示波器使用方法(示波器的原理和使用方法)
在数字电路测试中，需要应用一些仪器仪表来检查测试现象和结果。常用的电子测量仪器有万用表、逻辑笔、普通示波器、存储示波器、逻辑分析仪等。万用表和逻辑笔的使用方法比较简单，而逻辑分析仪和存储示波器目前在数字电路教学实验中应用并不广泛。示波器是一种应用广泛且相对复杂的仪器。本章从应用的角度介绍示波器的原理和使用方法。
1.示波器的工作原理
示波器是利用电子示波管的特性，将人眼无法直接观察到的交流电信号转换成图像显示在屏幕上进行测量的电子测量仪器。它是检验数字电路测试现象、分析测试中的问题和测量测试结果必不可少的主要仪器。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、延时扫描系统和刻度信号源组成。
1.1、示波管
阴极射线管是示波器的核心。它把电信号转换成光信号。如图1所示，电子枪、偏转系统和荧光屏被密封在一个真正的空玻璃外壳中，形成一个完整的示波管。
图1示波管内部结构及供电图
1.荧光屏
目前，示波管的屏幕通常为矩形平面，在内表面沉积一层磷光材料，形成荧光膜。荧光膜上经常生长一层蒸发的铝膜。高速电子穿过铝膜，撞击荧光粉发光形成亮点。铝膜具有内反射功能，有利于提高亮点亮度。铝膜还有散热等其他功能。
当电子停滞轰击时，亮点不可能马上消失，而是需要保持一段时间。当亮点亮度下降到原始值的10%时所经过的时间称为“余辉时间”。余辉时间短于10s为极短余辉，10s-1ms为短余辉，1ms—0.1s为中余辉，0.1s—1s为长余辉，1s以上为极长余辉。一般示波器配备中余辉示波管，高频示波器使用短余辉，低频示波器使用长余辉。
由于使用了不同的磷光材料，荧光屏上可以发出不同颜色的光。一般示波器都是用发绿光的示宽管遮住人的眼睛。
2.电子枪和聚焦
电子枪由灯丝(f)、阴极(k)、栅极(G1)、前加速电极(G2)(或第二栅极)、第一阳极(A1)和第二阳极(A2)组成。它的功能是发射电子，形成精细的高速电子束。灯丝通电加热阴极，阴极被加热发射电子。栅极是顶部有小孔的金属圆柱体，套在阴极外面。因为栅极的电势低于阴极的电势，所以阴极发射的电子可以用作母版。一般只有少量初速度较高的电子在阳极电压的作用下才能通过栅电极的小孔冲向屏幕。初始速度低的电子仍然返回阴极。如果栅极电位太低，所有的电子都会回到阴极，也就是说，电子管被切断了。调节电路中的W1电位器可以改变栅极电位，掌握发射到荧光屏上的电子电流密度，从而调节亮点的亮度。第一阳极、第二阳极和前加速电极都是与阴极在同一轴上的三个金属圆柱体。原技术资源网加速极G2接A2，应用电位高于A1。G2的正电势加速阴极电子向荧光屏运动。
电子束从阴极到荧光屏经历两个聚焦过程。第一次聚焦由k、G1和G2完成，它们被称为示波管的第一个电子透镜。第二次聚焦发生在G2、A1和A2区域。调节第二阳极A2的电位，可以使电子束刚好会聚在屏幕上的一点，这就是第二次聚焦。A1上的电压称为聚焦电压，A1也称为聚焦电极。有时调节节点A1的电压仍然不能满足良好的聚焦，因此需要微调第二阳极A2的电压，这也称为辅助聚焦电极。
3.偏转系统
偏转系统掌握电子射线的方向，使荧光屏上的光点随着外界信号的变化描绘出被测信号的波形。在图8.1中，Y1、Y2、X1和X2，两对相互垂直的偏转板，构成了一个偏转系统。Y轴偏转板在前，X轴偏转板在后，所以Y轴灵敏度高(测量信号经过处理后加到Y轴上)。两对偏转板被分开并被施加电压，使得在两对偏转板之间分别形成电场，并且分开控制电子束在垂直方向和角度方向上的偏转。
4.示波管电源
