波形測(cè)試及示波器

第3章波形測(cè)試與示波器返回課程目錄＊本章主要介紹波形測(cè)試原理及示波器的組成原理與應(yīng)用。內(nèi)容提要＊本章內(nèi)容主要有：●波形測(cè)試的基本原理；●通用示波器的工作原理；●通用示波器的使用操作方法；●示波器的基本測(cè)量應(yīng)用；●取樣技術(shù)在示波器中的應(yīng)用。（一）學(xué)習(xí)目標(biāo)基本了解：波形顯示原理；理解通用示波器的組成及原理；了解波形測(cè)試原理和示波器的面板開(kāi)關(guān)旋鈕的作用與操作方法。重點(diǎn)掌握：示波器多波形顯示和示波器的應(yīng)用。（二）技能目標(biāo)

掌握示波器的正確選擇和使用；熟悉用示波器進(jìn)行有關(guān)參數(shù)的測(cè)量；學(xué)會(huì)用示波器檢測(cè)實(shí)際電路。3.1示波器的功能與分類(lèi)

示波器主要用來(lái)觀測(cè)信號(hào)波形、測(cè)量電壓、頻率、時(shí)間等參數(shù)，是電子測(cè)量三大儀器之一。電子測(cè)量三大儀器電子示波器電子電壓表電子計(jì)數(shù)器3.1.1示波器的功能

示波器是一種電子圖示測(cè)量?jī)x器，它可以用來(lái)觀察和測(cè)量隨時(shí)間變化的電信號(hào)圖形，可以定性地觀察電路的動(dòng)態(tài)過(guò)程，如觀察電壓、電流的變化過(guò)程，還可以定量測(cè)量各種電參數(shù)，例如測(cè)量脈沖幅值、上升時(shí)間、重復(fù)周期或峰值電壓等。

由于示波器能夠直接對(duì)被測(cè)電信號(hào)的波形進(jìn)行顯示、測(cè)量，并能對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算、分析和處理，功能全面，加之具有靈敏度高、輸入阻抗高和過(guò)載能力強(qiáng)等一系列特點(diǎn)，因此在生產(chǎn)、維修、教學(xué)、科學(xué)研究等領(lǐng)域中得到了極其廣泛的應(yīng)用。3.1.2示波器的特點(diǎn)

作為通用的電子測(cè)量?jī)x器，電子示波器具有以下主要特點(diǎn)：1、具有良好的直觀性，可直接顯示信號(hào)的波形，也可測(cè)量信號(hào)的瞬時(shí)值。2、靈敏度高、工作頻帶寬、速度快，對(duì)觀測(cè)瞬變信號(hào)的細(xì)節(jié)帶來(lái)了很大的方便。3、輸入阻抗高（兆歐級(jí)），對(duì)被測(cè)電路的影響小。4、不用指針指示，過(guò)載能力較強(qiáng)。

從示波器的性能和結(jié)構(gòu)出發(fā)，可將示波器分為模擬示波器、數(shù)字示波器、混合示波器和專用示波器。3.1.3示波器的分類(lèi)1.模擬示波器（1）通用示波器：采用單束示波管的示波器。這類(lèi)示波器采用單束示波管，有單蹤型和多蹤型，能夠定性、定量地觀測(cè)信號(hào)，是最常用的示波器。多蹤示波器是采用單束示波管而帶有電子開(kāi)關(guān)的示波器，它能同時(shí)觀測(cè)幾路信號(hào)的波形及其參數(shù)，或?qū)蓚€(gè)以上的信號(hào)進(jìn)行比較。（2）多束示波器：采用多束示波管的示波器。與通用示波器的疊加或交替顯示多個(gè)波形不同，其屏上顯示的每個(gè)波形都由單獨(dú)的電子束產(chǎn)生，能同時(shí)觀測(cè)、比較兩個(gè)以上的波形。（3）取樣示波器：它根據(jù)取樣技術(shù)將高頻傳號(hào)轉(zhuǎn)換為低頻信號(hào)，然后再用通用示波器顯示其波形。這樣，被測(cè)信號(hào)的周期被大大展寬，便于觀察信號(hào)的細(xì)節(jié)部分，常用于觀測(cè)300MHz以上的高頻信號(hào)及脈沖寬度為納秒級(jí)的窄脈沖信號(hào)。目前已被數(shù)字存儲(chǔ)示波器或數(shù)字取樣示波器所取代。

取樣技術(shù)——是一種頻率變化技術(shù)，通過(guò)“非實(shí)時(shí)取樣”方式將高頻信號(hào)變成低頻信號(hào)，將極窄的快速脈沖展寬后再以模擬示波器的方法顯示被測(cè)波形。2.數(shù)字示波器（1）數(shù)字存儲(chǔ)示波器（DSO）：它能將電信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字化及后置處理后再重建波形，具有記憶、存儲(chǔ)被觀測(cè)信號(hào)的功能，可以用來(lái)觀測(cè)和比較單次過(guò)程和非周期現(xiàn)象、低頻和慢速信號(hào)以及在不同時(shí)間或不同地點(diǎn)觀測(cè)到的信號(hào)。它往往還具有豐富的波形運(yùn)算能力，如加、減、乘、除、峰值、平均、內(nèi)插、FFT（快速傅氏變換）、濾波等，并可方便地與計(jì)算機(jī)及其它數(shù)字化儀器交換數(shù)據(jù)。（2）數(shù)字熒光示波器（DPO）：采用先進(jìn)的數(shù)字熒光技術(shù)，能夠通過(guò)多層次輝度或彩色顯示長(zhǎng)時(shí)間信號(hào)，具有傳統(tǒng)模擬示波器和現(xiàn)代數(shù)字存儲(chǔ)示波器的雙重特點(diǎn)。

光源或一被照面之輝度——指其單位表面在某一方向上的光強(qiáng)度密度，也可說(shuō)是人眼所感知此光源或被照面之明亮程度。3.混合示波器混合信號(hào)示波器是把數(shù)字示波器對(duì)信號(hào)細(xì)節(jié)的分析能力和邏輯分析儀對(duì)多通道的定時(shí)測(cè)量能力組合在一起的儀器。4.專用示波器不屬于以上幾類(lèi)、能滿足特殊用途的示波器稱為專用示波器或特殊示波器。例如監(jiān)測(cè)和調(diào)試電視系統(tǒng)的電視示波器，主要用于調(diào)試彩色電視中有關(guān)色度信號(hào)幅度和相位的矢量示波器等等。3.2.1陰極射線示波管3.2示波顯示的基本原理

典型的示波器利用陰極射線示波管CRT作為顯示器，CRT是示波器的重要組成部分，其作用就是把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)而加以顯示。其構(gòu)造與電視機(jī)顯像管相同，主要由電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三大部分組成，三大部分均封裝在密閉呈真空的玻璃殼內(nèi)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.1所示（圖中省略了玻璃外殼）。圖3.1陰極射線示波管結(jié)構(gòu)示意圖1.電子槍

電子槍的作用是發(fā)射電子并形成聚束的高速電子流。它主要由燈絲F、陰極K、控制柵極G、第一陽(yáng)極A1、第二陽(yáng)極A2和后加速陽(yáng)極A3組成。除燈絲外，其余電極的結(jié)構(gòu)均是金屬圓筒，且它們的軸心都保持在同一軸線上。

陰極是一個(gè)表面涂有氧化物的金屬圓筒，在燈絲的加熱下，陰極散射出大量游離電子。

控制柵極是頂端有孔的圓筒，套裝在陰極外面，其電位比陰極電位低，用于控制射向熒光屏的電子數(shù)量，改變電子束打在熒光屏上亮點(diǎn)的亮度。調(diào)節(jié)電位器RP1可以調(diào)節(jié)亮度，稱之為“輝度（INTENSITY）”調(diào)節(jié)旋鈕。與控制柵極極性相反的電壓加到陰極上時(shí)，也可起到與控制柵極相同的作用。

第一、二陽(yáng)極是中間開(kāi)孔、內(nèi)有許多柵格的金屬圓筒，它們與控制柵極配合完成對(duì)電子束的加速和聚焦，聚焦就是使電子束在熒光屏上的亮點(diǎn)直徑變小，調(diào)節(jié)電位器RP2、RP3可使熒光屏亮點(diǎn)鮮明，得到最佳的聚焦效果，RP2、RP3分別稱為“聚焦（FOCUS）”調(diào)節(jié)和“輔助聚焦（AUXFOCUS）”調(diào)節(jié)旋鈕。

