在數字電路實(shí)驗中需要使用若干儀器、儀表觀(guān)察實(shí)驗現象和結果。常用的電子測量?jì)x器有萬(wàn)用表、邏輯筆、普通示波器、存儲示波器、邏輯分析儀等。萬(wàn)用表和邏輯筆使用方法比較簡(jiǎn)單而邏輯分析儀和存儲示波器目前在數字電路教學(xué)實(shí)驗中應用還不十分普遍。示波器是一種使用非常廣泛且使用相對復雜的儀器。本章從使用的角度介紹一下示波器的原理和使用方法。

1 示波器工作原理

　　示波器是利用電子示波管的特性將人眼無(wú)法直接觀(guān)測的交變電信號轉換成圖像顯示在熒光屏上以便測量的電子測量?jì)x器。它是觀(guān)察數字電路實(shí)驗現象、分析實(shí)驗中的問(wèn)題、測量實(shí)驗結果必不可少的重要儀器。示波器由示波管和電源系統、同步系統、X軸偏轉系統、Y軸偏轉系統、延遲掃描系統、標準信號源組成。
1．1 示波管
陰極射線(xiàn)管(CRT)簡(jiǎn)稱(chēng)示波管，是示波器的核心。它將電信號轉換為光信號。正如圖1所示電子槍、偏轉系統和熒光屏三部分密封在一個(gè)真空玻璃殼內構成了一個(gè)完整的示波管。

圖1 示波管的內部結構和供電圖示

　　1．熒光屏
現在的示波管屏面通常是矩形平面內表面沉積一層磷光材料構成熒光膜。在熒光膜上常又增加一層蒸發(fā)鋁膜。高速電子穿過(guò)鋁膜撞擊熒光粉而發(fā)光形成亮點(diǎn)。鋁膜具有內反射作用有利于提高亮點(diǎn)的輝度。鋁膜還有散熱等其他作用。
當電子停止轟擊后亮點(diǎn)不能立即消失而要保留一段時(shí)間。亮點(diǎn)輝度下降到原始值的10％所經(jīng)過(guò)的時(shí)間叫做“余輝時(shí)間”。余輝時(shí)間短于10μs為極短余輝10μs—1ms為短余輝1ms—0．1s為中余輝0．1s-1s為長(cháng)余輝大于1s為極長(cháng)余輝。一般的示波器配備中余輝示波管高頻示波器選用短余輝低頻示波器選用長(cháng)余輝。
由于所用磷光材料不同熒光屏上能發(fā)出不同顏色的光。一般示波器多采用發(fā)綠光的示波管以保護人的眼睛。
2．電子槍及聚焦
電子槍由燈絲(F)、陰極(K)、柵極(G1)、前加速極(G2)(或稱(chēng)第二柵極)、第一陽(yáng)極(A1)和第二陽(yáng)極(A2)組成。它的作用是發(fā)射電子并形成很細的高速電子束。燈絲通電加熱陰極陰極受熱發(fā)射電子。柵極是一個(gè)頂部有小孔的金屬園筒套在陰極外面。由于柵極電位比陰極低對陰極發(fā)射的電子起控制作用一般只有運動(dòng)初速度大的少量電子在陽(yáng)極電壓的作用下能穿過(guò)柵極小孔奔向熒光屏。初速度小的電子仍返回陰極。如果柵極電位過(guò)低則全部電子返回陰極即管子截止。調節電路中的W1電位器可以改變柵極電位控制射向熒光屏的電子流密度從而達到調節亮點(diǎn)的輝度。第一陽(yáng)極、第二陽(yáng)極和前加速極都是與陰極在同一條軸線(xiàn)上的三個(gè)金屬圓筒。前加速極G2與A2相連所加電位比A1高。G2的正電位對陰極電子奔向熒光屏起加速作用。
電子束從陰極奔向熒光屏的過(guò)程中經(jīng)過(guò)兩次聚焦過(guò)程。第一次聚焦由K、G1、G2完成K、K、G1、G2叫做示波管的第一電子透鏡。第二次聚焦發(fā)生在G2、A1、A2區域調節第二陽(yáng)極A2的電位能使電子束正好會(huì )聚于熒光屏上的一點(diǎn)這是第二次聚焦。A1上的電壓叫做聚焦電壓A1又被叫做聚焦極。有時(shí)調節A1電壓仍不能滿(mǎn)足良好聚焦需微調第二陽(yáng)極A2的電壓A2又叫做輔助聚焦極。
3．偏轉系統
偏轉系統控制電子射線(xiàn)方向使熒光屏上的光點(diǎn)隨外加信號的變化描繪出被測信號的波形。圖8．1中Y1、Y2和Xl、X2兩對互相垂直的偏轉板組成偏轉系統。Y軸偏轉板在前X軸偏轉板在后因此Y軸靈敏度高(被測信號經(jīng)處理后加到Y軸)。兩對偏轉板分別加上電壓使兩對偏轉板間各自形成電場(chǎng)分別控制電子束在垂直方向和水平方向偏轉。
4．示波管的電源
為使示波管正常工作，煙氣分析儀對電源供給有一定要求。規定第二陽(yáng)極與偏轉板之間電位相近偏轉板的平均電位為零或接近為零。陰極必須工作在負電位上。柵極G1相對陰極為負電位(—30V~—100V)而且可調以實(shí)現輝度調節。第一陽(yáng)極為正電位(約+100V~+600V)也應可調用作聚焦調節。第二陽(yáng)極與前加速極相連對陰極為正高壓(約+1000V)相對于地電位的可調范圍為±50V。由于示波管各電極電流很小可以用公共高壓經(jīng)電阻分壓器供電。
1.2 示波器的基本組成
從上一小節可以看出只要控制X軸偏轉板和Y軸偏轉板上的電壓就能控制示波管顯示的圖形形狀。我們知道一個(gè)電子信號是時(shí)間的函數f(t)它隨時(shí)間的變化而變化。因此只要在示波管的X軸偏轉板上加一個(gè)與時(shí)間變量成正比的電壓在y軸加上被測信號(經(jīng)過(guò)比例放大或者縮小)示波管屏幕上就會(huì )顯示出被測信號隨時(shí)間變化的圖形。電信號中在一段時(shí)間內與時(shí)間變量成正比的信號是鋸齒波。
示波器的基本組成框圖如圖2所示。它由示波管、Y軸系統、X軸系統、Z軸系統和電源等五部分組成。

