示波器的使用方法和原理

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1、1示波器工作原理示波器是利用电子示波管的特性，将人眼无法直接观测的交变电信号转 换成图像，显示在荧光屏上以便测量的电子测量仪器。它是观察数字电路实验现象、分析实 验中的问题、测量实验结果必不可少的重要仪器。示波器由示波管和电源系统、同步系统、 X轴偏转系统、Y轴偏转系统、延迟扫描系统、标准信号源组成。1.1示波管阴极射线管(CRT)简称示波管，是示波器的核心。它将电信号转换为光信号。电子枪、偏转 系统和荧光屏三部分密封在一个真空玻璃壳内，构成了一个完整的示波管。1. 荧光屏现在的示波管屏面通常是矩形平面，内表面沉积一层磷光材料构成荧光膜。在荧光膜上常又 增加一层蒸发铝膜。高速电子穿过铝膜，撞击

2、荧光粉而发光形成亮点。铝膜具有内反射作用， 有利于提高亮点的辉度。铝膜还有散热等其他作用。当电子停止轰击后，亮点不能立即消失而要保留一段时间。亮点辉度下降到原始值的10% 所经过的时间叫做“余辉时间”。余辉时间短于10煦为极短余辉，10ps1ms为短余辉， 1ms0. 1s为中余辉，0. 1s-1s为长余辉，大于1s为极长余辉。一般的示波器配备中余 辉示波管，高频示波器选用短余辉，低频示波器选用长余辉。由于所用磷光材料不同，荧光屏上能发出不同颜色的光。一般示波器多采用发绿光的示波管， 以保护人的眼睛。2.电子枪及聚焦电子枪由灯丝(F)、阴极(K)、栅极(G1)、前加速极(G2)(或称第二栅极)

3、、第一阳极(A1)和第 二阳极(A2)组成。它的作用是发射电子并形成很细的高速电子束。灯丝通电加热阴极，阴极 受热发射电子。栅极是一个顶部有小孔的金属园筒，套在阴极外面。由于栅极电位比阴极低， 对阴极发射的电子起控制作用，一般只有运动初速度大的少量电子，在阳极电压的作用下能 穿过栅极小孔，奔向荧光屏。初速度小的电子仍返回阴极。如果栅极电位过低，则全部电子 返回阴极，即管子截止。调节电路中的W1电位器，可以改变栅极电位，控制射向荧光屏的 电子流密度，从而达到调节亮点的辉度。第一阳极、第二阳极和前加速极都是与阴极在同一 条轴线上的三个金属圆筒。前加速极G2与A2相连，所加电位比A1高。G2的正电位

4、对阴 极电子奔向荧光屏起加速作用。电子束从阴极奔向荧光屏的过程中，经过两次聚焦过程。第一次聚焦由K、G1、G2完成， K、K、G1、G2叫做示波管的第一电子透镜。第二次聚焦发生在G2、A1、A2区域，调节 第二阳极A2的电位，能使电子束正好会聚于荧光屏上的一点，这是第二次聚焦。A1上的 电压叫做聚焦电压，A1又被叫做聚焦极。有时调节A1电压仍不能满足良好聚焦，需微调 第二阳极A2的电压，A2又叫做辅助聚焦极。3.偏转系统偏转系统控制电子射线方向，使荧光屏上的光点随外加信号的变化描绘出被测信号的波形。 图8. 1中，Y1、Y2和X、X2两对互相垂直的偏转板组成偏转系统。Y轴偏转板在前，X 轴偏转

5、板在后，因此Y轴灵敏度高(被测信号经处理后加到Y轴)。两对偏转板分别加上电压， 使两对偏转板间各自形成电场，分别控制电子束在垂直方向和水平方向偏转。4.示波管 的电源为使示波管正常工作，对电源供给有一定要求。规定第二阳极与偏转板之间电位相近，偏转 板的平均电位为零或接近为零。阴极必须工作在负电位上。栅极G1相对阴极为负电位 (30V100V)，而且可调，以实现辉度调节。第一阳极为正电位(约+100V+600V)，也 应可调，用作聚焦调节。第二阳极与前加速极相连，对阴极为正高压(约+1000V)，相对于 地电位的可调范围为50V。由于示波管各电极电流很小，可以用公共高压经电阻分压器供 电。1.2