后加速陽(yáng)極用來(lái)加速電子束，提高示波管的偏轉(zhuǎn)靈敏度。

注意：調(diào)節(jié)“輝度”旋鈕時(shí)會(huì)影響聚焦效果，因此，示波管的“輝度”與“聚焦”并非相互獨(dú)立，要配合調(diào)節(jié)。2.偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)

偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)位于第二陽(yáng)極之后，由兩對(duì)相互垂直的X（水平）、Y（垂直）偏轉(zhuǎn)板組成，分別控制電子束水平方向、垂直方向的偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的距離分別與加在偏轉(zhuǎn)板上的電壓大小成正比，該特性稱為陰極射線示波管的線性偏轉(zhuǎn)特性。

偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的作用是：掃描電壓、被測(cè)信號(hào)加到X、Y偏轉(zhuǎn)板上時(shí)，各自在X、Y偏轉(zhuǎn)板間形成偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)，分別使電子束產(chǎn)生在X、Y方向上的位移，由此確定出亮點(diǎn)在熒光屏上的位置。

為了顯示出被測(cè)信號(hào)的波形，掃描電壓和被測(cè)信號(hào)電壓分別加在示波管X、Y偏轉(zhuǎn)板上。掃描電壓是與時(shí)間成正比的鋸齒波，因此，電子束在水平方向上的偏轉(zhuǎn)距離與時(shí)間成正比，這是示波器測(cè)量時(shí)間、周期等參數(shù)的原理依據(jù)。

改變掃描電壓的大小，可以調(diào)整顯示波形的寬度。

鋸齒波和被測(cè)信號(hào)都變換成極性相反的對(duì)稱信號(hào)后加到偏轉(zhuǎn)板上，如圖3.1所示。被測(cè)信號(hào)變換后加在Y偏轉(zhuǎn)板上，使電子束產(chǎn)生與信號(hào)電壓成正比的偏移，這是示波器測(cè)量電壓等參數(shù)的原理依據(jù)。

改變Y偏轉(zhuǎn)板上的信號(hào)電壓大小，可以調(diào)整顯示波形的幅度。

當(dāng)在Y1、Y2偏轉(zhuǎn)板上再疊加上對(duì)稱的正、負(fù)直流電壓時(shí)，顯示波形會(huì)整體向上移位，反之，向下移位，調(diào)節(jié)該直流電壓的旋鈕稱為“垂直移位(VERTICAL)”旋鈕。

當(dāng)在X1、X2偏轉(zhuǎn)板上再疊加上對(duì)稱的正、負(fù)直流電壓時(shí)，顯示波形會(huì)整體向左移位，反之，向右移位，調(diào)節(jié)該直流電壓的旋鈕稱為“水平移位（HORIZONTAL）”旋鈕。

熒光屏內(nèi)壁涂有熒光物質(zhì)（磷光質(zhì)），外壁則是玻璃管殼。當(dāng)熒光物質(zhì)受到電子槍發(fā)射的高速電子束轟擊時(shí)能發(fā)出熒光，并維持一定的時(shí)間，該現(xiàn)象稱為熒光物質(zhì)的余輝現(xiàn)象。3.熒光屏

按照余輝現(xiàn)象維持時(shí)間（即余輝時(shí)間）的長(zhǎng)短，熒光物質(zhì)分為短余輝（小于1ms）、中余輝（1ms～0.1s）和長(zhǎng)余輝（大于0.1s，甚至可達(dá)幾分鐘或更長(zhǎng)）等幾種。被測(cè)信號(hào)頻率越低，越宜選用余輝長(zhǎng)的熒光物質(zhì)，反之，宜選用余輝短的熒光物質(zhì)。

熒光物質(zhì)發(fā)出的顏色有藍(lán)色、綠色、黃色等幾種，普通示波管常選用黃色或綠色的熒光物質(zhì)。

為了進(jìn)行定量測(cè)試，一般在熒光屏內(nèi)壁預(yù)先沉積一個(gè)透明刻度，稱為內(nèi)刻度；或在屏外安置標(biāo)有刻度的透明塑料板，稱為外刻度?？潭葏^(qū)域通常為一矩形，稱為測(cè)量窗或顯示窗，其尺寸是示波器可視尺寸，一般為10div×8div（寬×高）。3.2.2示波管顯示原理

利用示波器可以顯示被測(cè)信號(hào)的波形，常見(jiàn)的有兩種類(lèi)型：一種是顯示隨時(shí)間變化的信號(hào)，稱為波形顯示；另一種是顯示任意兩個(gè)信號(hào)X與Y的關(guān)系，稱為X-Y顯示。1.波形顯示

當(dāng)示波管未加偏轉(zhuǎn)電壓時(shí)，電子束打在熒光屏中心位置上而產(chǎn)生亮點(diǎn)。當(dāng)在示波管X、Y偏轉(zhuǎn)板上都只加直流電壓時(shí)，也可以在熒光屏上得到一個(gè)位置產(chǎn)生變化的亮點(diǎn)。每個(gè)亮點(diǎn)所在的位置都可以設(shè)為起始點(diǎn)。

被測(cè)信號(hào)的波形可以看作是由很多亮點(diǎn)構(gòu)成的，由示波管的線性偏轉(zhuǎn)特性可知，每個(gè)亮點(diǎn)在X、Y方向上的坐標(biāo)（即相對(duì)于起始點(diǎn)的距離）分別與被測(cè)信號(hào)波形中該點(diǎn)的時(shí)間及瞬時(shí)電壓成正比。

當(dāng)被測(cè)電壓、掃描電壓分別加至垂直、水平偏轉(zhuǎn)板上時(shí)，電子束受到垂直、水平偏轉(zhuǎn)板的共同作用，使電子束每一時(shí)刻產(chǎn)生的亮點(diǎn)的垂直位移與被測(cè)電壓的瞬時(shí)電壓成正比，而在時(shí)間上則一一對(duì)應(yīng)，這樣就在熒光屏上得到一個(gè)留存時(shí)間很短的亮點(diǎn)軌跡，即波形。

只要被測(cè)信號(hào)是周期性信號(hào)，每次得到的波形又能完全重復(fù)，并且每次重復(fù)的間隔時(shí)間又很短，就可以得到穩(wěn)定的被測(cè)信號(hào)波形，重復(fù)間隔時(shí)間應(yīng)少于人眼視覺(jué)暫留時(shí)間，否則，波形會(huì)閃爍，不便于觀測(cè)。（1）掃描的概念

光點(diǎn)在鋸齒波作用下移動(dòng)的過(guò)程稱為掃描。能實(shí)現(xiàn)掃描的鋸齒波電壓叫掃描電壓，分為掃描正程和掃描回程。如圖(c)所示，亮點(diǎn)從0點(diǎn)經(jīng)1、2、3至4點(diǎn)移動(dòng)為正程，從4點(diǎn)迅速返回到0點(diǎn)的移動(dòng)為回程。

下圖為掃描電壓實(shí)際波形。

Ts為掃描正程時(shí)間，在此期間電子束產(chǎn)生自左至右的移動(dòng)，稱為“掃描正程”；Tb為掃描逆程時(shí)間，在此期間電子束產(chǎn)生自右至左的移動(dòng)，稱為“掃描逆程”或“掃描回程”，以保證下次掃描從起始點(diǎn)開(kāi)始向右掃描；T為掃描休止時(shí)間，以保證下次掃描在熒光屏上的起始點(diǎn)能夠與本次掃描的起始點(diǎn)重合，為便于分析通常不予考慮。

當(dāng)掃描逆程時(shí)間和掃描休止時(shí)間均為零時(shí)，掃描電壓為理想掃描電壓。鋸齒波電壓波形(a)實(shí)際鋸齒波(b)理想鋸齒波

掃描正程時(shí)顯示被測(cè)信號(hào)的波形。在掃描逆程時(shí)，電子束在向左移動(dòng)的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)亮線，該亮線稱為回掃線。

假如在Y偏轉(zhuǎn)板上加正弦電壓，在掃描休止時(shí)，電子束會(huì)在起始點(diǎn)位置出現(xiàn)一條垂直的亮線，該亮線稱為休止線，如下圖所示。

應(yīng)對(duì)回掃線和休止線進(jìn)行消隱，否則，將影響波形的觀測(cè)?？梢栽趻呙枵唐陂g給控制柵極加正極性脈沖或給陰極加負(fù)極性脈沖（在掃描正程期間使電子槍發(fā)射更多的電子，即給示波器增輝）來(lái)實(shí)現(xiàn)消隱。