圖2 示波器基本組成框圖

　　被測信號①接到“Y"輸入端經(jīng)Y軸衰減器適當衰減后送至Y1放大器(前置放大)推挽輸出信號②和③。經(jīng)延遲級延遲Г1時(shí)間到Y2放大器。放大后產(chǎn)生足夠大的信號④和⑤加到示波管的Y軸偏轉板上。為了在屏幕上顯示出完整的穩定波形將Y軸的被測信號③引入X軸系統的觸發(fā)電路在引入信號的正(或者負)極性的某一電平值產(chǎn)生觸發(fā)脈沖⑥啟動(dòng)鋸齒波掃描電路(時(shí)基發(fā)生器)產(chǎn)生掃描電壓⑦。由于從觸發(fā)到啟動(dòng)掃描有一時(shí)間延遲Г2為保證Y軸信號到達熒光屏之前X軸開(kāi)始掃描Y軸的延遲時(shí)間Г1應稍大于X軸的延遲時(shí)間Г2。掃描電壓⑦經(jīng)X軸放大器放大產(chǎn)生推挽輸出⑨和⑩加到示波管的X軸偏轉板上。z軸系統用于放大掃描電壓正程并且變成正向矩形波送到示波管柵極。這使得在掃描正程顯示的波形有某一固定輝度而在掃描回程進(jìn)行抹跡。
以上是示波器的基本工作原理。雙蹤顯示則是利用電子開(kāi)關(guān)將Y軸輸入的兩個(gè)不同的被測信號分別顯示在熒光屏上。由于人眼的視覺(jué)暫留作用當轉換頻率高到一定程度后看到的是兩個(gè)穩定的、清晰的信號波形。
示波器中往往有一個(gè)精確穩定的方波信號發(fā)生器供校驗示波器用。

