示波器基础.docx
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示波器基础
示波器基础——测量和练习
1如何进行测量
在本书的前两章中我们介绍了示波器上可以
用来影响信号波形显示的各种控制机构。
在这一章里我们将要讲座重要的波形参数，并且还将介绍如何使用示波器来测量这些参数。
示波器可以测量两个基本的量，即电压和时间。
从这两个量出发，用手工的方法使用光标或者用自动的方法进行所有其它波形参数的测量。
在进行测量时，了解自己的示波器的能力是很重要的。
不要试图在一个20MHz的示波器上观察一个10MHz的方波，因为在这种情况下不可能看到方波的真实形状，10MHz的方波中包含有10MHz的正弦波基波，以及30MHz、50MHz、70MHz等的谐波。
在10MHz的示波器上，也有可能看到30MHz谐波的部分效果（虽然其幅度不正确），但是下一个谐波分量的频率是示波器带宽的2.5倍！
所以这时您在示波器上看到的波形将更象一个正弦波而不象方波（见图50）。
对于上升时间的测量来说，情况也是这样。
如果您使用一台上升时间比被测信号的上升时间快10倍的示波器来进行测量，那么示波器本身的上升时间对测量的影响将几乎可以忽略。
然而如果示波器的被测信号的上升时间相同，那么引起的测量误差可高达41%。
若干标准波形
三种最常见的波形是正弦波、三角波和方波（见图51）。
这些波形在任何函数发生器上都可以找到，并且在实际工作中也常常遇到。
正弦波包含单一的频率分量；而方波和三角波则由很多不同的相关正弦谐波组成。
方波由基波的奇次谐波构
成，三角波由基波的偶次谐波构成。
这些波形在时间上和幅度上都是对称的。
这些波形还有其变形形式，这通常是波形发生对称变化的结果。
这样一来，三角波变成了锯齿波（从其开头而得名），而方波变成了矩形波。
波形的一个完整的周波叫作一个周期。
一个周期就是从一个周波的某一点到下一个周波相应点所需要的时间（见图52）。
频率是在一秒钟之内所发生的波形的周波数。
所以如果我们用1秒除以一个周期所需的时间就得到了用Hz表示的频率。
例如，周期=1ms则
频率=1/10×10-3=1000Hz=1KHz
重复发生的波形称为重复性波形或周期性波形。
这是最容易测量的波形。
对重复性波形或周期性波形最常测量的另一个参数是波形的幅度。
幅度是一个波形上从最高点到最低之间的电压。
这又称之为峰
（一）峰值幅度或Vp-p（见图52）。
6.2基本练习或如何解释正弦波
本部分所包含的练习可以帮助用户熟悉示波器上的主要控制机构。
其内容分两部。
首先介绍模拟示波器上的控制机构，接着再介绍数字示波器上的控制机构。
有关DSO的专门练习将在后面给出。
需要的设备：
▲示波器：
一台模拟示波器旭PM3094（仅供模拟示波器练习用）或者一台组合示波器，可从PM3382A……PM3394A系列或类似产品中选取。
▲两个10：
1PM9010/091或PM9020/091探头或类似产品以及微调工具供探头补偿调节之用。
▲能产生频率达2MHz或更高的正弦波、方波及三角波的函数发生器，例如PM5135或PM5138或类似产品。
▲两根50ΩBNC电缆。
开始
如果电缆已连在示波器上，则将其从示波器上拆下。
使用正确的电源线将示波器连至市电电源，并将电源开关接通。
将探头连至示波器的通道1，并将探头连至示波器前面板上的探头调节连接器。
如果使用的是组合示波器，则选择模拟模式。
按AUTOSET键（前面板上部的绿色按键）。
对于没有此项功能的老式示波器，则按以上各项进行设置：
亮度—中间位置
垂直位置控制—中间位置
水平位置控制—中间位置
时基0.2ms/格
CH1灵敏度0.2V/格。