（2）掃描與被測(cè)信號(hào)的同步

掃描的后一個(gè)周期描繪的波形與前一周期完全重合，掃描電壓與被測(cè)信號(hào)的同步，簡(jiǎn)稱“同步”。

式中，Tx為掃描信號(hào)周期；Ty為被測(cè)信號(hào)周期。

如果要得到穩(wěn)定的周期性被測(cè)信號(hào)波形必須滿足同步條件：Tx=Ts+Tb+T=nTy（n=1，2，3，…即n為整數(shù)）

由此可見(jiàn)，被測(cè)信號(hào)和掃描電壓對(duì)電子束的作用時(shí)間總是相等的。

掃描電壓正程、逆程時(shí)間等于被測(cè)信號(hào)的幾個(gè)周期，就相應(yīng)地掃描得出被測(cè)信號(hào)幾個(gè)周期的波形，其中掃描逆程得到的波形（即回掃線）是緊隨掃描正程波形之后的被測(cè)信號(hào)波形的回折，即以掃描正程結(jié)束點(diǎn)所在縱軸為軸線將正程之后的波形向起始方向?qū)φ?，并且使掃描逆程的結(jié)束點(diǎn)與掃描起始點(diǎn)重合，如圖3.4所示。

示波管除供電部分外，再加上掃描電壓產(chǎn)生部分（即X通道）和輸入電壓變換部分（即Y通道）則構(gòu)成示波器。示波器一般采用電平觸發(fā)的方法獲取被測(cè)信號(hào)的周期信息，從而實(shí)現(xiàn)掃描電壓與被測(cè)信號(hào)的同步，這個(gè)過(guò)程稱為觸發(fā)同步，在這種狀態(tài)下的掃描稱為觸發(fā)掃描，是示波器優(yōu)先采用的掃描方式。

有時(shí)，掃描電壓是在自激狀態(tài)下產(chǎn)生的，這種掃描方式稱為連續(xù)掃描。

有時(shí)掃描電壓是在手動(dòng)控制下產(chǎn)生的，稱之為單次掃描，單次掃描適于觀測(cè)非周期性信號(hào)。

有時(shí)在自動(dòng)電路控制下，連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變換，這種掃描方式稱為自動(dòng)掃描，是操作示波器時(shí)通常選用的掃描方式。2.顯示任意兩個(gè)變量之間的關(guān)系

X—Y圖示儀：當(dāng)有兩個(gè)信號(hào)分別加在X和Y偏轉(zhuǎn)板上時(shí)（Ux不一定是鋸齒波），熒光屏上即能顯示出兩個(gè)信號(hào)波形之間的關(guān)系。

通常把兩個(gè)偏轉(zhuǎn)板上都加正弦電壓時(shí)顯示的圖形叫李沙育圖形，它常用于頻率和相位測(cè)量中。

圖3.7兩個(gè)同頻率信號(hào)構(gòu)成的李沙育圖形

(a)Uy與Ux同相位；(b)Uy超前Ux90°3.3.1通用示波器的基本組成通用示波器是指示波器中應(yīng)用最廣泛的一種，通用示波器主要由X通道（HORIZONTAL）、Y通道（VERTICAL）、主機(jī)三大部分組成。通用示波器的基本組成如圖3.8所示。3.3通用示波器的工作原理圖3.8通用示波器基本組成（1）X通道（水平系統(tǒng)）

X通道由觸發(fā)電路、掃描電路和X放大器組成。它的主要作用是：在觸發(fā)信號(hào)的作用下，輸出大小合適、極性相反的對(duì)稱掃描電壓，以驅(qū)動(dòng)電子束水平偏轉(zhuǎn)。

（2）Y通道（垂直系統(tǒng)）

Y通道由衰減器、前置放大器、延遲級(jí)、輸出放大器等組成。它的主要作用是：對(duì)單端輸入的被測(cè)信號(hào)進(jìn)行變換、處理成為大小合適極性相反的對(duì)稱信號(hào)加到Y(jié)偏轉(zhuǎn)板上，使電子束產(chǎn)生垂直偏轉(zhuǎn)。（3）主機(jī)部分

主機(jī)部分主要包括標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源、增輝電路、電源、示波管等部分。

增輝電路的作用是在掃描正程時(shí)使波形增輝，掃描逆程或掃描休止期時(shí)使回掃線和休止線消隱；或在外加高頻信號(hào)的作用下，對(duì)顯示波形進(jìn)行亮度調(diào)制，即使波形亮暗變化情況受外加信號(hào)的控制，波形由實(shí)線變?yōu)樘摼€，由此可測(cè)量信號(hào)周期或頻率。

標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源用于提供幅度、周期等都很準(zhǔn)確的方波信號(hào)，例如1kHz、10mVP-P的方波，以便對(duì)示波器有關(guān)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)調(diào)整。

由于增輝信號(hào)是加在示波管的控制柵極或陰極上，而控制柵極或陰極均與偏轉(zhuǎn)板垂直，符合三維坐標(biāo)關(guān)系，故增輝電路等又稱為Z軸系統(tǒng)，有時(shí)也將主機(jī)部分稱為Z軸系統(tǒng)。

示波器Y通道主要由輸入電路、前置放大器、延遲級(jí)和輸出放大器等組成，如圖3.8所示。它的主要作用是把被測(cè)信號(hào)變換成為大小合適的雙極性對(duì)稱信號(hào)后加到Y(jié)偏轉(zhuǎn)板上，使顯示的波形適于觀測(cè)；向X通道提供內(nèi)觸發(fā)信號(hào)源；補(bǔ)償X通道的時(shí)間延遲，以觀測(cè)到諸如脈沖等信號(hào)的完整波形。3.3.2通用示波器Y通道（垂直系統(tǒng)）1.輸入電路

如圖3.9所示，輸入電路主要包括探極、耦合方式變換開(kāi)關(guān)、衰減器、阻抗變換及倒相放大器等部分。圖3.9Y通道輸入電路（1）探極

被測(cè)信號(hào)與示波器的連接可以選用引線或附帶的探極，通常選用高頻特性良好、抗干擾能力強(qiáng)的高輸入阻抗探極。

探極分為有源探極和無(wú)源探極兩種，探極中通常設(shè)置有衰減器。

有源探極具有良好的高頻特性，衰減比為1：1，適于測(cè)試高頻小信號(hào)，但需要示波器提供專用電源，應(yīng)用較少。

應(yīng)用較多的是無(wú)源探極，衰減比（輸入/輸出）有1：1、10：1和100：1三種，前兩種的應(yīng)用比較普遍，后一種通常用于高頻測(cè)量。當(dāng)探極衰減比為10：1或100：1時(shí)，被測(cè)電壓值是示波器測(cè)得電壓的10倍或100倍。

無(wú)源探極的結(jié)構(gòu)如圖3.10所示。如果要正確地測(cè)量高頻波和方波，需要調(diào)節(jié)探極補(bǔ)償電容器C。補(bǔ)償電容的位置有的在探針處（圖(a)），有的在探極末端（圖(b)）或在校準(zhǔn)盒內(nèi)。圖3.10兩種無(wú)源探極的結(jié)構(gòu)

調(diào)整補(bǔ)償電容時(shí)，將示波器標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的方波加到探極上，用螺刀左右旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償電容C，直到調(diào)出下圖(a)所示的方波（即正確補(bǔ)償）為止。否則，會(huì)出現(xiàn)下圖(b)、下圖(c)所示的電容過(guò)補(bǔ)償或欠補(bǔ)償情況。探極補(bǔ)償情況

原則上，示波器的探極應(yīng)專用。

正確使用探極，可以提高示波器的輸入阻抗，增強(qiáng)示波器的抗干擾能力，擴(kuò)展示波器的電壓量程。接入探極后，一般可以使示波器輸入電阻提高到10MΩ、輸入電容減小到十幾pF。（2）耦合方式選擇開(kāi)關(guān)

輸入耦合方式選擇開(kāi)關(guān)一般有DC、AC和GND三個(gè)擋位。

在不斷開(kāi)被測(cè)信號(hào)的情況下，GND耦合為示波器提供測(cè)量直流電壓的參考零電平。

交流（AC）耦合可隔離被測(cè)信號(hào)中的直流及慢變化分量，抑制工頻干擾，便于測(cè)量高頻及交流瞬變信號(hào)。

直流(DC)耦合即直接耦合，信號(hào)直接接至衰減器，用于觀測(cè)頻率很低或帶有直流分量的交流。

變換交流耦合和直流耦合，可以測(cè)出交流信號(hào)中直流成分的大小。（3）衰減器

衰減器一般為阻容步進(jìn)衰減器，它對(duì)應(yīng)示波器面板上的Y軸靈敏度粗調(diào)旋鈕，其電路原理如下圖所示。阻容步進(jìn)衰減器原理圖

