示波器基本原理.doc

目 录第一章 示波器基本原理11、1 模拟示波器11、1、1示波管11、1、2模拟示波器方框图21、2 数字存储示波器（DSO）3第二章 示波器的使用52、1示波器的各个系统和控制52、2示波器的正确使用7第三章 模拟示波器的校准9第四章 数字存储示波器的使用和校准134、1 TDS220的结构134、2 TDS220的常规检查144、3 TDS220的校准过程16第一章 示波器基本原理示波器是一种图形显示设备，它能够直接观测和真实显示被测信号，是观察电路实验现象、分析实验中的问题、测量实验结果必不可少的重要仪器，它可分为模拟和数字类型。下面就分模拟和数字部分对示波器的基本原理进行简单介绍。1、1 模拟示波器模拟示波器是第一代示波器产品，拥有极佳的波形更新率（约每秒超过二十万次），它仅仅在扫描的回扫时间及闭锁（Hold off）时间内不显示信号，因此又称为模拟实时示波器（Analog Real Time Oscilloscope）。由于模拟示波器是数字示波器在的基础，我们先来看模拟示波器的工作原理。1、1、1示波管模拟示波器的心脏是阴极射线管（CRT），示波管由电子枪、偏转系统和荧光屏组成，它们被密封在真空的玻璃壳内，如图1-1所示。图1-1 阴极射线管图电子枪向屏幕发射电子，发射的电子经聚焦形成电子束，并打在荧光屏上，荧光屏的内表面涂有荧光物质，这样电子束打中的点就发出光来。电子在从电子枪到屏幕的途中要经过偏转系统，在偏转系统上施加电压就可以使光点在屏幕上移动。偏转系统由水平（X）偏转板和垂直（Y）偏转板组成。这种偏转方式称为静电偏转。将输入信号加到Y轴偏转板上，而示波器自己使电子束沿X轴方向扫描。这样就使得光点在屏幕上描绘出输入信号的波形。这样扫出的信号波形称为波形轨迹1、1、2模拟示波器方框图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，就能控制示波管显示的图形形状。因此，只要在示波管的X轴偏转板上加一个与时间变量成正比的电压，在y轴加上被测信号(经过比例放大或者缩小)，示波管屏幕上就会显示出被测信号随时间变化的图形。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。因此，往往给X轴加上锯齿波。示波器的基本组成框图如图1-2所示，它主要由示波管、Y轴系统、X轴系统三部分组成。此外还包括电源电路，它产生电路中需要的多种电源。示波器中还往往有一个精确稳定的方波信号发生器，供校验示波器用。图1-2 模拟示波器结构被测信号通过探头到达示波器的垂直系统，经衰减器适当衰减后送至垂直放大器，放大后产生足够大的信号，加到示波管的Y轴偏转板上，控制亮点在屏幕中的上下移动。为了在屏幕上显示出完整的稳定波形，将Y轴的被测信号引入X轴系统的触发系统，启动或触发水平扫描，产生锯齿波扫形的描电压。扫描电压经X轴放大器放大，加到示波管的X轴偏转板上，控制亮点在屏幕中的左右移动。以上就是模拟示波器的基本工作原理。1、2 数字存储示波器（DSO）与模拟示波器不同，数字示波器通过模数转换器（ADC）把被测电压转换为数字信息。与模拟示波器相比，DSO增加了数字环节，数字环节加强了触发能力，增加了自动测量功能，并且能够存储捕获的信号。在显示方面，采用液晶显示器，解决了带宽对CRT的限制，并在显示器的寿命方面有很大提高。因此，DSO从根本上解决了模拟示波器的缺陷，为工程师提供了新的、高效率的测量工具。其简化结构如图1-3所示。图1-3 数字存储示波器系统结构简图与模拟示波器一样，DSO 第一部分（输入）是垂直放大器。紧接着，示波器将按一定的时间间隔对信号电压进行采样。