注意，如果示波器的自动化程度不高，则增加探头衰减。
触发—触发源CH1，模式—AUTO，峰-峰值电平触发。
确认探头已经补偿。
为此可能需要调节探头上的LF补偿微调电容，如有必要，可参阅第4章“探头补偿”一节。
现在我们就可以开始研究各控制机构了。
参考本书前后封面上的插图来寻找各控制机构的位置。
屏置控制
调节亮度和聚焦控制机构并观察对屏幕显示的影响。
调节聚焦控制机构以获得清晰的扫迹显示和清楚文字显示。
注意为了观察从探头调节输出端子给出的方波的上升沿和下降沿，需要将示波器的亮度调得比较亮。
这是由于电子束在这些沿上移动得比较快的缘故。
调节文字亮度控制机构使得示波管上的文字亮度达到可以接受的程度。
将探头从CH1输入端断开，然后调节扫迹旋钮，使得扫迹和示波器的水平标尺线平行。
放置标尺亮度控制旋钮，并观察标尺变亮。
将探头重新连到CH1上。
垂直控制机构
位置
将探头从探头调节输出端断开。
旋转CH1的POS（垂直位置）旋钮，并将扫迹放到中央的标尺线上。
注意通道标志和地电平指示器“1—”。
将探头重新连接到探头调节输出端上。
灵敏度
按动AMPL（幅度）“上/下”按钮，并观察显示波形的幅度随着所选的灵敏度的不同而变化。
观察屏幕的下部，可以看到灵敏度的读出数值也在变化。
如果要选择VAR（可变）灵敏度，则应同时按“上”和“下”两个键，然后再将两个键放开。
现在就可以使用“上”和“下”两个按钮平滑的改变显示波形的幅度。
注意，这时灵敏度读出数值也随之变化。
再同时按“上”和“下”两个键，以便重新回到1-2-5步进值的工作方式。
注：
Fluke公司的模拟示波器，如PM3094和组合示波器，PM3394A在配备这种标准的可变衰减器方面是独一无二的。
耦合
按动AC/DC/GND按钮，当我们依次经历这三种不同的选择时，可以观察到在灵敏度读出数值后面的耦合符合也在相应变化。
注意：
在有些示波器上，设置上分开的控制机构。
其中一个用来选择AC或DC耦合，而另一个用来将输入通道连接或切换到地。
对这种示波器来说，应当使用这两个控制机构来观察效果。
当我们由AC耦合转换为DC耦合时，屏幕上的波形将会向上跳动。
方波的下部处在零伏电平，所以当选择DC耦合时，方波的下部应在中央标尺线上。
通道标志“1-”为我们显示出通道号码和地电平的位置。
我们可以看到，当选择GND时，地电平确实在中央标尺线的位置。
这时衰减器的输入端连到了地电位。
多通道工作
将第二个探头连至CH2，再将此探头连至探头调节输出，并按AUTOSET。
旋转通道2的POS控制旋钮，并注意屏幕上现在有两条扫迹。
用CH1和CH2的POS控制旋钮将两个扫迹分别放在适当的位置。
用每个通道的ON按钮可以把相应通道的扫迹打开或关闭。
如有必要可对CH2进行探头补偿。
用CH1+CH2按钮把两个通道的波形加在一起。
现在使用INV按钮将CH2通道的信号反相，注意方波立即消失。
探头识别
将探头从CH1和CH2输入端断开。
对CH1用AMPL或灵敏度控制选择1V/格的灵敏度。
如果可能，现在将CH1的输入阻抗设置为50Ω。
在有的示波器上可能有一个专门的按键用来选择此低阻抗，也可能在一个“垂直菜单”中来选择。
注意，这时在CH1灵敏度读出数值后面出现Lz符号以表示低阻抗状态。
重新连接探头
注意屏幕上灵敏度读出数值的变化，现在变为10V/格，并且Lz符号已经消失。
示波器已经识别出此探头为10:
1高阻抗探头。
示波器不允许高阻抗探头和50Ω示波器输入阻抗配合使用。
水平控制机构
时基
将探头连至CH1，并将探头尖端连至探头调节信号。
按AUTOSET
在控制面板的TIME/DIV菜单之下按ns和s按键。
则在慢速扫描时基时应在屏幕上看到较多个周期的探头调节信号波形；而在扫描时基速度较快时看到的探头调节信号波形的周期数较少。
