示波器 资料

模拟示波器

示波器是一种综合性电信号显示和测量仪器，它不但可以直接显示出电信号随时间变化的波形及其变化过程，测量出信号的幅度、频率、脉宽、相位差等，还能观察信号的非线形失真，测量调制信号的参数等。配合各种传感器，示波器还可以进行各种非电量参数的测量。

3.4.1 模拟示波器的组成和工作原理

模拟示波器的基本结构框图如图3-4-1所示。它由垂直系统（Y轴信号通道）、水平系统（X轴信号通道）、示波管及其电路、电源等组成。

被测信号输入YACGNDDC垂直系统垂直衰减垂直前置放大器延迟线垂直末级放大器示波管 外外触发输入内触发同步电路水平系统扫描电路水平放大器外X输入到所有单元电路低压电源Z轴放大器示波管电路示波管控制电路高压电源图3-4-1 模拟示波器结构框图

1.示波管的结构和工作原理 （1）示波管的结构

示波管是用以将被测电信号转变为光信号而显示出来的一个光电转换器件，它主要由电子、偏转系统和荧光屏三部分组成，如图3-4-2所示。

1）电子 电子由灯丝F、阴极K、栅极G1、前加速极G2、第一阳极A1和第二阳极A2组成。阴极K是一个表面涂有氧化物的金属圆筒，灯丝F装在圆筒内部，灯丝通电后加热阴极，使其发热并发射电子，经栅偏转系统显示屏电子极G1顶端的小孔、前加速极G2圆筒前加速极G2第二阳极A2栅极G1第一阳极A1内的金属膜片、第一阳极A1、

阴极K垂直偏转板y1第二阳极A2汇聚成可控的电子束冲x1灯丝F击荧光屏使之发光。栅极G1套在阴

x2极外面，其电位比阴极低，对阴极y2水平偏转板发射出的电子起控制作用。调节栅极电位可以控制射向荧光屏的电子+-流密度。栅极电位较高时，绝大多Rp3+Rp1Rp2数初速度较大的电子通过栅极顶端辅助调节辉度调节聚焦调节的小孔奔向荧光屏，只有少量初速图3-4-2 示波管结构示意图度较小的电子返回阴极，电子流密

度大，荧光屏上显示的波形较亮；反之，电子流密度小，荧光屏上显示的波形较暗。当栅极电位足够低时，电子会全部返回阴极，荧光屏上不显示光点。调节电阻Rp1即“辉度”调节

旋钮，就可改变栅极电位，也即改变显示波形的亮度。

第一阳极A1的电位远高于阴极，第二阳极A2的电位高于A1，前加速极G2位于栅极G1与第一阳极A1之间，且与第二阳极A2相连。G1、G2、A1、A2构成电子束控制系统。调节Rp2（“聚焦”调节旋钮）和Rp3（“辅助聚焦”调节旋钮），即第一、第二阳极的电位，可使发射出来的电子形成一条高速且聚集成细束的射线，冲击到荧光屏上会聚成细小的亮点，以保证显示波形的清晰度。

2）偏转系统 偏转系统由水平（X轴）偏转板和垂直（Y轴）偏转板组成。两对偏转板相互垂直，每对偏转板相互平行，其上加有偏转电压，形成各自的电场。电子束从电子射出之后，依次从两对偏转板之间穿过，受电场力作用，电子束产生偏移。其中，垂直偏转板控制电子束沿垂直（Y）轴方向上下运动，水平偏转板控制电子束沿水平（X）轴方向运动，形成信号轨迹并通过荧光屏显示出来。例如，只在垂直偏转板上加一直流电压，如果上板正，下板负，电子束在荧光屏上的光点就会向上偏移；反之，光点就会向下偏移。可见，光点偏移的方向取决于偏转板上所加电压的极性，而偏移的距离则与偏转板上所加的电压成正比。示波器上的“X位移”和“Y位移”旋钮就是用来调节偏转板上所加的电压值，以改变荧光屏上光点（波形）的位置。

3）荧光屏 荧光屏内壁涂有荧光物质，形成荧光膜。荧光膜在受到电子冲击后能将电子的动能转化为光能形成光点。当电子束随信号电压偏转时，光点的移动轨迹就形成了信号波形。 由于电子打在荧光屏上，仅有少部分能量转化为光能，大部分则变成热能。所以，使用示波器时，不能将光点长时间停留在某一处，以免烧坏该处的荧光物质，在荧光屏上留下不能发光的暗点。

