示波器基礎(chǔ)使用說(shuō)明和功能
說(shuō)明和功能
我們可以把示波器簡(jiǎn)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(pán)上移動(dòng)的指針或者數(shù)字顯示來(lái)給出信號(hào)電壓的測(cè)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(hào)電壓隨時(shí)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(cè)信號(hào)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(hào)形狀的信息。有的電壓表也能測(cè)量信號(hào)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(hào)隨時(shí)間變化的歷史情況。
2.電壓表通常只能對(duì)一個(gè)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，而示波器則能同時(shí)顯示兩個(gè)或多個(gè)信號(hào)。
顯示系統(tǒng)
示波器的顯示器件是陰極射線管，縮寫(xiě)為CRT，見(jiàn)圖1。陰極射線管的基礎(chǔ)是一個(gè)能產(chǎn)生電子的系統(tǒng)，稱(chēng)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(lái)。
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(guò)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(dòng)。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(chēng)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(chēng)為標(biāo)尺。標(biāo)尺通常在垂直方向有8個(gè)，水平方向有10個(gè)，每個(gè)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(shí)間的測(cè)量。我們后面會(huì)討論這個(gè)問(wèn)題。
如上所述，受到電子轟擊后，CRT上的熒光物質(zhì)就會(huì)發(fā)光。當(dāng)電子束移開(kāi)后，熒光物質(zhì)在一個(gè)短的時(shí)間內(nèi)還會(huì)繼續(xù)發(fā)光。這個(gè)時(shí)間稱(chēng)為余輝時(shí)間。余輝時(shí)間的長(zhǎng)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(shí)間小于一毫秒(ms).而熒光物質(zhì)P7的余輝時(shí)間則較長(zhǎng)，約為300ms，這對(duì)于觀察較慢的信號(hào)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(hào)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(hào)的波形。這樣掃出的信號(hào)波形稱(chēng)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(lái)調(diào)切波形顯示的亮度。本書(shū)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(dòng)調(diào)切輝度。當(dāng)電子束移動(dòng)得比較快時(shí)，熒光物質(zhì)受到激勵(lì)的時(shí)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(dòng)緩慢時(shí)，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(zhǎng)示波管的壽命。
對(duì)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(lái)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(shū)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(dòng)調(diào)節(jié)的聚集控制。
—掃描旋轉(zhuǎn)
這個(gè)控制機(jī)構(gòu)使X軸掃描線和水平標(biāo)尺線對(duì)齊。由于地球的磁場(chǎng)在各個(gè)地方是不同的，這將會(huì)影響示波管顯示的掃描線。掃跡旋轉(zhuǎn)功能就用來(lái)對(duì)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(dòng)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(duì)于屏幕攝影或在弱光線條件下工作時(shí)非常有用。
—Z調(diào)制
掃描的輝度可以用電氣的方法通過(guò)一個(gè)外加的信號(hào)來(lái)改變。這對(duì)于由外部信號(hào)來(lái)產(chǎn)生水平偏轉(zhuǎn)以及使用X－Y顯示方式來(lái)尋找頻率關(guān)系的應(yīng)用中是十分有用的。
此信號(hào)輸入端通常是示波器后面板上的一個(gè)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(duì)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(lái)起作用的。
我們已經(jīng)看到，示波器有兩個(gè)垂直偏轉(zhuǎn)板，兩個(gè)水平偏轉(zhuǎn)板和一個(gè)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(lái)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(gè)完整的示波器（見(jiàn)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(gè)）