改變衰減器衰減比，也就改變了示波器偏轉(zhuǎn)因數(shù)，從而使顯示波形的幅度得以調(diào)整。偏轉(zhuǎn)因數(shù)旋鈕每擋所對(duì)應(yīng)的阻容衰減器是唯一的。

對(duì)于下圖所示的阻容衰減器，只有當(dāng)滿足R1C1=R2C2時(shí)，衰減器才具有平坦的幅頻特性，即示波器偏轉(zhuǎn)因數(shù)與輸入信號(hào)頻率無(wú)關(guān)，其衰減比為R2/(R1+R2)。阻容步進(jìn)衰減器原理圖（4）阻抗變換及倒相放大器

阻抗變換及倒相放大器的作用是將來(lái)自衰減器的單端輸入信號(hào)變換為后級(jí)差分放大器所需的雙端輸出信號(hào)，以克服放大器零點(diǎn)漂移的影響；提高放大器輸入阻抗；隔離前后級(jí)的影響；提供Y偏轉(zhuǎn)板所需的對(duì)稱信號(hào)。

與該電路有關(guān)的旋鈕有直流“平衡”及偏轉(zhuǎn)因數(shù)“微調(diào)”等旋鈕?！拔⒄{(diào)”可以連續(xù)調(diào)節(jié)顯示波形的幅度；適當(dāng)調(diào)節(jié)“平衡”可以避免因?yàn)槠D(zhuǎn)因數(shù)的改變而使波形產(chǎn)生位移，示波器面板上一般不予設(shè)置。2.前置放大器

前置放大器的作用是對(duì)前級(jí)輸出信號(hào)進(jìn)行初步放大，補(bǔ)償延遲級(jí)對(duì)信號(hào)的損耗；為X通道的觸發(fā)電路提供大小合適的內(nèi)觸發(fā)信號(hào)，以得到穩(wěn)定可靠的內(nèi)觸發(fā)脈沖。

與前置放大器有關(guān)的開(kāi)關(guān)旋鈕有“倒相”開(kāi)關(guān)、垂直“移位”旋鈕?！暗瓜唷遍_(kāi)關(guān)通過(guò)改變加在前置放大器的雙端輸入信號(hào)的極性使顯示波形倒置；“移位”旋鈕通過(guò)調(diào)節(jié)同軸雙聯(lián)電位器反向?qū)ΨQ地改變前置放大器雙端輸出信號(hào)中的直流成分而使波形垂直移位。3.延遲級(jí)

為了顯示穩(wěn)定的脈沖波形，示波器通常采用內(nèi)觸發(fā)方式來(lái)產(chǎn)生掃描電壓。只有當(dāng)被測(cè)信號(hào)達(dá)到一定的觸發(fā)電平時(shí)，才能產(chǎn)生觸發(fā)脈沖并形成掃描電壓，但被測(cè)信號(hào)從零電平開(kāi)始上升到一定的觸發(fā)電平需要經(jīng)歷一定的時(shí)間，這表明掃描電壓要比被測(cè)信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間晚，從而使被測(cè)信號(hào)的前沿?zé)o法完整顯示。為了完整顯示被測(cè)信號(hào)波形，在Y通道中設(shè)置延遲級(jí)對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行延遲,延遲時(shí)間一般為60～200ns，常取100ns左右。

圖3.10為延遲級(jí)原理示意圖，圖3.10(a)、圖3.10(b)、圖3.10(c)、圖3.10(d)分別為被測(cè)信號(hào)uy(t)、觸發(fā)脈沖p(t)、掃描電壓ux(t)的波形和被測(cè)信號(hào)的顯示波形，Ut為觸發(fā)電平。由此可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)延遲級(jí)適當(dāng)延遲后即可看到完整的被測(cè)信號(hào)波形。但觀測(cè)正弦等緩慢變化的信號(hào)時(shí)，延遲級(jí)的作用卻不顯著，故簡(jiǎn)易示波器中一般不設(shè)置延遲級(jí)。圖3.10延遲級(jí)原理示意圖4.輸出放大器

為了克服零點(diǎn)漂移等的影響，輸出放大器一般采用差分放大器。其作用是對(duì)來(lái)自前級(jí)的信號(hào)進(jìn)行放大，使電子束在垂直方向上產(chǎn)生足夠大的偏轉(zhuǎn)，便于觀測(cè)微弱信號(hào)。

與該電路有關(guān)的開(kāi)關(guān)旋鈕主要有“倍率”、偏轉(zhuǎn)因數(shù)“微調(diào)”等開(kāi)關(guān)旋鈕。如果“微調(diào)”旋鈕已設(shè)置在阻抗變換及倒相放大器中，則不再出現(xiàn)在輸出放大器中，反之，則不再出現(xiàn)在阻抗變換及倒相放大器中。這兩個(gè)旋鈕都是通過(guò)調(diào)節(jié)放大器增益來(lái)實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)因數(shù)調(diào)節(jié)的。3.3.3通用示波器X通道（水平系統(tǒng)）

示波器X通道主要由觸發(fā)電路、掃描電路及X放大器等三大部分組成，如圖3.11所示。它的主要作用是產(chǎn)生掃描電壓，使波形在水平方向上展開(kāi)；給示波管提供增輝、消隱脈沖；提供雙蹤示波器交替顯示時(shí)的控制信號(hào)。圖3.11X通道組成框圖1.觸發(fā)電路

觸發(fā)電路用來(lái)選擇觸發(fā)源并產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的觸發(fā)信號(hào)，以觸發(fā)產(chǎn)生穩(wěn)定的掃描電壓。

如圖3.12所示，觸發(fā)電路主要由觸發(fā)源選擇開(kāi)關(guān)S1、耦合方式選擇開(kāi)關(guān)S2、觸發(fā)電平與斜率選擇器、放大整形電路等組成。圖中S1為“觸發(fā)源（TRIGSOURCE）”選擇開(kāi)關(guān)；S2為“觸發(fā)耦合（TRIGCOUPLING）”方式選擇開(kāi)關(guān)；S3為“觸發(fā)極性（SLOPE）”選擇開(kāi)關(guān)；電位器RP為“觸發(fā)電平(LEVEL)”調(diào)節(jié)器。圖3.12觸發(fā)電路組成框圖（1）觸發(fā)源

用于產(chǎn)生觸發(fā)脈沖的信號(hào)源，有內(nèi)觸發(fā)、外觸發(fā)、電源觸發(fā)三種。雙蹤示波器內(nèi)觸發(fā)源又分為CH1、CH2。

內(nèi)觸發(fā)（INT）：將Y前置放大器的輸出作為觸發(fā)信號(hào)，適用于觀測(cè)被測(cè)信號(hào)。

外觸發(fā)（EXT）：用外接的、與被測(cè)信號(hào)有嚴(yán)格同步關(guān)系的信號(hào)作為觸發(fā)源，用于比較兩個(gè)信號(hào)的同步關(guān)系。

電源觸發(fā)（LINE）：用50Hz的工頻正弦交流電信號(hào)作為觸發(fā)源，適于觀測(cè)與50Hz交流電有同步關(guān)系的信號(hào)。（2）耦合方式

觸發(fā)信號(hào)的耦合方式是指選擇觸發(fā)源中某種成分來(lái)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，有DC、AC、AC（H）和HF四種方式。DC耦合，即直接耦合，常用于外觸發(fā)或連續(xù)掃描方式；AC耦合是一種常用的方式，因C1的接入，適于低頻到高頻信號(hào)的觸發(fā)。AC(H)為低頻抑制耦合，C1和C2串聯(lián)，阻抗增大，有利于抑制工頻干擾等的低頻干擾。HF為高頻抑制耦合，耦合電容較小，適用于5MHz以上信號(hào)的觀測(cè)。（3）觸發(fā)方式

常態(tài)（NORM）掃描即觸發(fā)掃描，是示波器優(yōu)先采用的掃描方式。

無(wú)信號(hào)時(shí)，屏幕上無(wú)掃線。有信號(hào)時(shí)，與電平控制配合顯示穩(wěn)定波。

自動(dòng)(AUTO)觸發(fā)方式:無(wú)信號(hào)時(shí)，屏幕上顯示光跡；有信號(hào)時(shí),與電平控制配合顯示穩(wěn)定波形。該方式適于觀測(cè)低頻信號(hào)。

