2017-10-12 10:55:12

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示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像,便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束,打在涂有荧光物质的屏面上,就可产生细小的光点(这是传统的模拟示波器的工作原理)。在被测信号的作用下,电子束就好像一支笔的笔尖,可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线,还可以用它测试各种不同的电量,如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。

基本信息

  • 中文名

    示波器

  • 外文名

    oscilloscope

  • 属性

    电子测量仪器

  • 应用学科

    机械工程;电测量仪器仪表

折叠 编辑本段 简介

示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象,便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束,打在涂有荧光物质的屏面上,就可产生细小的光点。在被测信号的作用下,电子束就好像一支笔的笔尖,可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线,还可以用它测试各种不同的电量,如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。

折叠 编辑本段 使用步骤

(1)先预调:反时针旋转辉度旋钮到底,竖直和水平位移转到中间,衰减置于最高档,扫描置于“外X档”;

(2)再开电源,指示灯亮后等待一两分钟进行预热后再进行相关的操作;[1]

(3)先调辉度,再调聚焦,进而调水平和竖直位移使亮点在中心合适区域;

(4)调扫描、扫描微调和X增益,观察扫描;

(5)把外X档拔开到扫描范围档合适处,观察机内提供的竖直方向按正余弦规律变化的电压波形;

(6)把待研究的外加电压由Y输入和地间接入示波器,调节各档到合适位置,可观察到此电压的波形(与时间变化的图象)(调同步极性开关可使图象的起点从正半周或负半周开始;

(7)如欲观察亮斑(如外加一直流电压时)的竖直偏移,可把扫描调节到“外X”档。

(不同的示波器可能操作方法不同)

折叠 编辑本段 基本原理

折叠 显示电路

显示电路包括示波管及其控制电路两个部分。示波管是一种特殊的电子管,是示波器一个重要组成部分。示波管由电子枪、偏转系统和荧光屏3个部分组成。

(1)电子枪

电子枪用于产生并形成高速、聚束的电子流,去轰击荧光屏使之发光。它主要由灯丝F、阴极K、控制极G、第一阳极A1、第二阳极A2组成。除灯丝外,其余电极的结构都为金属圆筒,且它们的轴心都保持在同一轴线上。阴极被加热后,可沿轴向发射电子;控制极相对阴极来说是负电位,改变电位可以改变通过控制极小孔的电子数目,也就是控制荧光屏上光点的亮度。为了提高屏上光点亮度,又不降低对电子束偏转的灵敏度,现代示波管中,在偏转系统和荧光屏之间还加上一个后加速电极A3。

第一阳极对阴极而言加有约几百伏的正电压。在第二阳极上加有一个比第一阳极更高的正电压。穿过控制极小孔的电子束,在第一阳极和第二阳极高电位的作用下,得到加速,向荧光屏方向作高速运动。由于电荷的同性相斥,电子束会逐渐散开。通过第一阳极、第二阳极之间电场的聚焦作用,使电子重新聚集起来并交汇于一点。适当控制第一阳极和第二阳极之间电位差的大小,便能使焦点刚好落在荧光屏上,显现一个光亮细小的圆点。改变第一阳极和第二阳极之间的电位差,可起调节光点聚焦的作用,这就是示波器的“聚焦”和“辅助聚焦”调节的原理。第三阳极是示波管锥体内部涂上一层石墨形成的,通常加有很高的电压,它有三个作用:①使穿过偏转系统以后的电子进一步加速,使电子有足够的能量去轰击荧光屏,以获得足够的亮度;②石墨层涂在整个锥体上,能起到屏蔽作用;③电子束轰击荧光屏会产生二次电子,处于高电位的A3可吸收这些电子。

(2)偏转系统

示波管的偏转系统大都是静电偏转式,它由两对相互垂直的平行金属板组成,分别称为水平偏转板和垂直偏转板。分别控制电子束在水平方向和垂直方向的运动。当电子在偏转板之间运动时,如果偏转板上没有加电压,偏转板之间无电场,离开第二阳极后进入偏转系统的电子将沿轴向运动,射向屏幕的中心。如果偏转板上有电压,偏转板之间则有电场,进入偏转系统的电子会在偏转电场的作用下射向荧光屏的指定位置。

如果两块偏转板互相平行,并且它们的电位差等于零,那么通过偏转板空间的,具有速度υ的电子束就会沿着原方向(设为轴线方向)运动,并打在荧光屏的坐标原点上。如果两块偏转板之间存在着恒定的电位差,则偏转板间就形成一个电场,这个电场与电子的运动方向相垂直,于是电子就朝着电位比较高的偏转板偏转。这样,在两偏转板之间的空间,电子就沿着抛物线在这一点上做切线运动。最后,电子降落在荧光屏上的A点,这个A点距离荧光屏原点(0)有一段距离,这段距离称为偏转量,用y表示。偏转量y与偏转板上所加的电压Vy成正比。同理,在水平偏转板上加有直流电压时,也发生类似情况,只是光点在水平方向上偏转。

(3)荧光屏示波器实物图

荧光屏位于示波管的终端,它的作用是将偏转后的电子束显示出来,以便观察。在示波器的荧光屏内壁涂有一层发光物质,因而,荧光屏上受到高速电子冲击的地点就显现出荧光。此时光点的亮度决定于电子束的数目、密度及其速度。改变控制极的电压时,电子束中电子的数目将随之改变,光点亮度也就改变。在使用示波器时,不宜让很亮的光点固定出现在示波管荧光屏一个位置上,否则该点荧光物质将因长期受电子冲击而烧坏,从而失去发光能力。

涂有不同荧光物质的荧光屏,在受电子冲击时将显示出不同的颜色和不同的余辉时间,通常供观察一般信号波形用的是发绿光的,属中余辉示波管,供观察非周期性及低频信号用的是发橙黄色光的,属长余辉示波管;供照相用的示波器中,一般都采用发蓝色的短余辉示波管。

折叠 垂直(Y轴)放大电路

学生示波器由于示波管的偏转灵敏度甚低,例如常用的示波管13SJ38J型,其垂直偏转灵敏度为0.86mm/V(约12V电压产生1cm的偏转量),所以一般的被测信号电压都要先经过垂直放大电路的放大,再加到示波管的垂直偏转板上,以得到垂直方向的适当大小的图形。

