11.示波器的原理與使用方法

1、1. 電子示波器的原理與應用電子示波器是一種綜合性的電信號測試儀器，它能把眼睛看不見的電信號轉換成能直接觀察的波形，顯示于熒光屏上。電子示波器實際上是一種時域測量儀器，用來觀察信號隨時間的變化關系，可用來測量電信號波形的形狀、幅度、頻率和相位等等。示波器種類很多，有通用示波器、多蹤示波器、數(shù)字示波器等等。電子示波器的主要特點是：（1）能顯示電信號的波形，便于觀察波形的變化規(guī)律。（2）測量靈敏度高，可測量幅度較小的信號，且具有較強的過載承受能力。（3）輸入阻抗較高，對被測網(wǎng)絡的影響較小。（4）工作頻率高，響應速度快，便于觀察波形瞬變的細節(jié)。（5）具有 XY 工作方式，可描繪出任何兩個量之間的函數(shù)

2、關系。本節(jié)首先介紹電子示波器的組成和基本原理, 在 2.2 節(jié)中介紹 SS7804/7810 型雙蹤示波器的主要技術指標和使用方法。1.1 示波器顯示波形的基本原理一、示波器的基本組成圖 1.1 所示是常用示波器的結構示意框圖。它主要由垂直系統(tǒng)、水平系統(tǒng)和示波管等三大部分組成。Y 輸入垂直系統(tǒng)X 輸入水平系統(tǒng)圖 1.1 示波器結構示意圖被測信號由 Y 輸入端送至垂直系統(tǒng)，經(jīng)Y 軸放大電路放大后加至示波管的垂直偏轉板，控制光點在熒光屏垂直方向上移動。水平系統(tǒng)中掃描信號發(fā)生器產(chǎn)生鋸齒波電壓（亦稱時基信號），經(jīng)放大后加至示波管的水平偏轉板，控制光點在熒光屏水平方向上勻速運動。示波管用來顯示被測信號的

3、波形。加至示波管垂直偏轉板上被測電壓使光點垂直運動，加至水平偏轉板上的鋸齒波電壓使光點沿水平方向勻速運動，二者，光點便在熒光屏上描繪出被測電壓隨時間變化的規(guī)律，即是被測電壓波形。1二、示波管的結構及工作原理示波管是示波器的部分，它的功能是把電信號轉變?yōu)楣庑盘?。示波管主要由電子槍、偏轉系統(tǒng)和熒光屏三部分組成，如圖 1.2 所示。電子槍具有偏轉系統(tǒng)電子槍熒光屏第一陽極 A1圖 1.2第二陽極 A2第三陽極 A3燈絲 F控制柵極 GY偏轉板陰極 KX偏轉板示波管結構剖面圖產(chǎn)生電子和使電子成束并加速的作用。偏轉系統(tǒng)使按電信號大小而偏轉。電子束打在熒光物質(zhì)上使之發(fā)光，這樣熒光屏就把的運動轉換為光跡。這三

4、部分均封裝于真空玻殼中。（1）電子槍電子槍包括燈絲F、陰極K、控制柵極G、第一陽極A1、第二陽極A2和第三陽極A3等。其中燈絲用來加熱圓筒形陰極，使陰極發(fā)射電子。電子在控制柵極G（中間有一小圓孔的圓筒形）和第一陽極A1所形成的電場作用下沿軸向運動，形成。該在控制柵附近到一點O，如圖 1. 3 所示?？刂茤艠O的電位比陰極低，調(diào)節(jié)控制柵極的電位，可控制發(fā)射電子的多少，從而調(diào)節(jié)熒光屏上光點的亮度。示波器面板上的“輝度”旋鈕就是調(diào)節(jié)柵極OOK GA1A2A3熒光屏圖 1.3的聚焦電壓的。電子過O點后，若無外力作用，將按直線運動，也就是過O點后已的電子又要散開，打到熒光屏上，顯示的是模糊不清的一片亮光。

5、這就需要將散開的電子到達熒光屏處再成為一點，使熒光屏上產(chǎn)生一個小而圓的亮點。這個作用稱為聚焦，聚焦作用是由A1、A2和A3三個陽極共同來完成的。三個陽極均為圓筒形，A1和A3的圓筒內(nèi)還有隔板，用2熒光屏來截獲偏離軸線過大的電子。三個陽極的電位（A1和A3等電位）均比陰極高得多，而A1和A3的電位又高于A2的電位，在A1A3之間形成特殊的電場分布，對有聚焦作用。電子束經(jīng)聚焦后達到熒光屏上的O點，形成小圓亮點（見圖 1.3）。這種作用如同光學系統(tǒng)中的聚焦透鏡，故此聚焦系統(tǒng)可等效為一電子透鏡。三個陽極中，A1和A3等電位，調(diào)節(jié)A2的電位可改變焦距，使聚焦點O恰好落在熒光屏上。A2上沒有隔板，不能獲得

6、電子，因此無電流流過A2，這樣當改變控制柵極電位時，改變發(fā)射電子的數(shù)量不會影響A2的電位，也就是說改變“亮度”不影響“聚焦”。示波器面板上“聚焦”旋鈕就是用來調(diào)節(jié)A2電壓的。另外，A3的電位比陰極的電位高得多，對電子起加速的作用，使打在熒光屏上的電子具有很大的動能，提高熒光屏上的光跡亮度。電子槍內(nèi)幾個電極供電的情況如圖 1.4 所示。（2）偏轉系統(tǒng)FKGA1A2A36.3V負高壓電 源正高壓電源聚焦亮度輔助聚焦圖 1.4電子槍電原理圖LlVO0dVy+vYy+ AP圖 1.5偏轉系統(tǒng)工作原理偏轉系統(tǒng)包括一對 Y 偏轉板和一對 X 偏轉板，每對偏轉板的兩板相互平行，兩對偏轉板之間相互垂直。Y 偏

