示波器作用实验报告(示波器作用)

在数字电路实验中，需要几种仪器、观察仪器实验的现象和结果。常用的电子测量仪器有万用表、逻辑笔、普通示波器、记忆示波器、逻辑分析仪等。万用 和表格逻辑笔使用起来相对简单，而逻辑分析仪和记忆示波器目前在数字电路教学实验中应用还不十分普遍。示波器被广泛使用，并且使用相对复杂的仪器。本 第二章从使用的角度介绍了示波器的原理和使用方法。

1、示波器的工作原理

示波器利用电子示波管的特性，将人眼无法直接观察到的交流电信号转换成图像，显示在荧光屏上进行测量的电子测量仪器。就是观察数字电路的实验现象、在分析实验中 的问题、测量实验结果不可或缺的仪器。示波器由示波管和电源系统组成、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)简称示波器，是示波器的核心。它将电信号转换成光信号。正如图1所示，电子枪、偏转系统和荧光屏密封在真空玻璃外壳中，就形成了一个完整的示波管。

图1示波管内部结构和电源图

1.荧光屏

今天的示波器屏幕通常是矩形的，一层磷光材料沉积在内表面上以形成荧光膜。荧光膜上常加一层蒸镀铝膜。电子高速穿过铝膜，撞击荧光粉发光形成亮点。铝膜具有内反射效果，有利于提高亮点亮度。铝膜还有散热等其他功能。

当电子停止轰击时，亮点不能马上消失，要保持一段时间。亮度下降到原始值10％经过的时间称为“时间余辉”。时间余辉短于10μs极短的利润 辉，10μs—1ms是短暂的余辉，1ms—0.1s中等余辉，0.1s-1s长余辉，大于1s是极长的余辉。一般示波器都配有中余辉示波管，高频示波器的选择 短余辉，低频示波器选用长余辉。

因为使用了不同的磷光材料，荧光屏可以发出不同颜色的光。示波器一般使用发绿光的示波器，保护人们的眼睛。

2.和电子枪聚焦

电子枪灯丝(F)、阴极(K)、栅极(G1)、前加速极(G2)(或者第二个网格)、第一阳极(A1)和第二阳极(A2)组成。它的功能是发射电子并形成非常 精细高速电子束。灯丝通电加热阴极，阴极受热时会发射电子。网格是一个金属圆柱体，顶部有一个小孔，阴极外面的套管。因为栅极电势低于阴极电势，控制阴极发射的电子 用，一般只有几个初速度高的电子，可以在阳极电压的作用下通过栅孔，跑到屏幕前。初速度低的电子仍然返回阴极。如果栅极电位太低，所有的电子都回到阴极 极，即管道切断。在调节电路中W1电位器，可以改变栅极电势，控制发射到荧光屏的电子流的密度，从而调节亮点的亮度。第一阳极、第二阳极和前加速电极彼此连接 三个阴极在同一轴线上的金属圆筒。前加速极G2与A2相连，外加电位比A1高。G2的正电位对阴极电子跑到屏幕前起加速作用。

来自电子束 阴极跑到屏幕前的过程中，在两次聚焦过程之后。第一个重点包括K、G1、G2完成，K、K、G1、G2第一个电子透镜叫做示波管。第二次聚焦发生在G2、 A1、A2区域，调节第二阳极A2的电位，能使电子束会聚在荧光屏上的一点，这是第二个重点。A1上的电压称为聚焦电压，A1也被称为聚焦极。有时调 节A1电压还是不能满足好的对焦，微调需要第二个阳极A2的电压，A2也叫辅助聚焦极。

3.偏转系统

偏转系统控制电子射线的方向，使荧 屏幕上的光斑描绘了测量信号随外加信号变化的波形。图8.1中，Y1、Y2和Xl、X2两对垂直偏转板形成偏转系统。Y前部的轴偏转板，X轴偏转板 在后，因此Y高轴灵敏度(测得的信号经过处理后添加到Y轴)。两对偏转板分别施加电压，在两对偏转板之间形成电场，分别控制电子束在垂直方向和水平偏转的偏转。

