文章目录[隐藏]

• 1.示波器的工作原理。
• 2.示波器的使用。
• 使用数字示波器应注意的问题。

示波器的使用(示波器的原理和使用)。

在数字电路实验中，需要使用多台仪器仪表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。万用表和逻辑笔的使用相对简单，而逻辑分析仪和存储示波器在数字电路教学实验中的应用目前还不是很普遍。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使用方法。

1.示波器的工作原理。

示波器是一种电子测量仪器，它利用电子示波管的特性，将人眼无法直接观察到的交流电信号转换成图像，显示在屏幕上进行测量。它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、延时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。它把电信号转换成光信号。如图1所示，电子枪、偏转线圈和荧光屏被密封在一个真正的空玻璃外壳中，形成一个完整的示波管。

图1示宽管内部结构及供电图。

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。蒸发的铝膜通常被添加到荧光膜中。电子高速通过铝膜，撞击荧光粉发光形成亮点。铝膜具有内反射，有利于提高亮点的亮度。铝膜还有散热等其他功能。

当电子停止轰击时，亮点不能立即消失，而应保持一段时间。亮度下降到原始值的10%之后的时间称为“余辉时间”。短于10s的余辉时间为极短余辉，10s-1ms为短余辉，1ms—0.1s为中余辉，0.1s—1s为长余辉，大于1s为极长余辉。一般示波器配置中余辉示波器，高频示波器选用短余辉，低频示波器选用长余辉。

由于使用了不同的磷光材料，屏幕上可以发出不同颜色的光。一般示波器使用发出绿光的示波器来保护人的眼睛。

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，形成一束薄薄的高速电子束。灯丝通电加热阴极，阴极被加热放出电子。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较高的电子在阳极电压的作用下才能通过栅孔跑到屏幕上。初始速度很小的电子仍然会回到阴极。如果栅极电位太低，所有的电子都会回到阴极，也就是说，电子管被切断了。调节电路中的W1电位计可以改变栅极电位，控制流向荧光屏的电子流密度，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在同一轴上的三个金属圆柱体。前加速电极G2与A2连接，施加的电位高于A1。G2的正电势加速阴极电子向荧光屏运动。

当电子束从阴极流向荧光屏时，它经历两个聚焦过程。第一次聚焦由k、G1和G2完成，他们被称为示波管的第一个电子透镜。第二次聚焦发生在G2、A1、A2区域。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，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，使得荧光屏上的光点随着外加信号的变化而跟踪测量信号的波形。在图8.1中，Y1和Y2，x1和X2，两对互相垂直的偏转板，构成了偏转系统。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施加到y轴)。两对偏转板分别施加电压，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。规定第二阳极和偏转板之间的电位接近，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。G1相对于阴极为负电位(-30v ~-100v)，可调节实现亮度调节。第一个阳极有正电位(约+100V~+ 600V)，也应该是可调的，用于调焦。第二阳极与前加速电极连接，与阴极呈正高压(约+1000伏)，相对于地电位的可调范围为50伏。由于示波管各电极的电流很小，可以通过电阻分压器由公共高压供电。

1.2示波器的基本组成部分。

从上一小节可以看出，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，只要将与时间变量成比例的电压施加到示波管的X轴偏转板上，并将测量信号施加到Y轴上(按比例放大或缩小)，测量信号随时间变化的图形就会显示在示波管屏幕上。在电信号中，在一段时间内与时间变量成正比的信号是锯齿波。

示波器的基本组成框图如图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接收“是”；在输入端，经y轴衰减器适当衰减后送到Y1放大器(前置放大)推挽输出信号②和③。经过延迟级延迟1次后，到达Y2放大器。放大后，产生足够大的信号④和⑤，并施加到示波管的Y轴偏转板上。为了在屏幕上显示完整稳定的波形，将Y轴测量信号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⑦。由于从触发到扫描开始有时间延迟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1应该略大于X轴的延迟时间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。利用z轴系统将扫描电压正向放大，变成正向矩形波，送入示波管栅。这使得正向扫描中显示的波形具有一定的固定亮度，而反向扫描中波形被擦除。