—前置放大器（每通道一個(gè)）
—用來(lái)選擇使用哪一個(gè)輸入通道的電子開(kāi)關(guān)
—偏轉(zhuǎn)放大器
示波器的水平偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括：時(shí)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(shí)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(gè)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(lái)決定的，所以我們首先來(lái)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(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行比例變換，使之能在屏幕上表現(xiàn)出來(lái)。示波器可以顯示峰峰值電壓為幾毫伏到幾十伏的信號(hào)。因此必須把不同幅度的信號(hào)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(duì)波形進(jìn)行測(cè)量。為此就要求對(duì)大信號(hào)進(jìn)行衰減、對(duì)小信號(hào)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(lái)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(hào)使得掃跡在垂直方向的6個(gè)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(cè)量出信號(hào)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(lái)進(jìn)行控制的，而在有些示波器則是用轉(zhuǎn)動(dòng)垂直靈敏度旋鈕來(lái)進(jìn)行。
如果使用這些靈敏度步進(jìn)不能調(diào)節(jié)信號(hào)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(huì)看到，使用標(biāo)尺刻度來(lái)進(jìn)行信號(hào)上升時(shí)間的測(cè)量就是一個(gè)很好的例子。可變控制能夠在1－2－5的步進(jìn)值之間對(duì)靈敏度進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)。通常當(dāng)使用可變控制時(shí)，準(zhǔn)確的靈敏度值是不知道的。我們只知道這時(shí)示波器的靈敏度是在1－2－5序列的兩個(gè)步進(jìn)值之間的某個(gè)值。這時(shí)我們稱(chēng)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(lái)。
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?chē)目潭壬献x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(gè)單獨(dú)的CD顯示器顯示出來(lái)。
圖3 在靈敏度為1v/格的情況下，峰峰值為6v的信號(hào)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(hào)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(hào)提供直接的連接通路。因此信號(hào)提供直接的連接通路。因此信號(hào)的所有分量（AC和：DC）都會(huì)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(gè)電容。這樣，信號(hào)的DC分量就被阻斷，而信號(hào)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(hào)幅度僅為其直實(shí)幅度為71％時(shí)的信號(hào)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(jiàn)圖4。
圖4 說(shuō)明AC及DC耦合、輸入接地以及50Ω輸入阻抗功能選擇的簡(jiǎn)化輸入電路
和耦合控制機(jī)構(gòu)有關(guān)的另一個(gè)功能是輸入接地功能。這時(shí)，輸入信號(hào)和衰減器斷開(kāi)并將衰減器輸入端連至示波器的地電平。當(dāng)選擇接地時(shí)，在屏幕上將會(huì)看到一條位于0V電平的直線。這時(shí)可以使用位置控制機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)這個(gè)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(mǎn)足多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合的要求，因?yàn)樗鼘?duì)多數(shù)電路的負(fù)載效應(yīng)極小。
有些信號(hào)來(lái)自50Ω輸出阻搞的源。為了準(zhǔn)確的測(cè)量這些信號(hào)并避免發(fā)生失真，必須對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行正確的傳送和端接。這時(shí)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(gè)50Ω的負(fù)載，提供一種用戶(hù)可選擇的功能。為避免誤操作，選擇此功能時(shí)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(shí)就將輸入信號(hào)斷開(kāi)，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(hù)能連續(xù)地獲得波形的參考電平。
動(dòng)態(tài)范圍
動(dòng)態(tài)范圍就是示波器能夠不失真地顯示信號(hào)的最大幅值，在此信號(hào)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(duì)于Fluke公司的示波器來(lái)說(shuō)，動(dòng)態(tài)范圍的典型值為24路（3個(gè)屏幕）