（2）波形显示原理

电子束的偏转量与加在偏转板上的电压成正比，。将被测正弦电压加到垂直（Y轴）偏转板上，通过测量偏转量的大小就可以测出被测电压值。但由于水平（X轴）偏转板上没有加偏转电压，电子束只会沿Y轴方向上下垂直移动，光点重合成一条竖线，无法观察到波形的变化过程。为了观察被测电压的变化过程，就要同时在水平（X轴）偏转板上加一个与时间成线性关系的周期性的锯齿波。电子束在锯齿波电压作用下沿X轴方向匀速移动即“扫描”。在垂直（Y轴）和水平（X轴）两个偏转板的共同作用下，电子束在荧光屏上显示出波形的变化过程，如图3-4-3所示。

水平偏转板上所加的锯齿波电压称为扫描电压。当被测信号的周期与扫描电压的周期相等时，荧光屏上只显示一个正弦波。当扫描电压的周期是被测电压周期的整数倍时，荧光屏上将显示多个正弦波。示波器上的“扫描时间”旋钮就是用来调节扫描电压周期的。

2.水平系统

水平系统结构框图如图3-4-4所示，其主要作用是：产生锯齿波扫描电压并保持与Y通道输入被测信号同步，放大扫描电压或外触发信号，产生增图3-4-3 模拟示波器波形显示原理辉或消隐作用以控制示波器Z轴电路。

（1）触发同步电路

触发同步电路的主要作用：将触发信号（内部Y通道信号或外触发输入信号）经触发放大电路放大后，送到触发整形电路以产生前沿陡峭的触发脉冲，驱动扫描电路中的闸门电路。

1）“触发源”选择开关:用来选择触发信号的来源，使触发信号与被测信号相关。“内触发”：触发信号来自垂直系统的被测信号；“外触发”：触发信号来自示波器“外触发输入（EXT

TRIG）”端的输入信号。一般选择“内触发”方式。

2）“触发源耦合”方式开关:用于选择触发信号通过何种耦合方式送到触发输入放大器。“AC”为交流耦合，用于观察低频到较高频率的信号；“DC”为直流耦合，用于观察直流或缓慢变化的信号。

3）触发极性选择开关:用于选择触发时刻是在触发信号的上升沿还是下降沿。用上升沿触发的称为正极性触发；用下降沿触发的称为负极性触发。

接垂直系统触发极性AC触发输入放大电路闸门电路水平位移 外内 外触发DC输入触发整形电路扫描发生电路释抑电路内外水平放大器扩校展准触发源触发源触发电平选择开关耦合方式触发同步电路扫描电路水平放大电路图3-4-4 水平系统结构框图

4）触发电平旋钮:触发电平是指触发点位于触发信号的什么电平上。触发电平旋钮用于调节触发电平高低。

示波器上的触发极性选择开关和触发电平旋钮，用来控制波形的起始点并使显示的波形稳定。

（2）扫描电路

扫描电路主要由扫描发生器、闸门电路和释抑电路等组成。扫描发生器用来产生线性锯齿波。闸门电路的主要作用是在触发脉冲作用下，产生急升或急降的闸门信号，以控制锯齿波的始点和终点。释抑电路的作用是控制锯齿波的幅度，达到等幅扫描，保证扫描的稳定性。

（3）水平放大器

水平放大器的作用是进行锯齿波信号的放大或在X—Y方式下对X轴输入信号进行放大，使电子束产生水平偏转。

1）工作方式选择开关：选择“内”，X轴信号为内部扫描锯齿波电压时，荧光屏上显示的波形是时间T的函数，称为“X—T”工作方式；选择“外”，X轴信号为外输入信号，荧光屏上显示水平、垂直方向的合成图形，称为“X—Y”工作方式。

2）“水平位移”旋钮：“水平位移”旋钮用来调节水平放大器输出的直流电平，以使荧光屏上显示的波形水平移动。

3）“扫描扩展”开关：“扫描扩展”开关可改变水平放大电路的增益，使荧光屏水平方向单位长度（格）所代表的时间缩小为原值的1/k。

3.垂直系统

垂直系统主要由输入耦合选择器、衰减器、延迟电路和垂直放大器等组成，如图3-4-1所示。其作用是将被测信号送到垂直偏转板，以再现被测信号的真实波形。

（1）输入耦合选择器

选择被测信号进入示波器垂直通道的偶合方式。“AC”（交流耦合）：只允许输入信号的交流成分进入示波器，用于观察交流和不含直流成分的信号；“DC”（直流耦合）：输入信号的交、直流成分都允许通过，适用于观察含直流成分的信号或频率较低的交流信号以及脉冲信号；“GND”（接地）：输入信号通道被断开，示波器荧光屏上显示的扫描基线为零电平线。

