1．1 說(shuō)明和功能

我們可以把示波器簡(jiǎn)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(pán)上移動(dòng)的指針或者數字顯示來(lái)給出信號電壓的測量讀數。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別是：
1.電壓表可以給出祥測信號的數值這通常是有效值即RMS值。但是電壓表不能給出有關(guān)信號形狀的信息。有的電壓表也能測量信號的峰值電壓和頻率。然而，示波器則能以圖形的方式顯示信號隨時(shí)間變化的歷史情況。
2.電壓表通常只能對一個(gè)信號進(jìn)行測量而示波器則能同時(shí)顯示兩個(gè)或多個(gè)信號。

顯示系統

示波器的顯示器件是陰極射線(xiàn)管縮寫(xiě)為CRT見(jiàn)圖1。陰極射線(xiàn)管的基礎是一個(gè)能產(chǎn)生電子的系統稱(chēng)為電子槍。電子槍向屏幕發(fā)射電子。電子槍發(fā)射的電子經(jīng)聚焦形成電子束并打在屏幕中心的一點(diǎn)上。屏幕的內表面涂有熒光物質(zhì)這樣電子束打中的點(diǎn)就發(fā)出光來(lái)。

電子在從電子槍到屏幕的途中要經(jīng)過(guò)偏轉系統。在偏轉系統上施加電壓就可以使光點(diǎn)在屏幕上移動(dòng)。偏轉系統由水平（X）偏轉板和垂直（Y）偏轉板組成。這種偏轉方式稱(chēng)為靜電偏轉。

在屏幕的內表面用刻劃或腐蝕的方法作出許多水平和垂直的直線(xiàn)形成網(wǎng)絡(luò )稱(chēng)為標尺。標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。有的標尺線(xiàn)又進(jìn)一步分成小格并且還有標明0％和100％的特別線(xiàn)。這些特別的線(xiàn)和標明10％和90％的標尺配合使用以進(jìn)行上升時(shí)間的測量。我們后面會(huì )討論這個(gè)問(wèn)題。

如上所述受到電子轟擊后CRT上的熒光物質(zhì)就會(huì )發(fā)光。當電子束移開(kāi)后熒光物質(zhì)在一個(gè)短的時(shí)間內還會(huì )繼續發(fā)光。這個(gè)時(shí)間稱(chēng)為余輝時(shí)間。余輝時(shí)間的長(cháng)短隨熒光物質(zhì)的不同而變化。最常用的熒光物質(zhì)是P31其余輝時(shí)間小于一毫秒(ms).而熒光物質(zhì)P7的余輝時(shí)間則較長(cháng)約為300ms這對于觀(guān)察較慢的信號非常有用。P31材料發(fā)射綠光而P7材料發(fā)光的顏色為黃綠色。

將輸入信號加到Y軸偏轉板上而示波器自己使電子束沿X軸方向掃描。這樣就使得光點(diǎn)在屏幕上描繪出輸入信號的波形。這樣掃出的信號波形稱(chēng)為波形軌跡。

影響屏幕的控制機構有：

－輝度

輝度控制用來(lái)調切波形顯示的亮度。本書(shū)中用作示例的示波器所采用的電路能夠根據不同的掃描速度自動(dòng)調切輝度。當電子束移動(dòng)得比較快時(shí)熒光物質(zhì)受到激勵的時(shí)間就變短因此必須增加輝度才能看清軌跡。相反當電子束移動(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(cháng)示波管的壽命。

對于屏幕上的文字部分另有單獨的輝度控制機構。

－聚焦

聚焦控制機構用來(lái)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(shū)用作示例的示波器上聚集也是由示波器自己進(jìn)行最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)調節的聚集控制。

－掃描旋轉

這個(gè)控制機構使X軸掃描線(xiàn)和水平標尺線(xiàn)對齊。由于地球的磁場(chǎng)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(xiàn)。掃跡旋轉功能就用來(lái)對此進(jìn)行補償。掃描旋轉功能是預先調好的通常只需在示波器搬動(dòng)后再行調節。

