原创 模拟示波器

模拟示波器

来自：大西洋仪器 作者：韦文臻

我们可以简单的把示波器看成是具有图形显示的电压表。普通的电压表是在其度盘上移动的指针或者数字显示来给出信号电压的测量读数。而示波器则与其不同。示波器具有屏幕，它能在屏幕上以图形的方式显示信号电压随时间的变化，即波形。

   示波器与电压表的主要区别：电压表可以给出被测信号的数值，通常是有效值即RMS值，但它不能给出有关信号形状的信息。而示波器则能以图形的方式显示信号随时间变化的历史情况。电压表通常只能对一个信号进行测量，而示波器则能同时显示两个或多个信号。

一、显示系统

   示波器的显示器件是阴极射线管，缩写为CRT。阴极射线管的基础是一个能产生电子的系统，称为电子枪。电子枪发射的电子经聚焦形成电子束，并打在屏幕中心的一个点上。屏幕的内表面涂有荧光物质，这样电子束打中的点就发出光来。

    电子在从电子枪到屏幕的途中要经过偏转系统。在偏转系统上施加电压就可以使光点在屏幕上移动。偏转系统由水平偏转板和垂直偏转板组成。这种偏转方式称为静电偏转。

    在屏幕的内表面用刻划或腐蚀的方法作出许多水平和垂直的直线形成网格，称为标尺。标尺通常在垂直方向有8个，水平方向有10个，每格为10cm。

    受到电子轰击后，CRT上的荧光物质就会发光。当电子束移开后，荧光物质在一个短的时间内还会继续发光。这个时间称为余辉时间。余辉时间的长短随荧光物质的不同而变化。

    将输入信号加到Y轴偏转板上，而示波器自己使电子束沿X轴方向扫描。这样就使得光点在屏幕上描绘出输入信号的波形。这样扫出的信号波形称为波形轨迹。

影响屏幕的控制机构有：

辉度------辉度控制用来调节波形显示的亮度。当电子束移动较快时，荧光物质受到的激励的时间就变短，这时必须增加辉度才能看清轨迹。反之，当电子束移动缓慢时，屏幕上的光点变得很亮，这时必须减小辉度以避免荧光物质被烧坏。从而延长示波管的寿命。

聚焦------聚焦控制机构用来控制屏幕上光点的大小，以便获得清晰的波形轨迹。

扫描旋转-----这个控制机构使X轴扫描线和水平标尺线对齐。由于地球的磁场在各个地方是不同的，这将会影响示波管显示的扫描线。扫描旋转功能就用来对此进行补偿。扫描旋转功能是预先调好的，通常只需在示波器搬动后再行调节。

标尺亮度------标尺亮度可以单独控制。这对于屏幕摄影或在弱光线条件下工作时非常有用。

Z调制------扫描的辉度可以用电气的方法通过一个外加的信号来改变。这对于由外部信号来产生水平偏转以及使用X-Y显示方式来寻找频率关系的应用中是十分有用的。此信号输入端通常是示波器后面板上的一个BNC插座。

二、模拟示波器的偏转系统

模拟示波器的偏转系统包括示波管的垂直偏转系统和水平偏转系统

（一）示波管的垂直偏转系统：包括输入衰减器（每通道一个）、前置放大器（每通道一个）、偏转放大器、用来选择使用哪一个输入通道的电子开关。任何示波器的基本性能都是由它的垂直偏转系统的特性来决定的。

1、灵敏度

垂直偏转系统对输入信号进行比例变换，使之能在屏幕上表现出来。示波器可以显示峰峰值电压为几毫伏到几十伏的信号。因此必须把不同幅度的信号进行变换以适应屏幕的显示范围，这样就可以按照标尺刻度对波形进行测量。这就要求对大信号进行衰减，对小信号进行放大。示波器的灵敏度或衰减器就是为此而设置的。灵敏度是以每格的伏特数来衡量的。在多数示波器上，灵敏度控制都是按1-2-5的序列步进变化的。

2、耦合

耦合控制机构决定输入信号从示波器前面板上的BNC输入端通到该通道垂直偏转系统其它部分的方式。耦合控制机构一般有DC耦合、AC耦合等。

DC耦合为信号提供直接的连接通路。因此信号的所有分量（AC和DC）都会影响示波器的波形显示。

AC耦合则在BNC端和衰减器之间串联一个电容。这样，信号的DC分量就被阻断，而信号的低频AC分量也将受阻或大为衰减。示波器的低频截止频率就是示波器显示的信号幅度仅为其真实幅度为71%时的信号频率。示波器的低频截止频率主要决定于其输入耦合电容的数值。

