1．1 說明和功能

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上移動(dòng)的指針或者數(shù)字顯示來給出信號(hào)電壓的測(cè)量讀數(shù)。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(hào)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(qū)別是：
1.電壓表可以給出祥測(cè)信號(hào)的數(shù)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(hào)形狀的信息。有的電壓表也能測(cè)量信號(hào)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(hào)隨時(shí)間變化的歷史情況。
2.電壓表通常只能對(duì)一個(gè)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量而示波器則能同時(shí)顯示兩個(gè)或多個(gè)信號(hào)。

顯示系統(tǒng)

示波器的顯示器件是陰極射線管縮寫為CRT見圖1。陰極射線管的基礎(chǔ)是一個(gè)能產(chǎn)生電子的系統(tǒng)稱為電子槍。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(nèi)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。

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

在屏幕的內(nèi)表面用刻劃或腐蝕的方法作出許多水平和垂直的直線形成網(wǎng)絡(luò)稱為標(biāo)尺。標(biāo)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(biāo)尺線又進(jìn)一步分成小格并且還有標(biāo)明0％和100％的特別線。這些特別的線和標(biāo)明10％和90％的標(biāo)尺配合使用以進(jìn)行上升時(shí)間的測(cè)量。我們后面會(huì)討論這個(gè)問題。

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(dāng)電子束移開后熒光物質(zhì)在一個(gè)短的時(shí)間內(nèi)還會(huì)繼續(xù)發(fā)光。這個(gè)時(shí)間稱為余輝時(shí)間。余輝時(shí)間的長(zhǎng)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(zhǎng)約為300ms這對(duì)于觀察較慢的信號(hào)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(hào)加到Y(jié)軸偏轉(zhuǎn)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(hào)的波形。這樣掃出的信號(hào)波形稱為波形軌跡。

影響屏幕的控制機(jī)構(gòu)有：

－輝度

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

對(duì)于屏幕上的文字部分另有單獨(dú)的輝度控制機(jī)構(gòu)。

－聚焦

聚焦控制機(jī)構(gòu)用來控制屏幕上光點(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(diào)節(jié)的聚集控制。

－掃描旋轉(zhuǎn)

這個(gè)控制機(jī)構(gòu)使X軸掃描線和水平標(biāo)尺線對(duì)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。掃跡旋轉(zhuǎn)功能就用來對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償。掃描旋轉(zhuǎn)功能是預(yù)先調(diào)好的通常只需在示波器搬動(dòng)后再行調(diào)節(jié)。

－標(biāo)尺照明

標(biāo)尺亮度可以單獨(dú)控制。這對(duì)于屏幕攝影或在弱光線條件下工作時(shí)非常有用。

－Z調(diào)制

掃描的輝度可以用電氣的方法通過一個(gè)外加的信號(hào)來改變。這對(duì)于由外部信號(hào)來產(chǎn)生水平偏轉(zhuǎn)以及使用X－Y顯示方式來尋找頻率關(guān)系的應(yīng)用中是十分有用的.

此信號(hào)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(chǔ)。現(xiàn)在我們已經(jīng)對(duì)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起作用的。

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

在上術(shù)基礎(chǔ)上再增添下面敘述的電路就可以構(gòu)成一個(gè)完整的示波器（見圖2）

示波管的垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括：

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

示波器的水平偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括：時(shí)基、觸發(fā)電路和水平偏轉(zhuǎn)放大器

輝度控制電路用電子學(xué)的方法在恰當(dāng)?shù)臅r(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(jī)內(nèi)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(zhuǎn)系統(tǒng)的特性來決定的所以我們首先來詳細(xì)地考察這一部分。

1．3 垂直偏轉(zhuǎn)

靈敏度

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

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

在多數(shù)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(shè)置顛倒為10mV/格、20mV/格、50mV/、100mV/格等等。靈敏度通常是用幅度上升/下降鈕來進(jìn)行控制的而在有些示波器則是用轉(zhuǎn)動(dòng)垂直靈敏度旋鈕來進(jìn)行。

如果使用這些靈敏度步進(jìn)不能調(diào)節(jié)信號(hào)使之能夠準(zhǔn)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(biāo)尺刻度來進(jìn)行信號(hào)上升時(shí)間的測(cè)量就是一個(gè)很好的例子�？勺兛刂颇軌蛟�1－2－5的步進(jìn)值之間對(duì)靈敏度進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)。通常當(dāng)使用可變控制時(shí)準(zhǔn)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)我們稱該通道的Y偏轉(zhuǎn)是未校準(zhǔn)的或表示為"uncal"。這種未校準(zhǔn)的狀態(tài)通常在示波器的前面板或屏幕上指示出來。

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

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

耦合

耦合控制機(jī)構(gòu)決定輸入信號(hào)從示波器前面板上的BNC輸入端通到該通道垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)其它部分的方式。耦合控制可以有兩種設(shè)置方式即DC耦合和AC耦合。

DC耦合方式為信號(hào)提供直接的連接通路。因此信號(hào)提供直接的連接通路。因此信號(hào)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(hào)的DC分量就被阻斷而信號(hào)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(hào)幅度僅為其直實(shí)幅度為71％時(shí)的信號(hào)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(shù)值。示波器的低頻截止頻率典型值為10Hz見圖4。

和耦合控制機(jī)構(gòu)有關(guān)的另一個(gè)功能是輸入接地功能。這時(shí)輸入信號(hào)和衰減器斷開并將衰減器輸入端連至示波器的地電平。當(dāng)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。這時(shí)可以使用位置控制機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)這個(gè)參考電平或掃描基線的位置。