－標尺照明

標尺亮度可以單獨控制。這對于屏幕攝影或在弱光線(xiàn)條件下工作時(shí)非常有用。

－Z調制

掃描的輝度可以用電氣的方法通過(guò)一個(gè)外加的信號來(lái)改變。這對于由外部信號來(lái)產(chǎn)生水平偏轉以及使用X－Y顯示方式來(lái)尋找頻率關(guān)系的應用中是十分有用的.

此信號輸入端通常是示波器后面板上的一個(gè)BNC插座。

1．2 模擬示波器方框圖

CRT是所有示波器的基礎。現在我們已經(jīng)對它有所了解。下面我們就看一看示波管是怎樣作為示波器的心臟來(lái)起作用的。

我們已經(jīng)看到示波器有兩個(gè)垂直偏轉板兩個(gè)水平偏轉板和一個(gè)電子槍。從電子槍發(fā)射出的電子束的強度可以用電氣的辦法來(lái)加以控制。

在上術(shù)基礎上再增添下面敘述的電路就可以構成一個(gè)完整的示波器（見(jiàn)圖2）

示波管的垂直偏轉系統包括：

• 輸入衰減器（每通道一個(gè)）
• 前置放大器（每通道一個(gè)）
• 用來(lái)選擇使用哪一個(gè)輸入通道的電子開(kāi)關(guān)
• 偏轉放大器

示波器的水平偏轉系統包括：時(shí)基、觸發(fā)電路和水平偏轉放大器

輝度控制電路用電子學(xué)的方法在恰當的時(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內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系統的特性來(lái)決定的所以我們首先來(lái)詳細地考察這一部分。

1．3 垂直偏轉

靈敏度

垂直偏轉系統對輸入信號進(jìn)行比例變換使之能在屏幕上表現出來(lái)。示波器可以顯示峰峰值電壓為幾毫伏到幾十伏的信號。因此必須把不同幅度的信號進(jìn)行變換以適應屏幕的顯示范圍這樣就可以按照標尺刻度對波形進(jìn)行測量。為此就要求對大信號進(jìn)行衰減、對小信號進(jìn)行放大。示波器的靈敏度或衰減器控制就是為此而設置的。

靈敏度是以每格的伏特數來(lái)衡量的看一下圖3可以知道其靈敏度設置為1V/格。因此峰峰值為6V的信號使得掃跡在垂直方向的6個(gè)格內偏轉變化。知道了示波器的靈敏度設置值和電子束在垂直方向掃描的格數我們就可以測量出信號的峰峰電壓值。

在多數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(lái)進(jìn)行控制的而在有些示波器則是用轉動(dòng)垂直靈敏度旋鈕來(lái)進(jìn)行。

如果使用這些靈敏度步進(jìn)不能調節信號使之能夠準確的按照要求在屏幕上顯示那么就可以使用可變（VAR）控制。在第6章我們將會(huì )看到使用標尺刻度來(lái)進(jìn)行信號上升時(shí)間的測量就是一個(gè)很好的例子。可變控制能夠在1－2－5的步進(jìn)值之間對靈敏度進(jìn)行連續調節。通常當使用可變控制時(shí)準確的靈敏度值是不知道的。我們只知道這時(shí)示波器的靈敏度是在1－2－5序列的兩個(gè)步進(jìn)值之間的某個(gè)值。這時(shí)我們稱(chēng)該通道的Y偏轉是未校準的或表示為"uncal"。這種未校準的狀態(tài)通常在示波器的前面板或屏幕上指示出來(lái)。

在更現代化的示波器例如我們用作示例的示波器由于彩用了現代先進(jìn)的技術(shù)進(jìn)行控制和校準。因此示波器的靈敏度可以在最小值和最大值之間連續變化而始終保持處于校準狀態(tài)。