6、示波器的基本组成 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。我们知道，一个电子信号是时间的函数f(t)，它 随时间的变化而变化。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。示波器的基本组成框图如图2所示。它由示波管、Y轴系统、X轴系统、Z轴系统和电源等 五部分组成。图2示波器基本组成框图被测信号接到“Y输入端，经Y轴衰减器适当衰减后送至Y1 放大器(前置放大)，推挽输出信号和。经

7、延迟级延迟ri时间，到Y2放大器。放大后产 生足够大的信号和，加到示波管的Y轴偏转板上。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轴系统的触发电路，在引入信号的正(或者负)极性的某一电 平值产生触发脉冲，启动锯齿波扫描电路(时基发生器)，产生扫描电压。由于从触发到 启动扫描有一时间延迟r2，为保证Y轴信号到达荧光屏之前X轴开始扫描，Y轴的延迟时 间ri应稍大于X轴的延迟时间r2。扫描电压经X轴放大器放大，产生推挽输出和， 加到示波管的X轴偏转板上。z轴系统用于放大扫描电压正程，并且变成正向矩形波，送到 示波管栅极。这使得在扫描正程显示的波形有某一固定辉度，而在扫描回程进行抹迹。

8、以上是示波器的基本工作原理。双踪显示则是利用电子开关将Y轴输入的两个不同的被测 信号分别显示在荧光屏上。由于人眼的视觉暂留作用，当转换频率高到一定程度后，看到的 是两个稳定的、清晰的信号波形。示波器中往往有一个精确稳定的方波信号发生器，供校验示波器用。2示波器使用本节 介绍示波器的使用方法。示波器种类、型号很多，功能也不同。数字电路实验中使用较多的 是20MHz或者40MHz的双踪示波器。这些示波器用法大同小异。本节不针对某一型号的 示波器，只是从概念上介绍示波器在数字电路实验中的常用功能。2.1荧光屏荧光屏是示波管的显示部分。屏上水平方向和垂直方向各有多条刻度线，指示出信号波形的 电压和时间

9、之间的关系。水平方向指示时间，垂直方向指示电压。水平方向分为10格，垂 直方向分为8格，每格又分为5份。垂直方向标有0%，10%，90%，100%等标志，水平 方向标有10%，90%标志，供测直流电平、交流信号幅度、延迟时间等参数使用。根据被 测信号在屏幕上占的格数乘以适当的比例常数(V/ DIV，TIME/DIV)能得出电压值与时间 值。2. 2示波管和电源系统1 .电源(Power)示波器主电源开关。当此开关按下时，电源指示灯亮，表示电源接通。2. 辉度(Intensity)旋转此旋钮能改变光点和扫描线的亮度。观察低频信号时可小些，高频信号时大些。一般不应太亮，以保护荧光屏。3. 聚焦(F

10、ocus)聚焦旋钮调节电子束截面大小，将扫描线聚焦成最清晰状态。4. 标尺亮度(Illuminance)此旋钮调节荧光屏后面的照明灯亮度。正常室内光线下，照明灯暗一些好。室内光线不足的 环境中，可适当调亮照明灯。2. 3垂直偏转因数和水平偏转因数1.垂直偏转因数选择(VOLTS /DIV)和微调在单位输入信号作用下，光点在屏幕上偏移的距离称为偏移灵敏度，这一定义对X轴和Y 轴都适用。灵敏度的倒数称为偏转因数。垂直灵敏度的单位是为cm/V，cm / mV或者DIV / mV, DIV / V,垂直偏转因数的单位是V/cm, mV/cm或者V/ DIV, mV / DIV。实际 上因习惯用法和测量

