示波器的使用和功能
發(fā)布時(shí)間：2019-08-02 15:37:56來源：
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(dòng)的指針或者數(shù)字顯示來給出信號(hào)電壓的測量讀數(shù)。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(hào)電壓隨時(shí)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(hào)的數(shù)值，這通常是有效值即RMS值。但是電壓表不能給出有關(guān)信號(hào)形狀的信息。有的電壓表也能測量信號(hào)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(hào)隨時(shí)間變化的歷史情況。
2、電壓表通常只能對(duì)一個(gè)信號(hào)進(jìn)行測量，而示波器則能同時(shí)顯示兩個(gè)或多個(gè)信號(hào)。
顯示系統(tǒng)：示波器的顯示器件是陰極射線管，縮寫為CRT。電子在從電子槍到屏幕的途中要經(jīng)過偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。在偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)上施加電壓就可以使光點(diǎn)在屏幕上移動(dòng)。偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)由水平（X）偏轉(zhuǎn)板和垂直（Y）偏轉(zhuǎn)板組成。這種偏轉(zhuǎn)方式稱為靜電偏轉(zhuǎn)。
在屏幕的內(nèi)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(wǎng)絡(luò)，稱為標(biāo)尺。標(biāo)尺通常在垂直方向有8個(gè)，水平方向有10個(gè)，每個(gè)格為1cm。有的標(biāo)尺線又進(jìn)一步分成小格，并且還有標(biāo)明0％和100％的特別線。這些特別的線和標(biāo)明10％和90％的標(biāo)尺配合使用以進(jìn)行上升時(shí)間的測量。
影響屏幕的控制機(jī)構(gòu)有：
輝度：輝度控制用來調(diào)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(jù)不同的掃描速度自動(dòng)調(diào)切輝度。當(dāng)電子束移動(dòng)得比較快時(shí)，熒光物質(zhì)受到激勵(lì)的時(shí)間就變短，因此必須增加輝度才能看清軌跡。相反，當(dāng)電子束移動(dòng)緩慢時(shí)，屏幕上的光點(diǎn)變得很亮，因此必須減小輝度以免熒光物質(zhì)被燒壞。從而延長示波管的壽命。對(duì)于屏幕上的文字部分，另有單獨(dú)的輝度控制機(jī)構(gòu)。
聚焦：聚焦控制機(jī)構(gòu)用來控制屏幕上光點(diǎn)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(jìn)行比較佳控制的，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(dòng)調(diào)節(jié)的聚集控制。
掃描旋轉(zhuǎn)：這個(gè)控制機(jī)構(gòu)使X軸掃描線和水平標(biāo)尺線對(duì)齊。由于地球的磁場在各個(gè)地方是不同的，這將會(huì)影響示波管顯示的掃描線。掃跡旋轉(zhuǎn)功能就用來對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償。掃描旋轉(zhuǎn)功能是預(yù)先調(diào)好的，通常只需在示波器搬動(dòng)后再行調(diào)節(jié)。
標(biāo)尺照明：標(biāo)尺亮度可以單獨(dú)控制。這對(duì)于屏幕攝影或在弱光線條件下工作時(shí)非常有用。
調(diào)制：掃描的輝度可以用電氣的方法通過一個(gè)外加的信號(hào)來改變。這對(duì)于由外部信號(hào)來產(chǎn)生水平偏轉(zhuǎn)以及使用X－Y顯示方式來尋找頻率關(guān)系的應(yīng)用中是十分有用的。此信號(hào)輸入端通常是示波器后面板上的一個(gè)BNC插座。
CRT是所有示波器的基礎(chǔ)。現(xiàn)在我們已經(jīng)對(duì)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(jīng)看到，示波器有兩個(gè)垂直偏轉(zhuǎn)板，兩個(gè)水平偏轉(zhuǎn)板和一個(gè)電子槍。從電子槍發(fā)射出的電子束的強(qiáng)度可以用電氣的辦法來加以控制。在上述基礎(chǔ)上，再增添下面敘述的電路就可以構(gòu)成一個(gè)完整的示波器。示波器的水平偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括：時(shí)基、觸發(fā)電路和水平偏轉(zhuǎn)放大器。