在老式的示波器上通道靈敏度的設置值是從靈敏度控制旋鈕周?chē)�的刻度上讀出的。而在新型的示波器上通道靈敏度設置值清晰地顯示在屏幕上如圖3所示或者用一個(gè)單獨的CD顯示器顯示出來(lái)。

耦合

耦合控制機構決定輸入信號從示波器前面板上的BNC輸入端通到該通道垂直偏轉系統其它部分的方式。耦合控制可以有兩種設置方式即DC耦合和AC耦合。

DC耦合方式為信號提供直接的連接通路。因此信號提供直接的連接通路。因此信號的所有分量（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。這樣信號的DC分量就被阻斷而信號的低頻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幅度僅為其直實(shí)幅度為71％時(shí)的信號頻率。示波器的低頻截止頻率主要決定于其輸入耦合電容的數值。示波器的低頻截止頻率典型值為10Hz見(jiàn)圖4。

和耦合控制機構有關(guān)的另一個(gè)功能是輸入接地功能。這時(shí)輸入信號和衰減器斷開(kāi)并將衰減器輸入端連至示波器的地電平。當選擇接地時(shí)在屏幕上將會(huì )看到一條位于0V電平的直線(xiàn)。這時(shí)可以使用位置控制機構來(lái)調節這個(gè)參考電平或掃描基線(xiàn)的位置。

輸入阻抗

多數示波器的輸入阻抗為1MΩ和大約25pF相關(guān)聯(lián)。這足以滿(mǎn)足多數應用場(chǎng)合的要求因為它對多數電路的負載效應極小。

有些信號來(lái)自50Ω輸出阻搞的源。為了準確的測量這些信號并避免發(fā)生失真必須對這些信號進(jìn)行正確的傳送和端接。這時(shí)應當使用50Ω特性阻抗的電纜并用50Ω的負載進(jìn)行端接。某些示波器如PM3094和PM3394A內部裝有一個(gè)50Ω的負載提供一種用戶(hù)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。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控制機構控制掃跡在屏幕Y軸的位置。在輸入耦合控制中選擇接地這時(shí)就將輸入信號斷開(kāi)這樣就可以找到地電平的位置。在更先進(jìn)的示波器上設有單獨的地電平指示器它可以讓用戶(hù)能連續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的最大幅值在此信號幅值下只要調節示波器的垂直位置仍能觀(guān)察到波形的全部。對于Fluke公司的示波器來(lái)說(shuō)動(dòng)態(tài)范圍的典型值為24路（3個(gè)屏幕）

相加和反向

簡(jiǎn)單的把兩個(gè)信號相加起來(lái)似乎沒(méi)有什么實(shí)際意義。然百把兩個(gè)有關(guān)信號之一反向再將二者相加實(shí)際上就實(shí)現了兩個(gè)信號的相減。這對于消除共模干擾（即交流聲）或者進(jìn)行差分測量都是非常有用的。

從一個(gè)系統的輸出信號中減去輸入信號再進(jìn)行適當的比例變換就可以測出被測系統引起的失真。

由于很多電子系統本身就具有反向的特性這樣只要把示波器的兩個(gè)輸入信號相加就能實(shí)現我們所期望的信號相減。

交替和斷續

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用中常常要進(jìn)行信號的比較例如研究輸入/輸出信號間的關(guān)系或者一個(gè)系統對信號的延遲等。這就要求示波器實(shí)際上能同時(shí)顯示不只一個(gè)信號。

為了達到這一目的可以用兩種辦法來(lái)控制電子束：

1.可以交替地畫(huà)完一條掃跡再畫(huà)另一條掃跡。這種方法稱(chēng)為交替模式或簡(jiǎn)稱(chēng)為ALT模式。

2.可以在兩條掃跡之間迅速的進(jìn)行開(kāi)關(guān)或斬波切換從而分段的畫(huà)出兩條掃跡。這稱(chēng)為斷續模式或CHOP模式。其結果是在一次掃描的時(shí)間里一段接一段的畫(huà)出兩條掃跡。