4.示波管电源

为了使示波管正常工作，对电源有一定要求。规定第二阳极和偏转板之间的电势接近，偏转板的平均电位为零或接近零。阴极必须在负电位下工作。栅极G1相对阴 负电位(—30V~—100V)，和可调节的，从而实现亮度调节。第一阳极处于正电位(约+100V~+600V)，也应该是可调的，用作焦点调节。第二阳极和正面 加速极性连接，正极到负极的高电压(约+1000V)，相对于地电位的可调范围为±50V。因为示波管每个电极的电流很小，它可以通过电阻分压器由公共高压供电。

1.2示波器的基本组成

从上一节可以看出，只要控制X轴偏转板和Y轴偏转板的电压，您可以控制示波管显示的图形形状。我们知道，电子信号是时间的函数f(t)，它随时间而变化 变化。因此，只要示波管X与时间变量成比例的电压被施加到偏转板，在y轴加测量信号(放大或缩小)，被测字母将显示在示波管的屏幕上 数字随时间变化的图形。中等电信号，在一段时间内与时间变量成正比的信号就是锯齿波。

示波器的基本组成框图如图所示2所示。它由示波管组成、Y轴系统、X轴系统、Z系统和电源由五部分组成。

图2示波器基本组成框图

测定信号①接到“Y\”输入端，经Y轴衰减器被适当衰减，然后被送到Y1放大器(前置放大)，推挽输出信号②和③。延迟级延迟Г1时间，到Y2放大器。放大后，脚就产生了 一个足够大的信号④和⑤，添加到示波管Y轴偏转板。为了在屏幕上显示完整和稳定的波形，将Y轴的测定信号③引入X轴的触发电路，在输入信号的正极(或者负) 极性的某一电平值产生触发脉冲⑥，启动锯齿波扫描电路(时基发生器)，产生扫描电压⑦。因为从触发到开始扫描有时间延迟Г2，为保证Y轴信号到达屏幕 之前X轴开始扫描，Y轴的延迟时间Г1应该略大于X轴的延迟时间Г2。扫描电压⑦经X轴向放大器放大，产生推挽输出⑨和⑩，添加到示波管X轴偏转板。z轴系 用于放大扫描电压的正范围，并变成正矩形波，发送到示波管栅极。这使得在扫描正向路径中显示的波形具有一定的固定亮度，而擦除是在扫描回程中执行的。

以上是示波器的基本工作原理。双踪显示是用电子开关来Y轴输入的两个不同的测定信号分别显示在荧光屏上。由于人类视觉的持久性，当开关频率达到一定水平时，我看到的是两个稳定的、清除信号波形。

示波器通常有一个精确稳定方波信号发生器，用于校准示波器。

2、使用示波器

本节介绍如何使用示波器。示波器类型、很多型号，和不同的功能。在数字电路实验中，广泛使用的是20MHz或者40MHz双踪示波器。这些示波器的使用方式大致相同。本节不适用于特定类型的示波器，本文仅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

它是示波管的显示部分。屏幕上有多条水平偏转和垂直方向的刻度线，表示信号波形的电压和时间之间的关系。水平偏转指示时间，垂直方向指示电压。水平偏转 分为10格，垂直方向分为8格，每个格子被分成5份。垂直方向标有0％，10％，90％，100％等标志，水平偏转标有10％，90％标志，测量DC水平、交 信号振幅、延迟和其他参数的使用。根据测定信号在屏幕上占的格数乘以适当的比例常数(V／DIV，TIME／DIV)可以得到电压值和时间值。

2.2示波管和电源系统

1.电源(Power)

主示波器电源开关。当这个开关被按下时，电源指示灯亮起，表示电源已打开。

2.辉度(Intensity)

旋转此旋钮改变光点和扫描线的亮度。观察低频信号时可以更小，高频时更大。

一般不要太亮，为了保护荧光屏。

3.聚焦(Focus)

聚焦旋钮调节电子束的横截面，将扫描线聚焦到最清晰的状态。

4.亮度标度(Illuminance)

这个旋钮调节荧光屏后面照明灯的亮度。在正常的室内光线下，最好调暗灯光。在光线不足的室内环境中，照明灯可以被适当地点亮。

2.3垂直偏转系数和水平偏转系数

1.垂直偏转系数的选择(VOLTS／DIV)和微调

在 在单元输入信号的作用下，光点在屏幕上的偏移距离称为偏移灵敏度，这个定义是对的X轴和Y轴是适用的。灵敏度的倒数叫做偏转系数。垂直灵敏度的单位是 cm/V，cm／mV或者DIV／mV，DIV／V，垂直偏转系数的单位是V／cm，mV／cm或者V／DIV，mV／DIV。其实由于成语和测电 方便阅读，有时偏转系数被认为是灵敏度。