这些是示波器的基本工作原理。双踪显示是用电子开关在屏幕上显示从Y轴输入的两个不同的被测信号。由于人类视觉的持久性，当转换频率达到一定水平时，会看到两个稳定清晰的信号波形。

示波器通常有一个精确稳定的方波信号发生器来校准示波器。

2.示波器的使用。

本节介绍如何使用示波器。示波器有很多种类型和型号，功能各不相同。20兆赫或40兆赫的双踪示波器广泛用于数字电路实验。这些示波器的用法是相似的。本节不是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

荧光屏是示波管的显示部分。屏幕上有几条水平方向和垂直方向的刻度线，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个网格，垂直方向分为8个网格，每个网格分为5个部分。垂直方向标有0%、10%、90%、100%等。，水平方向标有10%、90%，用于测量DC电平、交流信号幅度和延迟时间等参数。电压值和时间值可以通过将屏幕上测量信号的网格数乘以适当的比例常数(v/div，TIME/DIV)获得。

2.2示波管和电源系统。

1.电源(电源)。

示波器主电源开关。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)

旋转这个旋钮可以改变光斑和扫描线的亮度。观察低频信号时可以小一些，观察高频信号时可以大一些。

一般不宜太亮，以保护屏幕。

3.焦点(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.刻度亮度(亮度)

这个旋钮调节屏幕后面照明灯的亮度。正常室内光线下，最好调暗灯光。在光线不足的室内环境中，可以适当开启照明灯。

2.3垂直挠度系数和水平挠度系数。

1.垂直偏转系数选择(伏特/DIV)和微调。

在单位输入信号的作用下，一个光点在屏幕上偏移的距离称为偏移灵敏度，这个定义对X轴和Y轴都适用。灵敏度的倒数称为偏转因子。垂直灵敏度的单位为cm/V、cm/mv或div/mv、div/v，垂直偏转系数的单位为v/cm、mv/cm或v/div、mv/div。事实上，由于习惯用法和测量电压读数的方便性，偏转因子有时被视为灵敏度。

跟踪示波器的每个通道都有一个垂直偏转因子选择波段开关。一般分为10个等级，从5mV/DIV到5v/div，有1、2、5种方式。波段开关指示的值代表屏幕上垂直方向上一个栅格的电压值。例如，当波段开关设置为1V/div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来微调每个档位的垂直偏转系数。将其顺时针旋转至“校准”位置。此时，垂直偏转因子的值与波段开关指示的值一致。垂直偏转系数可以通过逆时针旋转旋钮来微调。垂直偏转系数微调后，会造成与波段切换指示值不一致，应引起注意。很多示波器都有垂直扩展功能。当拉出微调旋钮时，垂直灵敏度会扩大几倍(偏转系数会降低几倍)。例如，如果波段开关指示的偏转因子为1V/DIV，则采用5扩展状态时，垂直偏转因子为0.2V/DIV。

在做数字电路实验时，常用被测信号的垂直移动距离与屏幕上+5V信号的垂直移动距离之比来判断被测信号的电压值。

2.时基选择(时间/时间间隔)和微调。

时基选择和微调类似于垂直偏转因子选择和微调。时基选择也是通过波段开关实现的，时基按照1、2、5模式分为几个等级。波段开关的指示值代表光点在水平方向移动一格时的时间值。例如，在1S/div文件中，光点在屏幕上移动一个网格来表示时间值1S。

“微调”旋钮用于时基校准和微调。顺时针转到校准位置时，屏幕上显示的时基值与波段开关指示的标称值一致。逆时针转动旋钮，微调时基。旋钮拔出后，处于扫描扩展状态。通常是扩展10，即水平灵敏度扩大10倍，时基缩小到1/10。例如在2S/DIV文件中，扫描扩展状态下屏幕上一个水平网格表示的时间值等于。