（2）衰减器

衰减器用来衰减大输入信号的幅度，以保证垂直放大器输出不失真。示波器上的“垂直灵敏度”开关即为该衰减器的调节旋钮。

（3）垂直放大器

垂直放大器为波形幅度的微调部分，其作用是与衰减器配合，将显示的波形调到适宜于人观察的幅度。

（4）延迟电路

延迟电路的作用是使作用于垂直偏转板上的被测信号延迟到扫描电压出现后到达，以保证输入信号无失真的显示出来。

3.4.2 模拟示波器的正确调整

模拟示波器的调整和使用方法基本相同，现以MOS-620/0双踪示波器为例介绍如下： 1.MOS-620/0双踪示波器前面板简介

MOS-620/0双踪示波器的调节旋钮、开关、按键及连接器等都位于前面板上，如图3-4-5所示，其作用如下：

（1）示波管操作部分 6——“POWER”：主电源开关及指示灯。按下此开关，其左侧的发光二极管指示灯5亮，表明电源已接通。 2——“INTEN”：亮度调节钮。调节轨迹或光点的亮度。 3——“FOCUS”：聚焦调节钮。调节轨迹或亮光点的聚焦。 4——“TRACE ROTATION”：轨迹旋转。调整水平轨迹与刻度线相平行。 33——显示屏。显示信号的波形。 （2）垂直轴操作部分 7、22——“VOLTS/DIV”：垂直衰减钮。调节垂直偏转灵敏度，从5mV/div～5V/div，共10个档位。

8——“CH1X”：通道1被测信号输入连接器。在X-Y模式下，作为X轴输入端。 20——“CH2Y”：通道2被测信号输入连接器。在X-Y模式下，作为Y轴输入端。 9、21——“VAR”垂直灵敏度旋钮：微调灵敏度大于或等于1/2.5标示值。在校正（CAL）位置时，灵敏度校正为标示值。

10、19——“AC-GND-DC”：垂直系统输入耦合开关。选择被测信号进入垂直通道的耦合方式。“AC”：交流耦合；“DC”：直流耦合；“GND”：接地。

33323130HORIZONTALTRIG.ALT292827262524MODESOURECCH1·CH2·LINE·EXT·TRIG INTRIGGERAUTO·NORM·▲POSITIONSWP.VAR.TIME/DIV.2.150ms1.5··20···2·10us··55··102··201··50·.5··s1·2·.2×10··5X-YUNCAL×10 MAGVOLTS/DIV.2.1▲50.LEVELCAL-.+TV-V·TV-H·SLOPE+-VERTICALPOSITIONCAT.Ⅱ300VpkMAX！△23DCBALV.5DCBALVOLTS/DIVPOSITION.2.1202.5.51.mVALTCHOPCH1·CH2··AC·GNDDUAL··DCADD·AC·GND·DC·VMODECH2INV.550201.2.5.5mV1010VARCAL2Vpp1kHzCALVARCH1YCALINTERFOCUSTRACEROTATIONPOWERCH1X1MΩ/25pF1MΩ/25pF！△0CAT.Ⅱ300Vpk MAX1CAT.Ⅱ300Vpk MAX！△123591011121314151617181978图3-4-5 MOS-620CH/0CH双踪示波器前面板202122

11、18——“POSITION”：垂直位置调节旋钮。调节显示波形在荧光屏上的垂直位置。 12——“ALT”/“CHOP”：交替/断续选择按键，双踪显示时，放开此键（ALT），通道1与通道2的信号交替显示，适用于观测频率较高的信号波形；按下此键（CHOP），通道1与通道2的信号同时断续显示，适用于观测频率较低的信号波形。 13、15—“DC BAL”：CH1、CH2通道直流平衡调节旋钮。垂直系统输入耦合开关在GND时，在5mV与10mV间反复转动垂直衰减开关，调整“DC BAL”使光迹保持在零水平线上不移动。

14——“VERTICAL MODE”：垂直系统工作模式开关。CH1：通道1单独显示；CH2：通道2单独显示；DUAL：两个通道同时显示；ADD：显示通道1与通道2信号的代数或代数差（按下通道2的信号反向键“CH2 INV”时）。

17——“CH2 INV”：通道2信号反向按键。按下此键，通道2及其触发信号同时反向。 （3）触发操作部分 23——“TRIG IN”：外触发输入端子。用于输入外部触发信号。当使用该功能时，“SOURCE”开关应设置在EXT位置。