踪示波器中每个通道各有一个垂直偏转系数的选择波段开关。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屏幕垂直方向上一个网格的电压值。例如，放置波段开关1V／DIV档时，如果屏幕上的信号点移动一格，它表示输入信号电压变化1V。

每个波段开关上通常有一个小旋钮，微调每个档位的垂直偏转系数。顺时针旋转到底，处于“校准”位置，此时，垂直偏转系数的值与波段开关指示的值一致。逆时 指针转动这个旋钮，垂直偏转系数可以微调。微调垂直偏转系数后，这将导致与波段开关的指示值不一致，这一点要注意。很多示波器都有垂直扩展功能，当微调旋钮处于 拉出时，垂直灵敏度扩大了几倍(偏转系数减小了几倍)。例如，如果波段开关指示的偏转系数为1V/DIV，采用×5当扩展状态时，垂直偏转系数为 0.2V／DIV。

做数字电路实验时，在屏幕上测定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测定信号的电压值。

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系数的选择和微调类似。时基选择也通过波段开关实现，按1、2、5将模式时基分成几个文件。波段开关的指示值代表光点在水平偏转移动一个格的时间值。例如在1μS／DIV档，光点在屏幕上移动一格来表示时间值1μS。

“微调”旋钮用于时基校准和微调。当顺时针旋转到校准位置的底部时，屏幕上显示的时基值与波段开关显示的标称值一致。逆时针转动旋钮，微调时基。旋钮拔 之后，它处于扫描扩展状态。通常为×10扩展，也就是说，水平灵敏度被放大10倍，时基降低到1／10。例如在2μS/DIV档，在扫描状态下，屏幕上的水平网格代表 时间值等于

2μS×(1/10)=0.2μS

TDS实验平台上有10MHz、1MHz、500kHz、100kHz时钟信号，它是由石英晶体振荡器和分频器产生的，准确度非常高，可用于校准示波器的时基。

示波器标准信号源CAL，专用于校准示波器的时基和垂直偏转系数。例如COS5041示波器型标准信号源提供了一个VP-P=2V,f=1kHz方波信号。

示波器前面板上的位移(Position)用旋钮调节信号波形在屏幕上的位置。旋转水平位移旋钮(用水平双向箭头标记)左右移动信号波形，旋转垂直位移旋钮(用垂直的双箭头标记)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

至少有三种方法可以选择输入通道：通道1(CH1)、通道2(CH2)、双通道(DUAL)。选择通道1时，示波器只显示频道1的信号。选择通道2时，仅示波器 显示频道2的信号。当选择两个频道时，示波器同时显示频道1和信号通道2信号。测试信号时，首先，将示波器的地与被测电路的地相连。根据输入通道的选择 择，将示波器探头插入相应的通道插座，探针上的接地与被测电路的接地相连，示波器探头接触被测点。探头上有一个开关。这个开关拨到“×1” 位置时，测定信号无衰减送到示波器，从屏幕上读取的电压值是信号的实际电压值。这个开关拨到“×10\”位置时，测定信号衰减为1／10，然后送到示波器， 从屏幕上读取的电压值乘以10是信号的实际电压值。

2.输入耦合模式

输入耦合模式有三种选择：交流(AC)、地(GND)、 直流(DC)。当选择“地”时，扫描线显示“地面示波器”在屏幕上的位置。DC耦合用于测量信号的DC绝对值，观察极低频信号。交流耦合用于观察交流和交流 具有DC分量的交流信号。在数字电路实验中，一般选择“直流”方式，以便观察信号的绝对电压值。

2.5触发

第一节指出，测定信号从 Y轴输入后，一部分被送到示波管Y轴偏转板，驱动光点在荧光屏上沿垂直方向成比例移动；另一部分被转移到x轴偏转系统产生触发脉冲，驱动扫描发生器，产生 重复的锯齿波电压添加到示波管X偏转板，使光点沿水平偏转移动，两者的结合，光点在荧光屏上描绘出的图形就是测定信号图形。可以看出，正确的触发方式是直接的 影响示波器的有效运行。为了获得稳定的、清除信号波形，掌握基本的触发功能及其操作方法非常重要。

