示波器的基本工作原理

示波器的基本工作原理 随着科学技术的发展，出现了各类电子示波器和示波测量仪器，如数字示波器、存贮示波 器、取样示波器、扫频仪、晶体管图示仪等，但其基本组成都包括垂直通道、水平通道和 波形显示三部分，如实图 8-1 所示。 8-1 通用示波器的主要组成框图 （一）垂直通道 电子示波器中通常将被测信号加在垂直通道上，因此要求垂直通道不引起信号的失真。为 增加示波器的功能和使用灵活性，垂直通道通常包括输入衰减器、前置放大器、延迟线、 输出放大器及转换开关等部分。实图 8-2 为通用双踪示波器的垂直通道方框图。 1输入电路 示波器的输入电路具有较高的输入阻抗，能调节输入信号大小，具有 AC 和 DC 耦合方式。 输入电路通常包括探极和输入衰减器。 8-2 垂直通道方框图 探极安装在示波器机体外部，用电缆和机体相联，其作用是便于直接探测被测信号，提高 示波器的输入阻抗，减少波形失真，展宽示波器的使用频带等。最常用的探极为一无源 RC 电路。 8-3 RC 补偿探极 衰减电路，如实图 8-3 所示。图中 R2 和 C2（包括连接电缆的等效电路）为示波器的输入 阻抗，R2 通常为 1 ，R1 为探头内的串联电阻通常为 9，C1 为探头的分布电容和 MM 微调补偿电容，以上电阻、电容组成一个具有高频补偿的 RC 型分压器。当 时，分压器的分压比为 ，而且与频率无关，当 R1=9，R2=1 CRCR 2211 MM ，分压比则为 1：10，从探针看进去的输入电阻 R=R1+R2=10，而输入电容， MCC 1 。因此探头输入电容大大减小，输入阻抗提高十倍，探头具有 10 倍的衰减。 cc 21 在测试一个方波信号时调整探头补偿电容 C1 过大，使 ，示波器显示波 CRCR 2211 形将出现过补偿，当 C1 过小使 ，将出现补偿，只有正确调整微调电容 C1 CRCR 2211 使时，示波器才能得到良好的方波。如实图 8-4 所示。因此示波器和探CRCR 2211 头应配套使用，测试前用示波器的校正方波信号，先调整好探头补偿电容 C1。 示波器的输入衰减器也是由一系列 RC 分压器组成，改变分压器的分压比即可改变示波的 偏转灵敏度，即通过示波器 Y 轴灵敏度粗调开关调整，在面板上为偏转因数开关或灵敏度 开关，通常用 Vcm 或 Vdiv 标记。例如 GOS622B 型示波器的输入灵敏度范围为 5mvdiv5vdiv，按 1-2-5 进制共 10 个档级。VP5220A 型示波器灵敏度范围为 1mvdiv2v/div，按 1-2-5 进制共 11 个档级。 （a）正确补偿 （b）过补偿 （c）欠补偿 实图 8-4 不同补偿的波形 2延迟线 示波器在采用内同步方式工作时，只有当被观察的信号到来时触发扫描发生器才工作，因 此扫描起始时间总是滞后于被观测脉冲一段时间，使脉冲的上升过程无法完整地被显示出 来。延迟线的作用就是使被测量信号在通过垂直通道时延迟一段时间，使在示波屏上可以 扫出脉冲的全过程。延迟电路有集总参数型和分布参数型。 3Y 放大器 Y 放大器使示波器具有观测微弱信号的能力。通常 Y 放大器分为前置放大器和输出放大器 两部分。前置放大器应有较高的输入阻抗、稳定的增益和足够的频带宽度，可以通过改变 负反馈深度的方法调节放大器的增益，当示波器用于定量测量时，要固定放大器的增益， 一定要将灵敏度微调电位器旋转到“校正”位置。 Y 放大器的输出级通常采用差分放大器，使示波管的偏转板上获得对称和足够大的偏转信 号。同时通过调节放大器的直流电压来改变 Y 方向的位置，即调面板上垂直位移旋钮。 4频带宽度和上升时间 为了满足对信号观测的需要，首先要考虑示波器有足够的频带宽度，特别是对脉冲信号观 察时，要保证信号的高频成分基本不衰减。通常示波器的带宽应为被测信号中最高频率的 三倍左右。 信号所显示的上升时间也与通带宽度有关。若示波器的高端频率为 fk ，则输入阶跃信号时 显示的波形上升时间 tR 为： 35 . 0 14 . 3 2 2 . 2 f k tR 其中 fk 单位为 MHz，tR 的单位为 u s。 