24——“SOURCE”：触发源选择开关。“CH1”：当垂直系统工作模式开关14设定在DUAL或ADD时，选择通道1作为内部触发信号源；“CH2”： 当垂直系统工作模式开关14设定在DUAL或ADD时，选择通道2作为内部触发信号源；“LINE”： 选择交流电源作为触发信号源；“EXT”： 选择“TRIG IN”端子输入的外部信号作为触发信号源。

25——“TRIGGER MODE”：触发方式选择开关。“AUTO”（自动）：当没有触发信号输入时，扫描处在自由模式下；“NORM”（常态）：当没有触发信号输入时，踪迹处在待命状态并不显示；“TV-V”（电视场）：当想要观察一场的电视信号时；“TV-H”（电视行）：当想要观察一行的电视信号时。 26——“SLOPE”：触发极性选择按键。释放为“+”，上升沿触发；按下为“-”，下降沿触发。

27——“LEVEL”：触发电平调节旋钮。显示一个同步的稳定波形，并设定一个波形的起始点。向“+”旋转触发电平向上移，向“-”旋转触发电平向下移。

28——“TRIG.ALT”： 当垂直系统工作模式开关14设定在DUAL或ADD，且触发源选择开关24选CH1或CH2时，按下此键，示波器会交替选择CH1和CH2作为内部触发信号源。

（4）水平轴操作部分 29——“TIME/DIV”：水平扫描速度旋钮。扫描速度从0.2μs/div到0.5s/div共20档。当设置到X-Y位置时，示波器可工作在X-Y方式。

30——“SWP VAR”：水平扫描微调旋钮。微调水平扫描时间，使扫描时间被校正到于面板上“TIME/DIV”指示值一致。顺时针转到底为校正（CAL）位置。

31——“×10 MAG”：扫描扩展开关。按下时扫描速度扩展10倍。 32——“POSITION”：水平位置调节钮。调节显示波形在荧光屏上的水平位置。 （4）其它操作部分 1——“CAL”：示波器校正信号输出端。提供幅度为2Vpp，频率为1kHz的方波信号，用于校正10∶1探头的补偿电容器和检测示波器垂直与水平偏转因数等。

16——“GND”：示波器机箱的接地端子。 2.双踪示波器的正确调整与操作

示波器的正确调整和操作对于提高测量精度和延长仪器的使用寿命十分重要。 （1）聚焦和辉度的调整

调整聚焦旋钮使扫描线尽可能细，以提高测量精度。扫描线亮度（辉度）应适当，过亮不仅会降低示波器的使用寿命，而且也会影响聚焦特性。

（2）正确选择触发源和触发方式

触发源的选择：如果观测的是单通道信号，就应选择该通道信号作为触发源；如果同时

观测两个时间相关的信号，则应选择信号周期长的通道作为触发源。

触发方式的选择：首次观测被测信号时，触发方式应设置于“AUTO”，待观测到稳定信号后，调好其它设置，最后将触发方式开关置于“NORM”，以提高触发的灵敏度。当观测直流信号或小信号时，必须采用“AUTO”触发方式。

（3）正确选择输入耦合方式

根据被观测信号的性质来选择正确的输入耦合方式。一般情况下，被观测的信号为直流或脉冲信号时，应选择“DC”耦合方式；，被观测的信号为交流时，应选择“AC”耦合方式。

（4）合理调整扫描速度 调节扫描速度旋钮，可以改变荧光屏上显示波形的个数。提高扫描速度，显示的波形少；降低扫描速度，显示的波形多。显示的波形不应过多，以保证时间测量的精度。

（5）波形位置和几何尺寸的调整

观测信号时，波形应尽可能处于荧光屏的中心位置，以获得较好的测量线性。正确调整垂直衰减旋钮，尽可能使波形幅度占一半以上，以提高电压测量的精度。

（6）合理操作双通道

将垂直工作方式开关设置到“DUAL”，两个通道的波形可以同时显示。为了观察到稳定的波形，可以通过“ALT/CHOP”（交替/断续）开关控制波形的显示。按下“ALT/CHOP”开关（置于CHOP），两个通道的信号断续的显示在荧光屏上，此设定适用于观测频率较高的信号；释放“ALT/CHOP”开关（置于ALT），两个通道的信号交替的显示在荧光屏上，此设定适用于观测频率较低的信号。在双通道显示时，还必须正确选择触发源。当CH1、CH2信号同步时，选择任意通道作为触发源，两个波形都能稳定显示，当CH1、CH2信号在时间上不相关时，应按下“TRIG.ALT”（触发交替）开关，此时每一个扫描周期，触发信号交替一次，因而两个通道的波形都会稳定显示。