注意在屏幕上显示的时基读出数值按1-2-5的步进值
变化。
同时按TIME/DIV菜单下的ns和s两个按键，我们就进入了校准的可变时基方式。
这和幅度调节中的可变灵敏度方式是类似的。
按ns按键，我们将观察到信号波形的第一个周期就扩展至填满整个屏幕。
水平放大和位置控制
将探头连至CH1，并将探头尖端连至探头调节信号。
按AUTOSET。
调节时基按键，使得屏幕上显示出大约10个周期的探头调节信号波形。
观察屏幕上的时基读出数值。
在PM3094示波器上按10×MAGN按键，在PM3394A按MAGNIFY→按键。
注意这时屏幕上的时基读数比原来快了10倍。
在PM3394示波器上，还将显示出一个称为“存储器范围批示器”的符号，用以表明现在屏幕上显示的波形是由波形存储器中的那一部分产生的。
参见图53和图9。
现在我们就可以用水平的X-POS控制旋钮来扫描观察放大了的波形。
双时基
将探头连至CH1，将探头尖端连至探头调节信号。
按AUTOSET。
如有必要请参看本书封面和封底上的示波器前面板图。
按延迟时基控制部分的DTB。
在PM3394A，示波器上使用最上面的菜单选择功能键（以下称功能键）选择DTBTON。
在PM3092示波器上使用第二个功能键步进寻找以选择MTBI+DTB。
使用位置和扫迹分离控制机构将主时基波形扫迹放在屏幕的上部，而将延迟时基扫迹放在屏幕的下部。
使用DELAY和DTB时基控制机构以选择并放大探头调节信号的一个上升沿。
如有必要可以调节扫迹亮度。
注意屏幕上显示出来的延迟时间和延迟时基速度的读出数值。
当主时基波形扫迹上的加亮部分从MTB触发点向右移动时，延迟时间应增加。
自动时基、触发时基和单次捕捉时基
将探头连至CH1，将探头尖端连至探头调节信号，按AUTOSET。
在PM3094示波器上按HORMOSE按键，在PM3394A示波器上按TBMODE按键。
使用功能键从菜单中选择TRIG（触发）。
现在示波器需要一个触发信号才开始时基扫描。
将探头从CH1输入端取下来，可以看到扫迹立刻消失了。
没有信号就没有扫迹！
再从菜单中选择AUTO，则扫迹重又出现。
将探头重新连至CH1以便看到信号。
现在从同一菜单中选择SINGLE，则扫迹重又消失。
将扫迹制旋钮沿顺时针方向旋转。
在PM3094示波器上按SINGLERESET按键。
在PM3394A示波器上按水平控制部分的SINGLE按键。
仔细观察屏幕。
当松开按钮时，将有一条扫迹掠过屏幕。
每按一次按钮就得到一次扫描。
当了解了更多的关于触发的知识以后，我们还要再做关于这方面的练习。
触发控制
将函数发生器的输出设置为：
1KHz正弦波、扫描关闭、DC偏置关闭、输出电压1V峰
（一）峰值。
使用BNC电缆将函数发生器的输出连至CH1。
按AUTOSET。
使用X-POS旋钮将扫迹向右移动以便看到扫描的起始点。
峰-峰值触发
调节触发电平控制旋钮。
注意扫描波形的起点在波形上上下移动。
改变函数发生器输出的幅度，并重新调节触发电平。
注意示波器总能由输入波形所触发。
当调节触发电平时，示波器屏幕上按输入信号峰-峰值幅度的百分数显示出触发电平的相对值。
触发斜率
按CH1控制部分的TR1G1按钮。
现在示波器按负向斜率触发。
注意，当按TR1G1按钮时，在屏幕右下角显示的斜率符号发生变化。
从另一个通道触发
将CH2的输入连到函数发生器后面板上的TTL输出端上。
按AUTOSET，并在屏幕上调整扫迹的位置使两条扫迹互相不重叠。
观察屏幕右下角的触发源指示符号，并按TRIG2按钮。
现在示波器由通道2的信号触发。
将BNC电缆从CH2的输入端去掉，以证明现在示波器确实是由通道2触发的。
在某一特定电平下触发
将函数发生器的输出设置为：