折叠 水平(X轴)放大电路

由于示波管水平方向的偏转灵敏度也很低,所以接入示波管水平偏转板的电压(锯齿波电压或其它电压)也要先经过水平放大电路的放大以后,再加到示波管的水平偏转板上,以得到水平方向适当大小的图形。

折叠 扫描与同步电路

扫描电路产生一个锯齿波电压。该锯齿波电压的频率能在一定的范围内连续可调。锯齿波电压的作用是使示波管阴极发出的电子束在荧光屏上形成周期性的、与时间成正比的水平位移,即形成时间基线。这样,才能把加在垂直方向的被测信号按时间的变化波形展现在荧光屏上。

折叠 电源供给电路

电源供给电路:供给垂直与水平放大电路、扫描与同步电路以及示波管与控制电路所需的负高压、灯丝电压等。

由示波器的原理功能方框图可见,被测信号电压加到示波器的Y轴输入端,经垂直放大电路加于示波管的垂直偏转板。示波管的水平偏转电压,虽然多数情况都采用锯齿电压(用于观察波形时),但有时也采用其它的外加电压(用于测量频率、相位差等时),因此在水平放大电路输入端有一个水平信号选择开关,以便按照需要选用示波器内部的锯齿波电压,或选用外加在X轴输入端上的其它电压来作为水平偏转电压。SDS1000CML

此外,为了使荧光屏上显示的图形保持稳定,要求锯齿波电压信号的频率和被测信号的频率保持同步。这样,不仅要求锯齿波电压的频率能连续调节,而且在产生锯齿波的电路上还要输入一个同步信号。这样,对于只能产生连续扫描(即产生周而复始、连续不断的锯齿波)一种状态的简易示波器(如国产SB10型等示波器)而言,需要在其扫描电路上输入一个与被观察信号频率相关的同步信号,以牵制锯齿波的振荡频率。对于具有等待扫描功能(即平时不产生锯齿波,当被测信号来到时才产生一个锯齿波,进行一次扫描)的示波器(如国产ST-16型示波器、SR-8型双踪示波器等)为了适应各种需要,同步(或触发)信号可通过同步或触发信号选择开关来选择,通常来源有3个:①从垂直放大电路引来被测信号作为同步(或触发)信号,此信号称为“内同步”(或“内触发”)信号;②引入某种相关的外加信号为同步(或触发)信号,此信号称为“外同步”(或“外触发”)信号,该信号加在外同步(或外触发)输入端;③有些示波器的同步信号选择开关还有一档“电源同步”,是由220V,50Hz电源电压,通过变压器次级降压后作为同步信号。

折叠 波形显示的基本原理

由示波管的原理可知,一个直流电压加到一对偏转板上时,将使光点在荧光屏上产生一个固定位移,该位移的大小与所加直流电压成正比。如果分别将两个直流电压同时加到垂直和水平两对偏转板上,则荧光屏上的光点位置就由两个方向的位移所共同决定。

如果将一个正弦交流电压加到一对偏转板上时,光点在荧光屏上将随电压的变化而移动。当垂直偏转板上加一个正弦交流电压时,在时间t=0的瞬间,电压为Vo(零值),荧光屏上的光点位置在坐标原点0上,在时间t=1的瞬间,电压为V1(正值),荧光屏上光点在坐标原点0点上方的1上,位移的大小正比于电压V1;在时间t=2的瞬间,电压为V2(最大正值),荧光屏上的光点在坐标原点0点上方的2点上,位移的距离正比于电压V2;以此类推,在时间t=3,t=4,…,t=8的各个瞬间,荧光屏上光点位置分别为3、4、…、8点。在交流电压的第二个周期、第三个周期……都将重复第一个周期的情况。如果此时加在垂直偏转板上的正弦交流电压之频率很低,仅为lHz~2Hz,那么,在荧光屏上便会看见一个上下移动着的光点。这光点距离坐标原点的瞬时偏转值将与加在垂直偏转板上的电压瞬时值成正比。如果加在垂直偏转板上的交流电压频率在10Hz~20Hz以上,则由于荧光屏的余辉现象和人眼的视觉暂留现象,在荧光屏上看到的就不是一个上下移动的点,而是一根垂直的亮线了。该亮线的长短在示波器的垂直放大增益一定的情况下决定于正弦交流电压峰一峰值的大小。如果在水平偏转板上加一个正弦交流电压,则会产生相类似的情况,只是光点在水平轴上移动罢了。

如果将一随时间线性变化的电压(如锯齿波电压)加到一对偏转板上,则光点在荧光屏上又会怎样移动呢?当水平偏转板上有锯齿波电压时,在时间t=0瞬间,电压为Vo(最大负值),荧光屏上光点在坐标原点左侧的起始位置(零点上),位移的距离正比于电压Vo;在时间t=1的瞬间,电压为V1(负值),荧光屏上光点在坐标原点左方的1点上,位移的距离正比于电压V1;以此类推,在时间t=2,t=3,...,t=8的各个瞬间,荧光屏上光点的对应位置是2、3、…、8各点。在t=8这个瞬间,锯齿波电压由最大正值V8跃变到最大负值Vo,则荧光屏上光点从8点极其迅速地向左移到起始位置零点。如果锯齿波电压是周期性的,则在锯齿波电压的第二个周期、第三个周期、……都将重复第一个周期的情形。如果此时加在水平偏转板上的锯齿波电压频率很低,仅为1Hz ~2Hz,在荧光屏上便会看见光点自左边起始位置零点向右边8点处匀速地移动,随后光点又从右边8点处极其迅速地移动到左边起始位置零点。上述这个过程称为扫描。在水平轴加有周期性锯齿波电压时,扫描将周而复始地进行下去。光点距离起始位置零点的瞬时值,将与加在偏转板上的电压瞬时值成正比。如果加在偏转板上的锯齿波电压频率在10Hz~20Hz以上,则由于荧光屏的余辉现象和人眼的视觉暂留现象,就看到一根水平亮线,该水平亮线的长度,在示波器水平放大增益一定的情况下决定于锯齿波电压值,锯齿波电压值是与时间变化成正比的,而荧光屏上光点的位移又是与电压值成正比的,因此荧光屏上的水平亮线可以代表时间轴。在此亮线上的任何相等的线段都代表相等的一段时间。

