波形测试及示波器

第3章波形测试与示波器返回课程目录＊本章主要介绍波形测试原理及示波器的组成原理与应用。内容提要＊本章内容主要有：●波形测试的基本原理；●通用示波器的工作原理；●通用示波器的使用操作方法；●示波器的基本测量应用；●取样技术在示波器中的应用。（一）学习目标基本了解：波形显示原理；理解通用示波器的组成及原理；了解波形测试原理和示波器的面板开关旋钮的作用与操作方法。重点掌握：示波器多波形显示和示波器的应用。（二）技能目标

掌握示波器的正确选择和使用；熟悉用示波器进行有关参数的测量；学会用示波器检测实际电路。3.1示波器的功能与分类

示波器主要用来观测信号波形、测量电压、频率、时间等参数，是电子测量三大仪器之一。电子测量三大仪器电子示波器电子电压表电子计数器3.1.1示波器的功能

示波器是一种电子图示测量仪器，它可以用来观察和测量随时间变化的电信号图形，可以定性地观察电路的动态过程，如观察电压、电流的变化过程，还可以定量测量各种电参数，例如测量脉冲幅值、上升时间、重复周期或峰值电压等。

由于示波器能够直接对被测电信号的波形进行显示、测量，并能对测量结果进行运算、分析和处理，功能全面，加之具有灵敏度高、输入阻抗高和过载能力强等一系列特点，因此在生产、维修、教学、科学研究等领域中得到了极其广泛的应用。3.1.2示波器的特点

作为通用的电子测量仪器，电子示波器具有以下主要特点：1、具有良好的直观性，可直接显示信号的波形，也可测量信号的瞬时值。2、灵敏度高、工作频带宽、速度快，对观测瞬变信号的细节带来了很大的方便。3、输入阻抗高（兆欧级），对被测电路的影响小。4、不用指针指示，过载能力较强。

从示波器的性能和结构出发，可将示波器分为模拟示波器、数字示波器、混合示波器和专用示波器。3.1.3示波器的分类1.模拟示波器（1）通用示波器：采用单束示波管的示波器。这类示波器采用单束示波管，有单踪型和多踪型，能够定性、定量地观测信号，是最常用的示波器。多踪示波器是采用单束示波管而带有电子开关的示波器，它能同时观测几路信号的波形及其参数，或对两个以上的信号进行比较。（2）多束示波器：采用多束示波管的示波器。与通用示波器的叠加或交替显示多个波形不同，其屏上显示的每个波形都由单独的电子束产生，能同时观测、比较两个以上的波形。（3）取样示波器：它根据取样技术将高频传号转换为低频信号，然后再用通用示波器显示其波形。这样，被测信号的周期被大大展宽，便于观察信号的细节部分，常用于观测300MHz以上的高频信号及脉冲宽度为纳秒级的窄脉冲信号。目前已被数字存储示波器或数字取样示波器所取代。

取样技术——是一种频率变化技术，通过“非实时取样”方式将高频信号变成低频信号，将极窄的快速脉冲展宽后再以模拟示波器的方法显示被测波形。2.数字示波器（1）数字存储示波器（DSO）：它能将电信号经过数字化及后置处理后再重建波形，具有记忆、存储被观测信号的功能，可以用来观测和比较单次过程和非周期现象、低频和慢速信号以及在不同时间或不同地点观测到的信号。它往往还具有丰富的波形运算能力，如加、减、乘、除、峰值、平均、内插、FFT（快速傅氏变换）、滤波等，并可方便地与计算机及其它数字化仪器交换数据。（2）数字荧光示波器（DPO）：采用先进的数字荧光技术，能够通过多层次辉度或彩色显示长时间信号，具有传统模拟示波器和现代数字存储示波器的双重特点。

光源或一被照面之辉度——指其单位表面在某一方向上的光强度密度，也可说是人眼所感知此光源或被照面之明亮程度。3.混合示波器混合信号示波器是把数字示波器对信号细节的分析能力和逻辑分析仪对多通道的定时测量能力组合在一起的仪器。4.专用示波器不属于以上几类、能满足特殊用途的示波器称为专用示波器或特殊示波器。例如监测和调试电视系统的电视示波器，主要用于调试彩色电视中有关色度信号幅度和相位的矢量示波器等等。3.2.1阴极射线示波管3.2示波显示的基本原理