相加和反向
簡(jiǎn)單的把兩個(gè)信號(hào)相加起來(lái)似乎沒(méi)有什么實(shí)際意義。然百，把兩個(gè)有關(guān)信號(hào)之一反向，再將二者相加，實(shí)際上就實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)信號(hào)的相減。這對(duì)于消除共模干擾（即交流聲），或者進(jìn)行差分測(cè)量都是非常有用的。
從一個(gè)系統(tǒng)的輸出信號(hào)中減去輸入信號(hào)，再進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋壤儞Q，就可以測(cè)出被測(cè)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(gè)輸入信號(hào)相加就能實(shí)現(xiàn)我們所期望的信號(hào)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(hào)的比較，例如，研究輸入/輸出信號(hào)間的關(guān)系，或者一個(gè)系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的延遲等。這就要求示波器實(shí)際上能同時(shí)顯示不只一個(gè)信號(hào)。
為了達(dá)到這一目的，可以用兩種辦法來(lái)控制電子束：
1.可以交替地畫(huà)完一條掃跡，再畫(huà)另一條掃跡。這種方法稱(chēng)為交替模式，或簡(jiǎn)稱(chēng)為ALT模式。
2.可以在兩條掃跡之間迅速的進(jìn)行開(kāi)關(guān)或斬波切換，從而分段的畫(huà)出兩條掃跡。這稱(chēng)為斷續(xù)模式或CHOP模式。其結(jié)果是在一次掃描的時(shí)間里一段接一段的畫(huà)出兩條掃跡。
斷續(xù)模式適合于在低時(shí)基速率下顯示低頻率信號(hào)，因?yàn)檫@時(shí)斬波器開(kāi)關(guān)能快速進(jìn)行切換。
交替模式適合于需要使用較快時(shí)基設(shè)置的高頻率信號(hào)的顯示。本書(shū)中我們用作示例的示波器在不同的掃描速度下能自動(dòng)地ALT或CHOP模式以給出最好的顯示效果。用戶(hù)也可以手動(dòng)選擇ALT或CHOP模式以適合特殊信號(hào)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(hào)3dB的幅度來(lái)顯示信號(hào)的最高頻率。
—3dB點(diǎn)的頻率就是示波器所顯示的信號(hào)幅度“Vdisp”為示波器輸入端真實(shí)信號(hào)值“Vinput”的71％時(shí)的信號(hào)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(gè)100MHz示波器的典型頻率響應(yīng)曲線。
圖5 一臺(tái)典型為100MHz示波器的頻率響應(yīng)曲線（簡(jiǎn)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(jiǎn)化的考慮。實(shí)際上，放大器的靈敏度從較低的頻率就開(kāi)始下降，百在其截止頻率達(dá)到－3dB。圖5中中同時(shí)給出了簡(jiǎn)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(duì)于進(jìn)行高靈敏度的測(cè)量是非常有用的。
上升時(shí)間
上升時(shí)間直接和帶寬有關(guān)。上升時(shí)間通常規(guī)定為信號(hào)從其穩(wěn)態(tài)最大值的10％到90％所用的時(shí)間。
上升時(shí)間是一個(gè)示波器從理論上來(lái)說(shuō)能夠顯示的最快的瞬變的時(shí)間。示波器的高頻響應(yīng)曲線是經(jīng)過(guò)認(rèn)真安排的。這就保證了具有高諧波含量的信號(hào)，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(hào)的快速上升沿上就會(huì)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(kāi)始得過(guò)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(duì)于各種通用示波器來(lái)說(shuō)，其高頻響應(yīng)曲線是類(lèi)似的。從該曲線我們可以得到一個(gè)示波器帶寬和上升時(shí)間的簡(jiǎn)單關(guān)系公式。此公式為：
tr(s)=0.35/BW(Hz)
對(duì)于高頻示波器來(lái)說(shuō)，這個(gè)公式可以表示為：
tr(ns)=350/BW(MHz)
對(duì)于一個(gè)100MHz的示波器來(lái)說(shuō)，上升時(shí)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(zhuān)門(mén)的線，用來(lái)進(jìn)行上升時(shí)間的測(cè)量。測(cè)量時(shí)我們先用VAR靈敏度控制機(jī)構(gòu)將被測(cè)認(rèn)號(hào)的頂部和底部分別和標(biāo)有0％和100％的線對(duì)齊。
然后找出信號(hào)和標(biāo)尺上標(biāo)有10％和90％的兩條線的交點(diǎn)。這樣，上升時(shí)間就可以從這兩個(gè)交點(diǎn)沿X軸方向的時(shí)間間隔讀出來(lái)。
要想測(cè)量一臺(tái)示波器的上升時(shí)間，我們使用與上述相同的方法，只是要求測(cè)試信號(hào)的上升時(shí)間應(yīng)當(dāng)比該示波器的上升時(shí)間短得多。為獲得2％的測(cè)量誤差，測(cè)試信號(hào)的上升時(shí)間至少應(yīng)小于示波器上升時(shí)間的五分之一。示波器上顯示的上升時(shí)間應(yīng)當(dāng)是示波器上升時(shí)間和信號(hào)上升時(shí)間和組合函數(shù)。
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