示波器基礎使用說明和功能
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字顯示來給出信號電壓的測量讀數。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值，這通常是有效值即RMS值。但是電壓表不能給出有關信號形狀的信息。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。陰極射線管的基礎是一個能產生電子的系統(tǒng)，稱為電子槍。電子槍向屏幕發(fā)射電子。電子槍發(fā)射的電子經聚焦形成電子束，并打在屏幕中心的一點上。屏幕的內表面涂有熒光物質，這樣電子束打中的點就發(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過偏轉系統(tǒng)。在偏轉系統(tǒng)上施加電壓就可以使光點在屏幕上移動。偏轉系統(tǒng)由水平（X）偏轉板和垂直（Y）偏轉板組成。這種偏轉方式稱為靜電偏轉。
在屏幕的內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絡，稱為標尺。標尺通常在垂直方向有8個，水平方向有10個，每個格為1cm。有的標尺線又進一步分成小格，并且還有標明0％和100％的特別線。這些特別的線和標明10％和90％的標尺配合使用以進行上升時間的測量。我們后面會討論這個問題。
如上所述，受到電子轟擊后，CRT上的熒光物質就會發(fā)光。當電子束移開后，熒光物質在一個短的時間內還會繼續(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的不同而變化。最常用的熒光物質是P31，其余輝時間小于一毫秒(ms).而熒光物質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軸偏轉板上，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。
影響屏幕的控制機構有：
—輝度
輝度控制用來調切波形顯示的亮度。本書中用作示例的示波器所采用的電路能夠根據不同的掃描速度自動調切輝度。當電子束移動得比較快時，熒光物質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，當電子束移動緩慢時，屏幕上的光點變得很亮，因此必須減小輝度以免熒光物質被燒壞。從而延長示波管的壽命。
對于屏幕上的文字部分，另有單獨的輝度控制機構。
—聚焦
聚焦控制機構用來控制屏幕上光點的大小，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。另外也提供手動調節(jié)的聚集控制。
—掃描旋轉
這個控制機構使X軸掃描線和水平標尺線對齊。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。掃跡旋轉功能就用來對此進行補償。掃描旋轉功能是預先調好的，通常只需在示波器搬動后再行調節(jié)。
—標尺照明
標尺亮度可以單獨控制。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生水平偏轉以及使用X－Y顯示方式來尋找頻率關系的應用中是十分有用的。
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。現(xiàn)在我們已經對它有所了解。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。
我們已經看到，示波器有兩個垂直偏轉板，兩個水平偏轉板和一個電子槍。從電子槍發(fā)射出的電子束的強度可以用電氣的辦法來加以控制。
在上術基礎上，再增添下面敘述的電路就可以構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
—偏轉放大器
示波器的水平偏轉系統(tǒng)包括：時基、觸發(fā)電路和水平偏轉放大器
輝度控制電路用電子學的方法在恰當的時刻點亮和熄滅掃跡。
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內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系統(tǒng)的特性來決定的，所以我們首先來詳細地考察這一部分。
1．3 垂直偏轉
靈敏度
垂直偏轉系統(tǒng)對輸入信號進行比例變換，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行變換以適應屏幕的顯示范圍，這樣就可以按照標尺刻度對波形進行測量。為此就要求對大信號進行衰減、對小信號進行放大。示波器的靈敏度或衰減器控制就是為此而設置的。
靈敏度是以每格的伏特數來衡量的看一下圖3可以知道其靈敏度設置為1V/格。因此，峰峰值為6V的信號使得掃跡在垂直方向的6個格內偏轉變化。知道了示波器的靈敏度設置值和電子束在垂直方向掃描的格數，我們就可以測量出信號的峰峰電壓值。
在多數的示波器上，靈敏度控制都是按1－2－5的序列步進變化的。即靈敏度。設置顛倒為10mV/格、20mV/格、50mV/、100mV/格等等。靈敏度通常是用幅度上升/下降鈕來進行控制的，而在有些示波器則是用轉動垂直靈敏度旋鈕來進行。
如果使用這些靈敏度步進不能調節(jié)信號使之能夠準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，使用標尺刻度來進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的步進值之間對靈敏度進行連續(xù)調節(jié)。通常當使用可變控制時，準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序列的兩個步進值之間的某個值。這時我們稱該通道的Y偏轉是未校準的或表示為"uncal"。這種未校準的狀態(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)代先進的技術進行控制和校準。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狀態(tài)。
在老式的示波器上，通道靈敏度的設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，通道靈敏度設置值清晰地顯示在屏幕上，如圖3所示，或者用一個單獨的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6格
耦合
耦合控制機構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系統(tǒng)其它部分的方式。耦合控制可以有兩種設置方式，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
和耦合控制機構有關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構來調節(jié)這個參考電平或掃描基線的位置。
輸入阻抗
多數示波器的輸入阻抗為1MΩ和大約25pF相關聯(lián)。這足以滿足多數應用場合的要求，因為它對多數電路的負載效應極小。
有些信號來自50Ω輸出阻搞的源。為了準確的測量這些信號并避免發(fā)生失真，必須對這些信號進行正確的傳送和端接。這時應當使用50Ω特性阻抗的電纜并用50Ω的負載進行端接。某些示波器，如PM3094和PM3394A，內部裝有一個50Ω的負載，提供一種用戶可選擇的功能。為避免誤操作，選擇此功能時需經再次確認。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控制機構控制掃跡在屏幕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。在更先進的示波器上設有單獨的地電平指示器，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際意義。然百，把兩個有關信號之一反向，再將二者相加，實際上就實現(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，再進行適當的比例變換，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，在很多示波器應用中，常常要進行信號的比較，例如，研究輸入/輸出信號間的關系，或者一個系統(tǒng)對信號的延遲等。這就要求示波器實際上能同時顯示不只一個信號。
為了達到這一目的，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行開關或斬波切換，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，因為這時斬波器開關能快速進行切換。
交替模式適合于需要使用較快時基設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指標就是帶寬。示波器的帶寬表明了該示波器垂直系統(tǒng)的頻率響應。示波器的帶寬定義為示波器在屏幕上能以不低于真實信號3dB的幅度來顯示信號的最高頻率。
—3dB點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信號值“Vinput”的71％時的信號頻率，如下式所示：設：
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曲線。
圖5 一臺典型為100MHz示波器的頻率響應曲線（簡化的曲線和實際的曲線）
出于現(xiàn)實的理由，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。當然，這是一種簡化的考慮。實際上，放大器的靈敏度從較低的頻率就開始下降，百在其截止頻率達到－3dB。圖5中中同時給出了簡化的頻率響應曲線和實際的頻率響應曲線。
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。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。示波器的高頻響應曲線是經過認真安排的。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）
在示波器的標尺上刻有標明0％和100％的專門的線，用來進行上升時間的測量。測量時我們先用VAR靈敏度控制機構將被測認號的頂部和底部分別和標有0％和100％的線對齊。
然后找出信號和標尺上標有10％和90％的兩條線的交點。這樣，上升時間就可以從這兩個交點沿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當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當是示波器上升時間和信號上升時間和組合函數。
滬公網安備31010802001143號
