《电子测量技术与仪器》-第4章电子示波器

第4章电子示波器

4.8双时基示波器

4.9数字存储示波器上一页4.1概述

示波器是实验室里最为常用的电子测量仪器之一。它是通过将被测信号的时间波形显示出来的同时，实现对被测信号的时间参数和电平参数的测量，因此具有直观性。直观性是示波器测量的最为显著的特点，这使得被测信号的整个时域特性成为“可见的”。因此，示波器广泛用于科研分析和产品的设计分析实验。也正由于它的直观性，因此它几乎可以用于测量任意波形的周期性信号。虽然在对电信号的时域测量上示波器具有如此巨大的优越性，几乎成为“万用仪器”。但是，在实际的使用中，仍然有一定的局限性，它们表现在以下几点。(1)间接得到测量结果。(2)测量精度有限。(3)测量范围有限。返回4.2波形显示原理4.2.1示波管及波形显示原理示波器是一种阴极射线管，俗称CRT(CathodeRayTube)。它是一种内部真空的体积较大的玻璃管。如图4一1所示。在示波管的颈部安装有由一些金属圆筒所构成的电子枪。电子枪的作用有两个:一个是产生能够挣脱金属表面的空间电子;另一个是对这些空间电子进行聚焦和加速，使电子以较高的速度轰击屏幕上的荧光粉使之发光，并且使电子束聚焦的焦点恰恰落在显示屏的屏幕上(电子束并不是如图4一1所示的始终汇集成一条直线)。聚焦成束的电子高速轰击显示屏上的荧光粉，从而在显示屏的中间呈现出一个亮点。由于示波管内部的原理与示波器的外部操作使用关系不大，故此处不再赘述。下一页返回4.2波形显示原理

如果不给电子束以作用力，则只能在显示屏的中间显示出一个亮点。要想在示波管的显示屏上显示出被测信号，还必须使电子束在水平方向和垂直方向上进行偏转移动。为此，在示波管的锥体部分，设置有两对互相垂直的偏转板，在偏转板上施加一定的电压，从而形成偏转电场。当电子束穿过偏转板时，就会受到偏转板之间的电场力而发生偏转，从而使得显示屏上所显示的亮点不处于其几何中心。但是，如果水平偏转板上施加的是一个动态的电压，如斜升电压，电子束在穿过偏转板时就会受到一个不断增强的电场力，这样就会造成电子束在水平方向的移动，即显示屏上的光点在水平方向的移动。把电子束在偏转板电压作用下在水平方向按某种规律不断重复的移动称为扫描，而电子束在水平方向的扫描在显示屏上所形成的亮点踪迹(Trace)则称为扫描线。上一页下一页返回4.2波形显示原理4.2.2波形稳定原理前面所讨论的示波器显示波形的原理中，只是在水平扫描锯齿波一个周期内的正程期所显示的波形。实际上，作用到示波管水平偏转板的扫描锯齿波是周期性的。那么，在扫描锯齿波的其他周期，所显示的波形又是怎样的呢?这可从图4一4中看到。在图4一4中，扫描锯齿波①每一个周期中的正程期，对应着示波管中的电子束从左到右的一次扫描，而这段时间所对应的被测信号的波形就是显示在显示屏上的波形。而扫描锯齿波的逆程期所对应的被测信号的波形是不可能被显示出来的。在图4一4中用虚线表示。上一页下一页返回4.2波形显示原理

要想使得示波器上所显示的波形是稳定的、静止不动的，那就必须使每次扫描显示屏上所显示的波形形状是完全相同的，即每次扫描所显示的波形是完全重合的。如果被测信号是周期性信号，这一点是可以实现的。这种情形如图4一5所示。从这个要求出发，可以得到示波器要稳定所显示波形所必须满足的条件。在图4一5中，只画出了扫描锯齿波的正程期的波形，因为只有正程期才对显示波形有贡献。逆程期的波形暂时放着，后面将会解释到。由于每一个扫描锯齿波正程期所对应的被测信号的波形完全相同，示波器中每一次扫描所显示的波形完全重合，看起来好像显示屏上的波形是静止不动的。即此时所显示的波形将是稳定的。每一个相邻的扫描锯齿波的正程期在时间上正好相差一个扫描锯齿波周期。上一页下一页返回4.2波形显示原理

为了满足上述的稳定波形的条件，示波器中必须用被测信号去控制扫描锯齿波的形成。但是，这在技术上有一个困难，即被测信号是任意波形的周期性信号。为此，示波器中采用这样一种方式:首先，根据被测信号形成触发脉冲，无论被测信号是什么样的波形，所形成的触发脉冲总是矩形波。其次，触发脉冲与被测信号等周期。最后，用触发脉冲去控制扫描锯齿波，使得扫描锯齿波的周期与触发脉冲的周期成整数倍的关系。上一页返回4.3触发原理4.3.1触发脉冲的形成触发脉冲形成电路用于根据被测信号形成触发脉冲。而所形成的触发脉冲总是矩形波，且与被测信号等周期。其具体电路形式是电压比较器，如图4一6所示。