值得注意的是：双通道显示时，不能同时按下“CHOP”和“TRIG ALT”开关，因为“CHOP”信号成为触发信号而不能同步显示。利用双通道进行相位和时间对比测量时，两个通道必须采用同一同步信号触发。

（7）触发电平调整

调整触发电平旋钮可以改变扫描电路预置的阀门电平。向“+”方向旋转时，阀门电平向正方向移动；向“-”方向旋转时，阀门电平向负方向移动；处在中间位置时，阀门电平设定在信号的平均值上。触发电平过正或过负，均不会产生扫描信号。因此，触发电平旋钮通常应保持在中间位置。

3.4.3 模拟示波器测量实例 （1）直流电压的测量

1）将示波器垂直灵敏度旋钮置于校正位置，触发方式开关置于“AUTO”。 2）将垂直系统输入耦合开关置于“GND”，此时扫描线的垂直位置即为零电压基准线，即时间基线。调节垂直位移旋钮使扫描线落于某一合适的水平刻度线。

3）将被测信号接到示波器的输入端，并将垂直系统输入耦合开关置于“DC”。调节垂直衰减旋钮使扫描线有合适的偏移量。

4）确定被测电压值。扫描线在Y轴的偏移量与垂直衰减旋钮对应档位电压的乘积即为被测电压值。

5）根据扫描线的偏移方向确定直流电压的极性。扫描线向零电压基准线上方移动时，直流电压为正极性，反之为负极性。

（2）交流电压的测量

1）将示波器垂直灵敏度旋钮置于校正位置，触发方式开关置于“AUTO”。 2）将垂直系统输入耦合开关置于“GND”， 调节垂直位移旋钮使扫描线准确的落在水平

中心线上。

3）输入被测信号，并将输入耦合开关置于“AC”。 调节垂直衰减旋钮和水平扫描速度旋钮使显示波形的幅度和个数合适。选择合适的触发源、触发方式和触发电平等使波形稳定显示。 4）确定被测电压的峰-峰值。波形在Y轴方向最高与最低点之间的垂直距离（偏移量）与垂直衰减旋钮对应档位电压的乘积即为被测电压的峰-峰值。

（3）周期的测量

1）将水平扫描微调旋钮置于校正位置,并使时间基线落在水平中心刻度线上。

3）输入被测信号。调节垂直衰减旋钮和水平扫描速度旋钮等，使荧光屏上稳定显示1～2波形。

3）选择被测波形一个周期的始点和终点，并将始点移动到某一垂直刻度线上以便读数。

4）确定被测信号的周期。信号波形一个周期在X轴方向始点与终点之间的水平距离与水平扫描速度旋钮对应档位的时间之积即为被测信号的周期。

用示波器测量信号周期时，可以测量信号1个周期的时间，也可以测量n个周期的时间，再除以周期个数n。后一种方法产生的误差会小一些。 （3）频率的测量

由于信号的频率与周期为倒数关系，即f=1/T。因此，可以先测信号的周期，再求倒数即可得到信号的频率。 （4）相位差的测量 u1u21）将水平扫描微调旋钮、垂直灵敏度旋钮置于校正位置。

2）将垂直系统工作模式开关置“DUAL”，并使两个通道的时间基线均

n落在水平中心刻度线上。 3）输入两路频率相同而相位不同的交

m流信号至CH1和CH2，将垂直输入耦合开关置于“AC”。 图3-4-6 测量两正弦交流电的相位差4）调节相关旋钮，使荧光屏上稳定显示出两个大小适中的波形。

5）确定两个被测信号的相位差。如图3-4-6所示，测出信号波形一个周期在X轴方向所占的格数m（5格），再测出两波形上对应点（如过零点）之间的水平格数n（1.6格），则u1超前u2的相位差角n36001.63600115.20。

m5相位差角符号的确定。当u2滞后u1时，为负；当u2超前u1时，为正。 频率和相位差角的测量还可以采用Lissajous图形法，此处不再赘述。

【思考与练习】

1.示波管由哪些部分组成？各部分的作用是什么？

2.简述模拟示波器的基本工作原理？ 3.简述示波器垂直系统的主要组成和作用。 4.简述示波器水平系统的主要组成和作用。 5.怎样正确调整和操作模拟示波器？

6.熟悉MOS-620/0双踪示波器面板上各旋钮、开关和按键的作用和操作。 7.用模拟示波器测量±5V的直流电压。

8.用模拟示波器测量有效值为100mV的正弦信号的峰峰值。 9.用模拟示波器测量交流信号的周期和频率。 10.用模拟示波器测量RL、RC电路的相位差角。