1.触发源(Source)选择

在屏幕上显示稳定的波形，则需将测定信号本身或者与测定信号有一定时间关系的触发信号加到触发电路。触发源选择决定了触发信号的供应位置。通常有三个触发源：内触发(INT)、电源触发器(LINE)、外触发EXT)。

内触发使用测定信号作为触发信号，是一种常用的触发方法。由于触发信号本身是测定信号的一部分，可以在屏幕上显示非常稳定的波形。双踪示波器中的通道1或者渠道2可以选择作为触发信号。

电源触发器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相关的信号时是有效的。尤其是在测量音频电路时、闸流管在低电平交流噪声中更有效。

外部触发使用外部信号作为触发信号，外部信号从外部触发输入端子输入。外触发信号与测定信号间应具有周期性的关系。由于测定信号没有用作触发信号，所以何时开始扫描与测定信号无关。

选择正确的触发信号以稳定波形显示、清晰度与此有很大关系。例如，在数字电路的测量中，对于简单的周期信号，选择内触发可能更好，对于具有复杂周期的信号，并且有一个与之有周期关系的信号，选择外触发可能更好。

2.触发耦合(Coupling)方式选择

有许多方法将触发信号耦合到触发电路，目的是触发信号稳定性、可靠。下面是一些常见的。

AC耦合也称为电容耦合。它只能由触发信号的交流分量触发，触发信号的DC分量被切断。通常不考虑DC组件使用这种耦合模式，以形成稳定的触发器。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)不要阻塞触发信号的DC分量。当触发信号的频率低或者触发信号的占空比大时，最好使用DC联轴器。

低 频抑制(LFR)当触发信号通过高通滤波器施加到触发电路时，触发信号的低频分量被抑制；高频抑制(HFR)触发时，触发信号通过低通滤波器施加到触发器 路，触发信号的高频分量被抑制。此外，还有电视同步，用于电视维护(TV)触发。每种触发耦合模式都有自己的适用范围，需要在使用中体验。

3.触发电平(Level)和触发极性(Slope)

触发电平调整也称为同步调整，它使得扫描与测定信号同步。电平调节旋钮调节触发信号的触发电平。一旦触发信号超过旋钮设定的触发水平，扫描被触发。顺时 指针旋钮，触发电平上升；逆时针转动旋钮，触发电平下降。当水平旋钮被调节到水平锁定位置时，触发电平自动保持在触发信号的幅度内，它可以在没有水平调整的情况下生产 生一个稳定的触发器。当信号波形复杂时，当电平旋钮不能稳定触发时，用释抑(HoldOff)用旋钮调节波形的释放时间(扫描暂停时间)，使扫描和波形稳定 步。

极性开关用于选择触发信号的极性。拨在“+”上石，在信号增加的方向上，当触发信号超过触发电平时，产生触发。拨在“-”上石，在信号减少的方向上，当触发信号超过触发电平时，产生触发。触发极性和触发电平共同决定了触发信号的触发点。

2.6扫描方式(SweepMode)

扫描是自动的(Auto)、常态(Norm)和单次(Single)三种扫描模式。

自动：当没有触发信号输入时，或者触发信号频率低于50Hz时，扫描是自激的。

常态：当没有触发信号输入时时，扫描处于准备状态，没有扫描线。在触发信号到达后，驱动扫描。

单次：单按钮类似于复位开关。在单一扫描模式下，按下按钮一次，扫描电路复位，这个时候做好准备(Ready)灯亮。在触发信号到达后产生一次扫描。在一次扫描之后，准备熄灯。单次扫描用于观察非周期信号或单次瞬态信号，经常需要对波形进行拍照。

上面简单介绍了示波器的基本功能和操作。示波器还有一些更复杂的功能，例如延迟扫描、触发延迟、X-Y工作模式等，这里就不介绍了。操作示波器很容易， 真正的熟练应该掌握在应用中。值得指出的是，尽管示波器有许多功能，但是在许多情况下，使用其他工具、更好的外观。例如，在数字电路实验中，判断窄脉宽的单个脉冲 当no出现时，用逻辑笔简单多了；当测量单个脉冲的脉冲宽度时，最好使用逻辑分析仪。

数字使用示波器必须注意问题

前言

数字示波器由波形触发、存储、显示、测量、波形分析和处理等独特优势，它的使用越来越受欢迎。由于数字示波器和模拟示波器之间的巨大性能差异，如果使用不当，会有很大的测量误差，从而影响测试任务。