11、电压读数的方便，有时也把偏转因数当灵敏度。踪示波器中每个通道各有一个垂直偏转因数选择波段开关。一般按1, 2, 5方式从5mV/ DIV到5V/DIV分为10档。波段开关指示的值代表荧光屏上垂直方向一格的电压值。例如 波段开关置于1V/ DIV档时，如果屏幕上信号光点移动一格，则代表输入信号电压变化IV。 每个波段开关上往往还有一个小旋钮，微调每档垂直偏转因数。将它沿顺时针方向旋到底， 处于“校准”位置，此时垂直偏转因数值与波段开关所指示的值一致。逆时针旋转此旋钮，能 够微调垂直偏转因数。垂直偏转因数微调后，会造成与波段开关的指示值不一致，这点应引 起注意。许多示波器具有垂直扩展功能，当微调旋

12、钮被拉出时，垂直灵敏度扩大若干倍(偏 转因数缩小若干倍)。例如，如果波段开关指示的偏转因数是1V/DIV,采用x5扩展状态时， 垂直偏转因数是0. 2V/DIV。在做数字电路实验时，在屏幕上被测信号的垂直移动距离与+5V信号的垂直移动距离之比 常被用于判断被测信号的电压值。2. 时基选择(TIME/DIV)和微调时基选择和微调的使用方法与垂直偏转因数选择和微调类似。时基选择也通过一个波段开关 实现，按1、2、5方式把时基分为若干档。波段开关的指示值代表光点在水平方向移动一 个格的时间值。例如在和S/ DIV档，光点在屏上移动一格代表时间值和S。“微调”旋钮用于时基校准和微调。沿顺时针方向旋到底

13、处于校准位置时，屏幕上显示的时基 值与波段开关所示的标称值一致。逆时针旋转旋钮，则对时基微调。旋钮拔出后处于扫描扩 展状态。通常为x10扩展，即水平灵敏度扩大10倍，时基缩小到1/10。例如在2pS/DIV 档，扫描扩展状态下荧光屏上水平一格代表的时间值等于2pSx(1/10)=0.2pSTDS实验台上有10MHz、1MHz、500kHz、100kHz的时钟信号，由石英晶体振荡器和分 频器产生，准确度很高，可用来校准示波器的时基。示波器的标准信号源CAL,专门用于校准示波器的时基和垂直偏转因数。例如COS5041 型示波器标准信号源提供一个VP-P=2V,f=1kHz的方波信号。示波器前面板上

14、的位移(Position)旋钮调节信号波形在荧光屏上的位置。旋转水平位移旋钮 (标有水平双向箭头)左右移动信号波形，旋转垂直位移旋钮(标有垂直双向箭头)上下移动信 号波形。2.4输入通道和输入耦合选择1. 输入通道选择输入通道至少有三种选择方式：通道1(CH1)、通道2(CH2)、双通道(DUAL)。选择通道1 时，示波器仅显示通道1的信号。选择通道2时，示波器仅显示通道2的信号。选择双通 道时，示波器同时显示通道1信号和通道2信号。测试信号时，首先要将示波器的地与被 测电路的地连接在一起。根据输入通道的选择，将示波器探头插到相应通道插座上，示波器 探头上的地与被测电路的地连接在一起，示波器探

15、头接触被测点。示波器探头上有一双位开 关。此开关拨到1”位置时，被测信号无衰减送到示波器，从荧光屏上读出的电压值是信号 的实际电压值。此开关拨到10”位置时，被测信号衰减为1/10,然后送往示波器，从荧 光屏上读出的电压值乘以10才是信号的实际电压值。2. 输入耦合方式输入耦合方式有三种选择：交流(AC)、地(GND)、直流(DC)。当选择“地”时，扫描线显示出 “示波器地”在荧光屏上的位置。直流耦合用于测定信号直流绝对值和观测极低频信号。交流 耦合用于观测交流和含有直流成分的交流信号。在数字电路实验中，一般选择“直流”方式， 以便观测信号的绝对电压值。2.5触发 第一节指出，被测信号从Y轴输

16、入后，一部分送到示波管的Y轴偏转板上，驱动光点在荧 光屏上按比例沿垂直方向移动；另一部分分流到x轴偏转系统产生触发脉冲，触发扫描发生 器，产生重复的锯齿波电压加到示波管的X偏转板上，使光点沿水平方向移动，两者合一， 光点在荧光屏上描绘出的图形就是被测信号图形。由此可知，正确的触发方式直接影响到示 波器的有效操作。为了在荧光屏上得到稳定的、清晰的信号波形，掌握基本的触发功能及其 操作方法是十分重要的。1. 触发源(Source)选择要使屏幕上显示稳定的波形，则需将被测信号本身或者与被测信号有一定时间关系的触发信 号加到触发电路。触发源选择确定触发信号由何处供给。通常有三种触发源：内触发(INT)