图4一6中电压比较器有两个输入端子，一个端子是输入信号端子，另一个端子是触发电平端子。电压比较器的功能是:当输入的被测信号的瞬时电平高于触发电平时，电压比较器将输出高电平;反之则输出低电平。故所输出的触发脉冲总是矩形波。但是，如果被测信号的最高电平低于触发电平，则电压比较器的输出将恒为低电平;反之，如果被测信号的最低电平高于触发电平，则电压比较器的输出将恒为高电平。这两种情况下都不可能输出矩形脉冲形式的触发脉冲，示波器就不可能稳定所显示的波形。为了适应各种不同幅度和电平的被测信号，示波器中将触发电平做成可调的，即图4一6中的电位器。下一页返回4.3触发原理

在图4一7中，凡是被测信号波形的电平高于触发电平的时间段，电压比较器输出的触发脉冲均为高电平，反之，则为低电平。可以推想，即使被测信号波形不是正弦波，而是任意波形的周期性信号，触发脉冲的波形也必为矩形波。同时可以肯定，触发脉冲与被测信号必定等周期。只要触发电平被调节到在被测信号的最高电平与最低电平之间，总可以形成触发脉冲。显然，触发电平调节得不同，触发脉冲的脉冲宽度会有所示同，但仍具有上述特点。上一页下一页返回4.3触发原理4.3.2扫描锯齿波的形成扫描锯齿波需要受触发脉冲的控制，所形成的扫描锯齿波，其周期要求等于触发脉冲周期(亦即被测信号周期)的整数倍。所以，扫描锯齿波的形成必须遵循一些原则，这些原则如下。

(1)扫描锯齿波正程期的起始点取决于触发脉冲的上升沿(原则上，下降沿也可以)。

(2)逆程期结束后，扫描锯齿波电平处于下限电平，并在这个电平上持续一段时间。上一页下一页返回4.3触发原理4.3.3扫描锯齿波与所显示的波形扫描锯齿波正程期的斜率是可调的，调节旋钮就是示波器面板上的时基调节旋钮(DimeBase)。在4.2节中曾指出，扫描锯齿波正程期的斜率越大，所显示的波形在水平方向就展宽得越宽，见图4一9。在图4一9中，扫描锯齿波(a)和(b)的周期均为被测信号周期的整数倍，但锯齿波(a)的斜率较大，(b)的斜率较小。无论扫描锯齿波正程期的斜率如何，都对应着电子束从左到右的扫描。只不过，斜率大，则扫描速度快，时间短;反之则扫描速度慢，时间长。而扫描锯齿波正程期所对应的那一段被测信号的波形，将是显示屏上所显示出来的被测信号的波形。所以，扫描锯齿波(a)和(b)所对应的显示屏上的波形，分别是图4一9中的显示(a)和显示(b)。从中我们可以理解，调节扫描锯齿波正程期的斜率可调节所显示波形在水平方向的展宽程度。上一页返回4.4双踪显示原理4.4.1交替方式的双踪显示交替方式(Alternate,缩写为ALT)的双踪显示原理是:当电子束第一次扫描时，将CH1通道的被测信号作用到垂直偏转板。而第二次扫描时将CH2通道的被测信号作用到垂直偏转板，如此交替反复，使得CH1和CH2两个通道的被测信号同时显示到显示屏上。交替方式的技术上的原理是:Y轴的两个通道的被测信号在作用到示波管的垂直偏转板之前要经过各自的电子开关，电子开关的通断状态则受到控制脉冲的控制。示波器中可以从扫描锯齿波形成电路中取得与扫描锯齿波同步的矩形脉冲，用这个矩形脉冲去控制一个通道的电子开关。再用这个矩形脉冲的反相波形去控制另一个通道的电子开关，使得两个电子开关交替通断，其方框图将在后面给出。下一页返回4.4双踪显示原理4.4.2断续方式的双踪显示由于交替方式的双踪显示在被测信号的频率较低时容易出现亮度的闪烁感，所以示波器中还设置了一种断续方式(CHOP)的双踪显示方式。断续方式也是采用使两个垂直通道的电子开关轮流通断的方法，但是这种轮流通断不与水平扫描锯齿波同步。它是在示波器中设置一个频率大约为几百千赫兹的方波振荡器，用这个高频方波振荡器输出的两路互为反相的方波去控制两个垂直通道的电子开关。这样，当两路被测信号频率较低时(即周期较长)，示波管上在某一时刻显示CH1通道的被测信号波形的一小段，下一时刻则显示出CH2通道的被测信号的一小段……如此周而复始。这样，无论是CH1通道还是CH2通道的被测信号，在显示屏上看起来都是一段一段组成的，如图4一10所示。上一页返回4.5示波器结构原理4.5.1垂直通道在双踪示波器中，有两个几乎完全相同的垂直通道。这里，仅给出一个通道的方框图，如图4一11所示。1.输入端子在示波器的面板上，输入端子是一个标准的YNL插座。见图4一12中的1一1和1一22.藕合网络藕合网络提供了3种信号耦合方式，即交流耦合AC(AlternatingCoupling)、直接耦合DC(DirectCoupling)和接地GND(Ground)。在示波器面板上，通过输入耦合开关切换。见图4一12中的2-1和2-2下一页返回4.5示波器结构原理3.跟随器跟随器的作用在于提供信号输入端子的高阻抗。因为示波器本质上还是一个电压测量仪器，输入阻抗不能太低，否则对被测电路将会造成较大影响。一般是由场效应管和双极型管结合起来构成的电压跟随器。