利用以上公式可估算带宽为 100MHz 的示波器，其系统的上升时间为 3.5ns。 若被观测信号的实际上升时间为 tr ，示波器显示出的信号上升时间为 tr ，则可按下式求 得被测信号实际上升时间 tr： tRtrtr 22 若 trtR，则示波器的影响可忽略不计。 （二）水平通道 示波器的水平通道主要由扫描发生器环、触发电路和 X 放大器组成。 1扫描发生器环 扫描发生器又称为时基电路，用来产生扫描信号，通常由积分器、扫描门及比较释抑电路 组成。如实图 8-5 所示。 实图 8-5 扫描发生器环的组成 扫描发生器环使输出锯齿波信号每一次都在同一起始电平开始，不论在触发扫描还是连续 扫描下都保证产生稳定的等幅扫描信号，并与被测信号同步。 2触发电路 触发电路的作用是提供一个适当的脉冲去启动扫描。其在面板上对应的功能键有： （1）触发源选择 触发源包括触发信号来自 Y 信道的“内触发” ，来自外部输入的“外触发”以及来自 50Hz 交流电源的“电源触发” ，也有的示波器还有来自电视信号的“电视触发”等。 （2）耦合方式选择 耦合方式通常有：DC、AC、HFREJ（高频抑制） 、LFREJ（低频抑制） 。如实图 8-6 所示。 实图 8-6 触发电路原理框图 （3）触发极性和触发电平 触发脉冲决定了扫描的起点。调节触发极性开关和触发电平电位器可以在不同的极性和电 平下产生触发。实图 8-7 显示了不同触发“极性”和“电平”时示波器显示的波形。由图 可见，波形起始点在基线以上时为正电平触发，在基线以下时为负电平触发。触发起始点 处于波形上升沿或正斜率时为“正极性”触发，处于波形下降沿或负斜率时为“负极性” 触发。 （a）正极性零电平触发 （b）正极性、正电平触发 （c）负极性、正电平触发 （d）负极性、负电平触发 实图 8-7 不同触发“极性”和“电平”时显示的波形 （4）触发方式 触发方式通常有：常态（或称触发）和自动两种。 常态触发方式是在有触发信号，并产生有效的触发脉冲时扫描发生器才工作，屏幕出现扫 描线。常态触发时通过触发极性和触发电平调节可以任意选择触发点。 自动触发方式是在无触发输入信号时扫描系统仍有扫描输出，屏幕上将显示扫描线。当系 统加入触发信号时又能进行触发扫描。当触发输入信号频率略高于自激扫描频率，触发信 号将使扫描与被测信号同步。 （三）双踪显示 双踪示波器的组成与普通示波器类似，只不过具有两个垂直通道和一个电子开关。通过电 子开关分别把两个不同信号轮流送入输出放大器，在荧光屏上显示两路波形，按同样原理 可以组成多踪示波器。双踪显示有以下两种工作方式。 1交替方式 在交替方式时，相邻的两次扫描分别由电子开关接通不同的 Y 信号通道，则在屏幕上轮流 显示出两个信号波形，如果扫描周期为被测信号周期的整数倍即可实现同步。当交替频率 低于 25Hz 时图形将出现闪烁。 2断续方式 当开关信号频率远大于被测信号频率时，双踪显示频率较高时，应选用交替方式；在被测 信号频率较低时则应选用断续方式。 （四）示波器的基本测量方式 利用示波器可以进行电压、频率（周期） 、相位差以及其他物理量测量。在进行测试之前， 首先要认真阅读各类示波器的使用说明书，根据示波器的基本原理，正确选择和调整好示 波器，按其使用方法对被测信号进行测量。我们以双踪示波器为例介绍基本测量方法。 1电压测量 通常被测信号含交流和直流分量，测量时经常需要测量两种分量的复合值或单独值。在测 量复合值时 Y 输入选择置于“DC”位置，而测量交流分量时 Y 输入选择置于“AC”位置。 通常我们采用直接测量法进行电压测量。测试时根据被测信号的幅度和频率，适当选择 “Vdiv” 、 “tdiv”开关档级，将被测信号直接或通过 10：1 探极输入示波器 Y 输入端， 调节触发“电平”使波形稳定。置 Y 轴微调于“校正”位置，则可通过屏幕测得被测电压 值。 其中：VPP被测电压峰峰值或任意两点间电压值， Dy偏转灵敏度，单位为 V/cm、mvcm 或 Vdiv、mvdiv； h被测电压波形峰峰高度或任意两点间高度，单位为 cm 或 div。 如果通过了 10：1 探极，则测量电压还要10。 2时间测量 示波器测量时间通常采用直接测量