7、轉板控制沿 Y 軸方向上下運動，X 偏轉板控制沿 X 軸方向左右移動。下面以Y偏轉板為例，介紹偏轉系統(tǒng)的工作原理。參見圖 1.5。電子經(jīng)第三陽極后以一定的軸向速度Vo進入偏轉板區(qū)域。當偏轉板所加的電壓vY為下正上負時，它在偏轉板區(qū)域內(nèi)3產(chǎn)生近似勻強的下正上負的電場。電子在此電場的作用下垂直向下運動，速度為VY。具有初速度Vo的電子在偏轉板勻強電場作用下的運動與物體在重力場作用下的平拋運動類似。電子按平拋運動到A點后，脫離了偏轉板的電場作用，按勻速直線運動到達熒光屏上的P點，光點在熒光屏垂直方向（即Y方向）上偏離中心的距離為y。偏轉距離y決定于Y偏轉板所加電壓vY 。通常將偏轉距離y與偏轉板上所

8、加電壓vY的比值（常數(shù)）稱為垂直偏轉因數(shù)DY（cm/V），即y = DYvY(1.1)偏轉因數(shù)DY的倒數(shù)稱為靈敏度SY，即SY1/ DY (V/cm) ，表示光點在熒光屏垂直方向上偏移距離（1cm）Y偏轉板所需施加的電壓大小。簡單推導，偏轉因數(shù)DY 的表達式lLDY= 2dV(1.2)A3K式中l(wèi)是偏轉板的長度，L是偏轉板中點到熒光屏的距離，d是兩偏轉板之間的距離，VA3K是第三陽極A3與陰極K之間的電壓。由此可見，DY是由管子結構和第三陽極相對于陰極之間的電壓VA3K所決定的。當管子結構已定，并給出了VA3K 后，偏轉因數(shù)DY即為一常數(shù)。若要提高DY，就需增加l和L，減少d和VA3K 。前者

9、會使示波管尺寸增加，不利于小型化；后者會使偏轉板間的電容量增大，影響示波器的高頻響應特性；減小VA3K 會影響聚焦，一方面增加了電子在偏轉板區(qū)域中的渡越時間，示波器的響應速度變慢，另一方面會使打到熒光屏上的電子動能變小，光點變暗。為了能夠減小VA3K ，以提高DY，但又不至于引起上述副作用，特研制出了后加速示波管。這種示波管是在偏轉板以后的管內(nèi)壁上涂上螺旋式石墨層，石墨層上加高電壓，以提高電子速度。X 偏轉板的工作原理與 Y 偏轉板完全相同，不再重述。（3）熒光屏熒光屏的內(nèi)表面涂有熒光物質(zhì)，熒光物質(zhì)在高速電子的轟擊下發(fā)光，形成光點。特別值得，在使用示波器時，不能讓光點長時間停留在一點上，以免燒

10、壞該點的熒光物質(zhì)，以后在該點上留下不能發(fā)光的暗點。同樣道理，也不能使光點或掃描線過亮。4三、波形顯示原理通常示波器是觀察被測電壓信號的波形，即vY=f ( t )的圖形。要求熒光屏上不失真地呈現(xiàn)vY=f ( t )，則要求垂直偏轉距離y正比于vY，水平偏轉距離x正比于時間t。由于y = DY vY，正比于vY。同樣由于x=DX vX，只要因此只要將被測電壓直接加到Y偏轉板上，就可以使y水平偏轉板上所加電壓vX是隨時間線性變化的波形，就可以使光點在熒光屏水平方向上勻速運動，即偏轉距離x正比于時間t。vX的波形如圖 1.6 所示，稱為鋸齒波電壓或線性掃描電壓。vxY1X1VXmvY=f(t)0Y2

11、X2TfTtTb鋸齒波發(fā)生器圖 1.6 掃描電壓波形圖 1.7 示波器顯示波形的示意圖其中，Tf 為掃描正程時間，Tb為掃描逆程時間，T為掃描周期，VXm為掃描電壓幅度。產(chǎn)生掃描電壓的電路稱為鋸齒波發(fā)生器或掃描電壓發(fā)生器。下面以vY為正弦波的情況為例，解釋示波器是如何在熒光屏上形成圖形的，參見圖 2.1.8的示意圖。設vX的周期T等于正弦信號vY的周期TY。當t = 0 時，vY = 0，vX = 0，光點在熒光屏上的0 點。t t1 時，vY = VYm，vX = VX1，這兩個電壓同時作用，使光點在垂直方向上移動距離y=Y1，在水平方向移動距離x=X1，光點落在熒光屏的 1 點。同理，在t

12、2 、t3 和t4 時刻，光點落在熒光屏的 2、3 和 4 點，t從t4變到t5時，vY從VY4變到 0，而vX 從最大值VXm變到 0，使光屏上的光點從 4 點回到 0 點（即原點位置）。下一個周期重復上述過程，如此循環(huán)下去，光點運動反復多次，熒光屏上便顯示出明亮而穩(wěn)定的正弦波形了, 人的視覺感覺到一個亮的yY1vY1VYmxt2t1t2t3 t4 t5X1004vXVXm VX3 VX2VX103圖 1.8Ty=T時熒光屏上形成圖形過程圖解tT5圖形。當被測電信號的周期確定后，可改變掃描電壓的周期T，來改變熒光屏上顯示圖形的周期數(shù)。例如，T = 2TY時，熒光屏上顯示兩個周期的圖形（見圖