2S(1/10)=0.2S

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

示波器标准信号源CAL专门用于校准示波器的时基和垂直偏转因子。例如，COS5041示波器的标准信号源提供一个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(标有水平双向箭头)左右移动信号波形，旋转垂直位移旋钮(标有垂直双向箭头)上下移动信号波形。

2.4输入通道和输入耦合选择。

1.输入通道选择。

选择输入通道至少有三种方式:通道1(CH1)、通道2(CH2)和DUAL。当选择通道1时，示波器只显示通道1的信号。当选择通道2时，示波器只显示通道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通道的插座，将示波器探头上的地线与被测电路的地线连接，并接触被测点。示波器探头上有一个两位开关。当开关设置为“1”时，测得的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。此开关设置为“10位置，测得的信号衰减为1/10，然后送到示波器，从屏幕上读取的电压值乘以10就是信号的实际电压值。

2.输入耦合模式。

有三种输入模式:交流、GND和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，为了观察信号的绝对电压值，一般选择“直流”模式。

2.5触发器

第一节指出，从Y轴输入后，一部分被测信号被送到示波管的Y轴偏转板，驱动光斑在屏幕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，产生重复的锯齿波电压，施加到示波管的X偏转板上，使光斑沿水平方向移动，两者积分。光点在屏幕上画出的图案就是被测信号的图案。因此，正确的触发方式直接影响示波器的有效工作。为了在屏幕上获得稳定清晰的信号波形，掌握基本的触发功能及其操作方法非常重要。

1.选择触发源。

为了在屏幕上显示稳定的波形，需要将测量信号本身或与测量信号有一定时间关系的触发信号加到触发电路上。触发源选择决定触发信号提供的位置。通常有三种触发源:INTernal触发器(int)、power触发器(LINE)和EXTernal触发器(ext)。

内部触发使用测量信号作为触发信号，这是一种常用的触发模式。因为触发信号本身就是被测信号的一部分，所以可以在屏幕上显示非常稳定的波形。双踪示波器的通道1或通道2都可以选择作为触发信号。

电源的触发使用交流电源的频率信号作为触发信号。该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晶闸管的低电平交流噪声时更为有效。

外部触发器使用外部信号作为触发信号，外部信号从外部触发器输入端输入。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，何时开始扫描与测量信号无关。

正确选择触发信号，对波形显示的稳定性和清晰度有很大关系。例如，在数字电路的测量中，对于简单的周期信号，选择内部触发可能更好，对于周期复杂的信号和与之有周期关系的信号，选择外部触发可能更好。

2.触发耦合模式的选择。

针对触发信号的稳定性和可靠性，有多种方式将触发号耦合到触发电路。这里有一些常用的。

交流耦合也称为电容耦合。只允许用触发信号的交流分量触发，触发信号的DC分量被阻断。这种耦合方法通常在不考虑DC分量时使用，以形成稳定的触发。但是如果触发信号的频率低于10Hz，就会造成触发困难。

直流(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的空比值较大时，最好采用DC耦合。

当LFR被触发时，触发信号通过高通滤波器被施加到触发电路，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施加到触发电路，并且触发信号的高频分量被抑制。还有一个电视同步(TV)触发器，用于电视修复。这些触发耦合方法都有自己的适用范围，需要在使用中实现。

3.触发电平和触发极性。

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定的触发水平，扫描就会被触发。顺时针转动旋钮，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，触发电平自动保持在触发信号的幅度内，无需电平调整即可产生稳定的触发。当信号波形复杂，无法用电平旋钮稳定触发时，利用保持旋钮调节波形的保持时间(扫描暂停时间)，使扫描和波形稳定同步。

极性开关用于选择触发信号的极性。当你拨“+”位置时，在信号增加的方向，当触发信号超过触发电平时，就会产生一个触发。当你拨“-”位置时，在信号减小的方向，当触发信号超过触发电平时，就会产生一个触发。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:当无触发信号输入或触发信号频率低于50Hz时，扫描处于自激模式。