如果将被测信号电压加到垂直偏转板上,锯齿波扫描电压加到水平偏转板上,而且被测信号电压的频率等于锯齿波扫描电压的频率,则荧光屏上将显示出一个周期的被测信号电压随时间变化的波形曲线(如图5-6所示)。由图5-6所示可见,在时间t=0的瞬间,信号电压为Vo(零值),锯齿波电压为V0′(负值),荧光屏上光点在坐标原点左面,位移的距离正比于电压V0′;在时间t=1的瞬间,交流电压为V1(正值),锯齿波电压为V1′(负值),荧光屏上光点在坐标的第Ⅱ象限中。同理,在时间t=2,t=3,…,t=8的瞬间,荧光屏上光点分别位于2,3,…,8点。在t=8瞬间,锯齿波电压由最大正值V8′跳变到最大负V0′,因而荧光屏上的光点也从8点极其迅速地向左移到起始位置0点。以后,在被测周期信号的第二个周期、第三个周期……都重复第一个周期的情形,光点在荧光屏上描出的轨迹也都重叠在第一次描出的轨迹上。所以,荧光屏上显示出来的被测信号电压是随时间变化的稳定波形曲线。

由上述可见,为使荧光屏上的图形稳定,被测信号电压的频率应与锯齿波电压的频率保持整数比的关SHS1000系,即同步关系。为了实现这一点,就要求锯齿波电压的频率连续可调,以便适应观察各种不同频率的周期信号。其次,由于被测信号频率和锯齿波振荡信号频率的相对不稳定性,即使把锯齿波电压的频率临时调到与被测信号频率成整倍数关系,也不能使图形一直保持稳定。因此,示波器中都设有同步装置。也就是在锯齿波电路的某部分加上一个同步信号来促使扫描的同步,对于只能产生连续扫描(即产生周而复始连续不断的锯齿波)一种状态的简易示波器(如国产SB-10型示波器等)而言,需要在其扫描电路上输入一个与被观察信号频率相关的同步信号,当所加同步信号的频率接近锯齿波频率的自主振荡频率(或接近其整数倍)时,就可以把锯齿波频率“拖入同步”或“锁住”。对于具有等待扫描(即平时不产生锯齿波,当被测信号来到时才产生一个锯齿波进行一次扫描)功能的示波器(如国产ST-16型示波器、SBT-5型同步示波器、SR-8型双踪示波器等等)而言,需要在其扫描电路上输入一个与被测信号相关的触发信号,使扫描过程与被测信号密切配合。这样,只要按照需要来选择适当的同步信号或触发信号,便可使任何欲研究的过程与锯齿波扫描频率保持同步。

折叠 双线示波的显示原理

在电子实践技术过程中,常常需要同时观察两种(或两种以上)信号随时间变化的过程。并对这些不同信号进行电

量的测试和比较。为了达到这个目的,人们在应用普通示波器原理的基础上,采用了以下两种同时显示多个波形的方法:一种是双线(或多线)示波法;另一种是双踪(或多踪)示波法。应用这两种方法制造出来的示波器分别称为双线(或多线)示波器和双踪(或多踪)示波器。

双线(或多线)示波器是采用双枪(或多枪)示波管来实现的。下面以双枪示波管为例加以简单说明。双枪示波管有两个互相独立的电子枪产生两束电子。另有两组互相独立的偏转系统,它们各自控制一束电子作上下、左右的运动。荧光屏是共用的,因而屏上可以同时显示出两种不同的电信号波形,双线示波也可以采用单枪双线示波管来实现。这种示波管只有一个电子枪,在工作时是依靠特殊的电极把电子分成两束。然后,由管内的两组互相独立的偏转系统,分别控制两束电子上下、左右运动。荧光屏是共用的,能同时显示出两种不同的电信号波形。由于双线示波管的制造工艺要求高,成本也高,所以应用并不十分普遍。

折叠 双踪示波的显示原理

双踪(或多踪)示波是在单线示波器的基础上,增设一个专用电子开关,用它来实现两种(或多种)波形的分别显示。由于实现双踪(或多踪)示波比实现双线(或多线)示波来得简单,不需要使用结构复杂、价格昂贵的“双腔”或“多腔”示波管,所以双踪(或多踪)示波获得了普遍的应用。

(1)双踪示波的显示原理

图5-8(a)是双踪示波法基本原理的示意图。图中,电子开关K的作用是使加在示波管垂直偏转板上的两种信号电压作周期性转换。例如,在0~1这段时间里,电子开关K与信号通道A接通,这时在荧光屏上显示出信号UA的一段波形;在1~2这段时间里,电子开关K与信号通道B接通,这时在荧光屏上显现出信号UB的一段波形;在2~3这段时间里,荧光屏上再一次显示出信号UA的一段波形;在3~4这段时间里,荧光屏上将再一次显示出UB的一段波形……。这样,两个信号在荧光屏上虽然是交替显示的,但由于人眼的视觉暂留现象和荧光屏的余辉(高速电子在停止冲击荧光屏后,荧光屏上受冲击处仍保留一段发光时间)现象,就可在荧光屏上同时看到两个被测信号波形(图5-8(b)所示)。

图5-8 双踪示波器基本原理

为了保持荧光屏显示出来的两种信号波形稳定,则要求被测信号频率、扫描信号频率与电子开关的转换频率三者之间必须满足一定的关系。

首先,两个被测信号频率与扫描信号频率之间应该是成整数比的关系,也就是要求“同步”。这一点与单线示波器的原理是相同的,只是现在的被测信号是两个,而扫描电压是一个。在实际应用中,需要观察和比较的两个信号常常是互相有内在联系的,所以上述的同步要求一般是容易满足的。

