怎樣解讀示波器波形圖

1、怎樣解讀示波器波形圖孫常清 煙臺金鷹科技有限公司=示波器是電子電器產(chǎn)品研制、生產(chǎn)及維修中必不可少的儀器。通過對波形的分析，可以了解電路及相關(guān)器件的工作狀態(tài)、某些特性、參數(shù)等方面的多種信息。當然，這需要一定的經(jīng)驗和分析能力，更需要對電路基本原理的真正理解。前段時間，在網(wǎng)上看到一篇“l(fā)f198峰值保持電路分析”的提問，并附有幾組波形圖，當時沒怎么細看，只是保存了下來，并對有關(guān)的技術(shù)人員做了粗略的講解。近日翻出細看，倒覺得是一個進行波形和電路分析的合適的例子。之所以說它合適，是因為電路和波形都比較簡單，但波形中包含的信息卻很豐富?，F(xiàn)將原文摘要附于文后，并借此實例，就解讀示波器波形和電路分析方面的話題

2、，和大家共同探討。為了便于說明，對原文中的附圖用黑體進行了英文編號。電路圖及有關(guān)說明請參看原文。首先，讓我們來看一下設(shè)計者的設(shè)計意圖，也就是這個電路是做什么用的，要實現(xiàn)什么樣的功能和性能。因為原文中說明不是很詳細，所以有些地方，我們只能參考電路圖和部分波形圖進行猜測：初始狀態(tài)時，雷電傳感器（信號源）無信號（信號電壓應(yīng)為0）,采樣保持電路處于靜止等待狀態(tài)，輸出亦為0；第一次接收到雷電時，信號電壓大于0，電路進行采樣并穩(wěn)定保持（如圖e的ch2波形，只是不知圖e的波形是如何測得的），同時送出一個在脈沖信號給單片機；對于后續(xù)的雷電信號，若低于當前的保持電壓，電路不作反應(yīng)；若高于當前保持電壓，電路重新采

3、樣保持，同時送出脈沖信號。也就是說：只記錄和處理破紀錄的成績。如果從理想狀態(tài)來分析電路圖（因為電路設(shè)計一般是先從理想狀態(tài)來考慮的），應(yīng)該是沒有問題的。所謂理想狀態(tài)，是指所有元器件都是理想的，不存在參數(shù)的誤差和分布參數(shù)（包括c6沒有任何放電途徑；包括u2的開環(huán)增益為無限大）。那么，實際電路是什么結(jié)果呢？首先，出現(xiàn)了第一個問題：電路的記性不太好，記錄被它慢慢的淡忘了。從圖d和圖b中ch2通道的波形來看，u2的輸出電壓（也就是保持電容c6的電壓）不能保持恒定，而是出現(xiàn)了緩慢的下降，說明存在放電現(xiàn)象。首先來看一看放電特性：從圖b和圖d來看，c6上的電壓基本是線性下降的，幾乎看不出rc積分曲線的痕跡，說

4、明放電基本上是恒流特性。再來看一看放電途徑：可能的放電途徑包括：器件（c6）自身內(nèi)部的泄露電阻、線路板的絕緣電阻、器件外封裝的電阻、空氣的放電電阻等，而其中的后三項受空氣濕度的影響比較大。前面這些放電途徑都應(yīng)該是阻性的，所以這幾項不是主要的放電途徑。另外還有與c6相連接的器件t1和u1。先來看t1，與c6放電可能有關(guān)的有兩個參數(shù)：集電結(jié)反向漏電流和穿透電流。從圖a來看，con端應(yīng)該接地或負電壓，t1應(yīng)工作在接近0偏壓（實際通過r7）或負偏壓截止狀態(tài)（不是基極開路狀態(tài)），所以，基本可以排除穿透電流的影響。，剩下的只有集電結(jié)反向漏電流了。而集電結(jié)反向漏電流和穿透電流有一個共同特征：即在擊穿電壓以下

5、的一段范圍內(nèi)，具有恒流特性；而在極低電壓范圍內(nèi)（大約幾百mv以下），具有電阻特性。在圖b中，c6的電壓在幾十mv范圍內(nèi)變化而看不出阻容放電特征，說明t1也不是主要放電途徑。剩下的只有u1了。對于lf198系列，本人沒有用過，手頭也沒有樣品（用過的采樣保持電路因速度要求不高，同時需要具備其它功能，是用普通運放搭建的），只是零星看到過一些資料，好像有幾十pa的泄放電流；好像有一份資料中有一個公式，給出一微法的保持電容，電壓下降速度為每秒幾十微伏。從這個關(guān)系看，泄放電流也應(yīng)該是恒流的。那么，圖a電路中的實際放電電流是多大呢？原文中沒有提到，但他已經(jīng)測量了，而且已經(jīng)提供給我們了。你可能說沒找到，那我告

