示波器的作用是什么_示波器簡單原理_示波器觸發(fā)方式

　　本篇講的是示波器的作用、結(jié)構(gòu)圖、簡單原理及觸發(fā)方式，下篇要講到的是示波器基本使用方法和使用方法圖解，使用時(shí)應(yīng)注意哪些事項(xiàng)及技巧。（示波器怎樣使用_示波器選用_示波器怎么測量）

　　示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器。它能把肉眼看不見的電信號變換成看得見的圖像，便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過程。示波器利用狹窄的、由高速電子組成的電子束，打在涂有熒光物質(zhì)的屏面上，就可產(chǎn)生細(xì)小的光點(diǎn)（這是傳統(tǒng)的模擬示波器的工作原理）。在被測信號的作用下，電子束就好像一支筆的筆尖，可以在屏面上描繪出被測信號的瞬時(shí)值的變化曲線。利用示波器能觀察各種不同信號幅度隨時(shí)間變化的波形曲線，還可以用它測試各種不同的電量，如電壓、電流、頻率、相位差、調(diào)幅度等等。示波器是電氣工程師的基礎(chǔ)儀器，但我經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有些工程師不能有效地使用其觸發(fā)功能。觸發(fā)常被認(rèn)為非常復(fù)雜，現(xiàn)在存在這樣一種趨勢，即如果有任何問題，直接到實(shí)驗(yàn)室去求助專家來幫助設(shè)置觸發(fā)。本文的目的在于幫助工程師了解觸發(fā)的基本原理以及有效使用觸發(fā)的策略。

　　示波器的作用是什么

　　示波器的作用無可取代，它一直是工程師設(shè)計(jì)、調(diào)試產(chǎn)品的好幫手。但隨著計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體和通信技術(shù)的發(fā)展，示波器的種類、型號越來越多，從而使示波器的作用得到詳細(xì)的劃分。

　　1、廣泛的電子測量儀器;

　　2、測量電信號的波形（電壓與時(shí)間關(guān)系）;

　　3、測量幅度、周期、頻率和相位等參數(shù);

　　4、配合傳感器，測量一切可以轉(zhuǎn)化為電壓的參量（如電流、電阻、溫度磁強(qiáng)等）

　　5、示波器的作用-測量電壓

　　利用示波器所做的任何測量，都是歸結(jié)為對電壓的測量。示波器可以測量各種波形的電壓幅度，既可以測量直流電壓和正弦電壓，又可以測量脈沖或非正弦電壓的幅度。更有用的是它可以測量一個(gè)脈沖電壓波形各部分的電壓幅值，如上沖量或頂部下降量等。這是其他任何電壓測量儀器都不能比擬的。

　　6、示波器的作用-測量時(shí)間

　　示波器時(shí)基能產(chǎn)生與時(shí)間呈線性關(guān)系的掃描線，因而可以用熒光屏的水平刻度來測量波形的時(shí)間參數(shù)，如周期性信號的重復(fù)周期、脈沖信號的寬度、時(shí)間間隔、上升時(shí)間（前沿）和下降時(shí)間（后沿）、兩個(gè)信號的時(shí)間差等等。

　　將示波器的掃速開關(guān)“t/div”的“微調(diào)”裝置轉(zhuǎn)至校準(zhǔn)位置時(shí)，顯示的波形在水平方向刻度所代表的時(shí)間可按“t/div”開關(guān)的指示值直讀計(jì)算，從而較準(zhǔn)確地求出被測信號的時(shí)間參數(shù)。

　　7、示波器的作用-測量相位

　　利用示波器測量兩個(gè)正弦電壓之間的相位差具有實(shí)用意義，用計(jì)數(shù)器可以測量頻率和時(shí)間，但不能直接測量正弦電壓之間的相位關(guān)系。利用示波器測量相位的方法很多。

　　示波器的工作原理

　　示波器是利用電子示波管的特性，將人眼無法直接觀測的交變電信號轉(zhuǎn)換成圖像，顯示在熒光屏上以便測量的電子測量儀器。它是觀察數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析實(shí)驗(yàn)中的問題、測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果必不可少的重要儀器。示波器由示波管和電源系統(tǒng)、同步系統(tǒng)、X軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、Y軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、延遲掃描系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)信號源組成。