接地耦合，这时输入信号和衰减器断开并将衰减器输入端连至示波器的地电平。当选择接地时，屏幕上将会看到一条位于0V电平的直线。这时可以使用位置控制机构来调节这个参考电平或扫描基线的位置。

3、输入阻抗

多数示波器的输入阻抗为1MΩ和大约25pF相并联，它对多数电路的负载效应极小。

有些信号来自50Ω输出阻抗的源。为了准确的测量这些信号并避免发生失真，必须对这些信号进行准确的传送和端接。这时应当用50Ω特性阻抗的电缆并用的50Ω负载进行端接。

4、位置

垂直位置控制或POS控制机构控制扫迹在屏幕Y轴的位置。在输入耦合控制中选择接地，这样就可以找到地电平的位置。

5、动态范围

动态范围就是示波器能够不失真的显示信号的最大幅值，在此信号幅值下只要调节示波器的垂直位置仍能观察到波形的全部。

6、相加和反相

简单的把两个信号相加起来似乎没有什么实际意义，然而把两个有关的信号之一反相，再将两者相加，实际上实现了两个信号的相减。这对于消除共模干扰（即交流声），或者进行差分测量都是非常有用的。从一个系统的输出信号中减去输入信号，再进行适当的比例变换，就可以测出被测系统引起的失真。

7、交替和断续

示波器CRT本身一次只能显示一条扫迹。然而在实际应用中常常要进行信号的比较，例如严究输入/输出信号间的关系，或者一个系统对信号的延迟等。这就要求示波器实际上能同时显示不止一个信号。

为了达到这一目的，可以用两种办法来控制电子束：

（1）可以交替的画完一条扫迹，再画另一条扫迹。这种方法称为交替模式，即ATL模式。交替模式适合于需要使用较快时基设置的高频率信号的显示。

（2）可以在两条扫迹之间迅速的进行开关和斩波切换，从而分段的画出两条扫迹。这称为断续模式或CHOP模式。其结果是在一次扫描的时间里一段接一段的画出两条扫迹。

断续模式适合于在低时基速率下显示低频率信号，因为这时斩波器开关能快速进行切换。

8、带宽

示波器最重要的技术指标就是带宽。示波器的带宽表明了该示波器垂直系统的频率响应。示波器的带宽定义为示波器在屏幕上能以不低于真实信号3dB的幅度来显示信号的最高频率。—3dB点的频率就是示波器所显示的信号幅度“Vdisp”的71%时的信号频率。

9、带宽限制器

使用带宽限制器可以把通常带宽在100MHZ以上的带宽示波器的频带减小到20MHZ的典型值。这样就降低了噪声电平和干扰，这对于进行高灵敏度的测量是非常有用的。

10、上升时间

上升时间直接和带宽有关。上升时间通常规定为信号从其稳态最大值的10%到90%所用的时间。上升时间是一个示波器从理论上来说能够显示最快的瞬变的时间。示波器的高频响应曲线是经过认真安排的。这就保证了具有高谐波含量的信号，能够在屏幕上精确的再现。如果频响曲线下降太快，则在信号的快速上升沿就会发生振铃现象。如果频响曲线下降太慢，即在频响曲线上下降开始得过早，则示波器总的高频响应就受到影响。

（二）示波管的水平偏转系统：包括时基、触发电路、和水平偏转放大器。

1、时基

为了描绘一幅图形，必须要水平和垂直两个方向的信息。示波器描绘轨迹表明信号随时间变化的情况，水平偏转必须和时间成正比。示波器中控制水平偏转，即X轴的系统称为时基。在示波器里有一个精确的扫描发生器。它使得电子束以精确的、用户可以选择的速度在屏幕上扫描。扫描速度以每格的秒数来度量。扫描速度也和灵敏度控制一样按1-2-5的序列变化。

2、水平位置控制

水平或X轴位置控制机构X-POS可以在屏幕上沿水平方向移动扫迹。这样就可以把扫迹上的某一点和某一条垂直标尺线对齐，以便为时间测量规定一个起始点。

3、可变时基

我们可以选择不同于标准的1-2-5序列设置值的扫描速度。这样我们就能够把任意一个波形的一个周期调整成横跨整个屏幕宽度。

4、时基放大

时基放大功能通常能将X轴偏转扫描放大10倍。这样在屏幕上看到的等效时基速度也变快10倍。和简单的直接选择更快的时基速度相比，这种方法的好处是能够在保持原信号不变的情况下更加详细的观察信号的细节。