4.衰减器当输入信号幅度很大或电平很高时，将会使显示屏相应的波形高度超出显示范围。当然，也会使得耦合到后级放大器的信号幅度过大而超过放大器的动态范围，从而导致失真，故需要设置衰减器，且衰减量做成可调的。不同的衰减量将使得作用到示波管垂直偏转板的信号幅度不同，故这个旋钮(其实是一个波段开关)称为Y轴偏转因数旋钮，也称为Y轴灵敏度旋钮。上一页下一页返回4.5示波器结构原理5.前置放大器和后置放大器

Y轴放大器用于当被测信号幅度很小时对其进行放大。由于示波器中要求能够测量直流，故Y轴放大器首先必须是直流放大器，其前置和后置放大器采用差分放大器的电路形式，输出为平衡输出方式。又由于示波器一般具有几十兆赫兹的频率测量范围，故Y轴放大器也必须是宽带放大器，一般采用共基电路或共射一共基级联的电路形式。Y轴前置放大器中，设置有一个Y轴增益调节电位器，并且与该电位器同轴套装的还有一个×5的增益扩展开关，它们都可调节前置放大器的增益。用于对所显示波形高度的连续调节及固定增益的调节。在示波器面板上，Y轴增益旋钮和Y轴偏转因数旋钮往往是同轴套装的，以节省面板空间，见图4一12中的4-1和4-2上一页下一页返回4.5示波器结构原理4.5.2垂直模式垂直模式(VERTMODE)是指垂直方向的显示方式，其方框图如图4一13所示。垂直模式开关(VERTMODE)是5个带自锁的开关组成的琴键开关，即某一个开关按下去，其余的开关将弹起来(不同的示波器也有采用不同形式的开关的)。在Y通道中，Y轴后置放大器实际上是共用的。而CH1和CH2通道的被测信号哪一路信号耦合到后置放大器则取决于其相应的电子开关的通断状态，电子开关的通断状态由控制信号决定。例如控制信号为高电平时，电子开关接通;为低电平时则断开。垂直模式开关一般有5个挡位:CH1,CH2,ALT,CHOP,ADD，见图4一14中的7上一页下一页返回4.5示波器结构原理4.5.3水平通道1.扫描模式开关SweepMode

触发脉冲作用到扫描锯齿波形成电路之前需要经过一个扫描模式开关，见图4一16中的8，它也是一个带自锁的琴键开关。有3个挡位:自动扫描Auto、常态扫描Norm(Normal)、单次扫描Single上一页下一页返回4.5示波器结构原理2.自动扫描Auto

自动扫描是最常用的挡位。在自动扫描挡位，无论有无触发脉冲形成，扫描锯齿波形成电路都会自动产生水平扫描锯齿波。但是，一旦有触发脉冲作用，则触发脉冲就会对扫描锯齿波进行同步控制。故在自动扫描模式下，无论有无触发脉冲形成，显示屏上都会出现扫描踪迹。从技术上来说，触发脉冲对扫描锯齿波的同步控制，必须采用脉冲边沿控制，即边沿触发，而不能采用电平控制。因为在触发脉冲形成电路中，如果触发电平调节不当，则触发脉冲形成电路将输出直流电平。这个直流电平不应该对扫描锯齿波形成电路产生影响，因此，需要采用交流耦合，将直流隔断。故只能采用脉冲边沿对扫描锯齿波进行同步控制。但是这样也产生一个问题，那就是当触发脉冲的频率很低时，触发脉冲的频率就很低。上一页下一页返回4.5示波器结构原理3.常态扫描Norm

在常态扫描模式下，当没有触发脉冲形成时，锯齿波产生电路根本就没有锯齿波输出。只有在存在触发脉冲的时候，才会形成扫描锯齿波。因为与自动扫描模式不同，常态扫描是用触发脉冲直接形成扫描锯齿波，而不是对已经形成的锯齿波进行同步控制。所以，当示波器的Y轴输入端没有任何信号时，或虽然有信号，但是因旋钮、开关的挡位不正确而导致没有触发脉冲形成的时候，显示屏是没有踪迹显示的。因此，这种扫描模式虽然用得并不多，但是由于它是用触发脉冲直接形成锯齿波，故扫描锯齿波要么根本就没有，要么有就会与触发脉冲同步。通常情况下，要么显示屏根本就没有踪迹，要么显示屏上显示稳定的波形。即使被测信号频率很低，同样能将其稳定地显示。所以，当被测信号频率低到十几赫兹或更低时，应该采用常态扫描模式。上一页下一页返回4.5示波器结构原理4.单次扫描Single

