示波器基礎(chǔ)使用說明和功能
說明和功能
我們可以把示波器簡單地看成是具有圖形顯示的電壓表。
普通的電壓表是在其度盤上移動的指針或者數(shù)字顯示來給出信號電壓的測量讀數(shù)。而示波器則與共不同。示波器具有屏幕，它能在屏幕上以圖形的方式顯示信號電壓隨時間的變化，即波形。
示波器和電壓表之間的主要區(qū)別是：
1.電壓表可以給出祥測信號的數(shù)值，這通常是有效值即RMS值。但是電壓表不能給出有關(guān)信號形狀的信息。有的電壓表也能測量信號的峰值電壓和頻率。然而，示波器則能以圖形的方式顯示信號隨時間變化的歷史情況。
2.電壓表通常只能對一個信號進(jìn)行測量，而示波器則能同時顯示兩個或多個信號。
顯示系統(tǒng)
示波器的顯示器件是陰極射線管，縮寫為CRT，見圖1。陰極射線管的基礎(chǔ)是一個能產(chǎn)生電子的系統(tǒng)，稱為電子槍。電子槍向屏幕發(fā)射電子。電子槍發(fā)射的電子經(jīng)聚焦形成電子束，并打在屏幕中心的一點(diǎn)上。屏幕的內(nèi)表面涂有熒光物質(zhì)，這樣電子束打中的點(diǎn)就發(fā)出光來。
圖1 陰極射線管圖
電子在從電子槍到屏幕的途中要經(jīng)過偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。在偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)上施加電壓就可以使光點(diǎn)在屏幕上移動。偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)由水平（X）偏轉(zhuǎn)板和垂直（Y）偏轉(zhuǎn)板組成。這種偏轉(zhuǎn)方式稱為靜電偏轉(zhuǎn)。
在屏幕的內(nèi)表面用刻劃或腐蝕的方法作出許多水平和垂直的直線形成網(wǎng)絡(luò)，稱為標(biāo)尺。標(biāo)尺通常在垂直方向有8個，水平方向有10個，每個格為1cm。有的標(biāo)尺線又進(jìn)一步分成小格，并且還有標(biāo)明0％和100％的特別線。這些特別的線和標(biāo)明10％和90％的標(biāo)尺配合使用以進(jìn)行上升時間的測量。我們后面會討論這個問題。
如上所述，受到電子轟擊后，CRT上的熒光物質(zhì)就會發(fā)光。當(dāng)電子束移開后，熒光物質(zhì)在一個短的時間內(nèi)還會繼續(xù)發(fā)光。這個時間稱為余輝時間。余輝時間的長短隨熒光物質(zhì)的不同而變化。最常用的熒光物質(zhì)是P31，其余輝時間小于一毫秒(ms).而熒光物質(zhì)P7的余輝時間則較長，約為300ms，這對于觀察較慢的信號非常有用。P31材料發(fā)射綠光，而P7材料發(fā)光的顏色為黃綠色。
將輸入信號加到Y(jié)軸偏轉(zhuǎn)板上，而示波器自己使電子束沿X軸方向掃描。這樣就使得光點(diǎn)在屏幕上描繪出輸入信號的波形。這樣掃出的信號波形稱為波形軌跡。
影響屏幕的控制機(jī)構(gòu)有：
—輝度
輝度控制用來調(diào)切波形顯示的亮度。本書中用作示例的示波器所采用的電路能夠根據(jù)不同的掃描速度自動調(diào)切輝度。當(dāng)電子束移動得比較快時，熒光物質(zhì)受到激勵的時間就變短，因此必須增加輝度才能看清軌跡。相反，當(dāng)電子束移動緩慢時，屏幕上的光點(diǎn)變得很亮，因此必須減小輝度以免熒光物質(zhì)被燒壞。從而延長示波管的壽命。
對于屏幕上的文字部分，另有單獨(dú)的輝度控制機(jī)構(gòu)。
—聚焦
聚焦控制機(jī)構(gòu)用來控制屏幕上光點(diǎn)的大小，以便獲得清晰的波形軌跡。有些示波器，例如本書用作示例的示波器上，聚集也是由示波器自己進(jìn)行最佳控制的，從而能在不同的輝度和不同的掃描下保持清晰的波形軌跡。另外也提供手動調(diào)節(jié)的聚集控制。
—掃描旋轉(zhuǎn)
這個控制機(jī)構(gòu)使X軸掃描線和水平標(biāo)尺線對齊。由于地球的磁場在各個地方是不同的，這將會影響示波管顯示的掃描線。掃跡旋轉(zhuǎn)功能就用來對此進(jìn)行補(bǔ)償。掃描旋轉(zhuǎn)功能是預(yù)先調(diào)好的，通常只需在示波器搬動后再行調(diào)節(jié)。