視頻（TV）觸發(fā)方式：用于顯示電視場(chǎng)信號(hào)，以便對(duì)電視信號(hào)（行、場(chǎng)同步）進(jìn)行監(jiān)視與電視設(shè)備維修。

P-PAUTO（峰值自動(dòng)）：無(wú)信號(hào)時(shí)，屏幕上顯示光跡；有信號(hào)時(shí),無(wú)須調(diào)節(jié)電平即能獲得穩(wěn)定波形。該方式只有部分示波器中采用。（4）觸發(fā)電平及斜率選擇器

觸發(fā)電平及斜率選擇器用于選擇合適穩(wěn)定的觸發(fā)點(diǎn)，以控制掃描起始時(shí)刻，為了使波形顯示穩(wěn)定，應(yīng)選擇同相位點(diǎn)作為每次掃描的起始點(diǎn)。

觸發(fā)電平可以由“觸發(fā)電平”旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)，它有正電平、負(fù)電平和零電平之分，觸發(fā)點(diǎn)分別位于觸發(fā)信號(hào)的上部、下部和中部。

觸發(fā)斜率即觸發(fā)極性，是指觸發(fā)點(diǎn)位于觸發(fā)信號(hào)的上升沿還是下降沿，位于上升沿的稱為正極性觸發(fā)，位于下降沿的稱為負(fù)極性觸發(fā)。

觸發(fā)電平及觸發(fā)極性可以直接從顯示波形上進(jìn)行判斷。圖4.13(a)~圖4.13(f)的觸發(fā)電平及觸發(fā)極性分別為零電平、正極性，負(fù)電平、正極性，正電平、正極性，零電平、負(fù)極性，負(fù)電平、負(fù)極性，正電平、負(fù)極性。圖3.13觸發(fā)電平、觸發(fā)極性與波形顯示的關(guān)系（5）觸發(fā)放大及觸發(fā)形成電路

觸發(fā)放大及觸發(fā)形成電路一般由電壓比較器、斯密特電路、微分電路組成，其作用是對(duì)前級(jí)輸出信號(hào)進(jìn)行放大整形，產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的觸發(fā)脈沖。2.掃描電路

掃描電路又稱為時(shí)基電路，其作用是產(chǎn)生符合要求的掃描電壓；為Z通道提供增輝、消隱脈沖；為雙蹤示波器電子開(kāi)關(guān)提供交替顯示的控制信號(hào)。

掃描電路主要由時(shí)基閘門(mén)電路、積分器、電壓比較器和釋抑電路等四個(gè)呈環(huán)狀結(jié)構(gòu)的電路組成，故又稱為掃描環(huán)，如圖3.11所示。圖3.11X通道組成框圖（1）時(shí)基閘門(mén)

時(shí)基閘門(mén)電路又稱為掃描門(mén)，是施密特觸發(fā)器。它的作用是在觸發(fā)脈沖作用下或在自激狀態(tài)下產(chǎn)生閘門(mén)脈沖，閘門(mén)脈沖是積分器的控制信號(hào)。另外，閘門(mén)脈沖還通過(guò)射隨器加到Z通道去實(shí)現(xiàn)增輝消隱，以及加到雙蹤示波器Y通道電子開(kāi)關(guān)作為交替顯示的控制信號(hào)。（2）積分器

積分器又稱為掃描電壓發(fā)生器，是密勒積分器，它具有輸入阻抗高、線性好的特點(diǎn)，電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3.16所示。圖3.16掃描電壓發(fā)生器電路結(jié)構(gòu)框圖

時(shí)基閘門(mén)電路輸出的閘門(mén)脈沖控制開(kāi)關(guān)S的斷開(kāi)閉合。當(dāng)S斷開(kāi)時(shí)，積分器開(kāi)始積分，產(chǎn)生掃描正程電壓，掃描正程電壓為:

改變RC的值，即改變了掃描電壓正程斜率，也就改變了掃描速度。改變積分電阻、積分電容的旋鈕稱為“時(shí)基因數(shù)（sec/div）”旋鈕。

當(dāng)S閉合時(shí)，積分電容放電，產(chǎn)生掃描逆程電壓。（3）電壓比較器

如圖3.17所示，二極管與有關(guān)電路一起構(gòu)成電壓比較器，當(dāng)掃描電壓高于參考電壓Vr時(shí)，二極管導(dǎo)通，輸出信號(hào)經(jīng)釋抑電路送至?xí)r基閘門(mén)電路，以結(jié)束閘門(mén)脈沖，從而閉合掃描電壓發(fā)生器開(kāi)關(guān)S，進(jìn)入掃描逆程。調(diào)節(jié)參考電壓Vr的大小可以改變二極管導(dǎo)通時(shí)間，從而調(diào)節(jié)掃描電壓的幅度。（4）釋抑電路

釋抑電路一般是RC電路，如圖3.17所示。釋抑電路的作用是使每次掃描水平方向上起始點(diǎn)在熒光屏上的位置都相同，以保證每次掃描得到的波形能夠重合，這是得到穩(wěn)定波形的重要條件之一。

當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，掃描電壓還對(duì)釋抑電容Ch充電。當(dāng)二極管截止時(shí)，釋抑電容放電，釋抑電容的放電速度很慢，這樣可以使時(shí)基閘門(mén)電路輸入信號(hào)的電平被長(zhǎng)時(shí)間抬升，使得時(shí)基閘門(mén)脈沖為低電平，積分器控制開(kāi)關(guān)S長(zhǎng)時(shí)間處于閉合狀態(tài)，從而保證積分電容有足夠的時(shí)間進(jìn)行放電。

只有在積分電容放完電的基礎(chǔ)上，積分器才能在觸發(fā)脈沖的作用下產(chǎn)生掃描正程電壓，這樣就保證了每次掃描水平方向起始點(diǎn)的位置都相同。釋抑電容放完電之前，無(wú)論有無(wú)觸發(fā)脈沖，始終不能產(chǎn)生下次掃描，掃描電路處于被抑制狀態(tài)；釋抑電容放完電到下次產(chǎn)生掃描信號(hào)之前，釋抑電路失效，即掃描電路被釋放，釋抑電路名稱由此而來(lái)。3.X放大器X放大器的作用是：將單端輸入的信號(hào)進(jìn)行放大變換成為大小合適的雙端信號(hào)加在X偏轉(zhuǎn)板上，使電子束在水平方向上產(chǎn)生足夠的偏轉(zhuǎn)，得到合適的波形。當(dāng)示波器用于顯示被測(cè)信號(hào)波形時(shí)，X放大器的輸入信號(hào)是掃描電壓；當(dāng)示波器工作在“X-Y”方式時(shí)，輸入信號(hào)是外加的X信號(hào)。

“X-Y”方式時(shí)，示波器X偏轉(zhuǎn)板上所加的信號(hào)不再是掃描電壓而是外加的X信號(hào)，該信號(hào)與Y信號(hào)是各自獨(dú)立的，它們各自在X、Y偏轉(zhuǎn)板間建立偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)對(duì)電子束共同作用而產(chǎn)生一個(gè)新的圖形。例如，將兩個(gè)同頻正弦波加到示波器上時(shí)，得到的波形為橢圓、圓或直線，兩個(gè)正弦波加到示波器得到的圖形稱為李沙育圖形。

與X放大器有關(guān)的開(kāi)關(guān)旋鈕有：“水平移位”、“掃描擴(kuò)展”等開(kāi)關(guān)旋鈕?！八揭莆弧笔峭ㄟ^(guò)改變水平偏轉(zhuǎn)板上疊加的對(duì)稱直流電壓的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)波形水平移位的?！皰呙钄U(kuò)展”是通過(guò)成倍增大X放大器增益來(lái)實(shí)現(xiàn)波形擴(kuò)展的。3.4示波器的多波形顯示

實(shí)際工作中常常需要同時(shí)觀測(cè)兩個(gè)或兩個(gè)以上的波形，即多波形顯示，實(shí)現(xiàn)多波形顯示的方法有兩種：

一種是采用多束示波管（又稱為多線示波管）制成的多束示波器。多束示波管內(nèi)裝有兩個(gè)或兩個(gè)以上的電子槍，每個(gè)電子槍能同時(shí)發(fā)出一束電子束，每一電子束都有各自獨(dú)立的Y偏轉(zhuǎn)板，有的還有獨(dú)立的多個(gè)掃描系統(tǒng)。多束示波器制造困難，成本高，性能有待提高，較少使用。