6、訴你：就在波形圖里。當然，由于示波器的讀數(shù)精度不高，再加上波形中含有干擾信號，計算結(jié)果可能不夠精確，但粗略的結(jié)果已經(jīng)可以說明問題了。先看圖b的ch2波形：最高值約75mv，最低值約15mv，變化量約為60mv，放電時間約4.2s；c6的容量為1.5n。根據(jù) uc = it 的關(guān)系，可以算出：i = (60mv×1.5n)÷4.2s 21pa 再看圖d的ch2波形：電壓變化量約為2.9v，放電時間（從ch1的下降沿開始）約210s；可以算出：i = (2.9v×1.5n)÷210s 21pa兩次的計算結(jié)果很接近，而且與資料介紹的參數(shù)值相符合，由此可以斷言，

7、u1內(nèi)部的泄放電流是主要途徑。不管什么途徑的放電，都是無法完全避免的，所以用模擬保持的方式，是無法實現(xiàn)圖e所示的效果的。接著出現(xiàn)了第二個問題：電路產(chǎn)生了震蕩。首先，我們根據(jù)波形圖，來看一看震蕩產(chǎn)生的過程：可能是因為示波器量程的關(guān)系，從圖d中兩個通道的波形中，都無法分辨出震蕩的痕跡（我懷疑圖d是不是真正雷電信號的測試結(jié)果，不是因為這一點，而是因為圖中ch1通道的觸發(fā)信號長達十幾秒，這似乎不符合雷電信號的特征）。但綜合圖b和圖d的波形來看，在c6電壓比較高的階段，并不產(chǎn)生振蕩，而是在電壓降至接近0時才產(chǎn)生的。那么，產(chǎn)生這個振蕩的原因是什么呢？圖b中包含了兩個完整周期的波形，很有規(guī)律，而且不與某些特

8、定頻率（例如50hz、100hz等）對應(yīng)，應(yīng)排除隨機干擾和電源干擾的因素。還有一種可能就是信號源本身存在這種低幅度振蕩，只是在保持電壓較高時被掩蓋了（信號電壓低于保持電壓時電路不作反應(yīng)），但從上面計算的放電電流數(shù)值來看，更像是電路自身產(chǎn)生的。所以，我們還是從電路上來分析。從上面的分析來看，振蕩是在電壓下降到接近0時產(chǎn)生的，而且振蕩中也存在著電壓下降現(xiàn)象，所以可以斷言：振蕩和電壓下降有關(guān)。換個說法：如果電壓不下降，也就不會產(chǎn)生振蕩。那么，電壓下降是不是產(chǎn)生振蕩的根本原因呢？換個問法：電壓下降是不是一定會產(chǎn)生振蕩呢？看一看圖b的波形：電壓下降到15mv時，u2輸出一個高脈沖，k接通，電壓又上升到7

9、5 mv，k關(guān)斷，接著電壓又緩慢下降，周而復始，振蕩產(chǎn)生了。由此看來，電壓上升引起k再次關(guān)斷是產(chǎn)生振蕩的直接原因。如果電壓下降到一定值時k接通，但電壓不再上升或稍有下降，k不再關(guān)斷；或者允許電壓一定幅度的上升，但k不再關(guān)斷，振蕩也就不會產(chǎn)生了。那么，這個電壓上升是什么原因引起的呢？再來仔細看一看圖b中的波形。從ch1的波形看出：電壓降至約20mv時，u2輸出電壓開始上升(拐點)，說明u2開始進入了線性放大區(qū)。如果忽略u2的輸入失調(diào)電壓，此時，兩個輸入端的電壓應(yīng)該是相等的，也就是說：可能存在約20mv的殘余信號電壓。這一點可以通過直接測試得知。隨著ch2繼續(xù)下降，ch1繼續(xù)上升，直到ch2降到約