单次扫描是一种更为特殊的扫描模式。与常态扫描类似的是，它也是用触发脉冲形成扫描锯齿波。与常态扫描不同的是，一旦有一个触发脉冲形成了扫描锯齿波，则后续所有的触发脉冲均失去作用，即它只形成单次扫描。单次扫描的按键是一个不带自锁的开关(即松开后又恢复原位)，旦松开单次扫描按键，则其旁边的Ready指示灯将被点亮(见图4-16)，表示扫描锯齿波形成电路已经准备就绪，只等待触发脉冲。一旦触发脉冲形成，Ready指示灯熄灭，扫描开始，但是只扫描一次。单次扫描一般用于测量单次脉冲。上一页下一页返回4.5示波器结构原理5.扫描锯齿波形成电路扫描锯齿波形成电路一般是通过对电容的恒流充电来形成线性锯齿波的(实际上往往采用运放构成的积分电路，但仍可等效为恒流源对电容的充电)。当电容上的电压上升到预定值后即开始放电，此时逆程期开始。逆程期斜率不可调，但是正程期的斜率可调。正程期其斜率调节方法有两个:一个是调节电容的容量;另一个是调节恒流源电流的大小。电容的容量是通过一个波段开关来切换不同容量的电容器进行调节的，相应的旋钮称为时基调节旋钮(TimeBase)，见图4一16中的9。上一页下一页返回4.5示波器结构原理6.X轴放大器7.X轴位移XPosition8.扩展开关4.5.4触发电路有关触发的操作比较复杂，也是示波器使用中的一个难点，因为其操作的原理性比较强，其原理方框图如图4一17所示上一页下一页返回4.5示波器结构原理4.5.5示波器面板的其他操作

1.显示屏操作有关显示屏的操作有1个旋钮:辉度调节INTEN,聚焦调节FOCUS、标尺亮度ILLUM、光轴旋转TraceRotation。它们在示波器面板上的位置见图1一19中的20,21,22,23。辉度调节旋钮INTEN(Intensification)用于调节踪迹亮度。它实际上是调节示波器中的电子束的束电流，从而改变荧光粉的发光强度。应当指出，当电子束的扫描速度很慢时，由于电子束在荧光粉上停留的时间较长，所以显示的踪迹亮度就较亮;反之，扫描速度较快时，踪迹亮度就较暗。故示波器上所显示的矩形波，在边沿处踪迹较暗，而在脉冲平顶期则较亮。且踪迹亮度随时基旋钮在不同的挡位而不同。还应当指出，当扫描速度特别慢时(时基旋钮置于很低的挡位时)，应当调低辉度，以防局部的荧光粉被灼伤而降低或丧失发光能力。上一页下一页返回4.5示波器结构原理

聚焦旋钮(Focus)用于调节电子束的聚焦。聚焦良好时，踪迹显示为清晰的细线，反之则呈现为模糊的粗线。2.校准信号

这个开关不是所有的示波器都具有的。而且，在示波器的面板上一般看不到这个开关，因为它一般与触发电平调节旋钮结合成一体，将触发电平调节旋钮逆时针旋到底时，这个开关就被打开了(一般这时会有一种手感)。这个开关的设置，完全是为了操作使用上的方便。根据触发脉冲形成电路的工作原理可知，要能够形成触发脉冲，必须将触发电平调节到电压比较器的输入信号的最大值和最小值之间，否则，电压比较器就只能输出直流电平。于是，可以采用一个均值检波器，将电压比较器输入端的信号的平均值检测出来，并将这个平均值作为触发电平，这样就一定会形成触发脉冲，其电路原理如图4一20所示。上一页下一页返回4.5示波器结构原理3.释抑调节旋钮HOLDOFF

扫描锯齿波分为正程期、逆程期和休止期。正程期和逆程期称为抑止期，因为这段时间触发脉冲对扫描锯齿波的触发作用被抑止。正程期斜率可调(即正程期时间可调)，逆程期斜率不可调。休止期则称为释抑期。因为在休止期触发脉冲对扫描锯齿波的触发抑止被释放，一般情况下，释抑期的时间不可调。但是，也有示波器把抑止期设置为可调的。该旋钮在示波器面板上的位置见图4一19中的25，与触发电平调节旋钮同轴套装，外层旋钮即为释抑调节旋钮。上一页下一页返回4.5示波器结构原理4.接地端当对电子设备的测量需要多台电子测量仪器时，且当测量信号的电平很低而频率很高时，需要考虑接地端的使用。此时，虽然各电子测量仪器的信号连接端都有接地端，但都是在被测电子设备的不同地点接地。在信号电平很低而频率很高时，这些不同地点的地线并不能看作是等电位的，这是问题的一个方面。另一方面，具有金属外壳的测量仪器，尽管金属外壳可以作为测量仪器的金属屏蔽罩，但是这必须要求金属外壳具有良好的接地，否则不仅起不到屏蔽作用，反而会成为接收空间电磁干扰的“天线”，接收到的空间电磁干扰将会通过外壳与机内线路之间的分布电容和分布电感耦合到机内的电子线路中(频率越高越容易耦合)。上一页下一页返回4.5示波器结构原理