1KHz、三角波、扫描关闭、DC偏置关闭、幅度为1V峰
（一）峰值。
用BNC电缆将函数发生器的输出连至CH1。
按AUTOSET。
将CH1设置为DC耦合。
将PM3094示波器上按TRIGGERMTB按键，在PM3394A示波器上按TRIGGER键，并选择Level-ppOFF（峰-峰值电平触发关）。
使用触发菜单中最下面的功能键将触发耦合设置为直流耦合。
这时可以看到在屏幕的左边出现“T-”或者“M-”的符号。
这种符号表示出了屏幕上的触发电平位置。
现在调节触发电平控制旋钮，则T-符号将在信号上上下移动，而屏幕上则显示出引起示波器触发的实际电压读出数值。
还可以注意到，如果将触发电平设置得处在信号的峰
（一）峰值的幅度范围之外，则将失去触发。
单次捕捉触发
现在我们已经知道了如何调整精确的触发电平。
因此我们可以做单次捕捉练习。
将探头连至CH1，并将探头连至探头调节信号。
如果您使用的是组合示波器，则检查并确认示波器处于模拟方式之下。
按AUTOSET键。
将探头从探头调节输出端断开。
将屏幕亮度控制旋钮沿顺时针方向旋转到头，以获得最大的扫迹亮度。
在PM3094示波器上按HORMODE键，在PM3394A示波器上按TBMODE键，并使用功能键从菜单中选择SINGLE。
将CH1设置为DC耦合。
在PM3094示波器上按TRIGGERMTB键，在PM3394A示波器上按TRIGGER键，并选择Level-ppOFF（峰<一>峰值电平触发关）。
这时你将在屏幕的左部看到触发电平符号“M-”或“T-”。
现在调节触发电平控制旋钮。
则触发电平符号将在屏幕上上下移动，而屏幕上的读出值则表示出示波器的触发电压。
将此触发电平设置为200mv。
在PM3094示波器上按SINGLERESET键，在PM3394A示波器上按水平控制部分的SINGLE键。
这时，在触发电平控制旋钮旁边的红色LET灯将亮起来，以表明示波器正在等待引起触发的信号。
仔细观察屏幕，并用探头尖端碰一下探头调节输出。
可以看到波形扫迹掠过屏幕一次。
用探头尖端再碰一下探头调节输出，则屏幕上不再出现扫迹。
只有使触发电路再进入准备触发状态才能重复上述现象。
如果你使用的是PM3394示波器，则可在DSO模式下重得上述操作。
可以使用大约一个格的预触发观察区将波形的前沿显示在屏幕上。
触发式双时基
将函数发生器的输出设置为：
正弦波输出、扫描起始频率120KHz、扫描停止频率121KHz、扫描时间50ms、输出幅度1V峰-峰值，并使之进行连续扫描。
用BNC电缆将函数发生器的输出连至CH1输入端。
将示波器按以下要求设置：
CH10.2V/格、AC耦合、主时基20μs/格、CH1触发、正斜率、Levelp-pON；触发电平50%。
打开延迟时基，并选择延迟后STARTS模式。
设置DTB扫描速度为1μs/格，延迟为120μs。
使用扫迹分离及位置控制机构以获得如图54a的波形显示。
看起来屏幕右部的波形在沿X轴方向移动，因此要想详细观察波形中的一个周波是很困难的。
现在将DTB选为按通道1触发的“TRIG‘D’”模式。
在PM3094示波器上可由“ch1”指示出来。
将DTB触发选为DC耦合方式，并将DTB触发电平设置为500mv。
触发电平的调节在PM3094示波器上用LEVELDTB控制旋钮来实现，在PM3394A示波器上用DTB菜单来实现。
注意屏幕左部的“D—”符号。
这个符号就是DTB触发电平指示器。
按CH1的触发钮，选择按通道1以正斜率进行DTB触发。
现在你应获得如图54b的波形显示。
注意屏幕上显示出的延迟读出数值的变化。
现在延迟时间前面出现了一个“>”即大于符号。
这就意味着DTB的触发电路正在等待着MTB触发以后超过100μs（见图）的第一个正斜率沿上第一个出现的500mv电平。