10、15mv時，u1內(nèi)部開關(guān)（見圖f）接通，進入采樣狀態(tài)，給保持電容充電，充電電壓經(jīng)a2跟隨輸出。從圖a看出：u2的兩路輸入實際上應(yīng)該是一個信號，一路是直接輸入，一路是保持電容采樣后輸入。這里出現(xiàn)了兩個問題：第一個問題：按前面的估算，信號殘余電壓應(yīng)該是約20mv，采樣卻采出了約75mv，也就是說：采樣失真了。這應(yīng)該是lf198內(nèi)部的a1和a2兩個運放總的（主要是a1的，a2的可以忽略）輸入失調(diào)電壓造成的。有人可能要問：輸入失調(diào)電壓的定義是：開環(huán)放大狀態(tài)下，當輸出為0時，兩個輸入端之間所需要加的電壓差，現(xiàn)在是閉環(huán)工作，和輸入失調(diào)電壓是什么樣的關(guān)系呢？讓我們來分析一下，請看下圖：圖中，運放的負輸入端接

11、地，也就是0電壓。調(diào)節(jié)電位器，使輸出為0，此時，正輸入端的電壓就是輸入失調(diào)電壓。既然輸出為0，那么負輸入端接地和接輸出端不是一樣的嗎？這不就是電壓跟隨器嗎？所以電壓跟隨器的輸入和輸出總是要相差一個輸入失調(diào)電壓的，只是我們在一般情況下把它忽略了。lf198內(nèi)部的a1和a2應(yīng)該是cmos結(jié)構(gòu)，而cmos運放的輸入失調(diào)電壓一般要比雙極型運放大得多。lf198的2腳，就是為了調(diào)節(jié)這個誤差用的。第二個問題：既然u2在那里對信號電壓和采樣電壓進行比較，那么當采樣電壓達到信號電壓時，就應(yīng)該立即控制關(guān)斷開關(guān)k，阻止采樣電壓繼續(xù)上升，u2為什么沒有完成這個監(jiān)控任務(wù)呢？這很可能是電路反應(yīng)速度造成的問題。任何電路，

12、從信號輸入到有效輸出，都是需要一定時間的，也就是信號延遲。從u2的兩個輸入端達到相等到k有效關(guān)斷，所需要的時間是u2、lf198內(nèi)部a1和k延遲時間的總和，這時，電容已經(jīng)充到了最高電壓。甚至有可能這75mv正是u2控制的結(jié)果，也就是說：如果k關(guān)斷更慢或者不關(guān)斷，充電電壓有可能更高。k在接通時，同樣存在延遲的問題，而且更加嚴重。圖c中ch1上升沿不夠陡峭，上升到a3的動作電壓（r12和r13的分壓值）需要一定的時間，然后才是a3和k動作。從圖b的ch2看，從u2電壓開始上升（已經(jīng)經(jīng)過了自身的延遲），到k接通（ch2轉(zhuǎn)為上升）的這一段時間，電壓又下降了大約5mv?，F(xiàn)在可以明確地說：采樣失真是產(chǎn)生振

13、蕩的根本原因。解決的辦法是：通過2腳調(diào)節(jié)采樣精度，使采樣電壓與信號電壓相等。不過這樣在k接通后，u2兩個輸入端電壓相等，將工作在線性放大區(qū)，很容易受到干擾，可以有意調(diào)低一點，使采樣電壓略低于信號電壓，這樣，k接通后就不會再次關(guān)斷。也可以給u2建立正反饋，形成微小的回差，一方面使電路穩(wěn)定，同時改善輸出脈沖波形（特別是前沿）。見圖到此，你可以回顧一下，我們從這幾組波形圖中解讀出了多少信息。那么里面還有沒有別的信息呢？肯定有，如果結(jié)合電路中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象（包括正常和不正常的）仔細分析，一定可以發(fā)現(xiàn)更多有用的信息。例如：把圖c橫向充分展開，如果波形比較干凈的話，可以找到ch1上升和下降到a3的動作電壓

14、、ch2開始上升和開始上升和開始下降、ch1開始下降等特定的時間點，從而估算u1的內(nèi)部延遲時間等。本文并不能幫助原電路設(shè)計者徹底解決問題，不是不想，而是無力：因為模擬保持的方法，實在無法達到圖e的效果，而原設(shè)計者又不想采用高速ad，本人實在想不出什么好辦法實現(xiàn)預(yù)期的效果。其實不管是高速ad也好，模擬采樣也好，速度也都是有限的，在一個信號處理完畢以前，如果來了一個更高的信號，都將丟失前一個信號。不過應(yīng)感謝原電路設(shè)計者提供了這樣一個合適的例子，使本人得以借題發(fā)揮，談一談有關(guān)如何解讀波形圖和分析電路的問題。在很多電路設(shè)計和電路分析的資料中，經(jīng)?？梢钥吹剑耗骋蛩乜梢圆豢紤]，某些影響可以忽略，而在實際中

