实用电子学/示波器

通常称为“示波器”，示波器 在设计和制造高频模拟电路（例如，当您无法使用逻辑探头等看到信号变化时）时是必不可少的设备，并且在许多其他情况下也很有用。

什么是示波器？

示波器是一种设备，它绘制电压随时间的变化图，或者绘制两个不同电压之间关系的图。此信息以屏幕上的“轨迹”形式显示。示波器主要有三种类型：阴极射线、数字和基于计算机的。

• 阴极射线示波器 (CRO) 具有一个 电子枪，它发射电子束（历史上称为“阴极射线”，因此得名），电子束根据被测信号偏转。轨迹由电子撞击 磷光体 屏幕产生，该屏幕在电子撞击的地方发出绿色光。

• 数字型号接收输入信号并将其转换为数字信号，然后对其进行分析并用于在 LCD 屏幕上绘制图像。根据型号的不同，轨迹可能是单色或彩色。它们的优点是，可以保存轨迹并与其他轨迹一起显示以进行比较或校准。

• 基于计算机的示波器越来越流行。在计算机上安装了软件，可以分析外部模拟到数字转换器中经过处理的信号。这样做的好处是，可以使用计算机提供处理信号所需的处理，并且可以保存和导出轨迹。

有关不同类型示波器特定功能的更多详细信息，请参阅 维基百科文章。

使用示波器

术语

示波器型号数以百计，每种示波器的形式和功能可能略有不同。它们不仅可以通过上面列出的类型来区分，还可以通过其他功能来区分。

示波器上的通道数是指它可以处理的独立信号数。简单的示波器只有一路通道，而大多数示波器是双通道的——它们可以同时处理两个信号。高级示波器可以拥有更多通道。

带宽是示波器的“时间分辨率”。带宽越高，示波器就能在信号上显示出越多的细节。带宽以 赫兹 为单位，定义为示波器在轨迹低于实际信号值的 0.707 (√2/2) 之前可以采样 正弦曲线 信号的最高频率。建议使用带宽至少是电路中最大频率的 5 倍的示波器。使用带宽不足的示波器会导致错过细节或信号失真。

示波器的上升时间衡量信号从高电平变为低电平或从低电平变为高电平的最快时间，并且示波器仍然可以分辨出来。这与带宽成反比关系，因此，如果只知道电路的上升时间，将其除以 5，即示波器所需的最小上升时间。您将接触到的常用电子设备的上升时间足够长，以至于几乎所有低带宽示波器都可以满足，降至约 10MHz（这几乎是下限）。有些示波器可以捕捉到几十皮秒的上升时间，具有 20GHz 或更高的带宽，价格超过 100,000 英镑。

控制

下面是您最有可能使用的双通道 CRO 的示意图。以下部分将解释这种示波器的控制。

通用双通道 CRO 的前面板，带有编号的控制和显示

显示

A 是显示屏。这可以是磷光体屏幕或 LCD，通常约 100 毫米角到角。

B 显示“轨迹”。这是示波器绘制的表示信号的线。在 CRO 上，这条线是由一个高速移动的亮点在屏幕上产生的。在数字示波器上，这条线像图形计算器一样在 LCD 上绘制。

屏幕上覆盖着水平 (C) 和垂直 (D) 线的网格，称为“刻度板”，它将屏幕划分为正方形，称为“主格”。刻度板通常有 10 个主格宽，8 个主格高。

中心水平线和垂直线 (E) 通常比其他线粗，并且被划分为“次格”，每个主格通常有 5 个次格。在后面的部分中谈到“格”时，我们始终指的是主格——次格只是为了帮助测量。

还有特殊水平线，分别标记为“0”（中心下方 2.5 个主格）和“100”（中心上方 2.5 个主格）。“10”和“90”线具有与中心轴相同的刻度。这四条水平线是用于缩放信号进行上升时间测量的指南。这将在后面讨论。

电源、校准和显示控制

1 是电源开/关按钮。2 是电源指示灯，当示波器开启时会亮起。这在较新的示波器中可能是 LED，在较旧的示波器中可能是霓虹灯管。

3 是轨迹旋转 (TR) 控制。这设置了平坦信号相对于刻度板的倾斜度。这通常是 微调电位器，需要使用平头螺丝刀来设置。设置后，该控制应保持其位置，很少需要调整。

4 是轨迹强度。调高此值会增加轨迹的亮度，调低此值会使轨迹变暗。如果点移动过慢，过度明亮的轨迹会损坏屏幕的磷光体。

如果电子束没有正确聚焦，轨迹会变得模糊。聚焦控制 (5) 设置此项。大多数示波器可以将电子束聚焦形成约 1 毫米宽的轨迹。

6 是校准点。它以设定的频率和电压提供稳定的方波，允许准确地设置轨迹的缩放。有时，可以使用多种频率和电压来进行更具代表性的校准。标准校准信号在 1KHz 时为 0V 到 2V 之间。

