示波器的使用(示波器的原理和使用)

在数字电路实验中，需要使用多种仪器来观察实验现象和结果。常用的电子测量仪器有万用表、逻辑笔、普通示波器、存储示波器、逻辑分析仪等。万用表和逻辑笔使用简单，而逻辑分析仪和存储示波器在数字电路教学实验中使用不多。示波器是一种应用广泛且相对复杂的仪器。本章从使用的角度介绍示波器的原理和用法。

1.示波器的工作原理

示波器是利用电子示波管的特性，将人眼不能直接观察到的交流电信号转换成图像，并显示在荧光屏上进行测量的电子测量仪器。是观察数字电路实验现象、分析实验问题、测量实验结果不可缺少的重要仪器。示波器由示波管、电源系统、同步系统、X轴偏转系统、Y轴偏转系统、延迟扫描系统和标准信号源组成。

1.1、示波管

阴极射线管是示波器的核心。它将电信号转换成光信号。如图1所示，电子枪、偏转线圈和荧光屏密封在一个真实的空玻璃外壳中，形成一个完整的示波管。

图1示波管内部结构和电源图

1.荧光屏

目前示波管的屏幕通常为矩形平面，内表面沉积一层磷光材料，形成荧光膜。荧光膜上常加一层蒸镀铝膜。电子高速穿过铝膜，撞击荧光粉发光形成亮点。铝膜有内反射，有利于提高亮点亮度。铝膜还有散热等其他功能。

当电子停止轰击时，亮点不可能马上消失，应该会保持一段时间。亮度降至初始值10%后的时间称为“余辉时间”。余辉短于10μs为极短余辉，10μ s-1ms为短余辉，1ms—0.1s为中等余辉，0.1s-1s为长余辉，1s以上为极长余辉。一般示波器都配有中余辉示波管，高频示波器使用短余辉，低频示波器使用长余辉。

由于使用了不同的磷光材料，在荧光屏上可以发出不同颜色的光。示波器一般使用发出绿光的示波管来保护人的眼睛。

2.电子枪和聚焦

电子枪由灯丝(F)、阴极(K)、栅极(G1)、前加速电极(G2)(或第二栅极)、第一阳极(A1)和第二阳极(A2)组成。它的作用是发射电子，形成精细的高速电子束。灯丝加热阴极，阴极受热放出电子。栅极是顶部有小孔的金属圆柱体，套在阴极外面。因为栅极电位低于阴极电位，所以可以控制阴极发射的电子。一般只有少量初速度高的电子能在阳极电压的作用下穿过栅孔冲到荧光屏上。初速度低的电子仍然返回阴极。如果栅极电位太低，所有的电子都会回到阴极，也就是管会被切断。通过调节电路中的W1电位器，可以改变栅极电位，控制发射到荧光屏上的电子流密度，从而调节亮点的亮度。第一阳极、第二阳极和前加速电极都是与阴极同轴的三个金属圆柱体。前加速电极G2连接到A2，并且施加的电势高于A1。G2的正电势加速阴极电子到荧光屏。

当电子束从阴极射向荧光屏时，它经历了两次聚焦过程。第一次聚焦是由K、G1和G2完成的，它们被称为示波管的第一电子透镜。第二次聚焦发生在区域G2、A1和A2。调节第二阳极A2的电位可以使电子束会聚在屏幕上的一点，这就是第二次聚焦。A1上的电压称为聚焦电压，A1也称为聚焦极。有时，调节节点A1的电压仍然不能满足良好聚焦的要求，因此需要微调第二阳极A2的电压，第二阳极A2也称为辅助聚焦电极。

3.偏转系统

偏转系统控制电子射线的方向，使荧光屏上的光点描绘出被测信号随外加信号变化的波形。在图8.1中，两对互相垂直的偏转板Y1、Y2、x1和X2构成一个偏转系统。Y轴偏转板在前，X轴偏转板在后，所以Y轴灵敏度高(测量信号经过处理后加到Y轴上)。两对偏转板分别加电压，使两对偏转板之间形成电场，分别控制电子束在垂直方向和水平方向的偏转。

4.示波管电源

为了使示波管正常工作，对电源有一定的要求。规定第二阳极与偏转板之间的电位相近，偏转板的平均电位为零或接近于零。阴极必须在负电位下工作。栅极G1相对于阴极为负电位(-30V ~-100v)，可以通过调节来实现亮度调节。第一个阳极处于正电位(大约+100V~+600V)，这个电位应该也是可调的，用于调焦。第二阳极接前端加速电极，阴极为正高压(约+1000V)，相对于地电位的可调范围为50V，由于示波管各电极电流很小，所以可以通过电阻分压器由普通高压供电。