13、1.9）。T = nTY時，熒光屏上vYy15VYm0t3t6t7 t8 t9x2460t4 t5t1 t2t837vX圖 1.9當T = 2TY時熒光屏上形成的圖形0tTvYy0 x0tTYvx圖 1.10 掃描電壓幅度對顯示波形的影響0tT顯示出n個周期的圖形（n為整數(shù)）。以上分析表明，掃描電壓的幅度VXm決定了熒光屏上顯示圖形在水平方向上的寬度，而掃描電壓的周期T決定了顯示波形的周期數(shù), 如圖 1.10 所示。還需要，掃描電壓在掃描正程時間內(nèi)的線性是一項十分重要的技術指標。在掃描正程時間內(nèi)，若掃描電壓隨時間嚴格按線性規(guī)律變化，則在水平方向上的運動是勻速的，從左到右的掃描速度均相等，顯示的

14、波形不會失真。如果掃描電壓不是隨時間線性變化，在水平方向上的運動不是勻速的，從左到右的掃描速度不等，掃描速度快的地方，波形在水平方向上變疏，掃描速度慢的地方，波形則變密。因此，對掃描信號發(fā)生器的基本要求是能輸出頻率、幅度均可調(diào)節(jié)，且具有良好線性的鋸齒波形。61.2 示波器的工作原理一、示波器的電路組成圖 1.11 所示為示波器的電路組成框圖。它由垂直系統(tǒng)、水平系統(tǒng)、軸電路、處理單元（CPU）及電源等幾部分組成。由圖可見，被測信號由輸入端輸入示波器，經(jīng)垂直衰減器、前置放大電路、延遲線和末級放大電路處理后，輸出幅度足夠大的信號加在示波管的垂直偏轉板上，使電子槍發(fā)射的按被測信號的變化規(guī)律在垂直方向產(chǎn)

15、生偏轉。掃描信號發(fā)生器產(chǎn)生的掃描鋸齒波電壓，經(jīng)水平放大電路放大后，加到示波器的水平偏轉板上，使電子槍發(fā)射的水平偏轉。為了使示波器顯示出穩(wěn)定的波形，將被測信號的一部分（內(nèi)觸發(fā)方式）或外觸發(fā)信號（外觸發(fā)方式）送到觸發(fā)同步電路，它輸出一個觸發(fā)信號去啟動掃描電路，產(chǎn)生一個由觸發(fā)信號控制其起點的掃描電壓。Z 軸電路的作用是在掃描正程的時間內(nèi)產(chǎn)生增輝信號，加到示波器的柵極上，使熒光屏上的光跡增亮，而在掃描逆程將光跡消隱。示波管Y 輸入通道開關Y X Z內(nèi)外外觸發(fā)輸入水平系統(tǒng)控制信號圖 1.11 示波器的組成框圖二、示波器的水平系統(tǒng)對示波器水平系統(tǒng)的主要要求是：產(chǎn)生頻率、幅度、線性均符合要求的掃描電壓。選擇

16、適當?shù)挠|發(fā)信號源，保證掃描與被測信號同步，使波形顯示穩(wěn)定。能產(chǎn)生增輝與消隱信號，去控制示波器 Z 軸電路工作。典型的水平系統(tǒng)如圖 1.12 所示。（1）觸發(fā)同步電路觸發(fā)同步電路由觸發(fā)輸入放大電路、觸發(fā)整形電路等組成。觸發(fā)信號（來自被測信7CPU控制電路Z 軸電路水平放大電路掃描發(fā) 生 器觸發(fā)同步字符放大器垂直放大電路延遲線垂直前置放大垂直衰減器號或外接觸發(fā)輸入信號）經(jīng)過觸大電路放大，送到觸發(fā)整形電路，產(chǎn)生前沿陡峭的觸發(fā)脈沖去驅動掃描電路中的電路。為了產(chǎn)生有效的觸發(fā)脈沖去啟動掃描發(fā)生器，在觸發(fā)電路中設有觸發(fā)源選擇、觸發(fā)源耦合方式、觸發(fā)極性和觸發(fā)電開關切換或調(diào)節(jié)電路。通道開關水平位移AC觸發(fā)輸入放

17、大電路外觸發(fā)輸入掃描發(fā)生器內(nèi)水平放大電路觸發(fā)整形電路電路外DC外觸發(fā)源選擇觸發(fā)源耦合方式釋抑電路校準擴展觸發(fā)電平掃描電路1.12 水平系統(tǒng)的組成觸發(fā)同步電路水平放大電路圖 觸發(fā)源選擇由開關選擇觸發(fā)信號的來源。其中“內(nèi)觸發(fā)”信號來自垂直系統(tǒng)的被測信號，“外觸發(fā)”信號來自外接觸發(fā)信號。無論觸發(fā)信號來自何方，其目的都是使所選觸發(fā)信號與被測信號相關，以保證熒光屏上顯示的被測信號的波形穩(wěn)定。 觸發(fā)源耦合方式選擇選擇觸發(fā)信號的耦合方式。有 DC（直流）耦合和 AC（交流）耦合兩種。 觸發(fā)極性和觸發(fā)電平選擇觸發(fā)極性和觸發(fā)電平?jīng)Q定了12345觸發(fā)電平觸發(fā)脈沖產(chǎn)生的時刻，因而決定了觸發(fā)信號掃描的起點。所謂觸發(fā)極