为了使示波管正常工作，对电源有一定的要求。规定第二阳极和偏转板之间的电势相似，偏转板的平均电势为零或接近零。阴极必须在负电位下工作。栅极G1相对于阴极为负电位(-30V ~-100V)，可调节实现亮度调节。第一阳极为正电位(约+100V~+600V)，也应可调，用于调焦。第二阳极连接前加速电极，阴极施加正高压(约+1000伏)，相对于地电位的可调刻度为50伏，由于示波管各电极电流小，可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，只要掌握了X轴偏转板和Y轴偏转板上的电压，就可以掌握示波器管显示的图形形状。我们知道电子信号是时间f(t)的函数，它随时间和光的变化而变化。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轴上加被测信号(按比例放大或缩小)，被测信号随时间和光线变化的图形就会显示在示波管屏幕上。在电信号中，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轴系统和电源组成。
图2示波器基本组成框图
被测信号①接“Y”输入，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②和③。通过延迟级延迟1小时至Y2放大器。放大后，产生足够的信号④和⑤，加到示波管的Y轴偏转板上。为了在屏幕上显示完全稳定的波形，将Y轴的被测信号③引入到X轴系统的触发电路中，在引入信号的正(或负)极性的某一电平值上产生触发脉冲⑥，启动锯齿波扫描电路(时基发生器)产生扫描电压⑦。由于从触发到开始扫描有时间延迟2，为了保证Y轴信号在X轴开始扫描之前到达屏幕，Y轴的延迟时间1应该略大于X轴的延迟时间2。扫描电压⑦由X轴放大器放大，产生推挽输出⑨和⑩并加到示波管的X轴偏转板上。z轴系统用于放大扫描电压的正范围，并将其变成正矩形波，发送到示波管的栅极。这使得在正向扫描路径中显示的波形具有一定的固定亮度，而在反向扫描路径中被擦除。
以上就是示波器的基本工作原理。双踪显示是用电子开关将Y轴输入的两个不同的测量信号分开显示在屏幕上。由于人类视觉的持久性，当开关频率达到一定水平时，会看到两个稳定清晰的信号波形。
示波器通常有一个精确稳定的方波信号发生器来校准示波器。
2.示波器应用
本节介绍示波器的使用方法。示波器有很多种类型和型号，功能各不相同。20兆赫兹或40兆赫兹双踪示波器广泛应用于数字电路测试。这些示波器的使用方式大致相同。本节不针对某一类型的示波器，而是从概念上介绍示波器在数字电路测试中的常用功能。
2.1荧光屏
荧光屏是示波管的显示部分。屏幕上有几条水平和垂直方向的刻度线，用来指导信号波形的电压和时间之间的关系。度引导时间，垂直方向引导电压。度数分为10格，垂直方向分为8格，每格分为5个部分。垂直方向标有0%、10%、90%和100%，度数方向标有10%和90%，可用于测量DC电平、交流信号幅度和延迟时间等参数。根据屏幕上被测信号占据的单元数，将其乘以适当的比例常数(V/div，TIME/DIV)即可得到电压值和时间值。
2.2示波管和电源系统
1.电源(电源)
主示波器电源开关。按下此开关时，电源指示灯亮起，表示电源已打开。
2.亮度(强度)
转动此旋钮可改变光点和扫描线的亮度。检查低频信号时，可以小一些，检查高频信号时，可以大一些。
一般不要太亮遮住屏幕。
3.焦点
聚焦旋钮调节电子束的横截面尺寸，以将扫描线聚焦到最清晰的状态。
4.标尺亮度(照度)
这个旋钮调节屏幕后面照明灯的亮度。正常室内光线下，最好调暗灯光。在光线不足的室内环境中，灯可以正常打开。
2.3垂直偏转系数和角度偏转系数
1.垂直偏转系数选择(伏特/分格)和微调
在单位输入信号的作用下，光点在屏幕上偏离的距离称为偏离锐度，必须定义为对X轴和Y轴都实用。锐度的倒数称为偏转因子。垂直锐度的单位为cm/V、cm/mv或div/mv、div/v，垂直偏转因子的单位为v/cm、mv/cm或v/div、mv/div。事实上，由于学习用法和测量电压力读数的方便，有时偏转因子被视为灵敏度。
示波器的每个通道都有一个垂直偏转因子选择波段开关。一般按照1，2，5的方法分为10个等级，从5mV/DIV到5v/div。波段开关指导值代表屏幕垂直方向上一个栅格的电压值。例如，当波段开关设置为1V/div时，如果屏幕上的信号点移动一格，则意味着输入信号电压变化1V。