1.2示波器的基本组成

从上一节可以看出，只要控制X轴偏转板和Y轴偏转板上的电压，就可以控制示波管显示的图形形状。我们知道，电子信号是时间的函数f(t ),它随时间而变化。因此，只要在示波管的X轴偏转板上加一个与时间变量成正比的电压，将测得的信号加到Y轴上(按比例放大或缩小后)，示波管屏幕上就会显示出测得的信号随时间变化的曲线图。在电信号中，与一段时间内的时间变量成正比的信号就是锯齿波。

示波器的基本框图如图2所示。它由示波管、Y轴系统、X轴系统、Z轴系统和电源组成。

图2示波器基本组成框图

被测信号①接“Y”输入，经Y轴衰减器衰减后送Y1放大器(前置放大)，推挽输出信号②和③。延迟级对Y2放大器的延迟为г 1倍。放大后产生足够的信号④和⑤，加到示波管的Y轴偏转板上。为了在屏幕上显示完整稳定的波形，将Y轴的被测信号③引入X轴系统的触发电路，在引入信号的正(或负)极性的某一电平值产生触发脉冲⑥，启动锯齿波扫描电路(时基发生器)产生扫描电压⑥。由于从触发到开始扫描有一个时间延迟г 2，为了保证X轴在Y轴信号到达屏幕之前开始扫描，Y轴的延迟时间г 1应该略大于X轴的延迟时间г 2。扫描电压⑦由X轴放大器放大，产生推挽输出⑨和⑩，加到示波管的X轴偏转板上。z轴系统用于放大扫描电压的正范围，将其变为正矩形波，送至示波管的栅极。这使得在扫描前进行程中显示的波形具有某一固定亮度，而在扫描返回行程中执行擦除。

以上是示波器的基本工作原理。双踪显示利用电子开关将Y轴输入的两个不同的测量信号分别显示在屏幕上。由于人类视觉的持续性，当开关频率达到一定程度时，会看到两个稳定清晰的信号波形。

示波器中往往有一个精确稳定的方波信号发生器，用来校准示波器。

2.示波器的使用

本节介绍如何使用示波器。示波器有多种类型和型号，具有不同的功能。数字电路实验中广泛使用20MHz或40MHz的双通道示波器。这些示波器的使用方式大致相同。本节并不针对某一类型的示波器，而是从概念上介绍示波器在数字电路实验中的常用功能。

2.1荧光屏

它是示波管的显示部分。屏幕上的水平和垂直方向有几条刻度线，表示信号波形的电压和时间的关系。水平方向表示时间，垂直方向表示电压。水平方向分为10个方块，垂直方向分为8个方块，每个方块又分为5个部分。垂直方向有0%、10%、90%、100%符号，水平方向有10%、90%符号，用于测量DC电平、交流信号幅度、延迟时间等参数。将被测信号在屏幕上所占的网格数乘以一个合适的比例常数(v/div，TIME/DIV)即可得到电压值和时间值。

2.2示波管和电源系统

1.电源(电力)

主示波器电源开关。按下此开关时，电源指示灯亮起，表示电源已接通。

2.亮度(强度)

旋转此旋钮可以改变光点和扫描线的亮度。观察低频信号时可以小一些，观察高频信号时可以大一些。

一般不要太亮，保护屏幕。

3.焦点

聚焦旋钮调节电子束的横截面，将扫描线聚焦到最清晰的状态。

4.标度亮度(照度)

这个旋钮调节荧光屏后面照明灯的亮度。在正常的室内光线下，最好调暗灯光。在光线不足的室内环境下，可以适当开启照明灯。

2.3垂直偏转系数和水平偏转系数

1.垂直偏转系数选择(伏特/格)和微调

在单位输入信号的作用下，光点在屏幕上的偏移距离称为偏移灵敏度。这个定义适用于X轴和Y轴。灵敏度的倒数叫做偏转系数。垂直灵敏度的单位是cm/V，cm/mv或div/mv，div/v，垂直偏转系数的单位是v/cm，mv/cm或v/div，mv/div。事实上，由于习惯用法和测量电压力读数的方便，有时偏转系数被视为灵敏度。