然后用一个模/数变换器（ADC）对这些瞬时值或采样值进行变换从而生成代表每一个采样电压的二进制字，这个过程称为数字化。水平系统的采样时钟决定ADC采样速率，表示为样值每秒（S/s）。来自ADC的采样值存储在存储器中，贮存的数据用来在示波器的屏幕上重建信号波形 。DSO信号通道中包括微处理器，微处理器处理信号，调整显示运行，管理前面板调节装置，等等。信号通过显存，最后显示到示波器屏幕中。第二章 示波器的使用本章讨论示波器的使用，主要包括示波器的控制及使用示波器应注意的问题。2、1示波器的各个系统和控制示波器包含四个不同的基本系统：垂直系统、水平系统、触发系统和显示系统。实际上，控制面板就分为垂直、水平、触发控制和其它功能控制四部分。理解每一个系统的含义，有助于您更有效地应用示波器，完成特定的测量任务。本小节将简要描述模拟和数字示波器的基本的系统和调节控制。1、垂直系统和控制波形垂直的位置和标度由垂直控制部分调控。垂直控制还能设置耦合方式和其他的信号条件，通用垂直控制包括：l 端接设备用于选择输入阻抗：1M 欧或50 欧（如图2-1所示）l 耦合方式用于选择输入耦合方式（如图2-1所示）： DC 直流AC 交流GND 地线图2-1输入耦合电路l 带宽限制设置示波器的通道带宽：20 MHz或全带宽l 位置控制波形的上下移动l 通道开/关l 垂直灵敏度1-2-5可变2、水平系统和控制示波器的水平系统与输入信号有更多的直接联系，水平控制用来表示波形水平方向的位置和标度。通用的水平控制包括：l 主时基l 延迟时基l XY 模式l 水平灵敏度标度1-2-5可变l 采样速率l 触发位置l 缩放3、触发系统和控制通用触发控制包括：l 触发电平和斜率斜率控制决定触发点是位于信号的上升沿还是下降沿电平控制决定触发点在边缘的何处发生。l 触发源可以触发扫描的触发源如下：任何输入通道、不同于输入通道的外部源、电源信号l 触发模式触发模式决定示波器是否按照信号的条件描绘波形，通用触发模式包括正常和自动。l 触发耦合就象在垂直系统中选择AC或DC那样，可以为触发信号选择各种耦合方式。除AC和DC耦合之外，还有高频抑制、低频抑制和噪声抑制等触发耦合方式。这些特殊的设置对消除触发噪声很有用处，噪声的消除可以避免错误的触发。l 触发释抑有时，为了使示波器能在信号的正确部分触发并不容易。许多示波器采用专门特性，简化了任务。触发器释抑时间是发生正确触发后的一段时间，在这段时间内，示波器不能触发。当触发源是复杂波形的时候，该特性能发挥作用4、显示系统和控制模拟示波器和数字示波器的显示系统很不相同。通用的控制如下：l 亮度控制l 聚焦控制l 许多DSO 和DPO 有调色板，可以选择轨迹颜色以及不同亮度级的颜色。l 显示部分的其他控制包括调整栅格灯的亮度、任何屏幕信息的开关2、2示波器的正确使用下面介绍一些使用示波器应注意的事项。1、根据被测波形选择合适的示波器首先要考虑示波器的频带宽度，带宽一般定义为正弦输入信号幅度衰减到-3dB时的频率，即70.7%，带宽决定示波器对信号的基本测量能力。随着信号频率的增加，示波器对信号的准确显示能力将下降，如果没有足够的带宽，示波器将无法分辨高频变化。幅度将出现失真，边缘将会消失，细节数据将被丢失。如果没有足够的带宽，得到的关于信号的所有特性，响铃和振鸣等都毫无意义。一个决定您所需要的示波器带宽有效的经验法则是“5倍准则”；即将您要测量的信号最高频率分量乘以5。这将会使您在测量中获得高于2%的精度。在某些应用场合，您不知道你的感兴趣的信号带宽，但是您知道它的最快上升时间，大多数字示波器的频率响应用下面的公式来计算带宽和仪器的上升时间：Bw=0.35/信号的最快上升时间。2、正确合理地使用探头探头实际上也是电路的一部分，引入阻性、容性和感性负载，这些负载不可避免地改变测量参数。