怎样解读示波器波形图

1、怎样解读示波器波形图孙常清 烟台金鹰科技有限公司=示波器是电子电器产品研制、生产及维修中必不可少的仪器。通过对波形的分析，可以了解电路及相关器件的工作状态、某些特性、参数等方面的多种信息。当然，这需要一定的经验和分析能力，更需要对电路基本原理的真正理解。前段时间，在网上看到一篇“lf198峰值保持电路分析”的提问，并附有几组波形图，当时没怎么细看，只是保存了下来，并对有关的技术人员做了粗略的讲解。近日翻出细看，倒觉得是一个进行波形和电路分析的合适的例子。之所以说它合适，是因为电路和波形都比较简单，但波形中包含的信息却很丰富。现将原文摘要附于文后，并借此实例，就解读示波器波形和电路分析方面的话题

2、，和大家共同探讨。为了便于说明，对原文中的附图用黑体进行了英文编号。电路图及有关说明请参看原文。首先，让我们来看一下设计者的设计意图，也就是这个电路是做什么用的，要实现什么样的功能和性能。因为原文中说明不是很详细，所以有些地方，我们只能参考电路图和部分波形图进行猜测：初始状态时，雷电传感器（信号源）无信号（信号电压应为0）,采样保持电路处于静止等待状态，输出亦为0；第一次接收到雷电时，信号电压大于0，电路进行采样并稳定保持（如图e的ch2波形，只是不知图e的波形是如何测得的），同时送出一个在脉冲信号给单片机；对于后续的雷电信号，若低于当前的保持电压，电路不作反应；若高于当前保持电压，电路重新采

3、样保持，同时送出脉冲信号。也就是说：只记录和处理破纪录的成绩。如果从理想状态来分析电路图（因为电路设计一般是先从理想状态来考虑的），应该是没有问题的。所谓理想状态，是指所有元器件都是理想的，不存在参数的误差和分布参数（包括c6没有任何放电途径；包括u2的开环增益为无限大）。那么，实际电路是什么结果呢？首先，出现了第一个问题：电路的记性不太好，记录被它慢慢的淡忘了。从图d和图b中ch2通道的波形来看，u2的输出电压（也就是保持电容c6的电压）不能保持恒定，而是出现了缓慢的下降，说明存在放电现象。首先来看一看放电特性：从图b和图d来看，c6上的电压基本是线性下降的，几乎看不出rc积分曲线的痕迹，说

4、明放电基本上是恒流特性。再来看一看放电途径：可能的放电途径包括：器件（c6）自身内部的泄露电阻、线路板的绝缘电阻、器件外封装的电阻、空气的放电电阻等，而其中的后三项受空气湿度的影响比较大。前面这些放电途径都应该是阻性的，所以这几项不是主要的放电途径。另外还有与c6相连接的器件t1和u1。先来看t1，与c6放电可能有关的有两个参数：集电结反向漏电流和穿透电流。从图a来看，con端应该接地或负电压，t1应工作在接近0偏压（实际通过r7）或负偏压截止状态（不是基极开路状态），所以，基本可以排除穿透电流的影响。，剩下的只有集电结反向漏电流了。而集电结反向漏电流和穿透电流有一个共同特征：即在击穿电压以下

5、的一段范围内，具有恒流特性；而在极低电压范围内（大约几百mv以下），具有电阻特性。在图b中，c6的电压在几十mv范围内变化而看不出阻容放电特征，说明t1也不是主要放电途径。剩下的只有u1了。对于lf198系列，本人没有用过，手头也没有样品（用过的采样保持电路因速度要求不高，同时需要具备其它功能，是用普通运放搭建的），只是零星看到过一些资料，好像有几十pa的泄放电流；好像有一份资料中有一个公式，给出一微法的保持电容，电压下降速度为每秒几十微伏。从这个关系看，泄放电流也应该是恒流的。那么，图a电路中的实际放电电流是多大呢？原文中没有提到，但他已经测量了，而且已经提供给我们了。你可能说没找到，那我告

6、诉你：就在波形图里。当然，由于示波器的读数精度不高，再加上波形中含有干扰信号，计算结果可能不够精确，但粗略的结果已经可以说明问题了。先看图b的ch2波形：最高值约75mv，最低值约15mv，变化量约为60mv，放电时间约4.2s；c6的容量为1.5n。根据 uc = it 的关系，可以算出：i = (60mv×1.5n)÷4.2s 21pa 再看图d的ch2波形：电压变化量约为2.9v，放电时间（从ch1的下降沿开始）约210s；可以算出：i = (2.9v×1.5n)÷210s 21pa两次的计算结果很接近，而且与资料介绍的参数值相符合，由此可以断言，