15、，我們確實有意無意地忽略了很多東西，可以不夸張地說，有時被忽略的東西比我們考慮到的要多得多。而正是這些被忽略的因素，經(jīng)常給我們帶來預(yù)料不到甚至無法解決的問題。所以，一定要記住一句話：可以不考慮不等于實際不存在，可以忽略卻不可以忽視。 可以不考慮和可以忽略是有條件的，只有在明確知道它的影響在可以接受的范圍之內(nèi)時才可以忽略。再給朋友們一句忠告：當你設(shè)計出一個好的電路時，你可以自鳴得意，但永遠不要認為它是完美的，因為沒有完美的電路，因為沒有完美的器件；也永遠不要認為它是唯一的，因為解決問題的方法是多種多樣的，你可以充分放開思路，盡量多考慮幾個不同的方案，從中選擇最適用的。為了輕松一下，修改一句相聲臺

16、詞：“千萬別在一棵樹上吊死，可以在旁邊那幾棵樹上都試一試”。原文的最后，附有一張lf398功能圖，你如果仔細看，一定會發(fā)現(xiàn)問題：300k的電阻是絕對無法接受的。記得有些資料中，標注為300。即使是300，我也懷疑其是否應(yīng)該存在，或者是否畫錯了地方。另外，曾看到有網(wǎng)友問那兩個反向并聯(lián)二極管起什么作用，是否可以短路。在此，一并作一下分析（我們按理想狀態(tài)進行分析）。圖中的k，畫的是機械開關(guān)的符號，而機械開關(guān)的特性接近理想開關(guān)：接通電阻接近為0。如果只是這樣，那么兩個二極管短路或者開路都已經(jīng)無所謂了。請看：a1的輸出通過k加到a2的正輸入端，a2自身接成一電壓跟隨器；同時，a2的輸出端通過30k電阻接

17、至a1的負輸入端（cmos輸入阻抗可認為無限大，30k電阻上無壓降），從而形成大閉環(huán)的電壓跟隨器，兩個二極管兩端等電位，短路或者開路都已經(jīng)無意義了。接下來，我們接上保持電容，讓它工作起來：加上輸入電壓，接通k，輸入電壓經(jīng)a1跟隨，通過300k的電阻給保持電容充電，電容電壓按rc積分曲線上升。從理論上講，到充電結(jié)束需要無限長的時間即使是300電阻，能讓人接受嗎?當然，這是假設(shè)k是機械開關(guān)的情況，實際上，k不可能是機械開關(guān)，而電子開關(guān)總是有一定的導通電阻的（300倒是可以接受的。cd4066雙向模擬開關(guān)在10v電源電壓時，導通電阻為400；15v 時為240）?，F(xiàn)在我們假設(shè)k的導通電阻為300（我

18、們把它編號為r1），圖中原300電阻仍然存在(編為r2)，那又是什么情況呢？為了便于理解，我們再假定幾個具體數(shù)值：電容初始電壓為0；二極管正向?qū)妷簽?.6v；輸入信號為3v。接通k，此時如果沒有二極管，電路形成大閉環(huán)，a1的負輸入端、a2的輸入和輸出端均等于信號電壓3v，a1輸出為6v，r1和r2上各分得3v。a2正輸入端的3電壓經(jīng)r2給電容充電。隨著電容電壓不斷上升，r2上的電壓不斷下降，因r1和r2等值，所以，r1上的電壓等幅下降，直到電容充滿，r1和r2上電壓為0，a1輸出3v。再看看有二極管的情況：起始時a1輸出電壓不再是6v，而是由于二極管d1導通形成小閉環(huán)負反饋，被限制在3.6

19、v。并以此電壓通過r1和r2兩個串聯(lián)電阻給電容充電。a2正輸入端電壓u2 =（3.6- uc)/2 + uc = (3.6+uc)/2 = 1.8 + uc/2(uc為電容電壓)u2隨著電容充電電壓的上升而上升，當u2升至3v（uc達到2.4v）時，大閉環(huán)形成，d1失去必要的導通電壓而關(guān)斷，u2穩(wěn)定在3v，繼續(xù)通過r2進積分充電?？梢钥闯觯麄€充電時間要比沒有二極管時需要更長。至此，可以看出二極管d1的作用是：在大閉環(huán)沒有形成（包括k關(guān)斷）的情況下，形成小閉環(huán)，限制a1的輸出電壓相對輸入電壓差值，不大于一個二極管的正向壓降（d2是在負輸入時起作用）。至于有什么意義，實在沒看出來。我們還是再來看