一般，探头和示波器都应配套使用，不能互换。低电容探头应定期校正，以得到最佳补偿。3、使用数字存储示波器时，如果环境温度变化范围超过5度，必须重新执行自校准程序。4、注意用光点聚焦而不要用扫描线聚焦，因为后者不能保证电子束在X、Y方向都能很好地聚拢。屏幕上光点不要长期停留在一点，辉度也不要过亮。第三章 模拟示波器的校准模拟示波器使用一段时间后，您就会发现示波器慢慢的变得不准，如幅度、时基等出现误差。示波器需要定期校准，校准主要包括垂直灵敏度（幅度）校正，过冲校正，水平灵敏度（时基）校正，平坦度校正和校准信号的校正。（垂直灵敏度（幅度），过冲和平坦度的校正电阻在通道板上；水平灵敏度（时基）校正在时基板上；校准信号则在另外的一块小板上。）本章就以CS4125为例说明示波器的校准，并简单阐明校准的原理。一、 垂直灵敏度（幅度）校正垂直偏转系统对输入信号进行比例变换，使之能在屏幕上表现出来。示波器可以显示峰峰值电压为几毫伏到几十伏的信号。因此必须把不同幅度的信号进行变换以适应屏幕的显示范围，这样就可以按照标尺刻度对波形进行测量。为此就要求对大信号进行衰减、对小信号进行放大。示波器的灵敏度或衰减器控制就是为此而设置的。灵敏度是以每格的伏特数来衡量的,在多数的示波器上，灵敏度控制都是按125的序列步进变化的,为10mV/格、20mV/格、50mV/、100mV/格等等。若灵敏度设置为1V/格，输入峰-峰值为6V的方波应显示为6格。如超过6格或不足6格，就要对示波器放大器的增益进行调节了。调整放大器的反馈电阻就可以改变通道的增益，通道的增益调节电阻就在通道板上，一般为标示为CH1(CH2)GAIN（VR103,VR105），如图3-1所示。图3-1 通道增益调节CHX GAIN ADJ二、 过冲校正当输入信号过大时，就要加上衰减器对信号进行衰减。衰减器由阻容分压网络组成，如图3-2所示。当R1C1R2C2时，Vo/ViZ2/（Z1+Z2）=R2/(R1+R2),分压比与频率无关，称为最佳补偿。若C1过大，就会出现过冲，称为过补偿；若C1过小，则补偿不足，高频信号衰减过大，这时带宽就上不去了，如图3-3所示。因此必须调节补偿电容C1以得到最佳补偿， C1一般都在通道板上靠近输入接头的地方（TC102,TC104）。ViVo图3-2 输入衰减器C2R1C1R2（b）过补偿图3-3 不同补偿时的波形（a）补偿合适（c）欠补偿三、 平坦度校准信号经接头输入后，高频部分和低频部分分两路走，如图3-4所示，若高低频增益不一致，波形就不平坦了（图3-5）。这时，可对通道板上的可调电阻AC GAIN进行调整，它是一个反馈电阻，通过改变它就可改变直流增益，从而使波形平坦（VR104）。直流交流AC GAIN ADJ图3-4 平坦度的调节图3-5 波形不平坦其中左图交流增益偏高，右图直流增益偏高四、 水平灵敏度（时基）校正示波器的X轴代表时间，其水平偏转必须和时间成正比。如果在X偏转板上加一个随时间而线性变化的电压，即加一个锯齿波电压，那么光点在X方向的变化就反映了时间的变化。光点在锯齿波作用下扫动的过程称为扫描，能实现扫描的锯齿波电压叫扫描电压。通常用扫描发生器环来产生锯齿波形的扫描信号，扫描发生器环又叫时基电路，常由积分器、扫描门及比较和释抑电路组成，如图3-6所示。扫描门积分器比较和释抑电路-E图3-6 扫描发生器环的组成扫描门又叫时基闸门，是用来产生门控信号的，它控制着积分器的工作。如图3-7所示。EVoViRTC图3-7 积分器当扫描门给积分器加高电平时，晶体管T截止，电源E给电容C充电，输出电压vo可写成可见，vo与时间t成线性关系，改变时间常数RC或微调电源E都可改变vo的变化速率。