7、u1内部的泄放电流是主要途径。不管什么途径的放电，都是无法完全避免的，所以用模拟保持的方式，是无法实现图e所示的效果的。接着出现了第二个问题：电路产生了震荡。首先，我们根据波形图，来看一看震荡产生的过程：可能是因为示波器量程的关系，从图d中两个通道的波形中，都无法分辨出震荡的痕迹（我怀疑图d是不是真正雷电信号的测试结果，不是因为这一点，而是因为图中ch1通道的触发信号长达十几秒，这似乎不符合雷电信号的特征）。但综合图b和图d的波形来看，在c6电压比较高的阶段，并不产生振荡，而是在电压降至接近0时才产生的。那么，产生这个振荡的原因是什么呢？图b中包含了两个完整周期的波形，很有规律，而且不与某些特

8、定频率（例如50hz、100hz等）对应，应排除随机干扰和电源干扰的因素。还有一种可能就是信号源本身存在这种低幅度振荡，只是在保持电压较高时被掩盖了（信号电压低于保持电压时电路不作反应），但从上面计算的放电电流数值来看，更像是电路自身产生的。所以，我们还是从电路上来分析。从上面的分析来看，振荡是在电压下降到接近0时产生的，而且振荡中也存在着电压下降现象，所以可以断言：振荡和电压下降有关。换个说法：如果电压不下降，也就不会产生振荡。那么，电压下降是不是产生振荡的根本原因呢？换个问法：电压下降是不是一定会产生振荡呢？看一看图b的波形：电压下降到15mv时，u2输出一个高脉冲，k接通，电压又上升到7

9、5 mv，k关断，接着电压又缓慢下降，周而复始，振荡产生了。由此看来，电压上升引起k再次关断是产生振荡的直接原因。如果电压下降到一定值时k接通，但电压不再上升或稍有下降，k不再关断；或者允许电压一定幅度的上升，但k不再关断，振荡也就不会产生了。那么，这个电压上升是什么原因引起的呢？再来仔细看一看图b中的波形。从ch1的波形看出：电压降至约20mv时，u2输出电压开始上升(拐点)，说明u2开始进入了线性放大区。如果忽略u2的输入失调电压，此时，两个输入端的电压应该是相等的，也就是说：可能存在约20mv的残余信号电压。这一点可以通过直接测试得知。随着ch2继续下降，ch1继续上升，直到ch2降到约

10、15mv时，u1内部开关（见图f）接通，进入采样状态，给保持电容充电，充电电压经a2跟随输出。从图a看出：u2的两路输入实际上应该是一个信号，一路是直接输入，一路是保持电容采样后输入。这里出现了两个问题：第一个问题：按前面的估算，信号残余电压应该是约20mv，采样却采出了约75mv，也就是说：采样失真了。这应该是lf198内部的a1和a2两个运放总的（主要是a1的，a2的可以忽略）输入失调电压造成的。有人可能要问：输入失调电压的定义是：开环放大状态下，当输出为0时，两个输入端之间所需要加的电压差，现在是闭环工作，和输入失调电压是什么样的关系呢？让我们来分析一下，请看下图：图中，运放的负输入端接

11、地，也就是0电压。调节电位器，使输出为0，此时，正输入端的电压就是输入失调电压。既然输出为0，那么负输入端接地和接输出端不是一样的吗？这不就是电压跟随器吗？所以电压跟随器的输入和输出总是要相差一个输入失调电压的，只是我们在一般情况下把它忽略了。lf198内部的a1和a2应该是cmos结构，而cmos运放的输入失调电压一般要比双极型运放大得多。lf198的2脚，就是为了调节这个误差用的。第二个问题：既然u2在那里对信号电压和采样电压进行比较，那么当采样电压达到信号电压时，就应该立即控制关断开关k，阻止采样电压继续上升，u2为什么没有完成这个监控任务呢？这很可能是电路反应速度造成的问题。任何电路，

12、从信号输入到有效输出，都是需要一定时间的，也就是信号延迟。从u2的两个输入端达到相等到k有效关断，所需要的时间是u2、lf198内部a1和k延迟时间的总和，这时，电容已经充到了最高电压。甚至有可能这75mv正是u2控制的结果，也就是说：如果k关断更慢或者不关断，充电电压有可能更高。k在接通时，同样存在延迟的问题，而且更加严重。图c中ch1上升沿不够陡峭，上升到a3的动作电压（r12和r13的分压值）需要一定的时间，然后才是a3和k动作。从图b的ch2看，从u2电压开始上升（已经经过了自身的延迟），到k接通（ch2转为上升）的这一段时间，电压又下降了大约5mv。现在可以明确地说：采样失真是产生振