为此，具有金属外壳的电子测量仪器往往要与本机地线相连，即与信号端子的外导体相连。但是，有的电子测量仪器因为某种原因不能与本机地线相连(例如具有双路输出的稳压电源)，这时更要注意仪器的金属外壳在测量中的接地。因此，在采用多台电子测量仪器进行测量(例如整机测量)的时候，尤其是在测量低电平、高频率的信号时，要将各个测量仪器的金属外壳连接起来。最好是用稍粗的镀银铜钟连接，然后通过信号线的地线端与被测设备的地线端连接好，以防止由仪器的金属外壳所引入的空间电磁干扰，故示波器上设置了这样的接地端。上一页返回4.6示波器操作原理4.6.1寻迹(1)将扫描模式开关SweepMode置于自动扫描Auto挡位(2)将辉度旋钮INTFN调节到大约居中偏大的位置。因为如果将辉度调节得过暗或者关死，显示屏也不会显示出踪迹。(3)调节Y轴位移旋钮YPosition，寻找扫描线。(4)将CH1和CH2的输入耦合开关置于GND挡位(5)将X轴放大器的打展开关PULLX10复位下一页返回4.6示波器操作原理4.6.2工频干扰现象当示波器的输入端连接上探头时，即使探头不与任何信号源相连，示波器的显示屏上往往也会出现波形。这就是工频干扰波形。按通常的理解，示波器的探头既然没有馈入任何号，那显示屏上按说应该显示水平扫描线，怎么会出现波形呢?既然是工频干扰，对信号的测量又有什么影响呢？上一页下一页返回4.6示波器操作原理

示波器的低频输入阻抗是很高的。对于高频信号，由于输入电容的容抗下降，输入阻抗就会下降。由于示波器探头的馈线较长，所以，虽然外层是具有屏蔽层的同轴电缆，但对于工频这么低的频率，几乎没有屏蔽作用。于是，对于工频来说，探头的馈线就相当于“天线”，会检拾工频电磁波中的电场干扰，在显示屏上显示出工频干扰的波形，且幅度很大(可达十几伏特)。如果将探头的探针与地线短接，则显示屏上的波形就会消失。这是因为线间的阻抗下降到零阻抗。实际上，凡是低频高阻抗的测量仪器，都会对工频干扰产生反应(工频干扰本身也是很强的干扰源)。那么，在用示波器进行测量时，工频干扰对测量结果会有什么影响呢?对一般的被测电路而言，其输出阻抗大多比较低，上一页下一页返回4.6示波器操作原理

故工频干扰的影响一般反映不出来。即当示波器的探头与输出阻抗较低的被测电路相连时，显示屏上的工频干扰波形会消失。绝大多数的情况下是这样的。但是，如果被测电路测试点的阻抗很高时(例如高达几百千欧姆)，这种影响就会变得显著了。上一页下一页返回4.6示波器操作原理

实际上，当探头的探针与地线短接时，虽然可避免检拾空间电磁波的电场干扰。但是，由于此时探针与地线之间构成了一个闭合回路，故它可以检拾空间电磁波的磁场干扰，尤其是高频磁场干扰(工频干扰因为频率低，其磁场干扰就不是那么显著)。如果将这个闭合环路放到一个频率较高(例如10MHz)的振荡器附近，即可观察到显示屏上的干扰波形，虽然，此时示波器的探头并末与振荡器有任何的连接。故对于电场干扰，在低频和探头与地线之间阻抗高时显著;而对于磁场干扰，则在高频和探头与地线之间阻抗低时显著。所以，在某些场合下，需要判断所显示波形是正常的被测信号，还是被测信号中混有干扰。关于电磁干扰，这是一个令业的技术问题，此处不多涉及。上一页下一页返回4.6示波器操作原理4.6.3踪迹亮度扫描速率是可以通过时基调节旋钮来改变的。时基调节旋钮挡位越高(顺时针方向为高挡位)，扫描速率越大，踪迹就越暗。所以，当示波器上显示出一两个被测信号周期，而踪迹亮度很暗时，可以判断被测信号的频率比较高，踪迹亮度越暗，则被测信号频率越高。这也只是一种定性的判断。至于被测信号的频率到底有多高，则需要在长期的使用中去积累感性认识。如果被测信号是矩形脉冲，则在脉冲边沿因电子束的扫描速率大，故此处的踪迹亮度要暗得多，如图4一23所示。上一页下一页返回4.6示波器操作原理4.6.4稳定波形的操作在对被测信号进行定量测量之前，首先要将被测信号波形稳定下来，这就是触发操作。触发操作也是一般初学者感到难以掌握的地方。(1)触发选择开关Trigger的操作。(2)触发源开关Source的操作。(3)触发耦合开关Coupling的操作。(4)触发极性开关Slope的操作。(5)触发电平调节旋钮LFVFI的操作。上一页下一页返回4.6示波器操作原理4.6.5垂直参数的测量—电平测量示波器中所有垂直参数的测量都是通过对瞬时电平的测量来实现的。最为典型的是:被测信号的峰峰值和脉冲信号的瞬时电平。峰峰值其实就是峰值电平和谷值之差。而矩形脉冲的高电平和低电平则是最高电平和最低电平与地电平之差。其定量测量方法是:将显示屏上的电平差高度乘以Y轴偏转因数旋钮的挡位值。上一页下一页返回4.6示波器操作原理4.6.6水平参数的测量—时间测量被测信号的时间参数实际上都是两点之间的时间差。例如周期、脉冲宽度、延时等。所以，时间测量实际上是时间差的测量。时间差的获得是通过将波形的两点之间的宽度乘以时基调节旋钮(图4一16中的9)的挡位值。4.6.7示波器探头示波器的输入端的馈线也称为探头。在使用示波器时需要通过探头将被测信号耦合到示波器的Y轴输入端。示波器的探头中设置有脉冲分压器，如图4-24所示。一般还设置有一个X10的衰减开关(即将输入信号衰减10倍)。上一页下一页返回4.6示波器操作原理

