示波器测量波形浅析

示波器测量波形浅析

【摘要】用示波器的AC与DC档测量同一个波形，观察到不同的现象：一个观察到尖脉冲，另一个观察到脉冲方波，可见采用不同的耦合方式会影响到波形的测量结果。

【关键词】耦合方式；交流耦合；直流耦合

一、引言

现代科技的进步，为电路波形的测量与观察提供了先进的手段，用示波器对波形测量便是众多科技手段之一，它精确而又直观的测量为查找电路故障与电路的分析提供了强有力的保证。

进行波形测量时，我们通常是利用示波器的探头将信号连接到示波器的输入端子，数字示波器菜单上有三个选择：DC、AC与GND。通常来说，当你要观察的波形是含有直流的信号，或是频率极低的信号，这个开关应当置于“直流”位置，有DC标记；当你要观察的波形是交流信号，或是要观察信号中的交流分量，这个开关应当置于“交流”位置，有AC标记；当你不想让接在输入端子上的信号进入，就将这个开关置于“接地”位置，这在双输入端子的示波器上用得较多。

图1是示波器内部结构示意图，左上部分给出了耦合方式的选择示意图。

二、不同耦合方式下的波形

现在，我们从信号发生器送出一个小于10Hz的极低频矩形波连接到数字示波器的CH1、CH2端子，同时观察不同耦合方式下的波形。其中CH1端子选择DC方式，而CH2端子选择AC方式，得到如图2所示的波形对比。

可以观察到波形出现了很大的区别：AC耦合方式下得到一个正负相间的尖脉冲，而DC模式下依然是一个理想的矩形波；现在我们把信号发生器的矩形波频率改为6.4KHz，再重复前面的测量过程，可这次我们观察到两个端子的波形是相同的。是什么样的原因导致了这种区别？

三、示波器的频率响应

为何会出这两种完全不同的结果？这种现象与电路的结构与相关参数的大小有什么样的关系？看下面电路结构，AC耦合方式就相当于串联了一个电容，如图4所示。给示波器输入一个脉冲宽度为tw的方波脉冲信号。

1.低频信号输入（tw >>RC）

开始，输入电压由0突变成Vm时，这一瞬间C上还来不及累积电荷，因

此Vc=0，输入电压全落在电阻R上，输出电压也就由0变成Vm。

然后，电容开始充电，其上电压按指数规律上升，而输出电压也就按指数规律下降。一般经过（3～5）RC时，电容上的电压上升已接近稳态值Vm，输出电压也就下降到接近0，RC越小，这个过程就进行得越快，因而在输出端得到一个正向尖脉冲。

当t=tw时，输入电压从Vm跳变到0，相当于RC被短路，此时电容开始放电，但在t=tw时它还来不及放电，于是它的电压全部加在电阻上，因此输出电压也就由0跳变为–Vm。

接着，电容通过R进行放电，也是经过（3～5）RC后，放电结束，输出电压也是按照指数规律由–Vm上升到0，于是在输出端出现一个负尖脉冲。

2.高频信号输入（tw<

如果RC比较大，当远远大于tw时，在输出端得到的波形又是另外一个形状了

当t=0时，输入信号由0跳变为Vm，由于电容C上的电压来不及突变，所以输出电压也跳变为Vm。随后，电容C逐渐充电，但因电容数值大，而脉冲宽度远小于电路的充电时间常数，充电过程只完成了一部分，当t=tw时，电容C 上的电压只增加了一小部分△，相应的在输出端的波形就有一个平顶下降△。RC越大，这个下降的值也越小，输出波形也就越接近输入波形。即信号频率越大，用AC耦合方式测量时，输出波形失真越小。

四、结论

DC耦合方式为信号提供直接的连接通路，不管是直流还是交流信号都可以直接到达测试端，所以即便是图中1.5Hz的低频信号也不受影响。

而AC耦合方式则是串联了一个电容，这样，信号的直流分量就会被阻隔，而信号的低频交流分量也将受阻或大为衰减，示波器的低频截止频率就是信号幅度仅为其真实幅度的0.71倍左右的时候对应的频率。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大小。因此在测量低频信号时，特别象6Hz甚至更低的低频信号，肯定会引起波形的失真。由此可见，在测量低频信号时，最好是采用DC耦合方式测量。

参考文献

[1]亚龙公司数字示波器说明资料.

[2]陈传虞主编.脉冲与数字电路[M].高等教育出版社.