輝度控制電路用電子學(xué)的方法在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)刻點(diǎn)亮和熄滅掃跡。為使所有這些電路工作，示波器需要有一個(gè)電源。此電源從交流市電或者從機(jī)內(nèi)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(zhuǎn)系統(tǒng)的特性來決定的，所以我們首先來詳細(xì)地考察這一部分。
垂直偏轉(zhuǎn)
靈敏度：垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)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(hào)。因此必須把不同幅度的信號(hào)進(jìn)行變換以適應(yīng)屏幕的顯示范圍，這樣就可以按照標(biāo)尺刻度對(duì)波形進(jìn)行測量。為此就要求對(duì)大信號(hào)進(jìn)行衰減、對(duì)小信號(hào)進(jìn)行放大。示波器的靈敏度或衰減器控制就是為此而設(shè)置的。靈敏度是以每格的伏特?cái)?shù)來衡量的看一下圖3可以知道其靈敏度設(shè)置為1V/格。因此，峰峰值為6V的信號(hào)使得掃跡在垂直方向的6個(gè)格內(nèi)偏轉(zhuǎn)變化。知道了示波器的靈敏度設(shè)置值和電子束在垂直方向掃描的格數(shù)，我們就可以測量出信號(hào)的峰峰電壓值。
在多數(shù)的示波器上，靈敏度控制都是按1－2－5的序列步進(jìn)變化的。即靈敏度。設(shè)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(jìn)行控制的，而在有些示波器則是用轉(zhuǎn)動(dòng)垂直靈敏度旋鈕來進(jìn)行。如果使用這些靈敏度步進(jìn)不能調(diào)節(jié)信號(hào)使之能夠準(zhǔn)確的按照要求在屏幕上顯示，那么就可以使用可變（VAR）控制。
耦合：耦合控制機(jī)構(gòu)決定輸入信號(hào)從示波器前面板上的BNC輸入端通到該通道垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)其它部分的方式。耦合控制可以有兩種設(shè)置方式，即DC耦合和AC耦合。
DC耦合方式為信號(hào)提供直接的連接通路。因此信號(hào)提供直接的連接通路。因此信號(hào)的所有分量（AC和：DC）都會(huì)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(gè)電容。這樣，信號(hào)的DC分量就被阻斷，而信號(hào)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(hào)幅度僅為其直實(shí)幅度為71％時(shí)的信號(hào)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(shù)值。示波器的低頻截止頻率典型值為10Hz。和耦合控制機(jī)構(gòu)有關(guān)的另一個(gè)功能是輸入接地功能。這時(shí)，輸入信號(hào)和衰減器斷開并將衰減器輸入端連至示波器的地電平。當(dāng)選擇接地時(shí)，在屏幕上將會(huì)看到一條位于0V電平的直線。這時(shí)可以使用位置控制機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)這個(gè)參考電平或掃描基線的位置。
輸入阻抗：多數(shù)示波器的輸入阻抗為1MΩ和大約25pF相關(guān)聯(lián)。這足以滿足多數(shù)應(yīng)用場合的要求，因?yàn)樗鼘?duì)多數(shù)電路的負(fù)載效應(yīng)極小。有些信號(hào)來自50Ω輸出阻搞的源。為了準(zhǔn)確的測量這些信號(hào)并避免發(fā)生失真，必須對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行正確的傳送和端接。這時(shí)應(yīng)當(dāng)使用50Ω特性阻抗的電纜并用50Ω的負(fù)載進(jìn)行端接。某些示波器，如PM3094和PM3394A，內(nèi)部裝有一個(gè)50Ω的負(fù)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(shí)需經(jīng)再次確認(rèn)。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(jī)構(gòu)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(shí)就將輸入信號(hào)斷開，這樣就可以找到地電平的位置。在更先進(jìn)的示波器上設(shè)有單獨(dú)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(dòng)態(tài)范圍，動(dòng)態(tài)范圍就是示波器能夠不失真地顯示信號(hào)的比較大幅值，在此信號(hào)幅值下只要調(diào)節(jié)示波器的垂直位置仍能觀察到波形的全部。