斷續模式適合于在低時(shí)基速率下顯示低頻率信號因為這時(shí)斬波器開(kāi)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)基設置的高頻率信號的顯示。本書(shū)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模式以給出最好的顯示效果。用戶(hù)也可以手動(dòng)選擇ALT或CHOP模式以適合特殊信號的需求。

帶寬

示波器最生根的技術(shù)指標就是帶寬。示波器的帶寬表明了該示波器垂直系統的頻率響應。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3dB的幅度來(lái)顯示信號的最高頻率。

－3dB點(diǎn)的頻率就是示波器所顯示的信號幅度"Vdisp"為示波器輸入端真實(shí)信號值"Vinput"的71％時(shí)的信號頻率如下式所示：設:
dB(伏)＝20log(電壓比)
－3Db=20log(Vdisp/Vinput)
－0。15＝log(Vdisp/Vinput)
10-0.15=Vdisp/Vinput
Vdisp=0.7Vinput 
圖5表示出一個(gè)100MHz示波器的典型頻率響應曲線(xiàn)。

出于現實(shí)的理由通常把帶寬想象成為叔響曲線(xiàn)一直平坦延伸至其截止頻率然后從該頻率以－20dB/+倍頻程的斜率下降。當然，紅外熱像儀這是一種簡(jiǎn)化的考慮。實(shí)際上放大器的靈敏度從較低的頻率就開(kāi)始下降百在其截止頻率達到－3dB。圖5中中同時(shí)給出了簡(jiǎn)化的頻率響應曲線(xiàn)和實(shí)際的頻率響應曲線(xiàn)。 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)間通常規定為信號從其穩態(tài)最大值的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(lái)說(shuō)能夠顯示的最快的瞬變的時(shí)間。示波器的高頻響應曲線(xiàn)是經(jīng)過(guò)認真安排的。這就保證了具有高諧波含量的信號如方波能夠在屏幕上精確的再現。如果頻響曲線(xiàn)下降太快則在信號的快速上升沿上就會(huì )發(fā)生振鈴現象。如果頻響曲線(xiàn)下降豐慢即在頻響曲線(xiàn)上下降開(kāi)始得過(guò)早則示波器總的高頻響應就受到影響使得方波失去其"方形"特性。

對于各種通用示波器來(lái)說(shuō)其高頻響應曲線(xiàn)是類(lèi)似的。從該曲線(xiàn)我們可以得到一個(gè)示波器帶寬和上升時(shí)間的簡(jiǎn)單關(guān)系公式。此公式為

tr(s)=0.35/BW(Hz)

對于高頻示波器來(lái)說(shuō)這個(gè)公式可以表示為：

tr(ns)=350/BW(MHz)

對于一個(gè)100MHz的示波器來(lái)說(shuō)上升時(shí)間為3。5（ns=納秒10－9秒）

在示波器的標尺上刻有標明0％和100％的專(zhuān)門(mén)的線(xiàn)用來(lái)進(jìn)行上升時(shí)間的測量。測量時(shí)我們先用VAR靈敏度控制機構將被測認號的頂部和底部分別和標有0％和100％的線(xiàn)對齊。

然后找出信號和標尺上標有10％和90％的兩條線(xiàn)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(lái)。

要想測量一臺示波器的上升時(shí)間我們使用與上述相同的方法只是要求測試信號的上升時(shí)間應當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的上升時(shí)間至少應小于示波器上升時(shí)間的五分之一。示波器上顯示的上升時(shí)間應當是示波器上升時(shí)間和信號上升時(shí)間和組合函數。其關(guān)系為

trdisplayed=√(trsignal2+trScopeM2)

請記住這個(gè)公式你將發(fā)現它是很有用的。