现在使用DELAY控制旋钮来改变延迟时间。
注意观察波形的加亮区域沿着MTB扫描在各个限定的触发点之间跳动变化，而DTB扫描则保持稳定。
改变DTB触发电平，观察当触发电平变化时，主扫描波形加亮区域的起始点在正弦波上上下移动。
将函数发生器的输出信号改变为方波。
对DTB重新选择为ST
ARTS模式。
将MTB的扫描速度增至2μs/格。
将DTB的扫描速度增至50ns/格。
将延迟时间设为8μs，以便使波形的加亮区域位于屏幕中央的一个上升沿上。
浓度用DTB来观察这个上升沿。
观察起来很困难吧？
对DTB选择为触发的“TRIG‘D”模式。
现在该上升沿由DTB稳定的显示出来。
改变DTB触发电平，你就可以在这个上升沿上任意选择想要显示的某一部分。
6.3测量练习
我们已经学会了如何使用示波器的控制机构。
所以现在我们可以进行若干实际的测量练习。
测量探头上校准输出的频率和电压
将探头连至CH1，并将探头连至探头调节输出，并按AUTOSET以获得最佳的波形显示。
对于没有AUTOSET的示波器来说，则应调节灵敏度、时基、水平和垂直位置等控制机构以便在屏幕上获得类似于图55的波形显示。
以格为单位数出此信号一个周波的时间和幅度。
将这两个格数分别乘以示波器的伏/格和时间/格设置值。
这样就得到了此波形的幅度和周期。
接着可以求出信号的频率，通过求周期的倒数即可得到频率。
由于技术指标中存在着公差范围，所以您得到的测量结果可能和图中给出的有所不同。
使用示波器将函数发生器的输出设置成一定的幅度和频率
我们将使用示波器把函数发生器的输出设置成如图56的正弦波，100KHz、幅度为峰-峰值3V。
将触发设置为“Levelp-p”、AC耦合、触发源为CH1，时基为AUTO。
将灵敏度设置为500mv/格，这样垂直偏转6格就等于3V。
频率为100KHz的波形，其周期为10μs；即1/（100×103）=10×10-6。
所以，如果我们将时基设置为2μs/格，那么此波形的一个周期就占据5格。
调节函数发生器的输出电平和频率控制机构以及示波器的触发电平和斜率控制机构以便获得如图56的波形显示。
在现实世界里的信号，其开头绝对不会象函数发生器产生的信号那样好。
让我们来看一看典型的脉冲波形。
图57表示脉冲波形的时间和幅度特性。
脉冲波形的“占空系数”或“占空比”是很重要的参量。
利用这个参数可以计算出诸如雷达、马达速度控制、照明系统等等脉冲系统的平均功率。
占空系数=Tw/Trep
其中：
Tw是脉冲有效时间。
Trep是脉冲的重复时间或周期。
占空比可以表示为一个百分数或者0至1之间的数。
平均功率=峰值功率×占空系数
抖动是度量脉冲信号稳定性的一个参数。
它可以用时间表示，也可以用脉冲重复时间的百分数来表示。
脉冲的幅度特性主要反映出理想矩形脉冲的失真情况。
应该特别注意波形上计算各有关参数地起始点和结束点的电平（0%、10%、50%、90%、100%）。
这样我们就明白了为什么要在示波器的标尺上增加额外的标0%和100%的刻度线了。
当我们使用可变灵敏度把信号放在这两条线上时，我们就可以在其它电平刻度线上进行有关的参数测量。
在图57中所有幅度参数的测量都是以100%的电平为参考标准的。
使用延迟时基测量方波的上升时间，第一种方法
将函数发生器设置为输出峰<一>峰值3V的方波，频率约为120KHz、扫描关闭，并将此信号送至示波器的
通道1。
按AUTOSET，改变MTB的扫描速度，使在屏幕上显示出一个全周期以上的信号波形。
打开延迟时基，并把波形上的加亮部分放在波形的一个上升沿上。
选择在屏幕左部的一个上升沿以使信号抖动的影响减到最小。
改变延迟时基的扫描速度使得显示出的上升沿占据几个水平格。