每个波段开关上通常有一个小旋钮来微调每个档位的垂直偏转系数。它将顺时针旋转到底，并处于“校准”位置。此时，垂直偏转因子的值与带开关引导的值一致。逆时针转动此旋钮，微调垂直偏转系数。垂直偏转系数微调后，会与波段切换的指导值不一致，应引起注意。很多示波器都有垂直扩展的效果。当拉出微调旋钮时，垂直锐度会扩大几倍(偏转系数会降低几倍)。例如，如果由波段开关引导的偏转因子是1V/DIV，则在放大5倍的情况下，垂直偏转因子是0.2V/DIV。
在数字电路实验中，常用被测信号的垂直移动距离与+5V信号在屏幕上的垂直移动距离之比来确定被测信号的电压值。
2.时基选择和微调
时基选择和精调的应用方法类似于垂直偏转因子选择和精调。时基的选择也是通过一个波段开关来实现的，按照1、2、5的方法将时基分成几个文件。波段开关的引导值表示光点在度数方向上移动一个栅格时的光值。例如，在1S/div文件中，光点在屏幕上移动一个网格来表示1的时间值。
微调旋钮用于时基校准和微调。当顺时针旋转处于校准位置时，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。当拉出旋钮时，处于扫描扩展状态。通常是扩大10，即度数锐度扩大10倍，时间基数缩小到1/10。例如在2S/DIV文件中，扫描放大情况下屏幕上的度格所代表的时间值等于
2S(1/10)=0.2S
TDS测试台上有10MHz、1MHz、500kHz、100kHz时钟信号，由石英晶体振荡器和分频器产生，精度高，可用于校准示波器的时基。
示波器刻度信号源CAL专门用于校准示波器的时基和垂直偏转因子。例如，COS5041示波器的刻度信号源提供一个VP-P = 2 V，F = 1 kHz的方波信号。
示波器前面板上的位置旋钮调节信号波形在屏幕上的位置。旋转度档旋钮(标有度双向箭头)左右移动信号波形，旋转垂直档旋钮(标有垂直双向箭头)左右移动信号波形。
2.4输入通道和输入耦合的选择
1.输入通道选择
输入通道至少有三个选项:通道1(CH1)、通道2(CH2)和双通道。当选择通道1时，示波器只显示通道1的信号。当选择通道2时，示波器只显示通道2的信号。当选择两个通道时，示波器显示通道1信号和通道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，将示波器探头插入相应通道的插座，将示波器探头上的地线与被测电路的地线连接，并接触被测点。示波器探头上有一个两位开关。当此开关设置在“1”位置时，测量信号无衰减地送到示波器，从屏幕上读出的电压值就是信号的实际电压值。当该开关设置到“10”位置时，测量信号衰减到1/10，然后发送到示波器。信号的实际电压值是从屏幕读取的电压值乘以10。
2.输入耦合方法
有三种输入耦合方式:交流、GND和DC。当选择“接地”时，扫描线在屏幕上显示“技术资源网络波装置接地”的位置。DC耦合用于测量信号的绝对DC值，观察极低频信号。交换耦合用于观测交换和与DC分量交换信号。在数字电路测试中，一般选择“DC”法来观察信号的绝对电压值。
2.5触发器
第一节指出，被测信号从Y轴输入后，一部分送到示波管的Y轴偏转板，驱动光斑在屏幕上按比例沿垂直方向移动；另一部分被转移到X轴偏转系统以产生触发脉冲，触发扫描发生器。对示波管的X偏转板施加重复的锯齿波电压，使光斑沿度数方向移动，两者积分。由屏幕上的光点描述的图案是测量信号的图案。因此，准确的触发方式直接影响示波器的有效工作。为了在屏幕上获得稳定清晰的信号波形，控制基本的触发效果及其操作方法非常重要。
1.触发源选择
为了在屏幕上显示稳定的波形，需要将测量信号本身或与测量信号有一定时间关系的触发信号加入触发电路。触发源选择提供正触发信号的位置。通常有三种触发源:内部触发(int)、电源触发(LINE)和外部触发(ext)。