18、性是指觸發(fā)點位于觸發(fā)信號的上升沿還是觸發(fā)脈沖12345下降沿，前者稱為正極性，后者稱信號為負極性。而觸發(fā)電平是指觸發(fā)點掃描電壓 位于觸發(fā)信號的什么電平上。圖圖 1.13觸發(fā)掃描的工作波形關系1.13 示出了負極性觸發(fā)時各波形的時間關系。如果用被測信號作為觸發(fā)信號（內(nèi)觸發(fā)），則每當觸發(fā)信號下降沿與觸發(fā)電平相交一次，觸發(fā)整形電路就輸出一個觸發(fā)脈沖去觸發(fā)電路，啟動掃描。如圖 1.13 所示，被測信號在 1，2，3，4，5 點與觸發(fā)電平相交，均產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，其中觸發(fā)脈沖 1 為有效觸8觸發(fā)極性發(fā)脈沖，它觸發(fā)了電路，啟動了掃描。而觸發(fā)脈沖 2 到來時，電路尚未復原，掃描正程繼續(xù)，因而它是無效的觸發(fā)脈沖。

19、觸發(fā)脈沖 3 到來時已經(jīng)復原，掃描逆程已結束，因而它可以再次觸發(fā)和啟動掃描，所以它也是有效的觸發(fā)脈沖。由于每次掃描的起點都在被測信號的不同周期的同一電平點上，所以熒光屏上顯示的波形是穩(wěn)定的。應當，調(diào)節(jié)觸發(fā)電平，改變觸發(fā)極性，觸發(fā)點就會發(fā)生變化，這時掃描起點不同，因而熒光屏上顯示的波形起點也是不相同的。常態(tài)觸發(fā)同步電路自動單次常態(tài)手動觸發(fā)釋抑電路自動單次圖 1.14 掃描電路的工作原理圖 掃描觸發(fā)方式選擇觸發(fā)方式通常有常態(tài)（NORM）、自動（AUTO）和單次（SIG）三種。常態(tài)觸發(fā)方式是指，只有輸入了觸發(fā)信號并且產(chǎn)生了有效觸發(fā)脈沖時，掃描電路才被觸發(fā)而產(chǎn)生掃描鋸齒波電壓，熒光屏上才有掃描線。在常

20、態(tài)觸發(fā)方式下，如果沒有觸發(fā)信號，觸發(fā)信號為直流信號或觸發(fā)信號幅度過小時，都不會有觸發(fā)脈沖輸出，掃描電路不會產(chǎn)生掃描鋸齒波電壓，因而熒光屏上無掃描線。自動觸發(fā)方式是指, 在一段時間內(nèi)沒有觸發(fā)脈沖時（比如 15ms），掃描系統(tǒng)按連續(xù)掃描方式工作，此時掃描電路處于自激狀態(tài)，有連續(xù)掃描鋸齒波電壓輸出，熒光屏上仍能顯示掃描線。當有觸發(fā)脈沖信號時，掃描電路能自動返回到觸發(fā)掃描方式。在自動觸發(fā)方式下，即使沒有正常的觸發(fā)脈沖，人們也能在熒光屏上看到被測信號的波形，只不過波形可能是不穩(wěn)定的。單次觸發(fā)方式是, 當按動單次掃描按鈕后，掃描電路處于等待狀態(tài)，當觸發(fā)脈沖到來時，掃描電路開始一次掃描，掃描結束后電路停止工

21、作。再一次按動單次觸發(fā)按鈕，電路才又重復以上過程。上述觸發(fā)方式的切換都是通過機內(nèi) CPU 控制電子開關完成的。（2）掃描電路9掃描發(fā)生器掃描電路由電路、掃描發(fā)生器和釋抑電路等組成。電路在觸發(fā)脈沖作用下，產(chǎn)生快速上升或下降的信號，并立即啟動掃描發(fā)生器工作，產(chǎn)生鋸齒波掃描電壓。同時把信號送給增輝電路，以便加亮掃描正程的光跡，對逆程的光跡進行消隱。而釋抑電路則從掃描起點開始將，不再讓它受到觸發(fā)，直到掃描電路完成一次掃描且完全恢復到原始狀態(tài)之后，釋抑電路才解除對的，準備接受下一次觸發(fā)。所以, 釋抑電路起到了防止干擾和誤觸發(fā)的作用，確保每次掃描都在觸發(fā)信號的同一電平上開始，以獲得穩(wěn)定的圖形。電路是用于產(chǎn)

22、生門控信號的，示波器應該既能進行自動掃描又能進行常態(tài)的觸發(fā)掃描。在自動掃描時沒有觸發(fā)脈沖信號，電路仍有門控信號輸出。在常態(tài)的觸發(fā)掃描時，只有在觸發(fā)脈沖作用下才產(chǎn)生門控信號。掃描電路的工作原理如圖 1.14 所示。在自動掃描時，電路不受觸發(fā)同步電路輸出的觸發(fā)脈沖的控制，其輸出信號與掃描信號的關系如圖 1.15（a）所示，此時信號可觸發(fā)脈沖12345信號信號掃描信號掃描電壓（a）（b）圖 1.15 自動掃描和常態(tài)觸發(fā)掃描的工作波形由多諧振蕩器產(chǎn)生的矩形波提供。觸發(fā)掃描時各個信號之間的關系如圖 1.15（b）所示，在觸發(fā)脈沖的作用下翻轉，產(chǎn)生信號。因此，自動掃描和常態(tài)掃描的主要區(qū)別在于是否需要觸發(fā)脈

23、沖信號。 為了保證前后兩次掃描電壓的起始點嚴格相同，在掃描逆程結束后12378仍需對觸發(fā)脈沖進行抑制，這個抑制Tf時間稱為釋抑期Th，見圖 2.1.16，釋TbT抑期Th應比掃描逆程時間Tb長。在釋圖 1.16 釋抑電路的工作原理波形抑期內(nèi)，觸發(fā)脈沖不能觸發(fā)翻轉閘門。釋抑期過后，自動抑制，進入等待時間（Tw），之后的第一個觸發(fā)脈沖才是有效的。由圖 1.16 可以看出，觸發(fā)脈沖 1 啟10456taThTw動掃描，掃描進入正程，觸發(fā)脈沖 2，3 處于掃描正程，被抑制，是無效的。觸發(fā)脈沖 4 處于掃描逆程，處于釋抑期，它仍不能觸翻。同樣觸發(fā)脈沖 5、6 也是無效的，因為釋抑期尚未結束。在ta時刻