另一種方法是采用單束示波管制成的多蹤示波器。單束示波管內(nèi)只有一個(gè)電子槍，示波管內(nèi)只有一套Y偏轉(zhuǎn)板。多蹤示波器是利用Y通道上增設(shè)的電子開(kāi)關(guān)控制被測(cè)信號(hào)輪流快速地接入Y偏轉(zhuǎn)板而顯示出多個(gè)波形的，即采用了時(shí)分復(fù)用技術(shù)，這一技術(shù)充分利用了電子開(kāi)關(guān)的高速變換特性和人眼的視覺(jué)惰性。比較常用的是雙蹤示波器，即能夠顯示兩個(gè)波形的多蹤示波器。本節(jié)只討論雙蹤示波器的多波形顯示原理，即雙蹤顯示原理。

電子開(kāi)關(guān)又稱為通道變換器，基本工作原理如圖3.18(a)所示，其輸入端接前置放大器，S1～S8為模擬電子開(kāi)關(guān)。電子開(kāi)關(guān)有“信道1”、“信道2”、“疊加”、“交替”和“斷續(xù)”五種工作狀態(tài)。3.4.1雙蹤顯示原理

圖3.18雙蹤波形顯示原理示意圖（1）信道1（CH1）

開(kāi)關(guān)S1、S2、S7、S8斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)S3、S4、S5、S6閉合，CH1輸入的信號(hào)送到輸出端，而信道2（CH2）輸入的信號(hào)不能到達(dá)輸出端，只能顯示CH1輸入的信號(hào)。（2）信道2（CH2）

開(kāi)關(guān)S3、S4、S5、S6斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)S1、S2、S7、S8閉合，CH2輸入的信號(hào)送到輸出端，而CH1輸入的信號(hào)不能到達(dá)輸出端，只能顯示CH2輸入的信號(hào)。（3）疊加

開(kāi)關(guān)S1、S2、S5、S6斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)S3、S4、S7、S8閉合，CH1和CH2輸入的兩路信號(hào)均送到輸出端，并在負(fù)載中互相疊加，顯示疊加（ADD）后的波形。當(dāng)CH2輸入的信號(hào)未倒相時(shí)，實(shí)現(xiàn)求和（CH1+CH2），當(dāng)CH2輸入的信號(hào)被倒相后，實(shí)現(xiàn)求差（CH1－CH2）。（4）交替

交替（ALT）狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)S3、S4、S5、S6和S1、S2、S7、S8斷開(kāi)或閉合的狀態(tài)受時(shí)基閘門(mén)脈沖的控制，并且每間隔一個(gè)掃描周期變換一次狀態(tài)，使得CH1和CH2輸入的信號(hào)輪流接通、輪流顯示，只要輪流顯示的間隔時(shí)間較短，就可交替顯示出兩個(gè)信號(hào)的波形。設(shè)CH1、CH2的輸入分別為梯形波、三角波信號(hào)，示波器顯示的波形如圖3.18(b)所示。

交替方式適于觀測(cè)高頻信號(hào)。這是因?yàn)楸粶y(cè)信號(hào)頻率較低時(shí)，所需掃描電壓的周期長(zhǎng)，即交替顯示同一信號(hào)的間隔時(shí)間長(zhǎng)，當(dāng)間隔時(shí)間接近或超過(guò)人眼視覺(jué)暫留時(shí)間時(shí)，顯示波形會(huì)產(chǎn)生閃爍，不便于觀測(cè)。圖3.18雙蹤波形顯示原理示意圖（5）斷續(xù)

斷續(xù)（CHOP）狀態(tài)時(shí)，在每一次掃描過(guò)程中，開(kāi)關(guān)S3、S4、S5、S6和S1、S2、S7、S8的斷開(kāi)或閉合受電子開(kāi)關(guān)內(nèi)斷續(xù)器（自激多諧振蕩器）產(chǎn)生的高頻振蕩信號(hào)（如200kHz的方波）的控制，快速輪流接通兩個(gè)輸入信號(hào)，從而顯示出每個(gè)被測(cè)信號(hào)的某一段，以后各次掃描重復(fù)以上過(guò)程。這樣顯示出的波形是由許多線段組成的，只要開(kāi)關(guān)變換頻率很快、水平掃速又較慢，這些線段就很短，看起來(lái)顯示的波形好象是連續(xù)的，如圖4.18(c)所示。

斷續(xù)方式時(shí)，斷續(xù)器還產(chǎn)生“斷續(xù)”消隱信號(hào)，以對(duì)信號(hào)變換過(guò)程中產(chǎn)生的掃描線進(jìn)行消隱。

斷續(xù)方式適于觀測(cè)頻率較低的信號(hào)，這是因?yàn)?，被測(cè)信號(hào)頻率較高時(shí)，所需掃描電壓的周期短，亦即電子束水平移動(dòng)速度快，但顯示每一線段的時(shí)間是相等（斷續(xù)器頻率不變）的，這樣顯示出的波形的斷續(xù)感比較明顯，不便于觀測(cè)；另外，當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率很高時(shí)，要求斷續(xù)器的振蕩頻率也很高，但斷續(xù)器的頻率一般是不可調(diào)的，因此，斷續(xù)方式不適于觀測(cè)高頻信號(hào)。3.5.1通用模擬示波器的主要技術(shù)性能指標(biāo)3.5通用示波器的使用操作方法通用模擬示波器的主要技術(shù)性能指標(biāo)有：（1）頻帶寬度BW：通常指Y通道的工作頻率范圍，即Y通道輸入信號(hào)上、下限頻率之差?，F(xiàn)代示波器的下限頻率都已延伸至0Hz，因而示波器的頻帶寬度可用上限頻率來(lái)表示。通常要求：BW≥3fmax式中fmax為被測(cè)信號(hào)的最高頻率。此值越大越好。（2）時(shí)域響應(yīng)：

當(dāng)輸入理想的矩形脈沖波后，從示波器顯示的波形中可看出上升時(shí)間tr、下降時(shí)間tf、上沖δ、反沖ε、平頂?shù)洇さ让}沖參數(shù)。頻帶寬度BW與上升時(shí)間tr之間一般有確定的內(nèi)在關(guān)系，即： 此值越小越好。

上述兩項(xiàng)指標(biāo)在很大程度上決定了可以觀測(cè)的信號(hào)最高頻率值或脈沖信號(hào)的最小寬度。（3）偏轉(zhuǎn)靈敏度：

指輸入信號(hào)在無(wú)衰減情況下，亮點(diǎn)在屏幕上偏轉(zhuǎn)1cm（或1格）所需信號(hào)電壓的峰-峰值（UP-P），其單位為V/cm或V/div，它反映示波器觀察微弱信號(hào)的能力。其值越小，偏轉(zhuǎn)靈敏度越高。一般示波器的偏轉(zhuǎn)靈敏度為幾十毫伏。

通常示波器的靈敏度都是按1-2-5步進(jìn)分檔，例如，10mV/cm~20V/cm分為11檔。（4）輸入阻抗：

示波器輸入阻抗一般可等效為電阻和電容并聯(lián)，用在示波器輸入端測(cè)得的直流電阻值Ri和并聯(lián)電容值Ci分別給出。Ri值越大、Ci值越小越好。一般示波器Ri和Ci值分別在MΩ和pF數(shù)量級(jí)。例如，CA8040型示波器的Ri=1MΩ,Ci=25pF。（5）掃描速度：

掃描速度又叫掃描因數(shù)。它表示在無(wú)擴(kuò)展情況下，亮點(diǎn)在屏幕上軸方向移動(dòng)單位長(zhǎng)度1cm（或1格）所表示的時(shí)間，其單位為t/cm或t/div。其中t可取s、ms或us。3.4.2示波器的選擇與使用一、示波器的合理選擇

1.根據(jù)被測(cè)信號(hào)的特性來(lái)選擇(1)定性觀察頻率不高的一般周期性信號(hào)，可選用普通示波器或簡(jiǎn)易示波器。

(2)觀察非周期信號(hào)、寬度很小的脈沖信號(hào)，應(yīng)選用具有觸發(fā)掃描的寬帶示波器。

(3)觀察快速變化的非周期性信號(hào)，應(yīng)選用高速示波器。(4)觀察頻率很高的周期性信號(hào)，可以選用取樣示波器。(5)觀察低頻緩慢變化的信號(hào)，可選用長(zhǎng)余輝、慢掃描示波器。(6)需要對(duì)兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行比較時(shí)，應(yīng)選用雙蹤示波器；需要對(duì)兩個(gè)以上信號(hào)比較時(shí)，則選用多蹤示波器或多束示波器。(7)若被測(cè)信號(hào)為一次性過(guò)程或復(fù)雜波形，需將被測(cè)信號(hào)存儲(chǔ)起來(lái)，以便進(jìn)一步分析、研究，可選用數(shù)字存儲(chǔ)示波器。2.根據(jù)示波器的性能來(lái)選擇(1)頻帶寬度和上升時(shí)間。