17、、 电源触发(LINE)、外触发EXT)。内触发使用被测信号作为触发信号，是经常使用的一种触发方式。由于触发信号本身是被测 信号的一部分，在屏幕上可以显示出非常稳定的波形。双踪示波器中通道1或者通道2都 可以选作触发信号。电源触发使用交流电源频率信号作为触发信号。这种方法在测量与交流电源频率有关的信号 时是有效的。特别在测量音频电路、闸流管的低电平交流噪音时更为有效。外触发使用外加信号作为触发信号，外加信号从外触发输入端输入。外触发信号与被测信号 间应具有周期性的关系。由于被测信号没有用作触发信号，所以何时开始扫描与被测信号无 关。正确选择触发信号对波形显示的稳定、清晰有很大关系。例如在数字电

18、路的测量中，对一个 简单的周期信号而言，选择内触发可能好一些，而对于一个具有复杂周期的信号，且存在一 个与它有周期关系的信号时，选用外触发可能更好。2. 触发耦合(Coupling )方式选择触发信号到触发电路的耦合方式有多种，目的是为了触发信号的稳定、可靠。这里介绍常用 的几种。AC耦合又称电容耦合。它只允许用触发信号的交流分量触发，触发信号的直流分量被隔断。 通常在不考虑DC分量时使用这种耦合方式，以形成稳定触发。但是如果触发信号的频率小 于10Hz，会造成触发困难。直流耦合(DC)不隔断触发信号的直流分量。当触发信号的频率较低或者触发信号的占空比 很大时，使用直流耦合较好。低频抑制(LF

19、R)触发时触发信号经过高通滤波器加到触发电路，触发信号的低频成分被抑 制；高频抑制(HFR)触发时，触发信号通过低通滤波器加到触发电路，触发信号的高频成分 被抑制。此外还有用于电视维修的电视同步(TV)触发。这些触发耦合方式各有自己的适用范 围，需在使用中去体会。3. 触发电平(Level)和触发极性(Slope)触发电平调节又叫同步调节，它使得扫描与被测信号同步。电平调节旋钮调节触发信号的触 发电平。一旦触发信号超过由旋钮设定的触发电平时，扫描即被触发。顺时针旋转旋钮，触 发电平上升；逆时针旋转旋钮，触发电平下降。当电平旋钮调到电平锁定位置时，触发电平 自动保持在触发信号的幅度之内，不需要电

20、平调节就能产生一个稳定的触发。当信号波形复 杂，用电平旋钮不能稳定触发时，用释抑(Hold Off)旋钮调节波形的释抑时间(扫描暂停时间)， 能使扫描与波形稳定同步。极性开关用来选择触发信号的极性。拨在“+”位置上时，在信号增加的方向上，当触发信号 超过触发电平时就产生触发。拨在“-”位置上时，在信号减少的方向上，当触发信号超过触发 电平时就产生触发。触发极性和触发电平共同决定触发信号的触发点。2.6扫描方式 (SweepMode)扫描有自动(Auto)、常态(Norm)和单次(Single)三种扫描方式。自动：当无触发信号输入，或者触发信号频率低于50Hz时，扫描为自激方式。常态：当无触发信号输入时，扫描处于准备状态，没有扫描线。触发信号到来后，触发扫描。 单次：单次按钮类似复位开关。单次扫描方式下，按单次按钮时扫描电路复位，此时准备好 (Ready)灯亮。触发信号到来后产生一次扫描。单次扫描结束后，准备灯灭。单次扫描用于 观测非周期信号或者单次瞬变信号，往往需要对波形拍照。上面扼要介绍了示波器的基本功能及操作。示波器还有一些更复杂的功能，如延 迟扫描、触发延迟、X-Y工作方式等，这里就不介绍了。示波器入门操作是容易 的，真正熟练则要在应用中掌握。