为了使荧光屏上显示的两个被测信号波形都稳定,除满足上述要求外,还必须合理地选择电子开关的转换频率,使得在示波器上所显示的波形个数合适,以便于观察。下面谈谈电子开关的工作方式问题,这个问题与电子开关的转换频率有关。

电子开关的工作方式有“交替”转换和“断续”转换两种。

图5-9是电子开关“交替”转换工作方式的波形示意图。在0~1时间内,电子开关与通道A接通,加在X轴上的扫描信号开始进行第一个正程扫描,此时荧光屏上将显现出信号UA的波形;在完成UA波形显示后,扫描电压迅速回扫;在1~2时间内,电子开关K与通道B接通,X轴上的扫描信号开始进行第二个正程扫描,荧光屏上将显示出信号UB的波形;在2~3时间内,荧光屏上再一次显示出信号UA的波形;在3~4时间内,荧光屏上再一次显示出信号UB的波形……。由此可见,被测信号UA、UB的波形是依次、交替地出现在荧光屏上的,荧光屏上显示的波形如图5-9(b)所示。显然,此时电子开关的转换与X轴的扫描始终保持着一致的步调,即电子开关的转换频率等于X轴扫描信号的频率。图5-9(b)中的虚线实际上是看不见的。

图5-10 采用“断续”转换

图5-9 采用“交替”转换方式的波形示意图方式的波形示意图

采用交替转换工作方式的显示的波形与双线示波法所显示的波形非常相似,它们都没有间断点。但由于被测信号UA、UB的波形是依次交替地出现在荧光屏上的,所以,如果交替的间隙时间超过了人眼的视觉暂留时间和荧光屏的余辉时间,则人们所看到的荧光屏上的波形就会有闪烁现象。为了避免这种情况的出现,就要求电子开关有足够高的转换频率。这就是说当被测信号的频率较低时,不宜采用交替转换工作方式,而应采用断续转换工作方式。

当电子开关用断续转换工作方式时,在X轴扫描的每一个过程中,电子开关都以足够高的转换频率,分别对所显示的每个被测信号进行多次取样。这样,即使被测信号频率较低,也可避免出现波形的闪烁现象。同时,由于在一次扫描的过程中,光点在两个图形上交换的次数极多,所以图形上的细小断裂痕迹不显著,并不妨碍对波形细节的观察。图5-10是电于开关采用断续转换方式时的波形示意图。实际上,由于开关的转换频率选得远大于X轴扫描频率,所以荧光屏上显示的图形不会是图5-10所示的断续图形,而是连续的图形。图中垂直方向的细虚线表示了电子开关的转换过程。因在转换过程中示波器电路的设置使电子束截止,所以图中所示的垂直细虚线实际上也是不可见的。

在了解上述用电子开关来实现双踪示波的原理后,就不难联想到用环形计数器来实现多踪示波的原理。由于两者的显示原理相似,这里就不再赘述。

(2)双踪示波器的基本组成

图5-11是双踪示波器的原理功能方框图。由图可见,它主要是由两个通道的Y轴前置放大电路、门控电路、电子开关、混合电路、延迟电路、Y轴后置放大电路、触发电路、扫描电路、X轴放大电路、Z轴放大电路、校准信号电路、示波管和高低压电源供给电路等组成。

观察信号波形时,被测信号uA,uB通过YA,YB两个输入端输入示波器,先分别送到Y轴前置放大电路YA和YB进行放大。因通道YA和通道YB都受电子开关的控制,所以uA,uB两信号轮换着输送到后面的混合电路,加到示波管的垂直偏转板上。

为了适应各种不同的测试需要,电子开关可有五种不同的工作状态,即交替、YA、YB、YA+YB、断续等。这5种工作状态由显示方式开关来控制。

当显示方式开关置于交替位置时,电子开关为一双稳态电路。它受由扫描电路来的闸门信号控制,使得Y轴两个前置通道随着扫描电路门信号的变化而交替地工作。每秒钟交替转换次数与由扫描电路产生的扫描信号的重复频率有关。交替工作状态适用于观察频率不太低的被测信号。

图5-11 双踪示波器的原理功能方框图

当显示方式开关置于YA或YB位置时,电子开关为一单稳态电路。前置放大电路YA或YB可单独工作,此时,双踪示波器可作为普通单线示波器使用。

当显示方式开关置于YA+YB位置时,电子开关处于不工作状态。此时,YA、YB两通道同时工作,因而可得到两信号相加或两信号相减的显示。然而,两信号究竟是相加还是相减,这要通过YA通道的极性作用开关来选择。这个开关有两个位置,在第一个位置时,荧光屏上的图形为两信号之和;在第二个位置(-YA)时,荧光屏上的图形为两信号之差。

为了观察被测信号随时间变化的波形,示波管的水平偏转板上必须加以线性扫描电压(锯齿波电压)。这个扫描电压是由扫描电路产生的。当触发信号加到触发电路时,触发了扫描电路,扫描电路就产生相应的扫描信号;当不加触发信号时,扫描电路就不产生扫描信号。

触发有内触发、外触发两种,由触发选择开关来选择。当该开关置于内的位置时,触发信号来自经Y轴通道送入的被测信号。当该开关置于外的位置时,触发信号是由外部送入的。这个信号应与被测信号的频率成整数比的关系。示波器在使用中,多数采用内触发工作方式。

所谓内触发也分为两种情况,并由内触发选择开关控制。当开关置于常态的位置时,触发电路的触发信号来自YA,YB通道。此时,两个通道即可同时稳定地显示出各自的被测信号。当用双踪显示来作时间比较分析时,就应该将内触发选择开关置于YB的位置。在这个位置时,触发电路的触发信号只取自YB通道的输入信号。此时只有当uA,uB的频率成整数比时,荧光屏上才能同时稳定地显示两个波形。

扫描电路产生的扫描信号(锯齿波信号),通过X轴选择开关接到X轴放大电路,经放大后送到示波管的X轴偏转板。这就是通常在观察信号随时间变化的波形时,开关选扫描档的情况。除上述情况外,用示波器进行其它测试(比如观察李沙育图形)时,开关置X外接档,此时可将X轴输入端输入的信号,加到X轴放大电路进行放大,随后再送至X轴偏转板。