跟踪示波器中的每个通道都有一个垂直偏转系数选择波段开关。一般按照1、2、5的方式分为5mV/DIV到5v/DIV 10个等级。波段开关指示的值代表屏幕垂直方向上一个网格的电压值。例如，当波段开关置于1V/div位置时，如果屏幕上的信号点移动一格，则意味着输入信号电压变化1V。

每个波段开关上通常有一个小旋钮，用于微调每个档位的垂直偏转系数。顺时针旋转到底，处于“校准”位置。此时，垂直偏转系数的值与波段开关指示的值一致。反向旋转该旋钮，微调垂直偏转系数。微调垂直偏转系数后，会与波段开关指示值不一致，需要注意。很多示波器都有垂直扩展功能。当微调旋钮被拉出时，垂直灵敏度增加几倍(偏转因子减少几倍)。例如，如果波段开关指示的偏转系数为1V/DIV，则采用×5扩展状态时，垂直偏转系数为0.2V/DIV。

在数字电路实验中，经常用被测信号垂直移动距离与屏幕上+5V信号垂直移动距离的比值来判断被测信号的电压值。

2.时基选择(时间/分度)和微调

时基选择和微调的使用类似于垂直偏转因子选择和微调。时基的选择也是通过一个波段开关来实现的，时基按照1、2、5分为几个等级。波段开关的指示值代表光点在水平方向移动一格的时间值。例如，在1μS/div的文件中，光点在屏幕上移动一个网格来表示1μS的时间值。

微调旋钮用于时基校准和微调。当顺时针旋转到校准位置的底部时，屏幕上显示的时基值与波段开关显示的标称值一致。逆时针转动旋钮微调时基。旋钮拔出后，处于扫描扩展状态。通常是扩大10倍，即水平灵敏度扩大10倍，时基缩小到1/10。例如，在2μS/DIV文件中，扫描扩展状态下屏幕上水平网格表示的时间值等于

2μS×(1/10)=0.2μS

TDS实验平台上有10MHz、1MHz、500kHz、100kHz时钟信号，由石英晶体振荡器和分频器产生，精度高，可用于校准示波器的时基。

示波器标准信号源CAL是专门用来校准示波器的时基和垂直偏转系数的。比如COS5041示波器的标准信号源，提供的是VP-P = 2V，F = 1kHz的方波信号。

示波器前面板上的位置旋钮调节信号波形在屏幕上的位置。旋转水平位移旋钮(标有水平双箭头)左右移动信号波形，旋转垂直位移旋钮(标有垂直双箭头)上下移动信号波形。

2.4输入通道和输入耦合的选择

1.输入通道选择

输入通道至少有三个选项:通道1(CH1)、通道2(CH2)和双通道。当选择通道1时，示波器仅显示通道1的信号。当选择通道2时，示波器仅显示通道2的信号。当选择两个通道时，示波器显示通道1信号和通道2信号。测试信号时，首先将示波器的地与被测电路的地相连。根据输入通道的选择，将示波器探头插入相应的通道插座，将示波器探头上的地线与被测电路的地线连接，接触被测点。示波器的探头上有一个开关。当该开关设置在“×1”位置时，被测信号无衰减地送到示波器，从屏幕上读出的电压值就是信号的实际电压值。当该开关设置在“×10”位置时，测量信号被衰减1/10，然后发送到示波器。信号的实际电压值是从屏幕上读取的电压值乘以10。

2.输入耦合模式

有三种输入耦合模式:交流电(AC)、地(GND)和直流电(DC)。当选择“接地”时，扫描线在屏幕上显示“示波器接地”的位置。DC耦合用于测量信号的DC绝对值，观察极低频信号。交流耦合用于观察包含DC分量的交流和交流信号。在数字电路实验中，一般选择DC模式来观察信号的绝对电压值。

2.5触发器

第一节指出被测信号从Y轴输入后，一部分送至示波管的Y轴偏转板，驱动光斑在荧光屏上按比例沿垂直方向移动；另一部分分流到X轴偏转系统产生触发脉冲，触发扫描发生器，产生重复的锯齿电压，施加到示波管的X偏转板上，使光斑沿水平方向移动。两部分合在一起，屏幕上光点描绘的图形就是被测信号图形。因此，正确的触发方式直接影响示波器的有效工作。为了在屏幕上得到稳定清晰的信号波形，掌握基本的触发功能及其操作方法是非常重要的。