垂直轴控制

在将信号绘制为时间的函数（示波器的标准用法）时，垂直轴表示电压。大多数垂直轴控制都针对每个通道进行复制，以便对每个信号进行独立控制。

7 控制轨迹的位置。它可以调整以设置相对于接地的电压，或者可以调整以分开两个信号——例如，第一个通道位于屏幕的上半部分，第二个通道位于屏幕的下半部分。

8 反转相关的通道。也就是说，显示负电压，并且轨迹上下颠倒。

9 是垂直刻度控制，通常称为伏特/格控制。这设置了轨迹的高度。它以离散的步骤运行。

10 是一个可变高度控制。它可以调整波形的幅度，直至达到电压/格控制上的下一个设置增量。当设置为 CAL 时，高度与电压/格控制上显示的值一致。

11 是AC/DC 切换。当设置为 AC 时，任何 DC 信号会被一个与输入信号串联的电容器滤除，只留下 AC 信号。当 DC 信号掩盖了 AC 信号时，这很有用，因为 AC 信号可能会太小而无法看到或被推到屏幕顶部。当设置为 DC 时，信号将按原样显示。

12 是GND 切换。选择它后，输入信号将被忽略，波形显示 0V。这对于测量电压或从显示屏中删除其中一条波形很有用。

13 是通道 1 信号输入，14 是通道 2 输入。这是连接示波器探头的地方。

每个通道都有这些控制的副本（除了 chop/alt，它适用于所有通道）。通道的组合方式由15设置，通常是一个滑块开关。当设置为CH. 1时，只显示通道 1 的波形，CH. 2同理。当选择DUAL时，波形并排显示。此时，chop/alt 控制生效。ADD显示两条波形的叠加，作为一条波形。通过反转波形，可以将其中一条波形从另一条波形中减去。下图可以说明这一点。它显示了在一个通道上的方波和另一个通道上的正弦波。左侧，示波器设置为“dual”，两条波形并排显示。右侧，示波器设置为“add”，波形是两个信号的叠加。

水平轴控制

在正常的电压 vs. 时间模式下，此轴表示时间。主要控制是时间基准选择器，19。时间基准是屏幕上每个水平主格显示的时间长度。范围从约 0.1 毫秒到约 1 秒（或数字示波器上的更长时间）。

波形从左到右的位置由17控制。这在波形的一部分在屏幕边缘之外但你不想要改变时间基准时很有用。

×10 MAG 控制，16，是一个非常有用的控制，如果你想要快速放大某个特征，而又不改变时间基准和丢失设置。此按钮在水平方向上将波形中心区域放大 10 倍（但电压高度保持不变）。

18 在通常的电压 vs. 时间格式和XY模式之间切换。这将通道 1 上的电压连续绘制在水平轴上，而通道 2 上的电压绘制在垂直轴上。这对于分析频率或相位关系非常有用。这是一个复杂的话题，将在本模块后面的独立章节中介绍。

20 和21 的作用与 10 在垂直轴上的作用类似。此图显示它与垂直控制略有不同。要选择非标准的时间基准，请按 20，并调整 20 直到获得正确的设置。要返回到校准的时间基准，请再次按 20。有时这些控制与 10 样式相同，有时垂直控制与这些样式相同。

22 是示波器的GND端子。它用于设置一个“基准”电压，用来测量输入通道上的电压。在使用隔离的电源电路时要小心，因为“接地”有时会漂浮在电源电压上，可能会与真正的接地短路，导致人身伤害或死亡。

23 在chop 模式和alt 模式之间切换。chop 模式意味着，当示波器并排绘制两个信号时，它会在扫描屏幕的过程中快速地在两个信号之间切换。这个动作叫做chopping。alt 模式在每次扫描结束时切换，在速度较慢时可能看起来会闪烁。

触发电平 (25) 和斜率控制 (31) 提供了基本的触发点定义，并决定了波形的显示方式。

触发电路充当一个比较器。你选择比较器一个输入上的斜率和电压电平。当另一个比较器输入上的触发信号与你的设置匹配时，示波器就会产生触发信号。

斜率控制决定触发点是在信号的上升沿还是下降沿。上升沿是正斜率，下降沿是负斜率。电平控制决定触发点出现在边缘的哪个位置。

26 触发模式

触发模式决定示波器是否根据信号条件绘制波形。常见的触发模式包括正常模式和自动模式

• 在正常模式下，只有当输入信号达到设置的触发点时，示波器才会扫描。否则，屏幕将空白（在模拟示波器上）或冻结（在数字示波器上），停留在上次获取的波形上。正常模式可能让人困惑，因为如果你没有正确调整电平控制，你可能一开始就看不到信号。
• 自动模式会导致示波器扫描，即使没有触发。如果没有信号，示波器中的一个计时器就会触发扫描。这确保了如果信号没有导致触发，显示屏不会消失。

27 模式锁定触发

模式锁定触发在 NRZ 串行模式触发方面添加了一个新的维度，使示波器能够以优异的时间基准精度对长串行测试模式进行同步采集。

28 触发耦合

就像你可以为垂直系统选择 AC 耦合或 DC 耦合一样，你也可以选择触发信号的耦合类型。除了 AC 和 DC 耦合之外，你的示波器还可能具有高频抑制、低频抑制和噪声抑制触发耦合。这些特殊设置对于消除触发信号中的噪声以防止误触发很有用。

29 触发源

示波器不一定要对正在显示的信号进行触发。几个源可以触发扫描

• 任何输入通道
• 除应用于输入通道的信号之外的外部源
• 电源信号
• 由示波器内部定义的信号，来自一个或多个输入通道。