一般要求示波器:頻帶寬度BW≥3fmax；上升時(shí)間tr≤try（被測(cè)信號(hào)的上升時(shí)間）。

如果示波器的頻帶寬度不夠，則輸入信號(hào)中的高頻分量將被極大地衰減。如將一個(gè)50MHz的方波加至一個(gè)頻寬150MHz的數(shù)字示波器上，將得到如圖3.19（a）所示的波形；若加至一個(gè)頻寬500MHz的數(shù)字示波器上，得到的波形將如圖3.19（b）所示。所以要選擇頻帶寬度大于150MHz的示波器來(lái)觀測(cè)50MHz的方波。

圖3.1950MHz方波在不同頻寬示波器上顯示的波形

(a)頻寬150MHz;（b）頻寬500MHz(2)垂直偏轉(zhuǎn)靈敏度。如需觀測(cè)微弱信號(hào)，應(yīng)選較高偏轉(zhuǎn)靈敏度，即V/div較小的示波器。(3)輸入阻抗。盡量選用高輸入阻抗的示波器，這對(duì)觀測(cè)一些帶負(fù)載能力較弱的電路波形十分重要。如，用低阻抗探頭檢測(cè)高頻振蕩器，可能會(huì)造成其停振的現(xiàn)象。(4)掃描速度。它反映了在X方向?qū)Ρ粶y(cè)信號(hào)展開(kāi)的能力。掃描速度越高（t/cm值越?。砻魇静ㄆ髂軌蛘归_(kāi)高頻信號(hào)或窄脈沖信號(hào)波形的能力越強(qiáng)。二、示波器的使用要點(diǎn)示波器在使用時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：(1)選擇合適的電源，并注意機(jī)殼接地。使用前要預(yù)熱幾分鐘再調(diào)整各旋鈕。(2)經(jīng)過(guò)探極衰減后的輸入信號(hào)切不可超過(guò)示波器允許的輸入電壓范圍，并應(yīng)注意防止觸電。(3)根據(jù)需要，選擇合適的輸入耦合方式。(4)輝度要適中，不宜過(guò)亮，且亮點(diǎn)不能長(zhǎng)時(shí)間停留在同一點(diǎn)上，特別是暫時(shí)不觀測(cè)波形時(shí)，更應(yīng)該將輝度調(diào)暗，以免縮短示波管的使用壽命。(5)聚焦要合適，不宜太散或過(guò)細(xì)。(6)測(cè)量前要注意調(diào)節(jié)“軸線校正（TRACEROTATION”）旋鈕，使熒光屏刻度軸線與顯示波形的軸線平行。(7)盡量在熒光屏有效尺寸內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。(8)探極要與示波器配套使用，不能互換，且使用前要校正。(9)波形不穩(wěn)定時(shí)，通常按“觸發(fā)源”、“觸發(fā)耦合方式”、“觸發(fā)方式”、“掃描速度”、“觸發(fā)電平”的順序進(jìn)行調(diào)節(jié)。3.4.3示波器測(cè)量應(yīng)用1.直流電壓的測(cè)量

測(cè)量直流電壓的原理是利用被測(cè)電壓在屏幕上呈現(xiàn)一條直線。被測(cè)直流電壓值為

U=HDy式中U——被測(cè)直流電壓值；

H——被測(cè)電壓偏離零電平線的高度；

Dy——示波器的垂直靈敏度。

若使用的探頭具有衰減，應(yīng)考慮其衰減倍數(shù)Ky。此時(shí)，被測(cè)電壓值為

U=HDyKy

圖3.20直流電壓的測(cè)量(a）“交流-地-直流”開(kāi)關(guān)置GND；(b）“交流-地-直流”開(kāi)關(guān)置DC

示波器只能測(cè)出交流電壓的峰-峰值、任意時(shí)刻的電壓瞬時(shí)值或任意兩點(diǎn)間的電位差值，其有效值或平均值是無(wú)法直接讀出的，必須進(jìn)行換算求出。峰值為

UP-P=HDyK

有效值為2.交流電壓的測(cè)量

式中，KP為被測(cè)電壓的波峰因數(shù)。例如，對(duì)于正弦波KP為；對(duì)于三角波KP為

。圖3.21交流電壓的測(cè)量例3.3

示波器顯示波形如圖3.21所示，H=3.6（div），Dy=50mV/div，探頭衰減為10倍，求被測(cè)交流電壓有效值。解：被測(cè)電壓峰-峰值:

UP-P=HDyKy=3.6div×50mV/div×10=1800mV=1.8V

有效值:【思考】假設(shè)顯示波形為三角波，試求其有效值是多大？3.時(shí)間、周期與頻率的測(cè)量(1)周期的測(cè)量

將“掃描速度微調(diào)”旋鈕置于“校準(zhǔn)”位置，將Y輸入耦合開(kāi)關(guān)置于“AC”擋，調(diào)節(jié)“V/div”、“t/div”開(kāi)關(guān)，使屏幕上顯示的波形穩(wěn)定、大小適中。記錄下掃描速度（t/div）的擋位數(shù)值Dx，以及交流信號(hào)的一個(gè)周期在X軸上所占的距離L，則所測(cè)信號(hào)的周期為:T=LDx

。

若使用了掃描速度擴(kuò)展，應(yīng)考慮擴(kuò)展倍率的作用。此時(shí)，被測(cè)信號(hào)的周期為：T=LDx/Kx

，式中Kx——掃描速度擴(kuò)展倍率。例3.4熒光屏上的波形如圖3.24所示，信號(hào)一周期7div掃描速度開(kāi)關(guān)置于“10ms/div”位置，掃描擴(kuò)展置于“拉出×10”位置，求被測(cè)信號(hào)的周期和頻率。解：從顯示的波形上可以看出L=7div，Dx=10ms/div，Kx=10。T=LDx/Kx=（7div×10ms/div）/10=7ms

故：f=1/T=0.14286kHz=142.86HzLt/div

根據(jù)上述測(cè)周期的方法也可以測(cè)兩個(gè)時(shí)刻之間的時(shí)間間隔t，所不同的是L為任意兩點(diǎn)之間的水平距離。基于此方法，利用雙蹤示波器也可測(cè)出兩個(gè)輸入信號(hào)之間的時(shí)間差。二個(gè)相關(guān)信號(hào)的時(shí)間差或相位差的測(cè)量

根據(jù)二個(gè)相關(guān)信號(hào)頻率，選擇合適的掃描速度，并將垂直方式開(kāi)關(guān)根據(jù)掃描速度的快慢分別置“交替”或“斷續(xù)”位置，將“觸發(fā)源”選擇開(kāi)關(guān)置被設(shè)定作為測(cè)量基準(zhǔn)的通道，調(diào)節(jié)電平使波形穩(wěn)定同步，根據(jù)兩個(gè)波形在水平方向某兩點(diǎn)間的距離，用下式計(jì)算出時(shí)間差：

在下圖中，掃描時(shí)間系數(shù)置50μs/格，水平擴(kuò)展置×1，測(cè)得兩測(cè)量點(diǎn)A、B間的水平距離為1.5格，則：（2）頻率的測(cè)量①直接測(cè)量法先測(cè)得信號(hào)周期，再換算為頻率。這種測(cè)量頻率的方法精度不太高，常用作頻率的粗略測(cè)量。f=1/T（2）李沙育圖形法李沙育圖形法測(cè)頻率的基本操作思路是：示波器工作于X-Y方式下，將頻率已知的信號(hào)與頻率未知的信號(hào)分別加到示波器的X、Y端，調(diào)節(jié)已知信號(hào)的頻率，使熒光屏上得到李沙育圖形。

當(dāng)李沙育圖形穩(wěn)定后，設(shè)熒光屏X軸方向與圖形的切線交點(diǎn)數(shù)為Nx，Y軸方向與圖形的切線交點(diǎn)數(shù)為Ny，則已知頻率fx與待測(cè)頻率fy有如下關(guān)系：即圖3.22幾種常用的李沙育圖形圖3.22所示的李沙育圖形及式即可測(cè)出被測(cè)信號(hào)的頻率。例3.5