脉冲分压器有两个时间常数，τ1=R1C1

，τ2=R2C2

。当信号源为矩形脉冲时，只有当τ1=τ2时，输出端的脉冲才与输入脉冲波形相同，但是幅度将会变小，为输入脉冲幅度的R2/(R2+R2)倍。如果τ1≠τ2

，则输出脉冲会变形，如图4一25所示。对于示波器探头的使用，高频时，应采用X10挡位，低频时两个挡位都可以采用。而校准探头时，则必须在X10挡位进行。在对脉冲信号进行测量，或者要求严格时，应该先校准示波器探头。如果把这台示波器上的探头用于另外一台示波器上时，应该重新校准探头。上一页下一页返回4.6示波器操作原理4.6.8其他示波器的面板布置不同型号的示波器面板布置会有所示同，挡位设置也不尽相同，功能上也可能略有差别，但是基本开关、旋钮和挡位都是必不可少的。所以，只要熟悉了其中的一种，便很容易对其他型号的示波器上手。这里给出几种不同型号的示波器的面板布置图，以供参考。如图4一27所示为菊水COS2020型示波器、图4一28所示为健伍TRIOCS-1022型示波器、图4一29所示为绿杨YH2320型示波器。上一页返回4.7特殊测量方法4.7.1脉冲边沿的测量假定被测信号是矩形脉冲(对于作为实验的例子，可以将示波器上的校准信号作为被测信号)，目的是要测量该矩形脉冲的前沿时间和后沿时间，假设触发极性开关置于“十”的挡位。由于脉冲边沿时间极短，故必须通过时基调节旋钮将波形在水平方向展宽。图4一30中的(a)是展宽得不够的波形，(b)则是展宽得较好的波形。当然，只有将波形展宽到(b)的程度，才可能进行定量测量。其方法是:将图4一30(b)中从高电平到低电平的时间差乘以时基旋钮的挡位值(实际上，准确读数应该是从脉冲幅度的90%到脉冲幅度的70%的时间差乘以时基旋钮的挡位值。这里只是一种方便的近似读数)。下一页返回4.7特殊测量方法

当时基调节旋钮往高挡位调节的时候，实际上是将扫描锯齿波正程期的斜率调高。正程期斜率越高，正程时间就越短，而扫描锯齿波正程期所对应的被测信号波形就是显示屏上的波形。如图4一31所示。扩展开关用于将扫描锯齿波的幅度放大70倍，于是，扫描锯齿波正程期的斜率将被扩展10倍。X轴放大器中设置有对扫描锯齿波限幅的电路，以免扫描锯齿波在水平方向超出显示屏的范围。于是，此时的扫描锯齿波的波形将变成如图4一32所示的很奇怪的形状。在图4一32中，省略了触发脉冲的波形。上一页下一页返回4.7特殊测量方法

从图4-32中可以看到，将扩展开关拉出后，正程期的时间变短了(实际上是原锯齿波正程期时间的十分之一)，但是正程期时间可能没有正好对应着被测信号的下降沿，故显示屏上仍然显示不出来被测信号的脉冲边沿。但是，当我们调节X轴位移旋钮时，实际上就在调节叠加在已扩展10倍幅度的锯齿波的直流电平(直流电平可正可负)，经过限幅后，其锯齿波的正程期就会在时间轴上发生平移，故只要使得锯齿波正程期平移到正好对应着被测信号的下降沿，则显示屏上就会显示出被测信号的下降沿。当然，由于锯齿波正程期的斜率提高了10倍，即正程期时间降低了10倍，故显示屏上的脉冲边沿将在水平方向扩展10倍。如图4-30中的(b)所示，此时就可定量读取下降沿时间了。上一页下一页返回4.7特殊测量方法4.7.2释抑调节HOLDOFF的应用被测信号是由A脉冲序列和B脉冲序列混合而成的，如果想在示波器上显示出被测信号的A脉冲序列的波形而不显B脉冲序列的波形，就会遇到困难。因为A脉冲中的第一个脉冲的前沿会触发一次扫描锯齿波的产生，H脉冲的前沿同样会，这就是图中的扫描锯齿波(a)。A脉冲和B脉冲将被同时显示出来，如图4一34显示(a)所示。显然，此时显示出来的B脉冲对A脉冲在视觉上起着扰乱的作用，影响对A脉冲的观测。如果通过时基调节旋钮将扫描锯齿波正程期调节得长一些，则虽然可将A,B脉冲同时显示出来而不上一页下一页返回4.7特殊测量方法