Z轴放大电路对荧光屏上光点辉度起着调节的作用,抹去不必要显示的光点轨迹。当扫描电路闸门信号来到Z轴放大电路,Z轴放大电路便输出正向的增辉脉冲信号,加至示波管的控制极。这就是说,在扫描信号的过程中,荧光屏上的光点得以增辉;在电子开关的转换过程中,电子开关电路将输出脉冲信号也加至Z轴放大电路,此时Z轴放大电路便输出负向脉冲信号,加至示波管的控制极。这样,就消去了两个通道交替工作时的过渡光点,以提高显示波形的清晰度。

校正信号电路产生一个一定频率、一定幅度的矩形信号(如国产SR-8型两踪示波器的校正信号是频率为lkHz、幅度为1V)。它是作校正Y轴放大电路的灵敏度和X轴的扫描速度之用的。

高、低压电源供给电路中的低压是供给示波器各级所需的低压电源的,高压是供给示波管显示系统电源的。

折叠 编辑本段 仪器分类

示波器可以分为模拟示波器和数字示波器,对于大多数的电子应用,无论模拟示波器和数字示波器都是可以胜任的,只是对于一些特定的应用,由于模拟示波器和数字示波器所具备的不同特性,才会出现适合和不适合的地方。

折叠 模拟示波器

模拟示波器的工作方式是直接测量信号电压,并且通过从左到右穿过示波器屏幕的电子束在垂直方向描绘电压。

折叠 数字示波器

数字示波器的工作方式是通过模拟转换器(ADC)把被测电压转换为数字信息。数字示波器捕获的是波形的一系列样值,并对样值进行存储,存储限度是判断累计的样值是否能描绘出波形为止,随后,数字示波器重构波形。

数字示波器可以分为数字存储示波器(DSO),数字荧光示波器(DPO)和采样示波器。

模拟示波器要提高带宽,需要示波管、垂直放大和水平扫描全面推进。数字示波器要改善带宽只需要提高前端的A/D转换器的性能,对示波管和扫描电路没有特殊要求。加上数字示波管能充分利用记忆、存储和处理,以及多种触发和超前触发能力。廿世纪八十年代数字示波器异军突起,成果累累,大有全面取代模拟示波器之势,模拟示波器的确从前台退到后台。

折叠 编辑本段 测量方法

(1)将示波器探头插入通道1插孔,并将探头上的衰减置于"1"档;

(2)将通道选择置于CH1,耦合方式置于DC档;

(3)将探头探针插入校准信号源小孔内,此时示波器屏幕出现光迹;

(4)调节垂直旋钮和水平旋钮,使屏幕显示的波形图稳定,并将垂直微调和水平微调置于校准位置;

(5)读出波形图在垂直方向所占格数,乘以垂直衰减旋钮的指示数值,得到校准信号的幅度;

(6)读出波形每个周期在水平方向所占格数,乘以水平扫描旋钮的指示数值,得到校准信号的周期(周期的倒数为频率);

(7)一般校准信号的频率为1kHz,幅度为0.5V,用以校准示波器内部扫描振荡器频率,如果不正常,应调节示波器(内部)相应电位器,直至相符为止。

折叠 编辑本段 常见现象

折叠 常没有光点或波形

电源未接通。

辉度旋钮未调节好。

X,Y轴移位旋钮位置调偏。

Y轴平衡电位器调整不当,造成直流放大电路严重失衡。

折叠 水平方向展不开

触发源选择开关置于外档,且无外触发信号输入,则无锯齿波产生。

电平旋钮调节不当。

稳定度电位器没有调整在使扫描电路处于待触发的临界状态。

X轴选择误置于X外接位置,且外接插座上又无信号输入。

两踪示波器如果只使用A通道(B通道无输入信号),而内触发开关置于拉YB位置,则无锯齿波产生。

折叠 垂直方向无展示

输入耦合方式DC-接地-AC开关误置于接地位置。

输入端的高、低电位端与被测电路的高、低电位端接反。

输入信号较小,而V/div误置于低灵敏度档。

折叠 波形不稳定

稳定度电位器顺时针旋转过度,致使扫描电路处于自激扫描状态(未处于待触发的临界状态)。

触发耦合方式AC、AC(H)、DC开关未能按照不同触发信号频率正确选择相应档级。

选择高频触发状态时,触发源选择开关误置于外档(应置于内档。)

部分示波器扫描处于自动档(连续扫描)时,波形不稳定。

折叠 垂直线条密集或呈现一矩形

t/div开关选择不当,致使f扫描<<f信号。

水平线条密集或呈一条倾斜水平线

t/div关选择不当,致使f扫描>>f信号。

折叠 垂直方向的电压读数不准

未进行垂直方向的偏转灵敏度(v/div)校准。

进行v/div校准时,v/div微调旋钮未置于校正位置(即顺时针方向未旋足)。

进行测试时,v/div微调旋钮调离了校正位置(即调离了顺时针方向旋足的位置)。

使用l0 :1衰减探头,计算电压时未乘以10倍。

被测信号频率超过示波器的最高使用频率,示波器读数比实际值偏小。

测得的是峰-峰值,正弦有效值需换算求得。

折叠 水平方向的读数不准

未进行水平方向的偏转灵敏度(t/div)校准。

进行t/div校准时,t/div微调旋钮未置于校准位置(即顺时针方向未旋足)。

进行测试时,t/div微调旋钮调离了校正位置(即调离了顺时针方向旋足的位置)。

扫速扩展开关置于拉(×10)位置时,测试未按t/div开关指示值提高灵敏度10倍计算。

折叠 交直流叠加信号的直流电压值分辨不清

Y轴输入耦合选择DC-接地-AC开关误置于AC档(应置于DC档)。

测试前未将DC-接地-AC开关置于接地档进行直流电平参考点校正。

Y轴平衡电位器未调整好。

折叠 测不出两个信号间的相位差

测不出两个信号间的相位差(波形显示法)