2 示波器使用

　　本節介紹示波器的使用方法。示波器種類(lèi)、型號很多功能也不同。數字電路實(shí)驗中使用較多的是20MHz或者40MHz的雙蹤示波器。這些示波器用法大同小異。本節不針對某一型號的示波器只是從概念上介紹示波器在數字電路實(shí)驗中的常用功能。
2.1 熒光屏
熒光屏是示波管的顯示部分。屏上水平方向和垂直方向各有多條刻度線(xiàn)指示出信號波形的電壓和時(shí)間之間的關(guān)系。水平方向指示時(shí)間垂直方向指示電壓。水平方向分為10格垂直方向分為8格每格又分為5份。垂直方向標有0％10％90％100％等標志水平方向標有10％90％標志供測直流電平、交流信號幅度、延遲時(shí)間等參數使用。根據被測信號在屏幕上占的格數乘以適當的比例常數(V／DIVTIME／DIV)能得出電壓值與時(shí)間值。
2．2 示波管和電源系統
1．電源(Power)
示波器主電源開(kāi)關(guān)。當此開(kāi)關(guān)按下時(shí)電源指示燈亮表示電源接通。
2．輝度(Intensity)
旋轉此旋鈕能改變光點(diǎn)和掃描線(xiàn)的亮度。觀(guān)察低頻信號時(shí)可小些高頻信號時(shí)大些。
一般不應太亮以保護熒光屏。
3．聚焦(Focus)
聚焦旋鈕調節電子束截面大小將掃描線(xiàn)聚焦成最清晰狀態(tài)。
4．標尺亮度(Illuminance)
此旋鈕調節熒光屏后面的照明燈亮度。正常室內光線(xiàn)下照明燈暗一些好。室內光線(xiàn)不足的環(huán)境中可適當調亮照明燈。
2．3 垂直偏轉因數和水平偏轉因數
1．垂直偏轉因數選擇(VOLTS／DIV)和微調
在單位輸入信號作用下光點(diǎn)在屏幕上偏移的距離稱(chēng)為偏移靈敏度這一定義對X軸和Y軸都適用。靈敏度的倒數稱(chēng)為偏轉因數。垂直靈敏度的單位是為cm/Vcm／mV或者DIV／mVDIV／V垂直偏轉因數的單位是V／cmmV／cm或者V／DIVmV／DIV。實(shí)際上因習慣用法和測量電壓讀數的方便有時(shí)也把偏轉因數當靈敏度。
蹤示波器中每個(gè)通道各有一個(gè)垂直偏轉因數選擇波段開(kāi)關(guān)。一般按125方式從 5mV／DIV到5V／DIV分為10檔。波段開(kāi)關(guān)指示的值代表熒光屏上垂直方向一格的電壓值。例如波段開(kāi)關(guān)置于1V／DIV檔時(shí)如果屏幕上信號光點(diǎn)移動(dòng)一格則代表輸入信號電壓變化1V。
每個(gè)波段開(kāi)關(guān)上往往還有一個(gè)小旋鈕微調每檔垂直偏轉因數。將它沿順時(shí)針?lè )较蛐�到底處于“校準”位置此時(shí)垂直偏轉因數值與波段開(kāi)關(guān)所指示的值一致。逆時(shí)針旋轉此旋鈕能夠微調垂直偏轉因數。垂直偏轉因數微調后會(huì )造成與波段開(kāi)關(guān)的指示值不一致這點(diǎn)應引起注意。許多示波器具有垂直擴展功能當微調旋鈕被拉出時(shí)垂直靈敏度擴大若干倍(偏轉因數縮小若干倍)。例如如果波段開(kāi)關(guān)指示的偏轉因數是1V/DIV采用×5擴展狀態(tài)時(shí)垂直偏轉因數是0．2V／DIV。
在做數字電路實(shí)驗時(shí)在屏幕上被測信號的垂直移動(dòng)距離與+5V信號的垂直移動(dòng)距離之比常被用于判斷被測信號的電壓值。
2．時(shí)基選擇(TIME／DIV)和微調
時(shí)基選擇和微調的使用方法與垂直偏轉因數選擇和微調類(lèi)似。時(shí)基選擇也通過(guò)一個(gè)波段開(kāi)關(guān)實(shí)現按1、2、5方式把時(shí)基分為若干檔。波段開(kāi)關(guān)的指示值代表光點(diǎn)在水平方向移動(dòng)一個(gè)格的時(shí)間值。例如在1μS／DIV檔光點(diǎn)在屏上移動(dòng)一格代表時(shí)間值1μS。
“微調”旋鈕用于時(shí)基校準和微調。沿順時(shí)針?lè )较蛐�到底處于校準位置時(shí)屏幕上顯示的時(shí)基值與波段開(kāi)關(guān)所示的標稱(chēng)值一致。逆時(shí)針旋轉旋鈕則對時(shí)基微調。旋鈕拔出后處于掃描擴展狀態(tài)。通常為×10擴展即水平靈敏度擴大10倍時(shí)基縮小到1／10。例如在2μS/DIV檔掃描擴展狀態(tài)下熒光屏上水平一格代表的時(shí)間值等于