相加和反向：簡單的把兩個(gè)信號(hào)相加起來似乎沒有什么實(shí)際意義。然百，把兩個(gè)有關(guān)信號(hào)之一反向，再將二者相加，實(shí)際上就實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)信號(hào)的相減。這對(duì)于消除共模干擾（即交流聲），或者進(jìn)行差分測量都是非常有用的。從一個(gè)系統(tǒng)的輸出信號(hào)中減去輸入信號(hào)，再進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋壤儞Q，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(gè)輸入信號(hào)相加就能實(shí)現(xiàn)我們所期望的信號(hào)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(yīng)用中，常常要進(jìn)行信號(hào)的比較，例如，研究輸入/輸出信號(hào)間的關(guān)系，或者一個(gè)系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的延遲等。這就要求示波器實(shí)際上能同時(shí)顯示不只一個(gè)信號(hào)。為了達(dá)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(jìn)行開關(guān)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(jié)果是在一次掃描的時(shí)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(shí)基速率下顯示低頻率信號(hào)，因?yàn)檫@時(shí)斬波器開關(guān)能快速進(jìn)行切換。交替模式適合于需要使用較快時(shí)基設(shè)置的高頻率信號(hào)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(dòng)地ALT或CHOP模式以給出比較好的顯示效果。用戶也可以手動(dòng)選擇ALT或CHOP模式以適合特殊信號(hào)的需求。
帶寬：示波器比較生根的技術(shù)指標(biāo)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(yīng)。示波器的帶寬定義為示波器在屏幕上能以不低于真實(shí)信號(hào)3dB的幅度來顯示信號(hào)的比較高頻率。
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(duì)于進(jìn)行高靈敏度的測量是非常有用的。
上升時(shí)間：上升時(shí)間直接和帶寬有關(guān)。上升時(shí)間通常規(guī)定為信號(hào)從其穩(wěn)態(tài)比較大值的10％到90％所用的時(shí)間。上升時(shí)間是一個(gè)示波器從理論上來說能夠顯示的比較快的瞬變的時(shí)間。示波器的高頻響應(yīng)曲線是經(jīng)過認(rèn)真安排的。這就保證了具有高諧波含量的信號(hào)，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(hào)的快速上升沿上就會(huì)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(yīng)就受到影響，使得方波失去“方形”特性。
在示波器的標(biāo)尺上刻有標(biāo)明0％和100％的專門的線，用來進(jìn)行上升時(shí)間的測量。測量時(shí)我們先用VAR靈敏度控制機(jī)構(gòu)將被測認(rèn)號(hào)的頂部和底部分別和標(biāo)有0％和100％的線對(duì)齊。
然后找出信號(hào)和標(biāo)尺上標(biāo)有10％和90％的兩條線的交點(diǎn)。這樣，上升時(shí)間就可以從這兩個(gè)交點(diǎn)沿X軸方向的時(shí)間間隔讀出來。
要想測量一臺(tái)示波器的上升時(shí)間，我們使用與上述相同的方法，只是要求測試信號(hào)的上升時(shí)間應(yīng)當(dāng)比該示波器的上升時(shí)間短得多。為獲得2％的測量誤差，測試信號(hào)的上升時(shí)間至少應(yīng)小于示波器上升時(shí)間的五分之一。示波器上顯示的上升時(shí)間應(yīng)當(dāng)是示波器上升時(shí)間和信號(hào)上升時(shí)間和組合函數(shù)。