双踪示波器误把内触发(拉YB)开关置于按(常态)位置应把该开关置于拉YB位置。

双踪示波器没有正确选择显示方式开关的交替和断续档。

单线示波器触发选择开关误置于内档。

单线示波器触发选择开关虽置于外档,但两次外触发未采用同一信号。

折叠 调幅波形失常

t/div开关选择不当,扫描频率误按调幅波载波频率选择(应按音频调幅信号频率选择)。

折叠 波形调不到要求的起始时间和部位

稳定度电位器未调整在待触发的临界触发点上。

触发极性(+、-)与触发电平(+、-)配合不当。

触发方式开关误置于自动档(应置于常态档)。

折叠 触发或同步扫描

缓缓调节触发电平(或同步)旋钮,屏幕上显现稳定的波形,根据观察需要,适当调节电平旋钮,以显示相应起始位置的波形。

如果用双踪示波器观察波形,作单踪显示时,显示方式开关置于YA或YB。被测信号通过YA或YB输入端输入示波器。Y轴的触发源选择“内触发一拉YB”开关置于按(常态)位置。若示波器作两踪显示时,显示方式开关置于交替档(适用于观察频率不太低的信号),或断续档(适用于观察频率不太高的信号),此时Y轴的触发源选择“内触发-拉YB”开关置“拉YB”档。

折叠 使用不当造成的异常现象

示波器在使用过程中,往往由于操作者对于示波原理不甚理解和对示波器面板控制装置的作用不熟悉,会出现由于调节不当而造成异常现象。现把示波器使用过程中,常见的由于使用不当而造成的异常现象及其原因罗列于表5-1中,供示波器使用者参考。

折叠 编辑本段 测试应用

电压的测量

利用示波器所做的任何测量,都是归结为对电压的测量。示波器可以测量各种波形的电压幅度,既可以测量直流电压和正弦电压,又可以测量脉冲或非正弦电压的幅度。更有用的是它可以测量一个脉冲电压波形各部分的电压幅值,如上冲量或顶部下降量等。这是其他任何电压测量仪器都不能比拟的。

1.直接测量法

所谓直接测量法,就是直接从屏幕上量出被测电压波形的高度,然后换算成电压值。定量测试电压时,一般把Y轴灵敏度开关的微调旋钮转至“校准”位置上,这样,就可以从“V/div”的指示值和被测信号占取的纵轴坐标值直接计算被测电压值。所以,直接测量法又称为标尺法。

(1)交流电压的测量

将Y轴输入耦合开关置于“AC”位置,显示出输入波形的交流成分。如交流信号的频率很低时,则应将Y轴输入耦合开关置于“DC”位置。

将被测波形移至示波管屏幕的中心位置,用“V/div”开关将被测波形控制在屏幕有效工作面积的范围内,按坐标刻度片的分度读取整个波形所占Y轴方向的度数H,则被测电压的峰-峰值VP-P可等于“V/div”开关指示值与H的乘积。如果使用探头测量时,应把探头的衰减量计算在内,即把上述计算数值乘10。

例如示波器的Y轴灵敏度开关“V/div”位于0.2档级,被测波形占Y轴的坐标幅度H为5div,则此信号电压的峰-峰值为1V。如是经探头测量,仍指示上述数值,则被测信号电压的峰-峰值就为10V。

(2)直流电压的测量

将Y轴输入耦合开关置于“地”位置,触发方式开关置“自动”位置,使屏幕显示一水平扫描线,此扫描线便为零电平线。

将Y轴输入耦合开关置“DC”位置,加入被测电压,此时,扫描线在Y轴方向产生跳变位移H,被测电压即为“V/div”开关指示值与H的乘积。

直接测量法简单易行,但误差较大。产生误差的因素有读数误差、视差和示波器的系统误差(衰减器、偏转系统、示波管边缘效应)等。

2.比较测量法

比较测量法就是用一已知的标准电压波形与被测电压波形进行比较求得被测电压值。

将被测电压Vx输入示波器的Y轴通道,调节Y轴灵敏度选择开关“V/div”及其微调旋钮,使荧光屏显示出便于测量的高度Hx并做好记录,且“V/div”开关及微调旋钮位置保持不变。去掉被测电压,把一个已知的可调标准电压Vs输入Y轴,调节标准电压的输出幅度,使它显示与被测电压相同的幅度。此时,标准电压的输出幅度等于被测电压的幅度。比较法测量电压可避免垂直系统引起和误差,因而提高了测量精度。

时间的测量

示波器时基能产生与时间呈线性关系的扫描线,因而可以用荧光屏的水平刻度来测量波形的时间参数,如周期性信号的重复周期、脉冲信号的宽度、时间间隔、上升时间(前沿)和下降时间(后沿)、两个信号的时间差等等。

将示波器的扫速开关“t/div”的“微调”装置转至校准位置时,显示的波形在水平方向刻度所代表的时间可按“t/div”开关的指示值直读计算,从而较准确地求出被测信号的时间参数。

相位的测量

利用示波器测量两个正弦电压之间的相位差具有实用意义,用计数器可以测量频率和时间,但不能直接测量正弦电压之间的相位关系。利用示波器测量相位的方法很多,下面,仅介绍几种常用的简单方法。

1.双踪法

双踪法是用双踪示波器在荧光屏上直接比较两个被测电压的波形来测量其相位关系。测量时,将相位超前的信号接入YB通道,另一个信号接入YA通道。选用YB触发。调节“t/div”开关,使被测波形的一个周期在水平标尺上准确地占满8div,这样,一个周期的相角360°被8等分,每1div相当于45°。读出超前波与滞后波在水平轴的差距T,按下式计算相位差φ:

φ=45°/div×T(div)

如T==1.5div ,则φ=45°/div×1.5div=67.5°

2.李萨如图形法测相位

将示波器的X轴选择置于X轴输入位置,将信号u1接入示波器的Y轴输入端,信号u2接入示波器的X轴输入端。适当调节示波器面板上相关旋钮,使荧光屏上显现一个大小适宜的椭圆(在特殊情况下,可能是一个正圆或一根斜线)。