2μS×(1/10)=0.2μS

　　TDS實(shí)驗臺上有10MHz、1MHz、500kHz、100kHz的時(shí)鐘信號由石英晶體振蕩器和分頻器產(chǎn)生準確度很高可用來(lái)校準示波器的時(shí)基。
示波器的標準信號源CAL專(zhuān)門(mén)用于校準示波器的時(shí)基和垂直偏轉因數。例如COS5041型示波器標準信號源提供一個(gè)VP-P=2V,f=1kHz的方波信號。
示波器前面板上的位移(Position)旋鈕調節信號波形在熒光屏上的位置。旋轉水平位移旋鈕(標有水平雙向箭頭)左右移動(dòng)信號波形旋轉垂直位移旋鈕(標有垂直雙向箭頭)上下移動(dòng)信號波形。
2.4 輸入通道和輸入耦合選擇
1．輸入通道選擇
輸入通道至少有三種選擇方式：通道1(CH1)、通道2(CH2)、雙通道(DUAL)。選擇通道1時(shí)示波器僅顯示通道1的信號。選擇通道2時(shí)示波器僅顯示通道2的信號。選擇雙通道時(shí)示波器同時(shí)顯示通道1信號和通道2信號。測試信號時(shí)首先要將示波器的地與被測電路的地連接在一起。根據輸入通道的選擇將示波器探頭插到相應通道插座上示波器探頭上的地與被測電路的地連接在一起示波器探頭接觸被測點(diǎn)。示波器探頭上有一雙位開(kāi)關(guān)。此開(kāi)關(guān)撥到“×1”位置時(shí)被測信號無(wú)衰減送到示波器從熒光屏上讀出的電壓值是信號的實(shí)際電壓值。此開(kāi)關(guān)撥到“×10"位置時(shí)被測信號衰減為1／10然后送往示波器從熒光屏上讀出的電壓值乘以10才是信號的實(shí)際電壓值。
2．輸入耦合方式
輸入耦合方式有三種選擇：交流(AC)、地(GND)、直流(DC)。當選擇“地”時(shí)掃描線(xiàn)顯示出“示波器地”在熒光屏上的位置。直流耦合用于測定信號直流絕對值和觀(guān)測極低頻信號。交流耦合用于觀(guān)測交流和含有直流成分的交流信號。在數字電路實(shí)驗中一般選擇“直流”方式以便觀(guān)測信號的絕對電壓值。
2.5 觸發(fā)
第一節指出被測信號從Y軸輸入后一部分送到示波管的Y軸偏轉板上驅動(dòng)光點(diǎn)在熒光屏上按比例沿垂直方向移動(dòng)；另一部分分流到x軸偏轉系統產(chǎn)生觸發(fā)脈沖觸發(fā)掃描發(fā)生器產(chǎn)生重復的鋸齒波電壓加到示波管的X偏轉板上使光點(diǎn)沿水平方向移動(dòng)兩者合一光點(diǎn)在熒光屏上描繪出的圖形就是被測信號圖形。由此可知正確的觸發(fā)方式直接影響到示波器的有效操作。為了在熒光屏上得到穩定的、清晰的信號波形掌握基本的觸發(fā)功能及其操作方法是十分重要的。
1．觸發(fā)源(Source)選擇
要使屏幕上顯示穩定的波形則需將被測信號本身或者與被測信號有一定時(shí)間關(guān)系的觸發(fā)信號加到觸發(fā)電路。觸發(fā)源選擇確定觸發(fā)信號由何處供給。通常有三種觸發(fā)源：內觸發(fā)(INT)、電源觸發(fā)(LINE)、外觸發(fā)EXT)。
內觸發(fā)使用被測信號作為觸發(fā)信號是經(jīng)常使用的一種觸發(fā)方式。由于觸發(fā)信號本身是被測信號的一部分在屏幕上可以顯示出非常穩定的波形。雙蹤示波器中通道1或者通道2都可以選作觸發(fā)信號。
電源觸發(fā)使用交流電源頻率信號作為觸發(fā)信號。這種方法在測量與交流電源頻率有關(guān)的信號時(shí)是有效的。特別在測量音頻電路、閘流管的低電平交流噪音時(shí)更為有效。
外觸發(fā)使用外加信號作為觸發(fā)信號外加信號從外觸發(fā)輸入端輸入。外觸發(fā)信號與被測信號間應具有周期性的關(guān)系。由于被測信號沒(méi)有用作觸發(fā)信號所以何時(shí)開(kāi)始掃描與被測信號無(wú)關(guān)。