　　1、示波管

　　陰極射線管（CRT）簡稱示波管，是示波器的核心。它將電信號轉(zhuǎn)換為光信號。正如圖1所示，電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三部分密封在一個(gè)真空玻璃殼內(nèi)，構(gòu)成了一個(gè)完整的示波管。

　　圖1 示波管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和供電圖示

　　2、熒光屏

　　現(xiàn)在的示波管屏面通常是矩形平面，內(nèi)表面沉積一層磷光材料構(gòu)成熒光膜。在熒光膜上常又增加一層蒸發(fā)鋁膜。高速電子穿過鋁膜，撞擊熒光粉而發(fā)光形成亮點(diǎn)。鋁膜具有內(nèi)反射作用，有利于提高亮點(diǎn)的輝度。鋁膜還有散熱等其他作用。

　　當(dāng)電子停止轟擊后，亮點(diǎn)不能立即消失而要保留一段時(shí)間。亮點(diǎn)輝度下降到原始值的10％所經(jīng)過的時(shí)間叫做“余輝時(shí)間”。余輝時(shí)間短于10μs為極短余輝， 10μs—1ms為短余輝，1ms—0．1s為中余輝，0．1s-1s為長余輝，大于1s為極長余輝。一般的示波器配備中余輝示波管，高頻示波器選用短余輝，低頻示波器選用長余輝。

　　由于所用磷光材料不同，熒光屏上能發(fā)出不同顏色的光。一般示波器多采用發(fā)綠光的示波管，以保護(hù)人的眼睛。

　　3、電子槍及聚焦

　　電子槍由燈絲（F）、陰極（K）、柵極（G1）、前加速極（G2）（或稱第二柵極）、第一陽極（A1）和第二陽極（A2）組成。它的作用是發(fā)射電子并形成很細(xì)的高速電子束。燈絲通電加熱陰極，陰極受熱發(fā)射電子。柵極是一個(gè)頂部有小孔的金屬園筒，套在陰極外面。由于柵極電位比陰極低，對陰極發(fā)射的電子起控制作用，一般只有運(yùn)動初速度大的少量電子，在陽極電壓的作用下能穿過柵極小孔，奔向熒光屏。初速度小的電子仍返回陰極。如果柵極電位過低，則全部電子返回陰極，即管子截止。調(diào)節(jié)電路中的W1電位器，可以改變柵極電位，控制射向熒光屏的電子流密度，從而達(dá)到調(diào)節(jié)亮點(diǎn)的輝度。第一陽極、第二陽極和前加速極都是與陰極在同一條軸線上的三個(gè)金屬圓筒。前加速極G2與A2相連，所加電位比A1高。G2的正電位對陰極電子奔向熒光屏起加速作用。

　　電子束從陰極奔向熒光屏的過程中，經(jīng)過兩次聚焦過程。第一次聚焦由K、G1、G2完成，K、K、G1、G2叫做示波管的第一電子透鏡。第二次聚焦發(fā)生在G2、A1、 A2區(qū)域，調(diào)節(jié)第二陽極A2的電位，能使電子束正好會聚于熒光屏上的一點(diǎn)，這是第二次聚焦。A1上的電壓叫做聚焦電壓，A1又被叫做聚焦極。有時(shí)調(diào)節(jié)A1 電壓仍不能滿足良好聚焦，需微調(diào)第二陽極A2的電壓，A2又叫做輔助聚焦極。

　　4、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)

　　偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制電子射線方向，使熒光屏上的光點(diǎn)隨外加信號的變化描繪出被測信號的波形。圖8．1中，Y1、Y2和Xl、X2兩對互相垂直的偏轉(zhuǎn)板組成偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。Y軸偏轉(zhuǎn)板在前，X軸偏轉(zhuǎn)板在后，因此Y軸靈敏度高（被測信號經(jīng)處理后加到Y(jié)軸）。兩對偏轉(zhuǎn)板分別加上電壓，使兩對偏轉(zhuǎn)板間各自形成電場，分別控制電子束在垂直方向和水平方向偏轉(zhuǎn)。

　　5、示波管的電源

　　為使示波管正常工作，對電源供給有一定要求。規(guī)定第二陽極與偏轉(zhuǎn)板之間電位相近，偏轉(zhuǎn)板的平均電位為零或接近為零。陰極必須工作在負(fù)電位上。柵極G1相對陰極為負(fù)電位（—30V~—100V），而且可調(diào)，以實(shí)現(xiàn)輝度調(diào)節(jié)。第一陽極為正電位（約+100V~+600V），也應(yīng)可調(diào)，用作聚焦調(diào)節(jié)。第二陽極與前加速極相連，對陰極為正高壓（約+1000V），相對于地電位的可調(diào)范圍為±50V。由于示波管各電極電流很小，可以用公共高壓經(jīng)電阻分壓器供電。

