示波器的基本工作原理

示波器的基本工作原理

随着科学技术的发展，出现了各类电子示波器和示波测量仪器，如数字示波器、存贮示波器、取样示波器、扫频仪、晶体管图示仪等，但其基本组成都包括垂直通道、水平通道和波形显示三部分，如实图8-1所示。

8-1通用示波器的主要组成框图

（一）垂直通道

电子示波器中通常将被测信号加在垂直通道上，因此要求垂直通道不引起信号的失真。为增加示波器的功能和使用灵活性，垂直通道通常包括输入衰减器、前置放大器、延迟线、输出放大器及转换开关等部分。实图8-2为通用双踪示波器的垂直通道方框图。

1．输入电路

示波器的输入电路具有较高的输入阻抗，能调节输入信号大小，具有AC和DC耦合方式。输入电路通常包括探极和输入衰减器。

8-2垂直通道方框图

探极安装在示波器机体外部，用电缆和机体相联，其作用是便于直接探测被测信号，提高示

波器的输入阻抗，减少波形失真，展宽示波器的使用频带等。最常用的探极为一无源RC 电路。

8-3 RC 补偿探极

衰减电路，如实图8-3所示。图中R2和C2（包括连接电缆的等效电路）为示波器的输入阻抗，R2通常为1M Ω ，R1为探头内的串联电阻通常为9M Ω，C1为探头的分布电容和微调补偿电容，以上电阻、电容组成一个具有高频补偿的RC 型分压器。当 C R C R 2211=时，分压器的分压比为 ，而且与频率无关，当R1=9M Ω，R2=1M Ω ，分压比则为1：10，从探针看进去的输入电阻R=R1+R2=10M Ω，而输入电容C C ≈1，

c c 21<< 。因此探头输入电容大大减小，输入阻抗提高十倍，探头具有10倍的衰减。

在测试一个方波信号时调整探头补偿电容C1过大，使 C R C R 2211>，示波器显示波形将出现过补偿，当C1过小使C R C R 2211< ，将出现补偿，只有正确调整微调电容C1使C R C R 2211=时，示波器才能得到良好的方波。如实图8-4所示。因此示波器和探头应配套使用，测试前用示波器的校正方波信号，先调整好探头补偿电容C1。

示波器的输入衰减器也是由一系列RC 分压器组成，改变分压器的分压比即可改变示波的偏转灵敏度，即通过示波器Y 轴灵敏度粗调开关调整，在面板上为偏转因数开关或灵敏度开关，通常用V ／cm 或V ／div 标记。例如GOS622B 型示波器的输入灵敏度范围为5mv ／div ～5v ／div ，按1-2-5进制共10个档级。VP —5220A 型示波器灵敏度范围为1mv ／div ～2v/div ，按1-2-5进制共11个档级。

（a ）正确补偿 （b ）过补偿 （c ）欠补偿

实图8-4 不同补偿的波形

示波器在采用内同步方式工作时，只有当被观察的信号到来时触发扫描发生器才工作，因此扫描起始时间总是滞后于被观测脉冲一段时间，使脉冲的上升过程无法完整地被显示出来。延迟线的作用就是使被测量信号在通过垂直通道时延迟一段时间，使在示波屏上可以扫出脉冲的全过程。延迟电路有集总参数型和分布参数型。

3．Y 放大器

Y 放大器使示波器具有观测微弱信号的能力。通常Y 放大器分为前置放大器和输出放大器两部分。前置放大器应有较高的输入阻抗、稳定的增益和足够的频带宽度，可以通过改变负反馈深度的方法调节放大器的增益，当示波器用于定量测量时，要固定放大器的增益，一定要将灵敏度微调电位器旋转到“校正”位置。

Y 放大器的输出级通常采用差分放大器，使示波管的偏转板上获得对称和足够大的偏转信号。同时通过调节放大器的直流电压来改变Y 方向的位置，即调面板上垂直位移旋钮。

4．频带宽度和上升时间

为了满足对信号观测的需要，首先要考虑示波器有足够的频带宽度，特别是对脉冲信号观察时，要保证信号的高频成分基本不衰减。通常示波器的带宽应为被测信号中最高频率的三倍左右。

信号所显示的上升时间也与通带宽度有关。若示波器的高端频率为fk ，则输入阶跃信号时显示的波形上升时间 tR 为：

35.014.

322

.2≈⋅=f k

tR

其中 fk 单位为MHz ，tR 的单位为u s 。

利用以上公式可估算带宽为100MHz 的示波器，其系统的上升时间为3.5ns 。

若被观测信号的实际上升时间为tr ，示波器显示出的信号上升时间为tr ’ ，则可按下式求得被测信号实际上升时间 tr ：

t R

t r t r 22'-= 若tr>>tR ，则示波器的影响可忽略不计。

（二）水平通道

示波器的水平通道主要由扫描发生器环、触发电路和X 放大器组成。

1．扫描发生器环

扫描发生器又称为时基电路，用来产生扫描信号，通常由积分器、扫描门及比较释抑电路组成。如实图8-5所示。

实图8-5 扫描发生器环的组成

扫描发生器环使输出锯齿波信号每一次都在同一起始电平开始，不论在触发扫描还是连续扫描下都保证产生稳定的等幅扫描信号，并与被测信号同步。

触发电路的作用是提供一个适当的脉冲去启动扫描。其在面板上对应的功能键有：

（1）触发源选择

触发源包括触发信号来自Y信道的“内触发”，来自外部输入的“外触发”以及来自50Hz 交流电源的“电源触发”，也有的示波器还有来自电视信号的“电视触发”等。

（2）耦合方式选择

耦合方式通常有：DC、AC、HFREJ（高频抑制）、LFREJ（低频抑制）。如实图8-6所示。

实图8-6 触发电路原理框图

（3）触发极性和触发电平

触发脉冲决定了扫描的起点。调节触发极性开关和触发电平电位器可以在不同的极性和电平下产生触发。实图8-7显示了不同触发“极性”和“电平”时示波器显示的波形。由图可见，波形起始点在基线以上时为正电平触发，在基线以下时为负电平触发。触发起始点处于波形上升沿或正斜率时为“正极性”触发，处于波形下降沿或负斜率时为“负极性”触发。

（a）正极性零电平触发（b）正极性、正电平触发

（c）负极性、正电平触发（d）负极性、负电平触发

实图8-7 不同触发“极性”和“电平”时显示的波形

（4）触发方式

触发方式通常有：常态（或称触发）和自动两种。

常态触发方式是在有触发信号，并产生有效的触发脉冲时扫描发生器才工作，屏幕出现扫描线。常态触发时通过触发极性和触发电平调节可以任意选择触发点。

自动触发方式是在无触发输入信号时扫描系统仍有扫描输出，屏幕上将显示扫描线。当系统加入触发信号时又能进行触发扫描。当触发输入信号频率略高于自激扫描频率，触发信号将使扫描与被测信号同步。

（三）双踪显示