正確選擇觸發(fā)信號對波形顯示的穩定、清晰有很大關(guān)系。例如在數字電路的測量中對一個(gè)簡(jiǎn)單的周期信號而言選擇內觸發(fā)可能好一些而對于一個(gè)具有復雜周期的信號且存在一個(gè)與它有周期關(guān)系的信號時(shí)選用外觸發(fā)可能更好。
2．觸發(fā)耦合(Coupling)方式選擇
觸發(fā)信號到觸發(fā)電路的耦合方式有多種目的是為了觸發(fā)信號的穩定、可靠。這里介紹常用的幾種。
AC耦合又稱(chēng)電容耦合。它只允許用觸發(fā)信號的交流分量觸發(fā)觸發(fā)信號的直流分量被隔斷。通常在不考慮DC分量時(shí)使用這種耦合方式以形成穩定觸發(fā)。但是如果觸發(fā)信號的頻率小于10Hz會(huì )造成觸發(fā)困難。
直流耦合(DC)不隔斷觸發(fā)信號的直流分量。當觸發(fā)信號的頻率較低或者觸發(fā)信號的占空比很大時(shí)使用直流耦合較好。
低頻抑制(LFR)觸發(fā)時(shí)觸發(fā)信號經(jīng)過(guò)高通濾波器加到觸發(fā)電路觸發(fā)信號的低頻成分被抑制；高頻抑制(HFR)觸發(fā)時(shí)觸發(fā)信號通過(guò)低通濾波器加到觸發(fā)電路觸發(fā)信號的高頻成分被抑制。此外還有用于電視維修的電視同步(TV)觸發(fā)。這些觸發(fā)耦合方式各有自己的適用范圍需在使用中去體會(huì )。
3．觸發(fā)電平(Level)和觸發(fā)極性(Slope)
觸發(fā)電平調節又叫同步調節它使得掃描與被測信號同步。電平調節旋鈕調節觸發(fā)信號的觸發(fā)電平。一旦觸發(fā)信號超過(guò)由旋鈕設定的觸發(fā)電平時(shí)掃描即被觸發(fā)。順時(shí)針旋轉旋鈕觸發(fā)電平上升；逆時(shí)針旋轉旋鈕觸發(fā)電平下降。當電平旋鈕調到電平鎖定位置時(shí)觸發(fā)電平自動(dòng)保持在觸發(fā)信號的幅度之內不需要電平調節就能產(chǎn)生一個(gè)穩定的觸發(fā)。當信號波形復雜用電平旋鈕不能穩定觸發(fā)時(shí)用釋抑(Hold Off)旋鈕調節波形的釋抑時(shí)間(掃描暫停時(shí)間)能使掃描與波形穩定同步。
極性開(kāi)關(guān)用來(lái)選擇觸發(fā)信號的極性。撥在“+”位置上時(shí)在信號增加的方向上當觸發(fā)信號超過(guò)觸發(fā)電平時(shí)就產(chǎn)生觸發(fā)。撥在“-”位置上時(shí)在信號減少的方向上當觸發(fā)信號超過(guò)觸發(fā)電平時(shí)就產(chǎn)生觸發(fā)。觸發(fā)極性和觸發(fā)電平共同決定觸發(fā)信號的觸發(fā)點(diǎn)。
2.6 掃描方式(SweepMode)
掃描有自動(dòng)(Auto)、常態(tài)(Norm)和單次(Single)三種掃描方式。
自動(dòng)：當無(wú)觸發(fā)信號輸入或者觸發(fā)信號頻率低于50Hz時(shí)掃描為自激方式。
常態(tài)：當無(wú)觸發(fā)信號輸入時(shí)，掃描處于準備狀態(tài)沒(méi)有掃描線(xiàn)。觸發(fā)信號到來(lái)后觸發(fā)掃描。
單次：?jiǎn)未伟粹o類(lèi)似復位開(kāi)關(guān)。單次掃描方式下按單次按鈕時(shí)掃描電路復位此時(shí)準備好(Ready)燈亮。觸發(fā)信號到來(lái)后產(chǎn)生一次掃描。單次掃描結束后準備燈滅。單次掃描用于觀(guān)測非周期信號或者單次瞬變信號往往需要對波形拍照。
上面扼要介紹了示波器的基本功能及操作。示波器還有一些更復雜的功能如延遲掃描、觸發(fā)延遲、X-Y工作方式等這里就不介紹了。示波器入門(mén)操作是容易的真正熟練則要在應用中掌握。值得指出的是示波器雖然功能較多但許多情況下用其他儀器、儀表更好。例如在數字電路實(shí)驗中判斷一個(gè)脈寬較窄的單脈沖是否發(fā)生時(shí)用邏輯筆就簡(jiǎn)單的多；測量單脈沖脈寬時(shí)用邏輯分析儀更好一些。