24、，釋抑期結束，可以被觸發(fā)，經(jīng)過等待時間Tw 之后，觸發(fā)脈沖7 到來，才開始第二次觸發(fā)掃描。大部分的示波器的釋抑期是固定的，也有一些示波器在儀器面板上設置了釋抑期調(diào)整旋鈕，其目的是為了重復周期較長的不規(guī)則信號。固然，此時可以通過微調(diào)掃描速度使波形穩(wěn)定，但水平的掃描線就處于非校準狀態(tài)，就不能用示波器進行時間的測量了。為了解決這一，可以在不改變掃描速度的前提下，改變釋抑期（同時也改變了掃描周期），這樣也可以到穩(wěn)定的波形。SS7804/7810 型示波器具有調(diào)整釋抑期的功能。（3）水平放大電路水平放大電路的基本作用是將所選擇的 X 軸信號放大，使光點在水平方向能夠達到滿偏。水平放大電路的附屬選擇控制電

25、路主要有：X 軸信號的“內(nèi)”、“外”選擇，X 軸位移，掃描擴展和掃描速度的校準等，參見圖 1.12。當選擇 X 軸信號為掃描鋸齒波電壓時，熒光屏上顯示圖形是時間的函數(shù)（橫軸代表時間 t），稱為“XT”工作方式，有些示波器上稱為“A”工作方式。當選擇 X 軸信號為外輸入信號時，熒光屏上顯示 XY 圖形，稱為“XY”工作方式。在“XY”工作方式下，X 軸信號由“CH1”輸入。掃描擴展是通過改變水平放大電路的增益來實現(xiàn)的。若將整個水平系統(tǒng)的增益調(diào)到原值的k倍（通常設置為固定值 10 倍），則意味著熒光屏上同樣的水平距離所代表的時間縮小為原值的 1/k ，這就實現(xiàn)了掃描的擴展。另外，示波器面板上掃描微

26、調(diào)也是通過調(diào)節(jié)水平放大電路的增益來實現(xiàn)的。調(diào)節(jié)水平放大電路輸出的直流電平，即可使熒光屏上顯示的圖形水平移動，稱為“水平位移”。三、垂直系統(tǒng)示波器的垂直系統(tǒng)是由輸入耦合選擇電路、衰減器、垂直放大電路和延遲線等組成，如圖 1.17 所示。由于示波管的偏轉靈敏度基本上是固定的，因而為擴大觀測信號的幅度范圍，垂直通道要設置衰減器和放大電路，以便把被測信號幅度變換到適于示波管觀測的數(shù)值。由于設置了衰減器和放大電路，示波器的偏轉靈敏度可在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。（1）輸入耦合選擇電路11如圖 1.17 所示，輸入信號經(jīng)過開關選擇耦合方式，進入示波器的垂直通道。輸入耦合方式分為交流耦合（AC）和直流耦合（DC）兩種

27、，由面板上的耦合按鈕開關進行切換。同時也用該開關切換垂直衰減器的輸入是否接地（GND）。選擇 DC 耦合時，輸入信號的交、直流成分都能通過。選擇 AC 耦合時，只有輸入信號的交流成分通過。選擇 GND 時，輸入信號通路被斷開，衰減器輸入端接地，此時示波器熒光屏上顯示的掃描基線即為零電平線。具體選用何種耦合方式視輸入信號的具體情況及測試要求而定。若輸入信號是不含直流成分的正弦信號，就可以選用交流耦合方式。如果輸入信號是含有直流分量的“交流信號”或脈沖信號，通常選用直流耦合方式，以便觀察到輸入信號的全部內(nèi)容。然而如果被觀測的信號是一個較小的交流信號疊加在較大的直流電壓之上，則應選擇交流耦合，否則就

28、看不到這個較小的交流信號成分了。如果被測信號雖是純正弦信號，但頻率很低，亦應選用直流耦合方式。DC衰減器控制信號ACGND通道 1輸入延遲線耦合選擇DC衰減器通道 2輸入ACGND圖 1.17 垂直系統(tǒng)方框圖（2）衰減器衰減器用來衰減大幅度的輸入信號，以保證垂直放大電路輸出不產(chǎn)生失真。對衰減器的主要要求是：頻帶要足夠寬, 輸入阻抗要足夠高。由于衰減器輸出所接的垂直放大電路的輸入阻抗是容性的，因此衰減器通常采用 RC 衰減器，其原理如圖 1.18 所示。令R1、C1并聯(lián)的阻抗為Z1，R2、C2并聯(lián)的阻抗為Z 2，則R1R21 j C RZ +， Z1 j C R12v1 1o2 2當滿足 R1C

29、1=R2C2時, 衰減器的衰減量為圖 1.18 衰減器原理圖12+viR1C1R2C2前置放大電路通 道開 關垂直主放大電路前置放大電路.Vo.ViZ2R2=(1.3)Z1 + Z2R1 + R2可以看出，此時衰減量與頻率無關,稱為最佳補償狀態(tài)。示波器的衰減器實際上是由多個上述的 RC 分壓器所組成。改變其衰減量即可改變示波器的垂直偏轉靈敏度（mV/DIV）。（3）延遲線延遲線的作用是使垂直通道的信號延遲一定的時間，以便在熒光屏上能觀察到脈沖信號的前沿。如前所述，當采用“內(nèi)觸發(fā)”方式時，是用垂直通道的被測信號vy去啟動掃描電路的，而且需在一定的“觸發(fā)電平”（VF）下才能啟動掃描電路。被測信號達