1.触发信号源选择。

要在屏幕上显示稳定的波形，需要在触发电路中加入被测信号本身或与被测信号有一定时间关系的触发信号。触发源选择决定了触发信号的供应位置。通常有三种触发源:内部触发(int)、电源触发(LINE)和外部触发ext)。

内部触发是一种常用的触发方式，它利用被测信号作为触发信号。因为触发信号本身是测量信号的一部分，所以可以在屏幕上显示非常稳定的波形。可以选择双踪示波器中的通道1或通道2作为触发信号。

电源使用交流电源频率信号作为触发信号。这种方法在测量与交流电源频率相关的信号时是有效的。尤其是在测量音频电路和闸流管的低电平交流噪声时更有效。

外部触发器使用外部信号作为触发信号，并且外部信号从外部触发器输入端子输入。外部触发信号和测量信号之间应该存在周期性关系。由于测量信号不作为触发信号，所以何时开始扫描与测量信号无关。

选择合适的触发信号与波形显示的稳定性和清晰度有很大的关系。比如在数字电路的测量中，对于简单的周期信号，选择内触发可能更好，而对于与之有周期关系的复杂周期信号，选择外触发可能更好。

2.触发耦合模式的选择

有许多方法将触发信号耦合到触发电路，以使触发信号稳定可靠。下面是一些常用的。

交流耦合也称为容性耦合。它只能由触发信号的交流分量触发，并且触发信号的DC分量被切断。通常，当DC分量不被认为形成稳定的触发时，使用这种耦合方法。但是，如果触发信号的频率小于10Hz，将很难触发。

直流耦合(DC)不会阻挡触发信号的DC分量。当触发信号频率较低或触发信号与空的比值较大时，最好使用DC耦合。

当LFR被触发时，触发信号通过高通滤波器被添加到触发电路，并且触发信号的低频分量被抑制。当高频抑制(HFR)被触发时，触发信号通过低通滤波器被添加到触发电路，并且触发信号的高频分量被抑制。此外，还有一个电视同步(TV)触发器，用于电视维护。这些触发耦合方式都有各自的适用范围，需要在使用中体验。

3.触发电平和触发斜率

触发电平调整也叫同步调整，使扫描与被测信号同步。电平调节旋钮调节触发信号的触发电平。一旦触发信号超过旋钮设置的触发水平，扫描即被触发。顺时针旋转旋钮，触发液位上升；逆时针转动旋钮触发液位下降。当电平旋钮设置在电平锁定位置时，触发电平将自动保持在触发信号的幅度内，无需调节电平即可产生稳定的触发。当信号波形复杂且无法用电平旋钮稳定触发时，释抑旋钮用于调整波形的释抑时间(扫描暂停时间)，以便扫描可以与波形稳定性同步。

极性开关用于选择触发信号的极性。当设置“+”位置时，在信号增加的方向上，当触发信号超过触发电平时，将产生一个触发。当设置“-”位置时，当触发信号超过触发电平时，将在信号递减方向产生触发。触发极性和触发电平共同决定了触发信号的触发点。

2.6扫描模式(扫描模式)

有三种扫描模式:自动、标准和单一。

自动:当没有触发信号输入，或者触发信号的频率低于50Hz时，扫描模式为自激。

正常状态:没有触发信号输入时，扫描处于就绪状态，没有扫描线。当触发信号到达时，触发扫描。

单次:单次按钮类似于复位开关。在单次扫描模式下，当按下单次按钮时，扫描电路复位，并且就绪灯亮起。在触发信号到达后生成扫描。一次扫描后，就绪灯熄灭。单扫描用于观察非周期信号或单个瞬态信号，经常需要对波形拍照。

上面简单介绍了示波器的基本功能和操作。示波器还有一些比较复杂的功能，比如延时扫描、触发延时、X-Y工作模式等。，这里就不介绍了。示波器刚开始操作起来很容易，但如果真的熟练了，就要在应用中掌握。值得指出的是，虽然示波器的功能很多，但很多情况下还是用其他仪器仪表比较好。比如在数字电路实验中，用逻辑笔判断是否出现单个脉宽较窄的脉冲就容易得多。测量单脉冲的脉宽时，最好使用逻辑分析仪。

数字示波器使用中应注意的问题

序

数字示波器因其在波形触发、存储、显示、测量、波形数据分析和处理等方面的独特优势而得到广泛应用。由于数字示波器和模拟示波器在性能上有较大差异，如果使用不当，会造成较大的测量误差，影响测试任务。