—標(biāo)尺照明
標(biāo)尺亮度可以單獨(dú)控制。這對于屏幕攝影或在弱光線條件下工作時非常有用。
—Z調(diào)制
掃描的輝度可以用電氣的方法通過一個外加的信號來改變。這對于由外部信號來產(chǎn)生水平偏轉(zhuǎn)以及使用X－Y顯示方式來尋找頻率關(guān)系的應(yīng)用中是十分有用的。
此信號輸入端通常是示波器后面板上的一個BNC插座。
1．2 模擬示波器方框圖
CRT是所有示波器的基礎(chǔ)。現(xiàn)在我們已經(jīng)對它有所了解。下面我們就看一看示波管是怎樣作為示波器的心臟來起作用的。
我們已經(jīng)看到，示波器有兩個垂直偏轉(zhuǎn)板，兩個水平偏轉(zhuǎn)板和一個電子槍。從電子槍發(fā)射出的電子束的強(qiáng)度可以用電氣的辦法來加以控制。
在上術(shù)基礎(chǔ)上，再增添下面敘述的電路就可以構(gòu)成一個完整的示波器（見圖2）
圖2 模擬示波器方框圖
示波管的垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括：
—輸入衰減器（每通道一個）
—前置放大器（每通道一個）
—用來選擇使用哪一個輸入通道的電子開關(guān)
—偏轉(zhuǎn)放大器
示波器的水平偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括：時基、觸發(fā)電路和水平偏轉(zhuǎn)放大器
輝度控制電路用電子學(xué)的方法在恰當(dāng)?shù)臅r刻點(diǎn)亮和熄滅掃跡。
為使所有這些電路工作，示波器需要有一個電源。此電源從交流市電或者從機(jī)內(nèi)或外部的電池獲取能量，使示波器工作。任何示波器的基本性能都是由它的垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的特性來決定的，所以我們首先來詳細(xì)地考察這一部分。
1．3 垂直偏轉(zhuǎn)
靈敏度
垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)對輸入信號進(jìn)行比例變換，使之能在屏幕上表現(xiàn)出來。示波器可以顯示峰峰值電壓為幾毫伏到幾十伏的信號。因此必須把不同幅度的信號進(jìn)行變換以適應(yīng)屏幕的顯示范圍，這樣就可以按照標(biāo)尺刻度對波形進(jìn)行測量。為此就要求對大信號進(jìn)行衰減、對小信號進(jìn)行放大。示波器的靈敏度或衰減器控制就是為此而設(shè)置的。
靈敏度是以每格的伏特?cái)?shù)來衡量的看一下圖3可以知道其靈敏度設(shè)置為1V/格。因此，峰峰值為6V的信號使得掃跡在垂直方向的6個格內(nèi)偏轉(zhuǎn)變化。知道了示波器的靈敏度設(shè)置值和電子束在垂直方向掃描的格數(shù)，我們就可以測量出信號的峰峰電壓值。
在多數(shù)的示波器上，靈敏度控制都是按1－2－5的序列步進(jìn)變化的。即靈敏度。設(shè)置顛倒為10mV/格、20mV/格、50mV/、100mV/格等等。靈敏度通常是用幅度上升/下降鈕來進(jìn)行控制的，而在有些示波器則是用轉(zhuǎn)動垂直靈敏度旋鈕來進(jìn)行。
如果使用這些靈敏度步進(jìn)不能調(diào)節(jié)信號使之能夠準(zhǔn)確的按照要求在屏幕上顯示，那么就可以使用可變（VAR）控制。在第6章我們將會看到，使用標(biāo)尺刻度來進(jìn)行信號上升時間的測量就是一個很好的例子。可變控制能夠在1－2－5的步進(jìn)值之間對靈敏度進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)。通常當(dāng)使用可變控制時，準(zhǔn)確的靈敏度值是不知道的。我們只知道這時示波器的靈敏度是在1－2－5序列的兩個步進(jìn)值之間的某個值。這時我們稱該通道的Y偏轉(zhuǎn)是未校準(zhǔn)的或表示為"uncal"。這種未校準(zhǔn)的狀態(tài)通常在示波器的前面板或屏幕上指示出來。