　　示波器基本組成框圖

　　圖2 示波器基本組成框圖

　　被測信號①接到“Y“輸入端，經(jīng)Y軸衰減器適當(dāng)衰減后送至Y1放大器（前置放大），推挽輸出信號②和③。經(jīng)延遲級延遲Г1時(shí)間，到Y(jié)2放大器。放大后產(chǎn)生足夠大的信號④和⑤，加到示波管的Y軸偏轉(zhuǎn)板上。為了在屏幕上顯示出完整的穩(wěn)定波形，將Y軸的被測信號③引入X軸系統(tǒng)的觸發(fā)電路，在引入信號的正（或者負(fù)）極性的某一電平值產(chǎn)生觸發(fā)脈沖⑥，啟動鋸齒波掃描電路（時(shí)基發(fā)生器），產(chǎn)生掃描電壓⑦。由于從觸發(fā)到啟動掃描有一時(shí)間延遲Г2，為保證Y軸信號到達(dá)熒光屏之前X軸開始掃描，Y軸的延遲時(shí)間Г1應(yīng)稍大于X軸的延遲時(shí)間Г2。掃描電壓⑦經(jīng)X軸放大器放大，產(chǎn)生推挽輸出⑨和⑩，加到示波管的X軸偏轉(zhuǎn)板上。z軸系統(tǒng)用于放大掃描電壓正程，并且變成正向矩形波，送到示波管柵極。這使得在掃描正程顯示的波形有某一固定輝度，而在掃描回程進(jìn)行抹跡。

　　以上是示波器的基本工作原理。雙蹤顯示則是利用電子開關(guān)將Y軸輸入的兩個(gè)不同的被測信號分別顯示在熒光屏上。由于人眼的視覺暫留作用，當(dāng)轉(zhuǎn)換頻率高到一定程度后，看到的是兩個(gè)穩(wěn)定的、清晰的信號波形。示波器中往往有一個(gè)精確穩(wěn)定的方波信號發(fā)生器，供校驗(yàn)示波器用。

　　什么是觸發(fā)？

　　任何示波器的存儲器都是有限的，因此所有示波器都必須使用觸發(fā)。觸發(fā)是示波器應(yīng)該發(fā)現(xiàn)的用戶感興趣的事件。換句話說，它是用戶想要在波形中尋找的東西。觸發(fā)可以是一個(gè)事件（即波形中的問題），但不是所有的觸發(fā)都是事件。觸發(fā)實(shí)例包括邊沿觸發(fā)、毛刺信號觸發(fā)和數(shù)字碼型觸發(fā)。

　　示波器必須使用觸發(fā)的原因在于其存儲器的容量有限。例如，Agilent 90000 系列示波器具有 20 億采樣的存儲器深度。但是，即便擁有如此大容量的存儲器，示波器仍需要一些事件來區(qū)分哪 20 億個(gè)采樣需要顯示給用戶。盡管 20 億的采樣聽起來似乎非常龐大，但這仍不足以確保示波器存儲器能夠捕獲到感興趣的事件。

　　示波器的存儲器可視為一個(gè)傳送帶。無論什么時(shí)候進(jìn)行新的采樣，采樣都會存儲到存儲器中。存儲器存滿時(shí)，最舊的采樣就會被刪除，以便保存最新采樣。當(dāng)觸發(fā)事件發(fā)生時(shí)，示波器就會捕獲足夠的采樣，以將觸發(fā)事件存儲在存儲器要求的位置（通常是在中間），然后將這些數(shù)據(jù)顯示給用戶。

　　第一節(jié)指出，被測信號從Y軸輸入后，一部分送到示波管的Y軸偏轉(zhuǎn)板上，驅(qū)動光點(diǎn)在熒光屏上按比例沿垂直方向移動；另一部分分流到x軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，觸發(fā)掃描發(fā)生器，產(chǎn)生重復(fù)的鋸齒波電壓加到示波管的X偏轉(zhuǎn)板上，使光點(diǎn)沿水平方向移動，兩者合一，光點(diǎn)在熒光屏上描繪出的圖形就是被測信號圖形。由此可知，正確的觸發(fā)方式直接影響到示波器的有效操作。為了在熒光屏上得到穩(wěn)定的、清晰的信號波形，掌握基本的觸發(fā)功能及其操作方法是十分重要的。