内部触发使用测量信号作为触发信号，这是一种常用的触发方法。因为触发信号本身就是被测信号的一部分，所以可以在屏幕上显示非常稳定的波形。双通道示波器中的通道1或通道2可以选择作为触发信号。
触发应用程序交换工频信号作为触发信号。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和晶闸管的低电平开关噪声时更为有效。
外部触发器使用外部信号作为触发信号，外部信号从外部触发器输入端输入。外部触发信号和测量信号之间应该存在周期性关系。由于测量信号不作为触发信号，何时开始扫描与测量信号无关。
触发信号的准确选择与波形显示的稳定性和清晰度有很大关系。例如，在数字电路的测量中，对于短暂的周期信号，选择内部触发器可能更好，而对于周期复杂的信号和与之有周期关系的信号，选择外部触发器可能更好。
2.触发耦合方法的选择
将触发信号耦合到触发电路的方法有很多，目标是使触发信号稳定可靠。这里有一些常用的。
交流耦合也称为电容耦合。它只允许触发信号的开关分量触发，而触发信号的DC分量是隔离的。当DC分量不被认为形成稳定触发时，通常应用这种耦合方法。但是如果触发信号的频率低于10Hz，就会造成硬触发。
DC耦合(DC)不会隔离触发信号的DC分量。当触发信号频率较低或触发信号与空比值较大时，最好采用DC耦合。
当LFR被触发时，触发信号通过高通滤波器被施加到触发电路，并且触发信号的低频分量被抑制。当通过高频抑制(HFR)触发时，触发信号通过低通滤波器被施加到触发电路，并且触发信号的高频分量被抑制。此外，还有电视同步(TV)触发器，用于电视维护。这些触发耦合方法都有自己的实际规模，需要在应用中加以理解。
3.触发电平和触发极性。
触发电平调整也叫同步调整，使扫描和被测信号同步。电平调节旋钮调节触发信号的触发电平。一旦触发信号超过旋钮设定的触发水平，扫描就会被触发。顺时针转动旋钮，触发液位上升；逆时针转动旋钮，触发液位下降。当电平旋钮设置在电平锁定位置时，触发电平主动停留在触发信号的范围内，无需电平调整即可产生稳定的触发。当信号波形复杂，无法用电平旋钮稳定触发时，可以用保持旋钮调节波形的保持时间(扫描暂停时间)，使扫描与波形稳定同步。
极性开关用于选择触发信号的极性。当设置“+”位置时，在信号增长方向，当触发信号超过触发电平时，触发发生。当“-”位置被设置时，当触发信号在信号减小的方向上超过触发电平时，触发发生。触发极性和触发电平共同决定了触发信号的触发点。
2.6扫描方法(扫描模式)
有三种扫描方式:自动、标准和单一。
主动:当没有触发信号输入时，或者当触发信号频率低于50Hz时，扫描是一种自激方式。
正常状态:无触发信号输入时，扫描处于就绪状态，无扫描线。当触发信号到达时，触发扫描。
一次性:一次性按钮类似于复位开关。在单次扫描方法中，当按下单个按钮时，扫描电路复位，就绪灯点亮。触发信号到达后进行扫描。单次扫描停止后，待机灯熄灭。单次扫描用于观察非周期信号或单次瞬态信号，往往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。示波器还有一些比较复杂的功能，比如延时扫描、触发延时、X-Y工作方式等等，这里就不做介绍了。示波器基本操作简单，实际应用中应控制熟练程度。值得指出的是，示波器虽然功能很多，但很多情况下还是用其他仪器仪表比较好。比如在数字电路测试中，用逻辑笔判断是否产生窄脉宽的单个脉冲要简单得多。测量单个脉冲的脉宽时，最好使用逻辑分析仪。
数字示波器应用中应注意的问题
序
数字示波器因其在波形触发、存储、显示、测量、波形数据分析和处理等方面的独特优势，越来越受到人们的欢迎。由于数字示波器和模拟示波器在性能上有很大的差异，如果使用不当，会产生很大的测量误差，影响测试义务。
区分模拟带宽和数字实时带宽