典型的示波器利用阴极射线示波管CRT作为显示器，CRT是示波器的重要组成部分，其作用就是把电信号转换为光信号而加以显示。其构造与电视机显像管相同，主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三大部分组成，三大部分均封装在密闭呈真空的玻璃壳内，其结构示意图如图3.1所示（图中省略了玻璃外壳）。图3.1阴极射线示波管结构示意图1.电子枪

电子枪的作用是发射电子并形成聚束的高速电子流。它主要由灯丝F、阴极K、控制栅极G、第一阳极A1、第二阳极A2和后加速阳极A3组成。除灯丝外，其余电极的结构均是金属圆筒，且它们的轴心都保持在同一轴线上。

阴极是一个表面涂有氧化物的金属圆筒，在灯丝的加热下，阴极散射出大量游离电子。

控制栅极是顶端有孔的圆筒，套装在阴极外面，其电位比阴极电位低，用于控制射向荧光屏的电子数量，改变电子束打在荧光屏上亮点的亮度。调节电位器RP1可以调节亮度，称之为“辉度（INTENSITY）”调节旋钮。与控制栅极极性相反的电压加到阴极上时，也可起到与控制栅极相同的作用。

第一、二阳极是中间开孔、内有许多栅格的金属圆筒，它们与控制栅极配合完成对电子束的加速和聚焦，聚焦就是使电子束在荧光屏上的亮点直径变小，调节电位器RP2、RP3可使荧光屏亮点鲜明，得到最佳的聚焦效果，RP2、RP3分别称为“聚焦（FOCUS）”调节和“辅助聚焦（AUXFOCUS）”调节旋钮。

后加速阳极用来加速电子束，提高示波管的偏转灵敏度。

注意：调节“辉度”旋钮时会影响聚焦效果，因此，示波管的“辉度”与“聚焦”并非相互独立，要配合调节。2.偏转系统

偏转系统位于第二阳极之后，由两对相互垂直的X（水平）、Y（垂直）偏转板组成，分别控制电子束水平方向、垂直方向的偏转，偏转的距离分别与加在偏转板上的电压大小成正比，该特性称为阴极射线示波管的线性偏转特性。

偏转系统的作用是：扫描电压、被测信号加到X、Y偏转板上时，各自在X、Y偏转板间形成偏转电场，分别使电子束产生在X、Y方向上的位移，由此确定出亮点在荧光屏上的位置。

为了显示出被测信号的波形，扫描电压和被测信号电压分别加在示波管X、Y偏转板上。扫描电压是与时间成正比的锯齿波，因此，电子束在水平方向上的偏转距离与时间成正比，这是示波器测量时间、周期等参数的原理依据。

改变扫描电压的大小，可以调整显示波形的宽度。

锯齿波和被测信号都变换成极性相反的对称信号后加到偏转板上，如图3.1所示。被测信号变换后加在Y偏转板上，使电子束产生与信号电压成正比的偏移，这是示波器测量电压等参数的原理依据。

改变Y偏转板上的信号电压大小，可以调整显示波形的幅度。

当在Y1、Y2偏转板上再叠加上对称的正、负直流电压时，显示波形会整体向上移位，反之，向下移位，调节该直流电压的旋钮称为“垂直移位(VERTICAL)”旋钮。

当在X1、X2偏转板上再叠加上对称的正、负直流电压时，显示波形会整体向左移位，反之，向右移位，调节该直流电压的旋钮称为“水平移位（HORIZONTAL）”旋钮。

荧光屏内壁涂有荧光物质（磷光质），外壁则是玻璃管壳。当荧光物质受到电子枪发射的高速电子束轰击时能发出荧光，并维持一定的时间，该现象称为荧光物质的余辉现象。3.荧光屏

按照余辉现象维持时间（即余辉时间）的长短，荧光物质分为短余辉（小于1ms）、中余辉（1ms～0.1s）和长余辉（大于0.1s，甚至可达几分钟或更长）等几种。被测信号频率越低，越宜选用余辉长的荧光物质，反之，宜选用余辉短的荧光物质。