如圖3.23所示的李沙育圖形，已知X信號(hào)頻率為6MHz，問(wèn)Y信號(hào)的頻率是多少？NyNx圖3.23李沙育圖形解：根據(jù)李沙育圖形法測(cè)頻率的基本原理，由圖示的李沙育圖形的可得：Nx=2Ny=6（3）相位差的測(cè)量①雙蹤示波器測(cè)時(shí)間間隔法

將兩個(gè)信號(hào)u1、u2分別接入雙蹤示波器的兩個(gè)輸入端，選擇觸發(fā)信號(hào)，采用交替顯示（選用相位超前的u1信號(hào)作內(nèi)觸發(fā)信號(hào)，否則會(huì)產(chǎn)生誤差）或斷續(xù)顯示方式，適當(dāng)調(diào)整Y軸移位旋鈕，使兩個(gè)信號(hào)的水平中心軸重合，如下圖所示，測(cè)出AB、AC長(zhǎng)度。則相位差的計(jì)算公式為：BCu1(t)u2(t)A△圖3.24u1與u2的相位差測(cè)量【例】u1與u2的相位差是多少？

在圖3.24中，u1與u2的周期為5格，u1與u2之間的相位差為1.65格，由此可得，u2超前u1為1.65/5×2π≈2π/3，即u2超前u1的相位角為120°。②橢圓法橢圓法原理類(lèi)似于李沙育圖形法。將兩個(gè)正弦信號(hào)分別加到示波器“X”、“Y”輸入端時(shí)，兩個(gè)信號(hào)在示波器X、Y偏轉(zhuǎn)板間產(chǎn)生的電場(chǎng)對(duì)電子束共同作用而在熒光屏上得到下圖所示的橢圓，圖中O點(diǎn)為橢圓中心。AyByAxBxO

橢圓形狀與兩信號(hào)的幅度和相位差有關(guān)，則相位差的計(jì)算如下： 1)直線掃描法直線掃描法測(cè)量調(diào)幅系數(shù)時(shí)，將被測(cè)信號(hào)加到示波器Y軸輸入端，調(diào)整示波器有關(guān)的開(kāi)關(guān)旋鈕，得到如下圖所示的調(diào)幅波波形。（4）調(diào)幅系數(shù)的測(cè)量

測(cè)出A、B的長(zhǎng)度，代入下式計(jì)算得出調(diào)幅系數(shù)：A、B分別為調(diào)幅波最大和最小振幅。2）梯形圖法梯形圖法測(cè)量調(diào)幅系數(shù)時(shí)，示波器工作于X-Y方式，將調(diào)幅波、調(diào)制信號(hào)分別加至示波器X、Y軸輸入端，在熒光屏上顯示出圖3.26所示的梯形圖，測(cè)出A、B的長(zhǎng)度，利用前式計(jì)算即可。圖3.26梯形法測(cè)量調(diào)幅系數(shù)3.5取樣技術(shù)在示波器中的應(yīng)用

為了觀測(cè)高頻信號(hào)，在普通示波器的前面加一個(gè)專門(mén)的取樣裝置，然后在熒光屏上以斷續(xù)的亮點(diǎn)顯示出被測(cè)信號(hào)的波形來(lái)，這樣就構(gòu)成了取樣示波器。取樣示波器屬非實(shí)時(shí)示波器，可以觀測(cè)吉赫茲（1GHz=109Hz）以上的超高頻信號(hào)。

取樣技術(shù)——是一種頻率變換技術(shù)，通過(guò)“非實(shí)時(shí)取樣”方式將高頻信號(hào)變成低頻信號(hào)，將極窄的快速脈沖展寬后再以模擬示波器的方法顯示被測(cè)波形。

欲觀察一個(gè)波形，可以把這個(gè)波形在示波器上連續(xù)顯示，也可以在這個(gè)波形上取很多的點(diǎn)，把連續(xù)波形變換成離散波形，只要取樣點(diǎn)數(shù)足夠多，這些離散點(diǎn)也能夠反映原波形的形狀。這種從被測(cè)連續(xù)波形上取得一系列樣點(diǎn)(也就是獲取一系列離散時(shí)刻對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅值)的過(guò)程就是取樣，又稱采樣。1.取樣原理

取樣分為實(shí)時(shí)取樣和非實(shí)時(shí)取樣兩種。從信號(hào)波形一個(gè)周期中取得大量取樣點(diǎn)來(lái)表示一個(gè)信號(hào)波形（也就是取樣脈沖的周期遠(yuǎn)小于輸入信號(hào)的周期），并且取樣持續(xù)的時(shí)間等于輸入信號(hào)的一個(gè)周期或輸入信號(hào)實(shí)際經(jīng)歷的時(shí)間，這種取樣方式稱為實(shí)時(shí)取樣，如圖3.28（a）所示。

由于實(shí)時(shí)取樣信號(hào)的頻率比輸入信號(hào)的頻率還要高。所以實(shí)時(shí)取樣不能用于高頻信號(hào)的觀測(cè)而常用于非周期現(xiàn)象和單次過(guò)程的觀測(cè)。2.實(shí)時(shí)取樣

圖3.28實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)取樣示意圖(a)實(shí)時(shí)取樣；(b)非實(shí)時(shí)取樣3.非實(shí)時(shí)取樣

取樣點(diǎn)分別來(lái)自輸入信號(hào)若干周期的取樣方式稱為非實(shí)時(shí)取樣，即跨周期取樣，如圖3.28（b）所示。

步進(jìn)間隔Δt與信號(hào)最高頻率fh間應(yīng)滿足取樣定理：即：3.5.2取樣示波器的組成取樣門(mén)放大電路延長(zhǎng)門(mén)取樣門(mén)脈沖信號(hào)源延長(zhǎng)門(mén)脈沖信號(hào)源時(shí)基單元取樣脈沖△t步進(jìn)延遲脈沖mT+△tmT同步信號(hào)被測(cè)信號(hào)圖3.29取樣示波器組成方框圖取樣電路延長(zhǎng)電路Y通道X通道ui(t)

取樣示波器主要由主機(jī)、Y通道和X通道三大部分組成，如圖3.29所示。

采用階梯波作為掃描電壓，且與取樣信號(hào)同步。

延長(zhǎng)電路中有保持電容和直流放大器，可以把窄脈沖取樣信號(hào)展寬得到階梯取樣信號(hào)。t

00uxuyt0134526(a)01345260134526(b)(c)圖3.30顯示過(guò)程取樣信號(hào)階梯掃描信號(hào)被測(cè)高頻信號(hào)當(dāng)取樣密度足夠高時(shí)，則顯示的波形與被測(cè)波形非常接近。取樣示波器與通用示波器主要有如下區(qū)別：（1）通用示波器中，每觸發(fā)一次能產(chǎn)生一個(gè)完整掃描信號(hào)，而取樣示波器中，每觸發(fā)一次，只能獲得一個(gè)樣點(diǎn)。這是因?yàn)槿邮静ㄆ髦械膾呙栊盘?hào)是階梯波。（2）取樣示波器顯示的波形由許多點(diǎn)組成，它能反映被測(cè)信號(hào)形狀，但它是經(jīng)過(guò)變換得到的，波形經(jīng)歷的時(shí)間遠(yuǎn)大于被測(cè)信號(hào)的實(shí)際經(jīng)歷時(shí)間。故取樣示波器只能測(cè)量頻率較高的重復(fù)信號(hào)，而不能對(duì)單次脈沖，極低頻信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)?！菊n后延伸】波形測(cè)試技術(shù)的新發(fā)展1.示波器的發(fā)展歷程幾十年來(lái)，示波器由電子管發(fā)展到晶體管、集成電路的示波器，由模擬示波器發(fā)展到數(shù)字示波器。

模擬示波器最大的缺點(diǎn)——不適于觀測(cè)緩慢變化的信號(hào)。比如在1s內(nèi)變化幾次或數(shù)秒變化一次的信號(hào)用模擬示波器幾乎不能觀測(cè)到，而數(shù)字示波器可以輕松地解決上述問(wèn)題。2.數(shù)字示波器的特點(diǎn)

數(shù)字示波器就是在示波器中以數(shù)字編碼的形式來(lái)存儲(chǔ)信號(hào)，主要有以下特點(diǎn)：（1）可以顯示大量的預(yù)觸發(fā)信息。（2）可以通過(guò)使用光標(biāo)和不使用光標(biāo)的方法進(jìn)行全自動(dòng)測(cè)量。（3）能長(zhǎng)期存儲(chǔ)波形。（4）可以將波形傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行儲(chǔ)存或供進(jìn)一步分析之用。（5）可以將已存儲(chǔ)的波形與實(shí)時(shí)波形同時(shí)顯