带宽是示波器最重要的指标之一。模拟示波器的带宽是固定值，而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板载采样技术所能达到的最高带宽是示波器的数字实时带宽。数字实时带宽与最高数字化频率和波形重构技术因子K(数字实时带宽=最高数字化速率/K)一致，不直接作为指标给出。从两种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，而数字实时带宽既适用于重复信号的测量，也适用于单个信号的测量。厂家声称示波器带宽可以达到多少兆字节，其实是指模拟带宽，数字实时带宽低于这个值。比如TEK的TES520B带宽为500MHz，实际上意味着其模拟带宽为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，在测量单个信号时，必须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
采样率又称数字化率，是指单位时间内模拟输入信号的采样次数，常以ms/s表示，采样率是数字示波器的一个主要指标。
1.如果采样率不够，容易出现混叠。
如果示波器的输入信号是100KHz的正弦信号，但示波器显示的信号频率是50KHz，这是怎么回事？这是因为示波器采样率太慢，出现混叠现象。重叠是指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灯亮着，显示的波形仍然不稳定。混叠的出现如图1所示。那么，对于一个频率未知的波形，如何判断显示的波形是否有重叠呢？可以慢慢将扫速t/div改为更快的时基文件，看看波形的频率参数是否发生急剧变化，如果是，说明波形混叠已经发生；或者摆动波形稳定在更快的时基上，这也解释了波形混叠已经发生。根据奈奎斯特定理，采样速率至少是信号高频分量的两倍，以避免混叠。例如，对于500兆赫兹的信号，至少需要1GS/s的采样率。有几种方法可以短暂防止混叠:
调整扫描速度；
采用主动设置(自动设置)；
尽量将采集方法切换为包络法或峰值检测法，因为包络法是在多个采集记录中寻找极值，而峰值检测法是在单个采集记录中寻找最大值和最小值。这两种方法都能检测到快速的信号变化。
如果示波器有InstaVu采集方式，可以选择，因为这种方式可以快速采集波形，而且这种方式显示的波形与模拟示波器显示的波形相似。
2.采样率与t/div的关系
每个数字示波器的最大采样率是一个固定值。然而，在任何扫描时间t/div，采样率fs由以下公式给出:
Fs=N/(t/div)N是每帧的采样点。
当采样点数n为一定值时，fs与t/div成反比，扫描速度越大，采样率越低。以下是TDS520B的一组扫描速度和采样率数据:
表1扫描速率和采样率
师/师(ns)1252550100200 fs(GS/s)502510210 . 50 . 25
综上所述，应用数字示波器时，为了避免重叠，最好将扫描齿轮放在扫描速度较快的位置。如果要捕捉稍纵即逝的毛刺，最好将扫描齿轮放在主扫描速度较慢的位置。
数字示波器上升时间
在模拟示波器中，上升时间是示波器极其重要的指标。在数字示波器中，上升时间甚至没有明确给出作为指标。由于数字示波器的测量方法，主动测量的上升时间不仅与采样点的位置有关。如图2所示，A显示上升沿刚好落在两个采样点中间，上升时间为数字化间隔的0.8倍。如果在图2中B的上升沿中间有一个采样点，同一波形的上升时间是数字化间隔的1.6倍。此外，上升时间也与扫速有关。以下是TDS520B测量相同波形时扫描速度和上升时间的一组数据:
表2扫描速度和上升时间
t/div(ms)502010521 tr(s)800320160803216
从上述数据可以看出，虽然波形的上升时间是一个恒定值，但由于扫描速度不同，数字示波器测量的结果相差甚远。模拟示波器的上升时间与扫速无关，而数字示波器的上升时间不仅与扫速有关，还与采样点的位置有关。在使用数字示波器时，我们不能像使用模拟示波器那样从测量时间中推导出信号的上升时间。