互相扰乱，但是在水平方向波形展宽得不够。如果将扫描锯齿波的正程期调节得短一些，显然无法显示完整的A脉冲。所以，这时可以借助释抑调节旋钮，将扫描锯齿波的休止期调节得长一些，使B脉冲的前沿触发作用被抑止，从而形成如图4-34所示的扫描锯齿波(b)，这时就可得到图中的显示(b)所示的显示波形，从而避免了B脉冲的扰乱。上一页下一页返回4.7特殊测量方法

一般示波器中都设置有X-Y模式。在示波器面板上，X-Y模式开关并非独立设置的，一般与别的开关或旋钮相结合，作为别的开关或旋钮的某一个挡位。通常的情况有两种:一种是与时基调节旋钮组合。当时基调节旋钮逆时针旋到底时，就是X-Y挡位。另一种是与触发源开关组合，作为其一个挡位(尽管X-Y模式与触发源在含义上没有任何关联)。当采用X-Y模式时，示波器内部将CH2通道的信号作用到示波器的水平偏转板，而断开水平扫描锯齿波。而作用到示波管的垂直偏转板的信号，既可以是CH1，也可以是CH2通道的信号，这取决于垂直模式开关VERTMODE的挡位。在X-Y模式下，作用到水平偏转板的CH2通道的信号依然可以通过CH2通道的Y轴偏转因数旋钮、Y轴增益旋钮、Y轴位移旋钮来调节。上一页返回4.8双时基示波器4.8.1双时基示波器的特点在图4一37中，被测信号是边缘存在振铃的矩形脉冲。现在仔细观察脉冲边缘，即把该脉冲的边缘局部在水平方向展宽显示。结合图4-37中的触发脉冲和扫描锯齿波的波形可知用普通方法想把脉冲边缘完整地进行展宽显示是有一定困难的。

图4一37中，被测信号耦合到示波器的输入端后，示波器内部一方面将该信号作用到示波管的垂直偏转板，同时，另一方面将该信号送到触发脉冲形成电路，即电压比较器，从而形成矩形波形式的触发脉冲。触发脉冲又被作用到扫描锯齿波产生电路，所形成的扫描锯齿波正程期的起始点必须对准触发脉冲的上升沿。扫描锯齿波正程期的斜率可通过时基调节旋钮TimeBase将波形在水平方向展宽，所以应该将锯齿波正程期的斜率调得比较大，即将TimeBase顺时针调节下一页返回4.8双时基示波器

扫描锯齿波正程期时间内所对应的被测信号的那一段波形，就是示波器上所显示的波形，如图4一38所示。显然，所显示的波形只是被测信号的脉冲前沿的一部分，而不是完整的脉冲前沿。容易理解，如果能够将扫描锯齿波在时间上平移，使得扫描锯齿波正程期正好平移到对准被测脉冲的完整的前沿，如图4一39所示。则示波器上所显示的波形如图4一40所示，这就显示了完整的被测信号的前沿。上一页下一页返回4.8双时基示波器4.8.2双时基产生原理双时基示波器中有两个时基电路，即有两个触发脉冲形成电路，两个扫描锯齿波形成电路，分别称为主时基MTB(MainTimeBase)和延迟时基DTB(DelayTimeBase)。两个时基电路调节旋钮分别用于调节主时基扫描锯齿波斜率和延迟时基扫描锯齿波斜率。延迟时基的扫描锯齿波可以在时间轴上的平移，并且平移量也可调节。至于将主时基的扫描锯齿波还是延迟时基的扫描锯齿波作用到示波管的水平偏转板，则由时基选择开关决定。也可以将它们以交替的方式轮流作用到示波管的水平偏转板，从而实现对主时基所对应的原始波形和延迟时基所对应的局部展宽的波形的同时显示，这就是所谓的“双踪四线”示波器。