在更現(xiàn)代化的示波器，例如我們用作示例的示波器，由于彩用了現(xiàn)代先進(jìn)的技術(shù)進(jìn)行控制和校準(zhǔn)。因此示波器的靈敏度可以在最小值和最大值之間連續(xù)變化，而始終保持處于校準(zhǔn)狀態(tài)。
在老式的示波器上，通道靈敏度的設(shè)置值是從靈敏度控制旋鈕周圍的刻度上讀出的。而在新型的示波器上，通道靈敏度設(shè)置值清晰地顯示在屏幕上，如圖3所示，或者用一個單獨(dú)的CD顯示器顯示出來。
圖3 在靈敏度為1v/格的情況下，峰峰值為6v的信號使電子束在垂直方向偏轉(zhuǎn)6格
耦合
耦合控制機(jī)構(gòu)決定輸入信號從示波器前面板上的BNC輸入端通到該通道垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)其它部分的方式。耦合控制可以有兩種設(shè)置方式，即DC耦合和AC耦合。
DC耦合方式為信號提供直接的連接通路。因此信號提供直接的連接通路。因此信號的所有分量（AC和：DC）都會影響示波器的波形顯示。
AC耦合方式則在BDC端和衰減器之間串聯(lián)一個電容。這樣，信號的DC分量就被阻斷，而信號的低頻AC分量也將受阻或大為衰減。示波器的低頻截止頻率就是示波器顯示的信號幅度僅為其直實(shí)幅度為71％時的信號頻率。示波器的低頻截止頻率主要決定于其輸入耦合電容的數(shù)值。示波器的低頻截止頻率典型值為 10Hz，見圖4。
圖4 說明AC及DC耦合、輸入接地以及50Ω輸入阻抗功能選擇的簡化輸入電路
和耦合控制機(jī)構(gòu)有關(guān)的另一個功能是輸入接地功能。這時，輸入信號和衰減器斷開并將衰減器輸入端連至示波器的地電平。當(dāng)選擇接地時，在屏幕上將會看到一條位于0V電平的直線。這時可以使用位置控制機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)這個參考電平或掃描基線的位置。
輸入阻抗
多數(shù)示波器的輸入阻抗為1MΩ和大約25pF相關(guān)聯(lián)。這足以滿足多數(shù)應(yīng)用場合的要求，因?yàn)樗鼘Χ鄶?shù)電路的負(fù)載效應(yīng)極小。
有些信號來自50Ω輸出阻搞的源。為了準(zhǔn)確的測量這些信號并避免發(fā)生失真，必須對這些信號進(jìn)行正確的傳送和端接。這時應(yīng)當(dāng)使用50Ω特性阻抗的電纜并用50Ω的負(fù)載進(jìn)行端接。某些示波器，如PM3094和PM3394A，內(nèi)部裝有一個50Ω的負(fù)載，提供一種用戶可選擇的功能。為避免誤操作，選擇此功能時需經(jīng)再次確認(rèn)。由于同樣的理由，50Ω輸入阻抗功能不能和某些探頭配合使用。
位置
垂直位置控制或POS控制機(jī)構(gòu)控制掃跡在屏幕Y軸的位置。在輸入耦合控制中選擇接地，這時就將輸入信號斷開，這樣就可以找到地電平的位置。在更先進(jìn)的示波器上設(shè)有單獨(dú)的地電平指示器，它可以讓用戶能連續(xù)地獲得波形的參考電平。
動態(tài)范圍
動態(tài)范圍就是示波器能夠不失真地顯示信號的最大幅值，在此信號幅值下只要調(diào)節(jié)示波器的垂直位置仍能觀察到波形的全部。對于Fluke公司的示波器來說，動態(tài)范圍的典型值為24路（3個屏幕）
相加和反向
簡單的把兩個信號相加起來似乎沒有什么實(shí)際意義。然百，把兩個有關(guān)信號之一反向，再將二者相加，實(shí)際上就實(shí)現(xiàn)了兩個信號的相減。這對于消除共模干擾（即交流聲），或者進(jìn)行差分測量都是非常有用的。
從一個系統(tǒng)的輸出信號中減去輸入信號，再進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋壤儞Q，就可以測出被測系統(tǒng)引起的失真。
由于很多電子系統(tǒng)本身就具有反向的特性，這樣只要把示波器的兩個輸入信號相加就能實(shí)現(xiàn)我們所期望的信號相減。
交替和斷續(xù)
示波器CRT本身一次只能顯示一條掃跡。然而，在很多示波器應(yīng)用中，常常要進(jìn)行信號的比較，例如，研究輸入/輸出信號間的關(guān)系，或者一個系統(tǒng)對信號的延遲等。這就要求示波器實(shí)際上能同時顯示不只一個信號。