区分模拟带宽和数字实时带宽

它是示波器带宽最重要的指标之一。模拟示波器的带宽是一个固定值，数字示波器的带宽包括模拟带宽和数字实时带宽。数字示波器对重复信号采用顺序采样或顺序采样 计算机采样技术能达到的最高带宽是示波器的数字实时带宽，实时数字带宽、最高数字频率和波形重建技术因素K相关（数字实时带宽=最高数字化率/K），一 一般不直接作为指标给出。从两个带宽的定义可以看出，模拟带宽只适用于重复周期信号的测量，数字实时带宽适用于测量重复信号和单一信号。厂家声 示波器的带宽能达到多少兆，实际上是指模拟带宽，实时带宽低于该值。例如说TEK公司的TES520B的带宽为500MHz，实际上是指 模拟带宽为500MHz，而最高的数字实时带宽只能达到400MHz远低于模拟带宽。因此，当测量单个信号时，请务必参考数字示波器的数字实时带宽，否则会 给测量带来意想不到的误差。

关于采样率

采样率也称为数字化率，指单位时间，模拟输入信号的采样时间，常以MS/s表示。采样率是数字示波器的一项重要指标。

1.如果采样率不足，很容易出现走样现象

如果示波器的输入信号是1100KHz正弦信号，示波器显示的信号频率为50KHz，这是怎么回事？这是因为示波器的采样率太慢，存在混叠现象 象。混叠意味着屏幕上显示的波形频率低于信号的实际频率，或者即使示波器上的触发指示器已经打开，而显示的波形仍然不稳定。重叠如图所示1所示。那么，对于 未知频率的波形，如何判断显示的波形是否产生了混叠？通过缓慢改变扫描速度t/div到更快的时基文件，看波形的频率参数是否急剧变化，如果是， 这表明出现了波形混叠；或者振动波形稳定在更快的时基上，也这表明出现了波形混叠。根据奈奎斯特定理，采样率至少高于信号的高频分量2倍才不 会有走样，如一个500MHz的信号，至少1GS/s的采样率。有几种方法可以简单地防止混叠：

·调整扫描速度；

·采用自动设定（Autoset）；

·尝试将收集模式切换到包络模式或峰值检测模式，因为包络法是在多个采集的记录中求极值，峰值检测方法是在单个收集的记录中找到最大值和最小值，这两种方法都可以检测快速信号变化。

·如果示波器有InstaVu收集模式，可选择的，因为这种方式的波形采集速度快，这种方法显示的波形类似于模拟示波器显示的波形。

2.采样率和t/div的关系

每个数字示波器的最大采样率是一个固定值。但是，在任一扫描时间t/div，采样率fs由下面的公式给出：

fs=N/(t/div)N每个网格的采样点

当采样点N当它是某个值时，fs与t/div成反比，扫描速度越快，采样率越低。下面是TDS520B的一组扫速与采样率的数据：

表1扫速与采样率

t/div（ns）1252550100200fs（GS/s）502510210.50.25

最后，当使用数字示波器时，为了避免重叠，最好将扫地机放在扫速较快的位置。如果你想抓住稍纵即逝的毛刺，扫档最好放在主扫速度较慢的位置。

数字示波器的上升时间

在模拟示波器中，上升时间是示波器的一个极其重要的指标。而在数字示波器中，上升时间甚至没有作为一个指标明确给出。由于数字示波器的测量方法，所以它是自动的 测得的上升时间不仅与采样点的位置有关，如图2中a表示上升沿刚好落在两个采样点的中间，此时，上升时间是数字区间0.8倍。图2中的b在上升沿的中间是 取样点，然后同样的波形，上升到数字区间1.6倍。另外，上升时间也与扫描速度有关，下面是TDS520B测量相同波形时一组扫描速度和上升时间的数量 据：

表2扫描速度和上升时间

t/div（ms）502010521tr(μs)800320160803216

从上面的一组数据可以看出 出，尽管波形的上升时间是恒定值，但由于扫描速度不同，用数字示波器测得的结果相差甚远。模拟示波器的上升时间与扫描速度无关，而数字示波器的上升时间没有 只和扫描速度有关，还包括采样点的位置，当使用数字示波器时，我们不能使用模拟示波器，根据测得的时间，推导出信号的上升时间。