形成椭圆的原理如图5-13所示。

由图可见,设Y轴偏转板上的信号u1导前于X轴偏转板上的信号u21/8周期,设u2的初相为零,即φ2=0,因此当u2为零时,u1为一个较大的值。如图中的“0”点。此时,荧光屏上的光点也相应地位于“0”点。随着时间的变化,u1上升,u2也上升,则荧光屏上的光点向右上方移动。当经1/8周期后,u1、u2分别到达“1”点,此时u1到达最大值,u2为一个较大的值,荧光屏上的光点位于相应的“1”。如此继续下去,荧光屏上的光点将描出一个顺时针旋转的椭圆。如果u1滞后于u2则形成一个逆时针旋转的椭圆。当然,这只有在信号频率很低时(如几赫兹),且在短余辉的荧光屏上便会清楚地看到荧光屏上的光点顺时针或逆时针旋转的现象。由上述可见椭圆的形状是随两个正弦信号电压u1、u2相位差的不同而不同。因此可以根据椭圆的形状确定两个正弦信号之间的相位差Δφ。在图5-13中设A是椭圆与Y轴交点的纵坐标,B是椭圆上各点坐标的最大值。由图可见,A是对应于t=0时u1的瞬时电压,即

A=Um1sinφ1

B是对应于u1的幅值,即

B=Um1

于是A/B=(Um1sinφ1)/ Um1= sinφ1

来表示。在实际测试中为读数方便,常读取2A,2B(或2C,2D),按式

Δφ=arc sin(2A/2B)或Δφ=arc sin(2C/2D)

来计算相位差。

图5-14所示的各种图形分别表示正弦信号电压在不同相位差时的情况。不难看出,如果椭圆的主轴在第1和第3象限内,则相位差在0°~90°或270°~360°之间;如果主轴在第2和第4象限内,相位差在90°~180°或180°~270°之间。

图5-14 不同相位差时的图形

频率的测量

用示波器测量信号频率的方法很多,下面介绍常用的两种基本方法。

1.周期法

对于任何周期信号,可用前述的时间间隔的测量方法,先测定其每个周期的时间T,再用下式求出频率f :f=1/T

例如示波器上显示的被测波形,一周期为8div,“t/div”开关置“1μs”位置,其“微调”置“校准”位置。则其周期和频率计算如下:

T=1us/div×8div = 8us

f= 1/8us =125kHz

所以,被测波形的频率为125kHz。

2.李萨如图形法测频率

将示波器置X-Y工作方式,被测信号输入Y轴,标准频率信号输入“X外接”,慢慢改变标准频率,使这两个信号频率成整数倍时,例如fx :

fy=1:2,则在荧光屏上会形成稳定的李沙育图形。

李萨如图的形状不但与两个偏转电压的相位有关,而且与两个偏转电压的频率也有关。用描迹法可以画出ux与uy的各种频率比、不同相位差时的李沙育图形,几种不同频率比的李萨如图形如图5-15所示。

利用李萨如图形与频率的关系,可进行准确的频率比较来测定被测信号的频率。其方法是分别通过李萨如图形引水平线和垂直线,所引的水平线垂直线不要通过图形的交叉点或与其相切。若水平线与图形的交点数为m,垂直线与图形的交点数n,则

fy / fx=m / n

当标准频率fx(或fy)为已知时,由上式可以求出被测信号频率fy(或fx)。显然,在实际测试工作中,用李沙育图形进行频率测试时,为了使测试简便正确,在条件许可的情况下,通常尽可能调节已知频率信号的频率,使荧光屏上显示的图形为圆或椭圆。这时被测信号频率等于已知信号频率。

图5-16常用频率比的李沙育图形

由于加到示波器上的两个电压相位不同,荧光屏上图形会有不同的形状,但这对确定未知频率并无影响。

李萨如图法测量频率是相当准确的,但操作较费时。同时,它只适用于测量频率较低的信号。

折叠 编辑本段 问题处理

示波器数字示波器一直是工程师设计、调试产品的好帮手。但随着计算机、半导体和通信技术的发展,电路系统的信号时钟速度越来越快,信号上升时间也越来越短,导致因底层模拟信号完整性问题引发的数字错误日益突出。针对这些新的测试挑战,示波器供应商不断推出了性能更好的数字示波器。但要想准确快速地对系统信号进行分析,测量时还有很多新的因素必须考虑。如仪器速度能否跟上被测信号的变化、带宽是否足够、测量方法会不会引入干扰,甚至还有所使用的探头是否合适等等。

问题1:每台示波器都有一个频率范围,比如10M、60M、100M.。.我手头用的示波器标称为60MHz,是不是可以理解为它最大可以测到60MHz?可我用它测4.1943MHz的方波时都测不到,这是什么原因?

答:60MHz带宽示波器,并不意味着可以很好地测量60MHz的信号。根据示波器带宽的定义,若输入峰峰值为1V的60MHz正弦波到60MHz带宽示波器上,您在示波器上将看到0.707V的信号(30%幅值测量误差)。如果测试方波,选择示波器的参考标准应是信号上升时间,示波器带宽=0.35/信号上升时间×3,此时您的上升时间测量误差为5.4%左右。

示波器的探头带宽也很重要,若使用的示波器探头包括其前端附件构成的系统带宽很低,将会使示波器带宽大大下降。如若使用20MHz带宽的探头,则能实现的最大带宽是20MHz,如果在探头前端使用连接导线,将会进一步降低探头性能,但对4MHz左右方波不应有太大影响,因为速度不是很快。

另外还要看一下示波器使用手册,有的60MHz示波器在1:1设置下,其实际带宽将锐减到6MHz以下,对于4MHz左右的方波,其三次谐波是12MHz,五次谐波是20MHz,若带宽降到6MHz,对信号幅值衰减很大,即使能看到信号也绝对不是方波,而是幅值被衰减了的正弦波。当然,测不出信号的原因可能有多种,如探头接触不好(该现象很容易排除),建议用BNC电缆连接一函数发生器,检验该示波器本身有没有问题,探头有没有问题,如有问题,可和厂家直接联系。

问题2:有些瞬时信号稍纵即失,如何捕捉并使其重现?

