬有模擬帶寬和數(shù)字實時帶寬兩種。數(shù)字示波器對重復信號采用順序采樣或隨機采樣技術所能達到的最高帶寬為示波器的數(shù)字實時帶寬，數(shù)字實時帶寬與最高數(shù)字化頻率和波形重建技術因子K相關（數(shù)字實時帶寬=最高數(shù)字化速率/K），一 般并不作為一項指標直接給出。

 

從兩種帶寬的定義可以看出，模擬帶寬只適合重復周期信號的測量，而數(shù)字實時帶寬則同時適合重復信號和單次信號的測量。廠家聲稱示波器的帶寬能達到多少兆，實際上指的是模擬帶寬，數(shù)字實時帶寬是要低于這個值的。例如說TEK公司的TES520B的帶寬為500MHz，實際上是指其模擬帶寬為500MHz，而最高數(shù)字實時帶寬只能達到400MHz遠低于模擬帶寬。所以在測量單次信號時，一定要參考數(shù)字示波器的數(shù)字實時帶寬，否則會給測量帶來意想不到的誤差。

 

3、有關采樣速率

 

采樣速率也稱為數(shù)字化速率，是指單位時間內，對模擬輸入信號的采樣次數(shù)，常以MS/s表示。采樣速率是數(shù)字示波器的一項重要指標。

 

（1）如果采樣速率不夠，容易出現(xiàn)混迭現(xiàn)象

 

如果示波器的輸人信號為一個100KHz的正弦信號，示波器顯示的信號頻率卻是50KHz，這是怎么回事呢？這是因為示波器的采樣速率太慢，產生了混迭現(xiàn)象?；斓褪瞧聊簧巷@示的波形頻率低于信號的實際頻率，或者即使示波器上的觸發(fā)指示燈已經亮了，而顯示的波形仍不穩(wěn)定?；斓漠a生如圖1所示。

 

那么，對于一個未知頻率的波形，如何判斷所顯示的波形是否已經產生混迭呢？可以通過慢慢改變掃速t/div到較快的時基檔，看波形的頻率參數(shù)是否急劇改變，如果是，說明波形混迭已經發(fā)生；或者晃動的波形在某個較快的時基檔穩(wěn)定下來，也說明波形混迭已經發(fā)生。根據(jù)奈奎斯特定理，采樣速率至少高于信號高頻成分的2倍才不會發(fā)生混迭，如一個500MHz的信號，至少需要1GS/s的采樣速率。有如下幾種方法可以簡單地防止混迭發(fā)生：

 

● 調整掃速；

● 采用自動設置（Autoset）；

● 試著將收集方式切換到包絡方式或峰值檢測方式，因為包絡方式是在多個收集記錄中尋找極值，而峰值檢測方式則是在單個收集記錄中尋找最大最小值，這兩種方法都能檢測到較快的信號變化。

 

如果示波器有InstaVu采集方式，可以選用，因為這種方式采集波形速度快，用這種方法顯示的波形類似于用模擬示波器顯示的波形。

 

（2）采樣速率與t/div的關系

 

每臺數(shù)字示波器的最大采樣速率是一個定值。但是，在任意一個掃描時間t/div，采樣速率fs由下式給出：

 

fs=N/(t/div)N為每格采樣點

 

當采樣點數(shù)N為一定值時，fs與t/div成反比，掃速越大，采樣速率越低。

 

綜上所述，使用數(shù)字示波器時，為了避免混迭，掃速檔最好置于掃速較快的位置。如果想要捕捉到瞬息即逝的毛刺，掃速檔則最好置于主掃速較慢的位置。

 

 

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