正常状态:无触发信号输入时，扫描处于就绪状态，无扫描线。当触发信号到达时，扫描被触发。

单一:单一按钮类似于复位开关。在单扫描模式下，当按下单按钮时，扫描电路复位，就绪灯点亮。当触发信号到来时，产生扫描。单次扫描后，准备灯熄灭。单次扫描用于观察非周期信号或单次瞬态信号，往往需要对波形进行拍照。

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。示波器很容易上手。如果你真的精通，你应该在应用中掌握它们。值得指出的是，示波器虽然功能很多，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，判断是否出现窄脉宽的单个脉冲，用逻辑笔就简单多了。测量单个脉冲的脉宽时，最好使用逻辑分析仪。

使用数字示波器应注意的问题。

序

数字示波器因其独特的优势，如波形触发、存储、显示、测量和波形数据分析处理等，得到了广泛的应用。由于数字示波器和模拟示波器的性能差异较大，如果使用不当，会产生较大的测量误差，影响测试任务。

区分模拟带宽和数字实时带宽。

带宽是示波器最重要的指标之一。模拟示波器的带宽是固定值，而数字示波器的带宽包括模拟带宽和数字实时带宽。数字示波器对重复信号采用顺序采样或板载采样技术所能达到的最大带宽是示波器的数字实时带宽，它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，并不是直接作为指标给出。从两种带宽的定义可以看出，模拟带宽只适合重复信号的测量，而数字实时带宽适合重复信号和单个信号同时测量。厂家的声音说示波器的带宽可以达到几兆，其实是指模拟带宽，而数字实时带宽低于这个值。比如TEK公司的TES520B带宽为500MHz，其实就是说它的模拟带宽是500MHz，而最高的数字实时带宽只能达到400MHz，远远低于模拟带宽。因此，在测量单个信号时，必须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，常用MS/s表示..采样率是数字示波器的一个重要指标。

1.如果采样率不够，容易出现混叠。

如果示波器的输入信号是100KHz的正弦信号，但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了，显示的波形仍然不稳定。混叠的产生如图1所示。那么，对于一个频率未知的波形，如何判断显示的波形是否产生了混叠呢？您可以将扫描速度t/div缓慢更改为更快的时间基准，以查看波形的频率参数是否会急剧变化。如果是，则意味着波形混叠已经发生。或者震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，采样率至少比信号的高频分量高2倍，这样就不会出现混叠。例如，一个500MHz的信号至少需要1GS/s的采样率。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，而和峰值检测模式是在单个采集记录中寻找最大值和最小值。这两种方法都能检测到快速的信号变化。

如果示波器有InstaVu采集方法，可以选择，因为这种方法采集波形快，而且这种方法显示的波形和模拟示波器显示的波形相似。

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，扫描速度越大，采样率越低。以下是TDS520B的一组扫描速度和采样率数据:

1表扫描速度和采样率。

师/师(ns)1252550100200 fs(GS/s)502510210 . 50 . 25

综上所述，在使用数字示波器时，为了避免混叠，扫描速度档应该放在扫描速度较快的位置。如果你想抓住稍纵即逝的毛刺，最好把扫描齿轮放在主扫描速度慢的位置。

数字示波器上升时间。

在模拟示波器中，上升时间是示波器极其重要的指标。在数字示波器中，上升时间甚至没有明确作为一个指标给出。由于数字示波器的测量方法，自动测量的上升时间不仅与采样点的位置有关。如图2所示，A表示上升沿刚好落在两个采样点之间，上升时间为数字化间隔的0.8倍。如果在图2中B的上升沿中间有一个采样点，同一波形的上升时间是数字化间隔的1.6倍。此外，上升时间也与扫描速度有关。以下是TDS520B测量相同波形时扫描速度和上升时间的一组数据:

表2扫描速度和上升时间。

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

从上面的数据可以看出，虽然波形的上升时间是一个恒定值，但由于扫描速度不同，数字示波器测量的结果有很大的不同。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。使用数字示波器时，我们不能像使用模拟示波器那样根据测量的时间来推导信号的上升时间。