　　自動模式與觸發(fā)模式

　　如果沒有發(fā)生觸發(fā)事件，將會出現(xiàn)什么情況呢？這一個(gè)非常好的問題。在這種情況下，屏幕上的波形將不會更新。這不是我們想要的情況，因?yàn)橛脩艨赡懿恢廊绾胃淖冇|發(fā)來獲得屏幕上的波形。例如，如果探頭滑落，示波器將可能停止觸發(fā)。不過，如果屏幕不能更新，信號丟失將很不明顯。

　　為了解決這個(gè)問題，示波器擁有一個(gè)稱為“自動（Auto）”觸發(fā)的模式。在此模式下，如果在一段時(shí)間內(nèi)無法找到觸發(fā)，示波器將自動觸發(fā)以更新屏幕。通常，示波器上有一些指示器（例如前面板上的 LED）來指示上一個(gè)觸發(fā)是真實(shí)觸發(fā)還是自動觸發(fā)。這樣，如果用戶看到“自動（Auto）”指示器，他們就會知道所設(shè)置的觸發(fā)沒有發(fā)生。例如，如果用戶設(shè)置的觸發(fā)為毛刺信號，他們將會知道示波器沒有檢測出毛刺信號。

　　然而，當(dāng)您回顧上一段的內(nèi)容時(shí)就會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)自動觸發(fā)發(fā)生時(shí)，它就意味著每次觸發(fā)之后，示波器進(jìn)行重新準(zhǔn)備時(shí)具有掛起時(shí)間。為了完全避免這一時(shí)間，示波器應(yīng)改為“觸發(fā)（triggered）”模式。（這在某些示波器中稱為“正常”模式）。在“觸發(fā)（triggered）”模式中，除非發(fā)現(xiàn)觸發(fā)事件，否則示波器將不會進(jìn)行觸發(fā)。因此，如果用戶將觸發(fā)模式設(shè)置為毛刺信號并且示波器一直沒有進(jìn)行觸發(fā)，那么用戶就可以確信毛刺信號沒有發(fā)生（至少示波器能夠檢測出）。

　　1、觸發(fā)源（Source）選擇

　　要使屏幕上顯示穩(wěn)定的波形，則需將被測信號本身或者與被測信號有一定時(shí)間關(guān)系的觸發(fā)信號加到觸發(fā)電路。觸發(fā)源選擇確定觸發(fā)信號由何處供給。通常有三種觸發(fā)源：內(nèi)觸發(fā)（INT）、電源觸發(fā)（LINE）、外觸發(fā)EXT）。

　　內(nèi)觸發(fā)使用被測信號作為觸發(fā)信號，是經(jīng)常使用的一種觸發(fā)方式。由于觸發(fā)信號本身是被測信號的一部分，在屏幕上可以顯示出非常穩(wěn)定的波形。雙蹤示波器中通道1或者通道2都可以選作觸發(fā)信號。

　　電源觸發(fā)使用交流電源頻率信號作為觸發(fā)信號。這種方法在測量與交流電源頻率有關(guān)的信號時(shí)是有效的。特別在測量音頻電路、閘流管的低電平交流噪音時(shí)更為有效。

　　外觸發(fā)使用外加信號作為觸發(fā)信號，外加信號從外觸發(fā)輸入端輸入。外觸發(fā)信號與被測信號間應(yīng)具有周期性的關(guān)系。由于被測信號沒有用作觸發(fā)信號，所以何時(shí)開始掃描與被測信號無關(guān)。

　　正確選擇觸發(fā)信號對波形顯示的穩(wěn)定、清晰有很大關(guān)系。例如在數(shù)字電路的測量中，對一個(gè)簡單的周期信號而言，選擇內(nèi)觸發(fā)可能好一些，而對于一個(gè)具有復(fù)雜周期的信號，且存在一個(gè)與它有周期關(guān)系的信號時(shí)，選用外觸發(fā)可能更好。