為了達(dá)到這一目的，可以用兩種辦法來控制電子束：
1.可以交替地畫完一條掃跡，再畫另一條掃跡。這種方法稱為交替模式，或簡稱為ALT模式。
2.可以在兩條掃跡之間迅速的進(jìn)行開關(guān)或斬波切換，從而分段的畫出兩條掃跡。這稱為斷續(xù)模式或CHOP模式。其結(jié)果是在一次掃描的時間里一段接一段的畫出兩條掃跡。
斷續(xù)模式適合于在低時基速率下顯示低頻率信號，因?yàn)檫@時斬波器開關(guān)能快速進(jìn)行切換。
交替模式適合于需要使用較快時基設(shè)置的高頻率信號的顯示。本書中我們用作示例的示波器在不同的掃描速度下能自動地ALT或CHOP模式以給出最好的顯示效果。用戶也可以手動選擇ALT或CHOP模式以適合特殊信號的需求。
帶寬
示波器最生根的技術(shù)指標(biāo)就是帶寬。示波器的帶寬表明了該示波器垂直系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。示波器的帶寬定義為示波器在屏幕上能以不低于真實(shí)信號3dB的幅度來顯示信號的最高頻率。
—3dB點(diǎn)的頻率就是示波器所顯示的信號幅度“Vdisp”為示波器輸入端真實(shí)信號值“Vinput”的71％時的信號頻率，如下式所示：設(shè)：
dB(伏)＝20log(電壓比)
—3Db=20log(Vdisp/Vinput)
—0.15＝log(Vdisp/Vinput)
10-0.15=Vdisp/Vinput
Vdisp=0.7Vinput
圖5表示出一個100MHz示波器的典型頻率響應(yīng)曲線。
圖5 一臺典型為100MHz示波器的頻率響應(yīng)曲線（簡化的曲線和實(shí)際的曲線）
出于現(xiàn)實(shí)的理由，通常把帶寬想象成為叔響曲線一直平坦延伸至其截止頻率，然后從該頻率以－20dB/+倍頻程的斜率下降。當(dāng)然，這是一種簡化的考慮。實(shí)際上，放大器的靈敏度從較低的頻率就開始下降，百在其截止頻率達(dá)到－3dB。圖5中中同時給出了簡化的頻率響應(yīng)曲線和實(shí)際的頻率響應(yīng)曲線。
帶寬限制器
使用帶寬限制器可以把通常帶寬在100MHz以上的寬帶示波器的頻帶減小到20MHz的典型值。這樣就降低了噪聲電平和干擾，這對于進(jìn)行高靈敏度的測量是非常有用的。
上升時間
上升時間直接和帶寬有關(guān)。上升時間通常規(guī)定為信號從其穩(wěn)態(tài)最大值的10％到90％所用的時間。
上升時間是一個示波器從理論上來說能夠顯示的最快的瞬變的時間。示波器的高頻響應(yīng)曲線是經(jīng)過認(rèn)真安排的。這就保證了具有高諧波含量的信號，如方波，能夠在屏幕上精確的再現(xiàn)。如果頻響曲線下降太快，則在信號的快速上升沿上就會發(fā)生振鈴現(xiàn)象。如果頻響曲線下降太慢，即在頻響曲線上下降開始得過早，則示波器總的高頻響應(yīng)就受到影響，使得方波失去“方形”特性。
對于各種通用示波器來說，其高頻響應(yīng)曲線是類似的。從該曲線我們可以得到一個示波器帶寬和上升時間的簡單關(guān)系公式。此公式為：
tr(s)=0.35/BW(Hz)
對于高頻示波器來說，這個公式可以表示為：
tr(ns)=350/BW(MHz)
對于一個100MHz的示波器來說，上升時間為3.5（ns=納秒10－9秒）
在示波器的標(biāo)尺上刻有標(biāo)明0％和100％的專門的線，用來進(jìn)行上升時間的測量。測量時我們先用VAR靈敏度控制機(jī)構(gòu)將被測認(rèn)號的頂部和底部分別和標(biāo)有0％和100％的線對齊。
然后找出信號和標(biāo)尺上標(biāo)有10％和90％的兩條線的交點(diǎn)。這樣，上升時間就可以從這兩個交點(diǎn)沿X軸方向的時間間隔讀出來。
要想測量一臺示波器的上升時間，我們使用與上述相同的方法，只是要求測試信號的上升時間應(yīng)當(dāng)比該示波器的上升時間短得多。為獲得2％的測量誤差，測試信號的上升時間至少應(yīng)小于示波器上升時間的五分之一。示波器上顯示的上升時間應(yīng)當(dāng)是示波器上升時間和信號上升時間和組合函數(shù)。
滬公網(wǎng)安備31010802001143號