30、到“觸發(fā)電平”需要一定的時間，所以從接收觸發(fā)信號到開始掃描會有一延遲時間td ，見圖 1.19（b）。這樣就會造成掃描開始時間滯后于被測脈沖信號的起始時間，熒光屏上不能顯示被測信號的起始部分（0A段），見圖 1.19（c）的虛線波形。對延遲線的要求是：延遲時間應足夠長且穩(wěn)定，有良好的頻率特性，損耗小，阻抗匹配，以便無失真地傳送信號?，F(xiàn)代示波器多采用對稱螺旋電纜作延遲線。vy(t)延遲后信號VF0觸發(fā)電平（4）垂直放大電路輸入信號垂直放大電路放大被觀測的信號，使（a）v (t)X示波器能夠觀測微弱信號。垂直放大電路應td掃描信號有穩(wěn)定的增益，較高的輸入阻抗，足夠寬的0（b）vy(t)頻帶和對稱輸

31、出級。A有延遲無延遲通常把垂直放大電路分成前置放大電0（c）路和末級放大電路兩部分。前置放大電路的圖 1.19 延遲線的作用輸出信號一方面引至觸發(fā)電路，作為“內(nèi)觸發(fā)”方式的同步觸發(fā)源信號，另一方面經(jīng)過延遲線延遲后送至末級放大電路。垂直放大電路通常采用頻率補償措施，引入較強的負反饋，以獲得較寬的頻帶和較高的增益穩(wěn)定性。垂直放大電路的頻帶是示波器的一個重要技術指標，它決定了能夠測量信號的最高頻率。通常所說的 40MHz的示波器即是指垂直放大電路的頻帶寬度為 40MHz，即垂直放大電路的上限截止頻率fH=40MHz。當輸入信號幅度不變，頻率上升到 40MHz時，屏幕上顯示的13波形幅度比中頻時下降了

32、 3dB。垂直放大電路的時域響應是用輸入“理想”階躍信號時屏幕上顯示波形的前沿過沖量S和上升時間tr來描述的。圖 1.20（a）所示為示波器輸入的理想階躍電壓信號，（b）為熒光屏顯示的波vIt形（幅度已規(guī)一化）。（a）顯示波形上升時間tr與頻帶fH的關系近似為：vO/Vsm1.00.9str0.35/fH(1.4)t，tr以s為0.10式中，fH以MHz為。tr（b）如果被觀察的信號不是理想階躍信號，而是具圖 1.20示波器Y 軸時域響應有上升時間為trx 的電壓信號，示波器垂直放大電路22+，所以被測信號的引起的上升時間為tr0，則示波器熒光屏顯示波形的上升時間trr0rx實際上升時間為2

33、2trx(1.5)rr0只有tr tr0，trx tr。所以在測量上升沿比較陡的信號（trx與 tr0接近）時要考慮示波器對測量結果的影響。為了方便，常用是通過觀察示波器對階躍信號響應的上升時間來檢查示波器的通頻帶是否符合要求。在使用示波器時應特別注意示波器頻帶和上升時間對觀察結果的影響，并要正確選擇示波器。四、示波器探頭（1）示波器探頭的結構與原理示波器垂直輸入端的輸入阻抗是有限的，可以等效于輸入電阻Ri（如 1M）和輸入電容Ci（如幾十 ）的并聯(lián)。將示波器的垂直輸入端通過電纜接于被測電路中，示波器的輸入阻抗和電纜的分布電容（可達幾百 ）就成了被測電路的負載，并接在測試點上, 這樣就會對被測

34、電路產(chǎn)生影響。例如，用示波器測量放大電路的幅頻特性時，可能使測得的fH比實際的要?。挥檬静ㄆ鳒y量脈沖波形時，示波器的輸入電容Ci就會影響脈沖波形的上升時間和下降時間。為了減小示波器輸入阻抗的不良影響，專門設計了示波器探頭。示波器探頭是示波器的重要附件之一，它的原理如圖 1.21（a）所示。在金屬的外14殼里，裝有一個電阻、電容和開關并聯(lián)的電路，此并聯(lián)電路的一端接探針，另一端經(jīng)電纜接電纜插頭，以便連接到示波器的Y軸輸入端。其等效電路如圖 1.21（b）所示。圖中Ri是示波器的輸入電阻，Ci是示波器的輸入電容，C0是包括電纜電容在內(nèi)的分布電容，Cx為調(diào)整補償?shù)目勺冸娙?。當開關S斷開時，電路一個衰減

35、器。參見前面對衰減器的可知，若令C2=Ci+C0+Cx，則當滿足R1C1=RiC2時，分壓比為v 2R ik=(1.6)v1R1 + R iC1電纜插頭C1 R1RCXi探電纜vv12R1SCC0i針探頭衰減選擇開關補償電容CX(b)(a)圖 1.21 示波器探頭的結構及其等效電路可見分壓比k的大小決定于電阻R1、Ri，與頻率無關。這時從探針處看入的輸入電阻為R=R1+Ri=kRi ，輸入電容為C = C2/k。即接入探頭后其輸入電阻將增大k倍，而輸入電容減小到原來的 1/k，所以對被測電路的影響就要小的多。一般將探頭的衰減選擇開關撥到“10”位置（開關 S 斷開）時，分壓比 k 設為 10：