5、双时基

在很多观察复杂信号波形的应用场和中，往往需要显示一个波形的一小部分，并使它占据整个屏幕。这时，使用标准时基通过正常触发是无能为力的。这就是采用双时基工作的原因。使用双时基时，电子束将以两个时基的两种不同的速度交替的在屏幕上扫描。

6、时基模式

时基电路一般有自动、正常、或触发以及单次或单次捕捉等几种工作模式。

（1）正常模式

时基必须受到触发才能产生扫迹。没有信号就没有扫迹，示波器在选定的触发源通道上必须有输入信号，并且该信号必须大到足以触发时基电路。

（2）自动模式

如果能在没有输入信号时也能看到扫迹，这将会很有用。在没有输入信号以进行触发时，自动模式将使时基以低频率自由运行，从而在屏幕上产生扫迹。这使得用户可以设置扫迹的垂直位置，即如果信号仅为一直流电位的情况。

（3）单次模式

当接收到触发信号时时基将进行扫描，并且将只扫描一次。对于每次触发事件都必须使时基电路作好触发准备，不然的话，下面来的触发事件将不能起动时基扫描。

7、触发

为了保证在电子束扫过屏幕时每次都准确的扫过相同的路径，这就需要触发电路。如果没有触发电路，将会在屏幕上看到的是具有随机起始点的很多波形杂乱重叠的图形，而触发电路的作用就在于保证每次时基在屏幕上扫描的时侯，时基扫描都从输入信号上的一个精确确定的点开始。

触发电路的几个控制因素

（1）触发源-------它决定触发信号从哪里获得。在多数情况下，触发信号来自输入信号本身。如果只使用一个通道，那么触发源就设置为该通道。如果使用多个通道，那么触发源可以从这些通道中选取。复合触发则是在显示不同的通道时轮流使用相应的通道触发。这对于显示频率不相关的信号时是非常有用的。如果示波器具有外部触发输入端（Ext.），那么它上面连接的信号则可驱动触发电路使示波器触发。如果要观测在电源频率或者缘于源于电源频率系统的信号，那么电源触发功能可以提供电源触发的能力。这是观察与电源有关的干扰信号的好方法。

（2）触发电平触发电平控制机构设置选定触发源的信号欲使触发电路启动时基扫描所必须跨越的电压电平值。

（3）触发斜率触发斜率控制机构决定触发发生于触发源信号的上升沿（“正斜率”）或者下降沿（“负斜率”）

（4）触发耦合用于决定选定的触发源信号送往触发电路的耦合方式。

DC耦合-------触发源直接连到触发电路

AC耦合-------触发源通过一个串联的电容连到触发电路

（5）峰—峰值电平将触发电平控制机构的控制范围设置成略小于触发源信号的峰—峰值。这种模式下不可能将触发电平设置为超出输入信号的值，所以只要有信号示波器总能触发。

（6）HF抑制使触发源信号通过低通滤波器以抑制其高频分量。这意味着既使一个低频信号中包含很多高频噪音，我们仍能使其按低频信号触发。

（7）LF抑制使触发源信号通过高通滤波器以抑制其低频分量。这对于显示包含很多电源交流声的信号等情况是很有用的。

（8）TV触发在这种模式下触发电平控制不起作用。这时示波器使用视频信号中的同步脉冲作为触发信号。TV触发有两种模式：帧触发TVF和行触发TVL。

（9）帧触发TVF每一帧电视图像由两场组成。每一场则包含构成一个完整的帧所需行数的一半。在电视屏幕上两场信号交错显示以构成一帧的画面。采用这种技术减少了传送一个频道所需要的带宽并减小了画面的闪烁。在每一个场开始的时候都有一个特别的脉冲序列，称为帧同部脉冲。

（10）行触发TVL每一场包括若干行。每一行都由一个行同步脉冲即行同步信号开始。示波器可以由每一个行同步脉冲来触发，这样描绘出的各个行的波形将会重叠在一起。使用帧触发和双时基我们可以观察某一特定行的波形。

（11）触发隔离有些信号具有多个可能的触发点。即在各次扫描之间加入延迟时间，使得每次触发总是从相同的信号沿开始。

（12）延迟时间触发

（三）附加功能

X-Y偏转------- X-Y偏转和X-Y模式是示波器的另一种显示方法。这时示波器将时基关闭，而用另一个与产生垂直偏转的信号不同的信号来使电子束在水平方向偏转。这就是说用两个信号在X、Y方向同时作用于电子束而描绘出波形，以便观察这两个信号的关系。在任何涉及两个相互关联的物理量的场合都可以使用X-Y模式。它最常见的用处是观察两信号间的相位关系。