13、荡的根本原因。解决的办法是：通过2脚调节采样精度，使采样电压与信号电压相等。不过这样在k接通后，u2两个输入端电压相等，将工作在线性放大区，很容易受到干扰，可以有意调低一点，使采样电压略低于信号电压，这样，k接通后就不会再次关断。也可以给u2建立正反馈，形成微小的回差，一方面使电路稳定，同时改善输出脉冲波形（特别是前沿）。见图到此，你可以回顾一下，我们从这几组波形图中解读出了多少信息。那么里面还有没有别的信息呢？肯定有，如果结合电路中出现的各种现象（包括正常和不正常的）仔细分析，一定可以发现更多有用的信息。例如：把图c横向充分展开，如果波形比较干净的话，可以找到ch1上升和下降到a3的动作电压

14、、ch2开始上升和开始上升和开始下降、ch1开始下降等特定的时间点，从而估算u1的内部延迟时间等。本文并不能帮助原电路设计者彻底解决问题，不是不想，而是无力：因为模拟保持的方法，实在无法达到图e的效果，而原设计者又不想采用高速ad，本人实在想不出什么好办法实现预期的效果。其实不管是高速ad也好，模拟采样也好，速度也都是有限的，在一个信号处理完毕以前，如果来了一个更高的信号，都将丢失前一个信号。不过应感谢原电路设计者提供了这样一个合适的例子，使本人得以借题发挥，谈一谈有关如何解读波形图和分析电路的问题。在很多电路设计和电路分析的资料中，经常可以看到：某因素可以不考虑，某些影响可以忽略，而在实际中

15、，我们确实有意无意地忽略了很多东西，可以不夸张地说，有时被忽略的东西比我们考虑到的要多得多。而正是这些被忽略的因素，经常给我们带来预料不到甚至无法解决的问题。所以，一定要记住一句话：可以不考虑不等于实际不存在，可以忽略却不可以忽视。 可以不考虑和可以忽略是有条件的，只有在明确知道它的影响在可以接受的范围之内时才可以忽略。再给朋友们一句忠告：当你设计出一个好的电路时，你可以自鸣得意，但永远不要认为它是完美的，因为没有完美的电路，因为没有完美的器件；也永远不要认为它是唯一的，因为解决问题的方法是多种多样的，你可以充分放开思路，尽量多考虑几个不同的方案，从中选择最适用的。为了轻松一下，修改一句相声台

16、词：“千万别在一棵树上吊死，可以在旁边那几棵树上都试一试”。原文的最后，附有一张lf398功能图，你如果仔细看，一定会发现问题：300k的电阻是绝对无法接受的。记得有些资料中，标注为300。即使是300，我也怀疑其是否应该存在，或者是否画错了地方。另外，曾看到有网友问那两个反向并联二极管起什么作用，是否可以短路。在此，一并作一下分析（我们按理想状态进行分析）。图中的k，画的是机械开关的符号，而机械开关的特性接近理想开关：接通电阻接近为0。如果只是这样，那么两个二极管短路或者开路都已经无所谓了。请看：a1的输出通过k加到a2的正输入端，a2自身接成一电压跟随器；同时，a2的输出端通过30k电阻接

17、至a1的负输入端（cmos输入阻抗可认为无限大，30k电阻上无压降），从而形成大闭环的电压跟随器，两个二极管两端等电位，短路或者开路都已经无意义了。接下来，我们接上保持电容，让它工作起来：加上输入电压，接通k，输入电压经a1跟随，通过300k的电阻给保持电容充电，电容电压按rc积分曲线上升。从理论上讲，到充电结束需要无限长的时间即使是300电阻，能让人接受吗?当然，这是假设k是机械开关的情况，实际上，k不可能是机械开关，而电子开关总是有一定的导通电阻的（300倒是可以接受的。cd4066双向模拟开关在10v电源电压时，导通电阻为400；15v 时为240）。现在我们假设k的导通电阻为300（我

18、们把它编号为r1），图中原300电阻仍然存在(编为r2)，那又是什么情况呢？为了便于理解，我们再假定几个具体数值：电容初始电压为0；二极管正向导通电压为0.6v；输入信号为3v。接通k，此时如果没有二极管，电路形成大闭环，a1的负输入端、a2的输入和输出端均等于信号电压3v，a1输出为6v，r1和r2上各分得3v。a2正输入端的3电压经r2给电容充电。随着电容电压不断上升，r2上的电压不断下降，因r1和r2等值，所以，r1上的电压等幅下降，直到电容充满，r1和r2上电压为0，a1输出3v。再看看有二极管的情况：起始时a1输出电压不再是6v，而是由于二极管d1导通形成小闭环负反馈，被限制在3.6