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延迟时基是如何实现其扫描锯齿波在时间轴上的平移的呢?扫描锯齿波的起始点是取决于触发脉冲的上升沿，所以，只要使延迟时基中的触发脉冲能够在时间轴上平移就可以达到目的。为此，延迟时基的触发脉冲形成电路中是将主时基的扫描锯齿波作为输入信号，如图4一41所示。这样，只要调节触发电平，则所形成的触发脉冲在时间轴上相对于主时基的扫描锯齿波的延迟量不同，延迟时基的延迟量也不同，相应的波形如图4-42所示。从图4一42中很容易理解，延迟时基的触发电平调节得不同，则延迟时基的扫描锯齿波相对于主时基的扫描锯齿波在时间轴上的平移量就不同，或者说延迟量不同。所以，在双时基示波器中，主时基中的触发脉冲形成电路的输入信号是被测信号，而延迟时基的触发脉冲形成电路的输入信号则是主时基中的扫描锯齿波。上一页下一页返回4.8双时基示波器

在实际使用中，需要注意由延迟时基在示波管上所显示的被展宽的被测信号波形到底是主时基所对应显示的原始波形中的哪一段。为此，双时基示波器中都设置有加亮功能，可以把原始波形中被展宽的部分进行加亮显示。如图4一43所示。4.8.3双时基示波器的使用特点上一页下一页返回4.8双时基示波器

首先，双时基示波器上有两个时基调节旋钮(实际上是两个波段开关)，即MTB和DTB。为了不另外占用有限的仪器面板空间，这两个旋钮一般是同轴套装的。外层旋钮是主时基MTB，内层旋钮是延迟时基DTB。同时，双时基示波器中有两个触发电平调节旋钮(电位器)。主时基的触发电平调节旋钮LFVFI用于稳定所显示的波形，而延迟时基的触发电平调节旋钮称为延识量调节旋钮DELAY，用于调节延迟时基的扫描锯齿波相对于主时基的扫描锯齿波的延迟量，或者说，在时间轴上的平移量。调节该旋钮时，所显示波形的被加亮的部分会在水平方向上相应移动，而延迟时基旋钮置于不同挡位时，被加亮部分的宽度会相应改变(因为延迟时基的扫描锯齿波正程期时间被改变了)。上一页下一页返回4.8双时基示波器

双时基示波器中还有时基选择开关，用于选择将主时基还是延迟时基的扫描锯齿波作用到示波管的水平偏转板，或者说，用于选择显示原始波形还是显示被展宽的波形。这个选择开关至少有两挡，即MTB和DTB。但是在双踪四线示波器中，这个开关还有一个挡位，即交替ALT挡位，它用于以交替方式同时将原始波形和被展宽的波形显示出来。这样，一踪信号被显示成两个波形，而双踪信号同时显示时，就会显示出四个波形，所以称为“双踪四线”。上一页返回4.9数字存储示波器4.9.1数字存储示波器的原理1.数字存储示波器的主要组成实时取样的数字存储示波器的主要组成如图4一44，有控制、取样存储、读出显示大部分，它们通过数据总线、地址总线、控制总线互相交换信息。控制部分由键盘、CPU和只读存储器ROM等组成。CPU控制所有I/O口，随机存取存储器RAM的读/写，以及地址总线和数据总线的使用。在ROM内写有仪器的管理程序，在管理程序的控制下，对键盘进行扫描而产生识别码，然后根据识别码所提供的信息，去完成开关切换及设定测试功能等各项工作。下一页返回4.9数字存储示波器2.数字存储示波器的取样和存储过程取样存储部分的工作过程如图4一45所示3.数字存储示波器的读出和显示过程读出显示部分的工作过程如图4一26所示。4.数字存储示波器的特点数字存储示波器具有一系列的特点，主要特点如下。(1)使用字符显示测量结果。(2)可以长期存储波形。(3)可以进行预延迟。

上一页下一页返回4.9数字存储示波器(4)有多种显示方式。

(5)便于进行数据处理。

(6)便于程控，可用多种方式输出。4.9.2YB54100示波器的性能简介

1.主要特点与性能指标

YB54100是一种便携式数字存储示波器。其主要特点是:具有数据存储、光标和参数自动测量、波形运算、FFT分析等功能。

2.面板简介

YB54100示波器的面板图如图4一49上一页下一页返回4.9数字存储示波器面板可分为显示区和控制键盘区，显示区可划分为3个区域。(1)主显示区:显示波形及光标。(2)菜单显示区:分别显示各功能键的菜单，其菜单项目由各功能键的设定而定。(3)状态显示区:显示CH1和CH2的偏转因数，时间因数，触发极性与触发电平值。控制键盘区又可划分为4个区域。(1)菜单键区:竖排有5个按键，由菜单显示区指明其功能。(2)主菜单功能键区(3)挡位状态设定区(4)调节旋钮上一页下一页返回4.9数字存储示波器3.主要功能健及初始屏幕显示在所有控制键中，主要常用的功能键有以下几个。(1)通道选择控制键:CH1和CH2(2)扫描的功能选择键:“扫描”。(3)触发的功能选择键:“触发”。(2)自动测量的功能选择键:“测量”。(5)光标测量的功能选择键:“光标”。上一页下一页返回4.9数字存储示波器4.9.3YB54100示波器的使用1.基本控制键的操作与通用示波器一样，本示波器使用时首先需解决两个问题:其一，在屏幕上显示出被测波形;其二，使显示的波形