20、一看圖f中這個300的電阻。通過前面的分析看出，只要有這個電阻存在，最好的情況，就是以最終電壓（3v）進行積分充電。那么如果把這個電阻挪到k的串聯(lián)回路中，會是什么情況呢？還是輸入3v電壓，因為電容的初始電壓（即a2的正輸入端電壓）為0，無法建立大閉環(huán)反饋，a1輸出3.6v（如果沒有二極管，將達到最大輸出電壓），以此電壓通過電阻r1積分充電，充電至3v時，大閉環(huán)建立，充電結(jié)束。同樣是積分充電，有什么不同嗎？有這個電阻時，需要以3v電壓充到3v，也就是為你、我們常說的“充滿”，理論上需要無限個時間常數(shù)；沒有這個電阻時，是以3.6v電壓充到3v不需要充滿，所以只需要有限個時間常數(shù)。按上面的數(shù)值，只需

21、充到83.3%，計算可知，只需約1.8個時間常數(shù)。所以我認為，不應(yīng)該存在這個電阻。讓我們再來看一看波形圖，是否能找到有關(guān)這方面的信息。根據(jù)圖a中的參數(shù)，c6是1.5n，如人r2是300，時間常數(shù)就是0.45s。從圖c中ch2波形看，電壓上升時間應(yīng)該是不到0.45s，也就是不到一個時間常數(shù)。我們權(quán)且按一個時間常數(shù)來算，此時充電電壓應(yīng)達到約63%，另外的37%是充電電流在300電阻上的壓降。此時關(guān)斷充電電流（ch1降為0），電阻上的壓降消失，剩下的只有電容電壓，在波形圖上，應(yīng)該可以看到上沖下降的過程，但在圖b和圖c中，卻絲毫看不出這種跡象。如果把圖c橫向充分展開，能夠看清ch2上升過程的細節(jié)，就可

22、以直接判斷r2是否存在以及更多的信息：如果一開始就以積分曲線形式上升，說明有r1而沒有r2，根據(jù)積分曲線，你甚至可以估算出r1的數(shù)值；如果直接跳變到最高電壓，甚至在k關(guān)斷時有一個向下的跳變，然后緩慢下降，說明r2存在。如果在輸入電壓較高且電容電壓很低時，你甚至可能看到ch2有一定幅度的跳變，然后按積分曲線形式上升，說明r1和r2同時存在，根據(jù)跳變幅度，你甚至可以估算兩個電阻的比值；更多的信息，你可以自己分析。通過上面的分析，我斷定：這個電阻是不存在的。當然，畢竟這只是分析，一己之見，僅供參考。不過，有興趣的朋友倒可以測量一下。你可能會說：電阻只有一端接6腳，另一端并沒有引出，怎么測量？不要忘了

23、：a2是電壓跟隨器，如果忽略輸入失調(diào)電壓，5腳的電壓就是電阻上端的電壓。清楚了這個關(guān)系，測量也就很容易了：可以在6腳與地之間接一個300或其他阻值的電阻，在k接通并有輸入的狀態(tài)下，測量5腳和6腳的電壓，根據(jù)這兩個電壓算出電阻值；也可以同時測量5腳電壓和6腳對地電流，算出電阻值；甚至可以將6腳直接接地，如果5腳電壓被拉至0v，說明沒有電阻。我們還能測到些什么嗎？能：例如：讓6腳開路（肯定進入大閉環(huán)狀態(tài)），測3腳和5腳之間的電壓，就是a1和a2輸入失調(diào)電壓的總和。測5腳和6腳之間的電壓，就是a2的輸入失調(diào)電壓；5腳和3腳之間的電壓，就是總的輸入失調(diào)電壓。以上的分析，可能沒有多大的實用價值，主要是為了讓大家體驗一下靈活思考和分析問題的方法。只要仔細分析各種邏輯關(guān)系和量值關(guān)系，很多原來不清楚的東西會變得清楚，很多原來不可能的事情會成為可能。我們已經(jīng)窺視到了電路內(nèi)部的幾點秘密，如