輸入阻抗

多數(shù)示波器的輸入阻抗為1MΩ和大約25pF相關(guān)聯(lián)。這足以滿足多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合的要求因?yàn)樗鼘?duì)多數(shù)電路的負(fù)載效應(yīng)極小。

有些信號(hào)來自50Ω輸出阻搞的源。為了準(zhǔn)確的測(cè)量這些信號(hào)并避免發(fā)生失真必須對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行正確的傳送和端接。這時(shí)應(yīng)當(dāng)使用50Ω特性阻抗的電纜并用50Ω的負(fù)載進(jìn)行端接。某些示波器如PM3094和PM3394A內(nèi)部裝有一個(gè)50Ω的負(fù)載提供一種用戶可選擇的功能。為避免誤操作選擇此功能時(shí)需經(jīng)再次確認(rèn)。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(jī)構(gòu)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(hào)斷開這樣就可以找到地電平的位置。在更先進(jìn)的示波器上設(shè)有單獨(dú)的地電平指示器它可以讓用戶能連續(xù)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(hào)的最大幅值在此信號(hào)幅值下只要調(diào)節(jié)示波器的垂直位置仍能觀察到波形的全部。對(duì)于Fluke公司的示波器來說動(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(hào)相加起來似乎沒有什么實(shí)際意義。然百把兩個(gè)有關(guān)信號(hào)之一反向再將二者相加實(shí)際上就實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)信號(hào)的相減。這對(duì)于消除共模干擾（即交流聲）或者進(jìn)行差分測(cè)量都是非常有用的。

從一個(gè)系統(tǒng)的輸出信號(hào)中減去輸入信號(hào)再進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋壤�變換就可以測(cè)出被測(cè)系統(tǒng)引起的失真。

由于很多電子系統(tǒng)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(hào)相加就能實(shí)現(xiàn)我們所期望的信號(hào)相減。

交替和斷續(xù)

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(yīng)用中常常要進(jìn)行信號(hào)的比較例如研究輸入/輸出信號(hào)間的關(guān)系或者一個(gè)系統(tǒng)對(duì)信號(hào)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(hào)。

為了達(dá)到這一目的可以用兩種辦法來控制電子束：

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

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

斷續(xù)模式適合于在低時(shí)基速率下顯示低頻率信號(hào)因?yàn)檫@時(shí)斬波器開關(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(shè)置的高頻率信號(hào)的顯示。本書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。用戶也可以手動(dòng)選擇ALT或CHOP模式以適合特殊信號(hào)的需求。

帶寬

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

－3dB點(diǎn)的頻率就是示波器所顯示的信號(hào)幅度"Vdisp"為示波器輸入端真實(shí)信號(hào)值"Vinput"的71％時(shí)的信號(hào)頻率如下式所示：設(shè):
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(yīng)曲線。

出于現(xiàn)實(shí)的理由通常把帶寬想象成為叔響曲線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(dāng)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始下降百在其截止頻率達(dá)到－3dB。圖5中中同時(shí)給出了簡(jiǎn)化的頻率響應(yīng)曲線和實(shí)際的頻率響應(yīng)曲線。 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(duì)于進(jìn)行高靈敏度的測(cè)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(guī)定為信號(hào)從其穩(wěn)態(tài)最大值的10％到90％所用的時(shí)間。

上升時(shí)間是一個(gè)示波器從理論上來說能夠顯示的最快的瞬變的時(shí)間。示波器的高頻響應(yīng)曲線是經(jīng)過認(rèn)真安排的。這就保證了具有高諧波含量的信號(hào)如方波能夠在屏幕上精確的再現(xiàn)。如果頻響曲線下降太快則在信號(hào)的快速上升沿上就會(huì)發(fā)生振鈴現(xiàn)象。如果頻響曲線下降豐慢即在頻響曲線上下降開始得過早則示波器總的高頻響應(yīng)就受到影響使得方波失去其"方形"特性。

對(duì)于各種通用示波器來說其高頻響應(yīng)曲線是類似的。從該曲線我們可以得到一個(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(duì)于高頻示波器來說這個(gè)公式可以表示為：

tr(ns)=350/BW(MHz)

對(duì)于一個(gè)100MHz的示波器來說上升時(shí)間為3。5（ns=納秒10－9秒）

在示波器的標(biāo)尺上刻有標(biāo)明0％和100％的專門的線用來進(jìn)行上升時(shí)間的測(cè)量。測(cè)量時(shí)我們先用VAR靈敏度控制機(jī)構(gòu)將被測(cè)認(rèn)號(hào)的頂部和底部分別和標(biāo)有0％和100％的線對(duì)齊。

然后找出信號(hào)和標(biāo)尺上標(biāo)有10％和90％的兩條線的交點(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。

要想測(cè)量一臺(tái)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(cè)試信號(hào)的上升時(shí)間應(yīng)當(dāng)比該示波器的上升時(shí)間短得多。為獲得2％的測(cè)量誤差測(cè)試信號(hào)的上升時(shí)間至少應(yīng)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(yīng)當(dāng)是示波器上升時(shí)間和信號(hào)上升時(shí)間和組合函數(shù)。其關(guān)系為

trdisplayed=√(trsignal2+trScopeM2)

請(qǐng)記住這個(gè)公式你將發(fā)現(xiàn)它是很有用的。