答:将示波器设置成单次采集方式(触发模式设置成Normal,触发条件设置成边沿触发,并将触发电平调到适当值,然后将扫描方式设置成单次方式),注意示波器的存储深度将决定您能采集信号的时间以及能用到的最大采样速率。

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问题3:在PLL中周期抖动可以衡量一个设计的好坏,但是要精确测量却非常困难,有什么方法和技巧吗?

答:在使用示波器时,要注意其本身的抖动相关指标是否满足您的测试需求,如示波器本身的触发抖动指标等。同时要注意使用不同的探头和探头连接附件时,若不能保证示波器的系统带宽,测量结果也会不准确。另外关于PLL设置时间的测量,可使用示波器+USB-GPIB适配器+软件选件来完成,也可用较为便宜的调制域分析仪。

问题4:为什么我的示波器有时候抓不到经过放大后的电流信呢?

答:如果信号的确存在,但示波器有时能抓到有时抓不到,这就可能和示波器的设置有关系。通常可将示波器触发模式设置成Normal,触发条件设置成边沿触发,并将触发电平调到适当值,然后将扫描方式设置成单次方式。如果这种方式还不行,那就可能是仪器出了问题。

问题5:如何测量电源纹波?

答:可以先用示波器将整个波形捕获,然后将关心的纹波部分放大来观察和测量(自动测量或光标测量均可),同时还要利用示波器的FFT功能从频域进行分析。

问题6:新型数字示波器怎样用于单片机开发?

答:I2C总线信号一般工作速率不超过400Kbps,最近也出现了几Mbps的芯片,有的示波器在设置触发条件时,无需顾及不同速率的影响,但对其它总线,如CAN总线,则需要先在示波器上设置CAN总线当前的实际工作速率以便示波器能正确理解协议,并正确触发。若想对Inter-IC总线信号进行进一步的分析,如协议级分析,可使用逻辑分析仪,但相对来说价格比较高。

问题7:关于模拟和数字示波器比较的问题:1、模拟和数字示波器在观察波形的细部时,哪个更有优势(例如在过零点和峰值时,观察1%以下寄生波形)?2、数字示波器一般提供在线显示均方根值,它的精度一般是多少?

答:1)观察1%以下寄生波形,无论是模拟示波器还是数字示波器,观察精度都不是很好。模拟示波器的垂直精度未必比数字示波器更高,如某500MHz带宽的模拟示波器垂直精度是±3%,这并不比数字示波器(通常精度为1~2%)更具优势,而且对细节,数字示波器的自动测量功能比模拟示波器的人工测量更精确。

2)对于示波器的幅值测量精度,很多人用A/D位数来衡量。实际上,随着您所用的示波器带宽、实际采样率设置等,它会有所变化。若带宽不够,本身带来的幅值测量误差就很大,若带宽够了,采样设置很高,实际的幅值测量精度也不如采样率低时候的精度(您有时可参考示波器的用户手册,它可能会给出不同采样率下,示波器的A/D实际有效位数)。总的来讲,示波器测量幅值,包括均方根值的精度往往不如万用表,同理,测量频率它不如频率计数器。

问题8:毛刺触发指标有什么意义(例如5ns)?假如有一个100MHz示波器,测量的方波信号大约是10M左右,而且是占空比1:1左右的方波,设想一下,一个10M的方波,它的正向或负向的脉宽都是50ns,那么在什么样的情况下能真正用到5ns这个性能呢?

答:毛刺/脉宽触发一般有两种典型应用场合,一是同步电路行为,如利用它来同步串行信号,或对于干扰非常严重的应用无法用边沿触发正确同步信号时,脉宽触发就是一个选择;另一是用来发现信号中的异常现象,如因干扰或竞争引起的窄毛刺,由于该异常是偶发显现,必须用毛刺触发来捕获(也有一种方法是峰值检测方式,但峰值检测方法有可能受其最大采样率的限制,所以一般是只能看而不能测)。在问题所提的例子中,若被测对象的脉冲宽度是50ns,而且该信号没有任何问题,也就是说没有因干扰、竞争等问题引起的信号畸变或变窄,那么用边沿触发就可同步该信号,无需使用毛刺触发。根据不同的应用,未必会使用到5ns这个指标,一般用户将脉宽触发设置为10ns~30ns。

问题9:在选择示波器时,一般考虑最多的是带宽,那么在什么情况下要对采样速率有所考虑呢?

答:取决于被测对象。在带宽满足的前提下,希望最小采样间隔(采样率的倒数)能够捕捉到您需要的信号细节。业界有些关于采样速率经验公式,但基本上都是针对示波器带宽得出的,实际应用中,最好不用示波器测相同频率的信号。若在选型时,对正弦波选择示波器带宽应是被测正弦信号频率的3倍以上,采样率是带宽的4到5倍,也即实际上是信号的12到15倍;若是其它波形,要保证采样率足以捕获信号细节。若您正在使用示波器,可通过以下方法验证采样率是否够用:将波形停下来,放大波形,若发现波形有变化(如某些幅值)就说明采样率不够,否则无碍。另外也可用点显示来分析采样率是否够用。

问题10:如何理解“考核波形采样率够不够时,将波形停下来,放大波形,若发现波形有变化(如某些幅值)就说明采样率就不够,否则无碍。也可用点显示来分析采样率是否够用。”?

答:我有幸给用户做过实测,曾亲历这种现象。当时被测对象是一种看上去很随机且高速变化的信号,用户将触发电平设在-13V左右。波形采集下来后想放大测量细节时,却发现改变示波器时基(SEC/DIV)设置时,信号幅值突然变小,我当时将示波器改成点显示,发现好像是点数(存储深度)不够,但我比较点显示和矢量显示后,发现若矢量显示有一定可信性,那么就是当前的两个采样间隔(采样率的倒数)中信号有突变,但未能被采集到(采样间隔不够细,即采样率不够高)。我换了一台同样存储深度但采样率较高的示波器,发现问题消失了。

存储深度也会影响示波器能用到的实际最大采样率。存储深度太浅可能是个问题,因为存储深度可能限制能实际用到的最大采样速率,但实质上是采样率不够,丢失了信号细节。存储深度不够深,可能会导致实际采样率不高,这一点跟厂家提供的指标关系不大。[2]

参考资料

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