如有必要可以调节DTB延迟时间和扫迹亮度。
将主时基关闭。
将CH1的耦合方式切换为接地，并把扫迹放在显示屏幕的中线上。
将CH1的耦合方式切换为AC耦合。
使用可变灵敏度控制把信号的项部和底部分别放在100%和0%标尺线上。
在此过程中可能需要对垂直位置控制作小的调整。
使用X-POS控制机构移动波形，让波形的上升沿通过主垂直标尺线和10%水平标尺线的交点。
现在来测量从刚才说过的交点到波形和90%水平标尺线交点之间的时间。
见图58。
信号从其10%幅度点到其最终幅度90%之点间所用的时间称为上升时间。
使用延迟时基测量方波的上升时间，第二种方法
采用和前一个练习相同的设置条件。
使用可变灵敏度控制将信号的顶部和底部分别放在100%和0%标尺线上。
为此可能需要对垂直位置控制作小的调整。
调节延迟控制或者延迟时间倍乘器使用扫迹通过中心垂直标尺线和10%水平标尺线的交点。
记下屏幕上显示的延迟时间。
再调节延迟控制或延迟时间倍乘器使用扫迹通过中心垂直标尺线和90%水平标尺线的交点。
再记下屏幕上显示的延迟时间。
用第二个延迟时间减去第一延迟时间，从而求得10%和90%信号电平之间的时间差。
这个时间差就是上升时间。
当提高延迟时基扫描速度时，用这种办法可以获得更高的测量分辨率。
用这种方法也能准确地测量脉冲宽度和脉冲的重复速率。
使用上述两种办法测量探头调节出的脉冲宽度
将探头连至CH1，并连至探头调节输出。
按AUTOSET以获得最佳的波形显示。
检查并确认探头已经补偿好。
打开延迟时基，并把波形的加亮部分放在波形的一个正半周上。
此波形周期应选在屏幕的左部以使信号抖动的影响减至最小。
改变延迟时基的扫描速度使得所选的半个周期的波形在屏幕上占据几个水平格。
将主时基关闭。
使用可调灵敏度控制，将信号的顶部和底部分别放在10%和0%标尺线上。
为此可能需要对垂直位置控制作小的调整。
使用第一种方法：
调节X-POS控制机构，使上升沿通过某一垂直标线和中心水平标尺线的交点。
在这里必须使用中心水平标尺线，因为它位于信号幅度50%的位置（见图59）
现在测量从上面说的交点到波形下降沿和中心水平标尺线交点之间的时间。
这个时间就是脉冲宽度。
使用第二种方法：
调节延迟控制，使得扫迹的上升沿通过中心水平标尺线和某一垂直标尺线的交点。
这时如果波形的下降沿跑出屏幕的范围也没有关系。
为了获得更高的测量分辨率，可以提高延迟时基扫描速度。
这时，如有必要可以调节扫迹的亮度。
记下屏幕上显示的延迟时间。
再调节延迟控制，使得波形的下一个下降沿通过同一个标尺交点。
再记下屏幕上显示的延迟时间。
用第二个延迟时间减去第一个延迟时间，就得到了波形上升，下降沿上50%幅度点之间的时间差。
这就是正脉冲的宽度。
现在使用延迟控制再选择波形的下一个上升沿并记下屏幕上显示的延迟时间。
从第二个读数减去第一个读数就可以计算出负脉冲宽度。
现在你能计算出信号的频率和占空比吗？
6.4光标和自动测量
光标的种类
到现在为止，在所有我们进行的测量工作中，我们已经使用了标尺和示波器的衰减器及时基的设置信息
。
更现代化的模拟示波器上设有光标，使得测量工作更加容易、更加迅速。
光标就是电子束在示波管屏幕上画的线。
光标有垂直和水平的两种。
它们在屏幕上的位置和电压及时间有关。
其位置可以用作示波器测量电压和时间的基础。
并用来获得其它测量参数，如频率、上升时间等。
当示波器的灵敏度或时基设置发生变化时，屏幕上的光标的时间和电压读出数值也随之自动调整变化。
读出数值可以是绝对读数，即相对于地电平的伏数；也可以是相对读数，即光标之间的电压差；也
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