36、1，若示波器的輸入電阻為 1M，輸入電容（包括電纜的分布電容等）約為 200，接入探頭后的輸入電阻增大至 10M，輸入電容減少至約 20。當探頭的衰減開關撥到“1”位置時，探頭的開關 S 閉合，信號直通送到示波器的輸入端，此時由探頭的探針處看入的輸入電阻即為示波器的輸入電阻（如 1M），輸入電為示波器的輸入電容和電纜的分布電容的等效電容，可達幾百?？梢姡谩?”檔測量有時會對測量結果產(chǎn)生一定的影響。一些高性能的示波器原配的探頭沒有“1”檔，如 100MHz 三蹤示波器 SS7810，它的兩個主通道的探頭就只有“10”檔，且屏幕上的電壓測量指示值已經(jīng)將探頭衰減器的影響考慮進去。一般，這樣的示波器

37、如果不采用原配探頭而直接用普通電纜線輸入，示波器將會自動轉換為無衰減器的測量指示值。（2）探頭補償?shù)恼{(diào)整在使用示波器探頭進量前，或者更換示波器探頭時，必須對探頭的補償進行檢查15和調(diào)整，使之處于最佳補償狀態(tài)。一般是以示波器的校準信號（如圖 1.22（a）所示）作為標準信號。調(diào)整方法是，將探頭的衰減開關撥到“10”檔，探頭接到示波器的校準信號“CAL”上，調(diào)節(jié)探頭的補償電容, 使所顯示的波形與圖 1.22（a）所示波形相同，即達到了最佳補償狀態(tài)。如果電路元件參數(shù)為R1C1RiC2，到達示波器輸入端的信號的高頻分量過大，顯示波形如圖 1.22（c）所示，波形的跳變邊沿出現(xiàn)過沖，探頭處于過補償狀態(tài)。

38、欠補償和過補償均會對測量結果產(chǎn)生影響。(b)(c)(a)圖 1.22 示波器探頭調(diào)整時的波形五、示波器的多波形顯示在實際應用時常常需要同時觀察幾個信號的波形，為實現(xiàn)這個目的，目前普遍使用的是多蹤示波器。v1輸入至垂直偏轉板切換控制信號v2輸入圖 1.23 雙蹤顯示示意圖多蹤示波器是在單蹤示波器的基礎上，利用一個電子開關快速切換 1、2 兩通道的輸入信號，從而實現(xiàn)多個波形的同時顯示。SS7804 示波器就是較典型的雙蹤示波器，它的工作原理如圖 1.23 所示。電子開關交替選通 1 通道和 2 通道，其輸入信號v1 ，v2按一定的時間分割，被輪流送到垂直偏轉板，在熒光屏上顯示出它們的波形。電子開關

39、的工作方式有“交替”和“斷續(xù)”兩種。（1）交替方式如圖 1.24 所示，在第一個掃描周期，切換控制信號使電子開關接通 1 通道的信號，熒光屏顯示該時間內(nèi) 1 通道的輸入信號的波形。第二個掃描周期，切換控制信號使電子開關接16衰減器垂直放大器末級放大器延遲線電子開關衰減器垂直放大器通 2 通道的信號，熒光屏上顯示 2 通道的輸入信號的波形，如此重復。如果被測信號頻率比較高，利用熒光屏的與人眼的視覺暫留效應，就會看到熒光屏上同時顯示出兩個波形。v1(t)v1(t)tv2(t)v2(t)tvX(t)圖 1.24 交替顯示波形t123顯然，電子開關處于“交替”工作方式時，電子開關的轉換頻率與掃描信號的

40、頻率相等，即開關信號與掃描信號同步。當被測信號頻率較低（如低于 25Hz）時，由于交替顯示的速率很慢，圖形將出現(xiàn)閃爍，不宜采用“交替”方式，而應采用“斷續(xù)”方式工作。（2）斷續(xù)方式如圖 1.25 所示，此時電子開關將一個掃描正程分成許多小的時間間隔，依次使 1 通道和 2 通道輪流接通, 即對被測信號波形輪流進行實時采樣顯示，這樣就在熒光屏上得到兩條由若干個取樣光點的“斷續(xù)”的波形。由于電子開關轉換速率很高，實際上在熒光屏上已經(jīng)看不到波形的“斷續(xù)”現(xiàn)象，看到的信號波形已經(jīng)是連續(xù)的了。為確保顯示波形穩(wěn)定，無論是“交替”方式還是“斷續(xù)”方式，都要求被測信號頻率、掃描信號頻率與電子開關轉換頻率三者之

41、間必須滿足一定的關系。首先兩個被測信號的頻率與掃描信號的頻率應該成整數(shù)倍的關系，即必須“同步”，這一點與單蹤示波器相同，只是現(xiàn)在被測信號是兩個，而掃描信號是通道 1一個。在實際應用時，掃描信號是由兩通道中的一個信號產(chǎn)生同步的。所通道 2以，同步信號必須從周期長的信號通圖 1.25 斷續(xù)顯示波形道來提取。其次“交替”轉換方式時，為使屏幕不產(chǎn)生閃爍，轉換頻率必須高于 100Hz，而處于“斷續(xù)”轉換方式時，電子開關的轉換頻率要遠高于掃描信號的頻率。17電子開關的工作方式可由示波器面板上的“ALTCHOP”開關來進行轉換。1.3 電子示波器的主要技術指標和正確使用一、電子示波器的主要技術指標電子示波器

42、的種類和型號很多，它們的性能有很大的差別。在實際測量時，要根據(jù)不同的使用目的和被測量的特點選擇不同指標的電子示波器。選擇示波器時應重點考慮的主要技術指標有：（1）頻帶寬度：示波器的頻帶是其垂直放大電路的頻帶寬度，它決定了能夠測量信號的最高頻率。一般要求示波器的頻帶要比被測信號的最高頻率高一些，以保證測量準確，顯示的波形不失真。（2）Y軸靈敏度：Y軸靈敏度表示光點在熒光屏垂直方向上偏移距離所需施加的電壓，是mV/cm。為了方便，通常用mV/DIV等表示（1 DIV即是屏幕刻度的 1 大格）。一般示波器都設有靈敏度調(diào)節(jié)旋鈕，使Y軸靈敏度可分檔調(diào)節(jié)，例如SS7804 示波器靈敏度最高為 2mV/DI