区分模拟带宽和数字实时带宽

它是示波器带宽最重要的指标之一。模拟示波器的带宽是一个固定值，而数字示波器的带宽包括模拟带宽和数字实时带宽。当对重复信号使用顺序采样或板载采样技术时，数字示波器可以实现的最高带宽是示波器的数字实时带宽。数字实时带宽与最高数字化频率和波形重构技术因子K(数字实时带宽=最高数字化率/K)有关，不直接作为指标给出。从两种带宽的定义可以看出，模拟带宽只适用于重复周期信号的测量，而数字实时带宽适用于重复信号和单一信号同时测量。厂家说示波器带宽可以达到几兆，其实指的是模拟带宽，数字实时带宽低于这个值。比如TEK公司的TES520B，其带宽为500MHz，实际上意味着其模拟带宽为500MHz，而数字实时带宽最高只能达到400MHz，远低于模拟带宽。所以在测量单个信号时，一定要参考数字示波器的数字实时带宽，否则会给测量带来意想不到的误差。

关于采样率

采样率又称数字化率，是指单位时间内模拟输入信号的采样次数，常以ms/s表示，采样率是数字示波器的重要指标。

1.如果采样率不够，很容易出现混叠。

如果示波器的输入信号是100KHz的正弦信号，但是示波器显示的信号频率是50KHz，这是怎么回事？这是因为示波器的采样率太慢，导致混叠。混叠是指屏幕上显示的波形频率低于信号的实际频率，或者即使示波器上的触发指示灯亮起，显示的波形仍然不稳定。混叠的产生如图1所示。那么对于一个未知频率的波形，如何判断显示的波形是否产生了混叠？可以慢慢把扫速t/div换成更快的时基，看看波形的频率参数是否变化剧烈。如果是这样，就意味着出现了波形混叠。或者抖动波形稳定在更快的时基上，这也表明波形混叠已经发生。根据奈奎斯特定理，采样率应至少比信号的高频分量高2倍，以便不会出现混叠。例如，500MHz信号至少需要1GS/s的采样速率。有几种方法可以简单地防止混叠:

调整扫描速度；

采用自动设置(autoset)；

尽量将采集模式切换到包络模式或峰值检测模式，因为包络模式是在多个采集记录中寻找极值，而峰值检测模式是在单个采集记录中寻找最大值和最小值。这两种方法都可以检测到更快的信号变化。

如果示波器有InstaVu采集模式，可以选择，因为这种模式可以快速采集波形，这种方法显示的波形和模拟示波器显示的波形差不多。

2.采样率与t/div的关系

每个数字示波器的最大采样率是一个固定值。然而，在任何扫描时间t/div，采样率fs由以下公式给出:

Fs=N/(t/div)N是每个网格中的采样点。

当采样点数n为一定值时，fs与t/div成反比，扫描速度越高，采样率越低。下面是一组TDS520B的扫描速度和采样率的数据:

1扫描速度和采样率表

t/div(ns)1252550100200fs(GS/s)

综上所述，使用数字示波器时，为了避免重叠，最好将扫描档位放在扫描速度较快的位置。如果想抓住稍纵即逝的毛刺，最好把扫地机放在主扫速度较慢的位置。

数字示波器的上升时间

在模拟示波器中，上升时间是示波器一个极其重要的指标。然而，在数字示波器中，上升时间甚至没有明确地作为一个指标给出。由于数字示波器的测量方法，自动测得的上升时间不仅与采样点的位置有关，如图2所示，A表示上升沿正好落在两个采样点的中间，上升时间是数字化间隔的0.8倍。如果在图2中B的上升沿中间有一个采样点，则同一波形的上升时间是数字化间隔的1.6倍。此外，上升时间还与扫速有关。以下是TDS520B测量相同波形时的一组扫描速度和上升时间数据:

2表扫描速度和上升时间

t/div(ms)502010521 tr(μs)800320160803216

从以上数据可以看出，虽然波形的上升时间是一个恒定值，但由于扫描速度不同，数字示波器测得的结果相差甚远。模拟示波器的上升时间与扫描速度无关，而数字示波器的上升时间不仅与扫描速度有关，还与采样点的位置有关。在使用数字示波器时，我们不能像模拟示波器一样，根据测得的时间来推断信号的上升时间。