　　（1）觸發(fā)耦合（Coupling）方式選擇

　　觸發(fā)信號到觸發(fā)電路的耦合方式有多種，目的是為了觸發(fā)信號的穩(wěn)定、可靠。這里介紹常用的幾種。

　　AC耦合又稱電容耦合。它只允許用觸發(fā)信號的交流分量觸發(fā)，觸發(fā)信號的直流分量被隔斷。通常在不考慮DC分量時(shí)使用這種耦合方式，以形成穩(wěn)定觸發(fā)。但是如果觸發(fā)信號的頻率小于10Hz，會造成觸發(fā)困難。

　　直流耦合（DC）不隔斷觸發(fā)信號的直流分量。當(dāng)觸發(fā)信號的頻率較低或者觸發(fā)信號的占空比很大時(shí)，使用直流耦合較好。

　　低頻抑制（LFR）觸發(fā)時(shí)觸發(fā)信號經(jīng)過高通濾波器加到觸發(fā)電路，觸發(fā)信號的低頻成分被抑制；高頻抑制（HFR）觸發(fā)時(shí)，觸發(fā)信號通過低通濾波器加到觸發(fā)電路，觸發(fā)信號的高頻成分被抑制。此外還有用于電視維修的電視同步（TV）觸發(fā)。這些觸發(fā)耦合方式各有自己的適用范圍，需在使用中去體會。

　?。?）觸發(fā)電平（Level）和觸發(fā)極性（Slope）

　　觸發(fā)電平調(diào)節(jié)又叫同步調(diào)節(jié)，它使得掃描與被測信號同步。電平調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)觸發(fā)信號的觸發(fā)電平。一旦觸發(fā)信號超過由旋鈕設(shè)定的觸發(fā)電平時(shí)，掃描即被觸發(fā)。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)旋鈕，觸發(fā)電平上升；逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)旋鈕，觸發(fā)電平下降。當(dāng)電平旋鈕調(diào)到電平鎖定位置時(shí)，觸發(fā)電平自動保持在觸發(fā)信號的幅度之內(nèi)，不需要電平調(diào)節(jié)就能產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的觸發(fā)。當(dāng)信號波形復(fù)雜，用電平旋鈕不能穩(wěn)定觸發(fā)時(shí)，用釋抑（Hold Off）旋鈕調(diào)節(jié)波形的釋抑時(shí)間（掃描暫停時(shí)間），能使掃描與波形穩(wěn)定同步。

　　極性開關(guān)用來選擇觸發(fā)信號的極性。撥在“+”位置上時(shí)，在信號增加的方向上，當(dāng)觸發(fā)信號超過觸發(fā)電平時(shí)就產(chǎn)生觸發(fā)。撥在“-”位置上時(shí)，在信號減少的方向上，當(dāng)觸發(fā)信號超過觸發(fā)電平時(shí)就產(chǎn)生觸發(fā)。觸發(fā)極性和觸發(fā)電平共同決定觸發(fā)信號的觸發(fā)點(diǎn)。

　　掃描方式（SweepMode）：掃描有自動（Auto）、常態(tài)（Norm）和單次（Single）三種掃描方式。

　　自動：當(dāng)無觸發(fā)信號輸入，或者觸發(fā)信號頻率低于50Hz時(shí)，掃描為自激方式。

　　常態(tài)：當(dāng)無觸發(fā)信號輸入時(shí)，掃描處于準(zhǔn)備狀態(tài)，沒有掃描線。觸發(fā)信號到來后，觸發(fā)掃描。

　　單次：單次按鈕類似復(fù)位開關(guān)。單次掃描方式下，按單次按鈕時(shí)掃描電路復(fù)位，此時(shí)準(zhǔn)備好（Ready）燈亮。觸發(fā)信號到來后產(chǎn)生一次掃描。單次掃描結(jié)束后，準(zhǔn)備燈滅。單次掃描用于觀測非周期信號或者單次瞬變信號，往往需要對波形拍照。

　　上面扼要介紹了示波器的基本功能及操作。示波器還有一些更復(fù)雜的功能，如延遲掃描、觸發(fā)延遲、X-Y工作方式等，這里就不介紹了。示波器入門操作是容易的，真正熟練則要在應(yīng)用中掌握。值得指出的是，示波器雖然功能較多，但許多情況下用其他儀器、儀表更好。例如，在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中，判斷一個(gè)脈寬較窄的單脈沖是否發(fā)生時(shí)，用邏輯筆就簡單的多；測量單脈沖脈寬時(shí)，用邏輯分析儀更好一些。