43、V，最低為 5V/DIV。Y軸靈敏度越高（SY值越?。砻髂軌蛴^測信號的幅度越小，有利于測量弱信號。（3）輸入阻抗：輸入阻抗是示波器垂直（水平）輸入端看進去的等效阻抗，一般可以等效于輸入電阻Ri（如 1M）和輸入電容Ci（如幾十 ）的并聯(lián)。將示波器的垂直輸入端通過電纜接于被測電路中，示波器的輸入阻抗和電纜的分布電容（可達幾百 ）就成了被測電路的負載，并接在測試點上, 這樣就會對被測電路產(chǎn)生影響，引起測量誤差。因此要使示波器的輸入阻抗遠遠大于被測點的等效阻抗，必要時應使用示波器探頭以減小這種影響。（4）X 軸的掃描速度：X 軸的掃描速度表示光點在熒光屏水平方向上偏移距離所用的時間，是 ns/c

44、m。一般示波器都設有掃描速度調(diào)節(jié)旋鈕，使 X 軸的掃描速度可分檔調(diào)節(jié)，例如 SS7804 示波器掃描速度最快為 100ns/DIV，最慢為 500ms /DIV。掃描速度快，表明能夠觀測快速變化的信號。（5）最大允許輸入電壓：它是 Y 軸（或 X 軸）允許輸入電壓的最大值。為了安全，測量時輸入電壓的最大值不得超過此額定值。二、電子示波器的選擇在實際工作中，需要根據(jù)測量任務來正確選用示波器。如上所示，反映示波器適用范圍的兩個基本技術指標是垂直通道的頻帶寬度和水平通道的掃描速度。這兩個技術指標決定了18示波器可以觀察到的信號的最高頻率和脈沖的最小寬度，并能否“再現(xiàn)被測脈沖信號的跳變邊沿。要使示波器

45、能不失真地顯示被測信號的波形，基本條件之一就是垂直通道要有足夠的頻帶寬度，水平通道要有足夠高的掃描速度。三、電子示波器的正確使用正確的使用與調(diào)整示波器對于延長儀器的和提高測量精度是十分重要的。（1）聚焦與亮度的調(diào)整示波器的測量精確度在一定程度上取決于示波管的分辨力，分辨力的高低取決于屏幕光點的大小，即掃描線的粗細。要想得到較高的分辨力，就要有較細的掃描線，這就要求使用者要精心地調(diào)整示波器的聚焦。所以使用示波器進量時，首先要調(diào)整示波器的聚焦與亮度，使顯示的掃描線盡可能細些，這樣才能保證所觀察的波形清晰。由于示波器的亮度會影響聚焦特性，亮度過高，密度以做到良好聚焦，因此應將掃描線亮度適當調(diào)低些，以

46、改善聚焦性能，同時可延長示波管的使用。另外，為保證在任何時候都有掃描線，掃描方式一般應選擇為自動掃描方式。（2）波形位置和幾何尺寸調(diào)整仔細調(diào)整示波器有關旋鈕（按鍵），使波形盡量處于示波器屏幕中心的位置，以獲得較好的測量線性。正確調(diào)整 Y 通道的衰減器，盡可能使其波形的幅度占示波器屏幕的一半以上，以提高電壓幅度測量的精度。正確調(diào)整掃描時間選擇旋鈕，以便能夠在示波器屏幕上看到一個或幾個完整的波形周期，波形不要過密，以保證波形周期的測量精度。（3）正確調(diào)整觸發(fā)狀態(tài)包括合理地選擇觸發(fā)源和觸發(fā)耦合方式，并仔細調(diào)整觸發(fā)電平，使示波器處于正常觸發(fā)狀態(tài)，以得到穩(wěn)定的波形。在選擇觸發(fā)源時，如果觀察的信號是單通道

47、的信號，就選擇該通道信號作觸發(fā)源；如果是觀察兩個時間相關的波形，就應將信號周期長的那個通道作為觸發(fā)源。要根據(jù)被觀察信號的特性來選擇觸發(fā)耦合方式。一般情況下，若被觀察的信號為脈沖信號，應選擇直流耦合方式；如果被觀察的信號為正弦交流信號，可選擇交流耦合；如果被觀察的信號為帶有高頻噪聲的交流信號，就應選擇高頻抑制的耦合方式等。（4）示波器的校準在使用示波器進量時，要注意示波器 Y 通道的衰減器調(diào)節(jié)旋鈕、掃描時間調(diào)節(jié)旋19鈕必須處于校準狀態(tài)，測得的值才是準確的。（5）正確使用示波器探頭探頭是示波器的重要附件，其質(zhì)量的好壞直接影響示波器的測量準確度。質(zhì)量優(yōu)良的探頭要求其電容必須是頻、低損耗的優(yōu)質(zhì)無感電容，電阻為高穩(wěn)定、低溫漂、高頻無感電阻，探頭的電纜是精心設計與制造的電纜。因此使用示波器進量時，首先應該選擇質(zhì)量優(yōu)良的探頭，最好用示波器的原配探頭。在使用探頭進量時，其衰減器是選擇“10”檔，還是選擇“1”檔，要根據(jù)被測電路與被測信號的具體情況而定。如被測點是節(jié)點，或被測信號頻率較高，則應選擇“10”檔進量，否則會使測量產(chǎn)生較大的誤差。如果被測