当扫描门给积分器加低电平时，晶体管T导通，电容C迅速放电，vo迅速上升，这样就形成了一个锯齿波扫描电压。由上式可见，调整E、R、C都将改变单位时间锯齿波电压值，进而改变水平偏转距离和扫描速度。若给示波器输入周期为0.1ms的尖脉冲，把时基设置为0.1ms/Div，如果时基准确，峰尖应和刻度线重合，如图3-8所示。若不重合，就存在误差，可微调R使其重合。一般模拟示波器都按不同档位设置几个可调电阻，CS4125就有0.1ms调节电阻（VR302）和1ms调节电阻(VR301)，调整VR302可使1ms/Div以下档位准确，而调整VR301可使1ms/Div以上档位准确，且不影响1ms/Div以下档位。第一个尖峰第十一个尖峰图3-8 无误差的时基五、 校准信号的校正示波器常附有校准信号发生器，产生幅度和周期非常稳定的校准信号，其幅度是可调的。第四章 数字存储示波器的使用和校准模拟示波器是通过拆机，调整可变电阻、电容来校准。和模拟示波器不同，数字示波器示波器的校准更多是通过软件进行的，不同类型的数字示波器的校准方法还不一样。本章以TDS220为例对数字示波器的校准作一说明。4、1 TDS220的结构为了更好地理解TDS220的校准，我们先来了解一下TDS220的模块结构。TDS220包括主板、供电系统、显示模块、前面板、扩展模块等部分。1、 主板主板包括一个两通道采集系统，触发系统，采集/显示控制器和处理器系统。其中采集和显示功能是在两个ASIC中执行的。l 采集系统：从CH1、CH2输入的信号通过衰减器到达采集ASIC，采集ASIC含有每个通道的放大器和采样器，A/D转换器和触发逻辑，然后数字化的波形样点被传到显示ASIC。l 显示系统：显示系统由显示ASIC，DRAM存储器和系统振荡器组成。数字化的采样点经显示ASIC处理后存储在DRAM中。显示ASIC产生LCD的驱动信号，键盘扫描也是由显示ASIC执行的。l 处理器系统：处理器系统由微处理器和内存组成。处理器系统解释键盘命令，控制采集和显示，还管理扩展模块的接口。处理器系统和显示系统共享DRAM。l 输入接口：CH1、CH2的BNC接在主板上l 校正信号：2、 供电系统为主板提供低压DC，为LCD的背光提供高压AC3、 显示模块由LCD、显示驱动器和背光板组成4、 前面板即示波器前面的控制键盘5、 扩展模块可给TDS220加上扩展模块来增加功能4、2 TDS220的常规检查在使用TDS220前，应进行简单的检查，检查虽然简单，但很有用。一、功能检查执行下面的快速功能检查来确认仪器是否正常运行。1、按下电源开关，查看是否所有自检是否顺利通过（图4-1）。图4-1 开机自检2、如图4-2所示，通过探头把校准信号接到CH1上。图4-2 正常运作检查按下“自动设置”按钮，如看到屏幕上显示一个幅度约为5V，频率1KHz的方波，则通道1功能正常。连按CH1按钮两次，把通道1关掉，接着按CH2按钮，把通道2打开，重复2、3步，检查通道2是否正常。二、探头补偿使用示波器前，要调整探头的补偿。如图4-2接好探头，并把衰减设为10X。通过查看显示波形的形状来判断补偿是否合适，如图4-3所示，上图过补偿，中图欠补偿，下图为最佳补偿，调节探头，以实现最佳补偿。图4-3 探头补偿调节三、自校正自校正可快速地优化示波器，一般地，经过自校正，示波器往往很准确。你可以在任何时候运行自校正，但环境温度变化超过5，应该运行自校正。要运行自校正程序，应先把通道接头上的所有连线断开，然后按UTILITY键，再按“自校正”确认即可。4、3 TDS220的校准过程本节讲述TDS220的校准步骤，通过本节，你可发现数字示波器和模拟示波器的校准是差别很大的。请注意：TDS220的性