19、v。并以此电压通过r1和r2两个串联电阻给电容充电。a2正输入端电压u2 =（3.6- uc)/2 + uc = (3.6+uc)/2 = 1.8 + uc/2(uc为电容电压)u2随着电容充电电压的上升而上升，当u2升至3v（uc达到2.4v）时，大闭环形成，d1失去必要的导通电压而关断，u2稳定在3v，继续通过r2进积分充电。可以看出，整个充电时间要比没有二极管时需要更长。至此，可以看出二极管d1的作用是：在大闭环没有形成（包括k关断）的情况下，形成小闭环，限制a1的输出电压相对输入电压差值，不大于一个二极管的正向压降（d2是在负输入时起作用）。至于有什么意义，实在没看出来。我们还是再来看

20、一看图f中这个300的电阻。通过前面的分析看出，只要有这个电阻存在，最好的情况，就是以最终电压（3v）进行积分充电。那么如果把这个电阻挪到k的串联回路中，会是什么情况呢？还是输入3v电压，因为电容的初始电压（即a2的正输入端电压）为0，无法建立大闭环反馈，a1输出3.6v（如果没有二极管，将达到最大输出电压），以此电压通过电阻r1积分充电，充电至3v时，大闭环建立，充电结束。同样是积分充电，有什么不同吗？有这个电阻时，需要以3v电压充到3v，也就是为你、我们常说的“充满”，理论上需要无限个时间常数；没有这个电阻时，是以3.6v电压充到3v不需要充满，所以只需要有限个时间常数。按上面的数值，只需

21、充到83.3%，计算可知，只需约1.8个时间常数。所以我认为，不应该存在这个电阻。让我们再来看一看波形图，是否能找到有关这方面的信息。根据图a中的参数，c6是1.5n，如人r2是300，时间常数就是0.45s。从图c中ch2波形看，电压上升时间应该是不到0.45s，也就是不到一个时间常数。我们权且按一个时间常数来算，此时充电电压应达到约63%，另外的37%是充电电流在300电阻上的压降。此时关断充电电流（ch1降为0），电阻上的压降消失，剩下的只有电容电压，在波形图上，应该可以看到上冲下降的过程，但在图b和图c中，却丝毫看不出这种迹象。如果把图c横向充分展开，能够看清ch2上升过程的细节，就可

22、以直接判断r2是否存在以及更多的信息：如果一开始就以积分曲线形式上升，说明有r1而没有r2，根据积分曲线，你甚至可以估算出r1的数值；如果直接跳变到最高电压，甚至在k关断时有一个向下的跳变，然后缓慢下降，说明r2存在。如果在输入电压较高且电容电压很低时，你甚至可能看到ch2有一定幅度的跳变，然后按积分曲线形式上升，说明r1和r2同时存在，根据跳变幅度，你甚至可以估算两个电阻的比值；更多的信息，你可以自己分析。通过上面的分析，我断定：这个电阻是不存在的。当然，毕竟这只是分析，一己之见，仅供参考。不过，有兴趣的朋友倒可以测量一下。你可能会说：电阻只有一端接6脚，另一端并没有引出，怎么测量？不要忘了

23、：a2是电压跟随器，如果忽略输入失调电压，5脚的电压就是电阻上端的电压。清楚了这个关系，测量也就很容易了：可以在6脚与地之间接一个300或其他阻值的电阻，在k接通并有输入的状态下，测量5脚和6脚的电压，根据这两个电压算出电阻值；也可以同时测量5脚电压和6脚对地电流，算出电阻值；甚至可以将6脚直接接地，如果5脚电压被拉至0v，说明没有电阻。我们还能测到些什么吗？能：例如：让6脚开路（肯定进入大闭环状态），测3脚和5脚之间的电压，就是a1和a2输入失调电压的总和。测5脚和6脚之间的电压，就是a2的输入失调电压；5脚和3脚之间的电压，就是总的输入失调电压。以上的分析，可能没有多大的实用价值，主要是为了让大家体验一下灵活思考和分析问题的方法。只要仔细分析各种逻辑关系和量值关系，很多原来不清楚的东西会变得清楚，很多原来不可能的事情会成为可能。我们已经窥视到了电路内部的几点秘密，如