荧光物质发出的颜色有蓝色、绿色、黄色等几种，普通示波管常选用黄色或绿色的荧光物质。

为了进行定量测试，一般在荧光屏内壁预先沉积一个透明刻度，称为内刻度；或在屏外安置标有刻度的透明塑料板，称为外刻度。刻度区域通常为一矩形，称为测量窗或显示窗，其尺寸是示波器可视尺寸，一般为10div×8div（宽×高）。3.2.2示波管显示原理

利用示波器可以显示被测信号的波形，常见的有两种类型：一种是显示随时间变化的信号，称为波形显示；另一种是显示任意两个信号X与Y的关系，称为X-Y显示。1.波形显示

当示波管未加偏转电压时，电子束打在荧光屏中心位置上而产生亮点。当在示波管X、Y偏转板上都只加直流电压时，也可以在荧光屏上得到一个位置产生变化的亮点。每个亮点所在的位置都可以设为起始点。

被测信号的波形可以看作是由很多亮点构成的，由示波管的线性偏转特性可知，每个亮点在X、Y方向上的坐标（即相对于起始点的距离）分别与被测信号波形中该点的时间及瞬时电压成正比。

当被测电压、扫描电压分别加至垂直、水平偏转板上时，电子束受到垂直、水平偏转板的共同作用，使电子束每一时刻产生的亮点的垂直位移与被测电压的瞬时电压成正比，而在时间上则一一对应，这样就在荧光屏上得到一个留存时间很短的亮点轨迹，即波形。

只要被测信号是周期性信号，每次得到的波形又能完全重复，并且每次重复的间隔时间又很短，就可以得到稳定的被测信号波形，重复间隔时间应少于人眼视觉暂留时间，否则，波形会闪烁，不便于观测。（1）扫描的概念

光点在锯齿波作用下移动的过程称为扫描。能实现扫描的锯齿波电压叫扫描电压，分为扫描正程和扫描回程。如图(c)所示，亮点从0点经1、2、3至4点移动为正程，从4点迅速返回到0点的移动为回程。

下图为扫描电压实际波形。

Ts为扫描正程时间，在此期间电子束产生自左至右的移动，称为“扫描正程”；Tb为扫描逆程时间，在此期间电子束产生自右至左的移动，称为“扫描逆程”或“扫描回程”，以保证下次扫描从起始点开始向右扫描；T为扫描休止时间，以保证下次扫描在荧光屏上的起始点能够与本次扫描的起始点重合，为便于分析通常不予考虑。

当扫描逆程时间和扫描休止时间均为零时，扫描电压为理想扫描电压。锯齿波电压波形(a)实际锯齿波(b)理想锯齿波

扫描正程时显示被测信号的波形。在扫描逆程时，电子束在向左移动的过程中会出现亮线，该亮线称为回扫线。

假如在Y偏转板上加正弦电压，在扫描休止时，电子束会在起始点位置出现一条垂直的亮线，该亮线称为休止线，如下图所示。

应对回扫线和休止线进行消隐，否则，将影响波形的观测。可以在扫描正程期间给控制栅极加正极性脉冲或给阴极加负极性脉冲（在扫描正程期间使电子枪发射更多的电子，即给示波器增辉）来实现消隐。

（2）扫描与被测信号的同步

扫描的后一个周期描绘的波形与前一周期完全重合，扫描电压与被测信号的同步，简称“同步”。

式中，Tx为扫描信号周期；Ty为被测信号周期。

如果要得到稳定的周期性被测信号波形必须满足同步条件：Tx=Ts+Tb+T=nTy（n=1，2，3，…即n为整数）

由此可见，被测信号和扫描电压对电子束的作用时间总是相等的。

扫描电压正程、逆程时间等于被测信号的几个周期，就相应地扫描得出被测信号几个周期的波形，其中扫描逆程得到的波形（即回扫线）是紧随扫描正程波形之后的被测信号波形的回折，即以扫描正程结束点所在纵轴为轴线将正程之后的波形向起始方向对折，并且使扫描逆程的结束点与扫描起始点重合，如图3.4所示。

示波管除供电部分外，再加上扫描电压产生部分（即X通道）和输入电压变换部分（即Y通道）则构成示波器。示波器一般采用电平触发的方法获取被测信号的周期信息，从而实现扫描电压与被测信号的同步，这个过程称为触发同步，在这种状态下的扫描称为触发扫描，是示波器优先采用的扫描方式。

有时，扫描电压是在自激状态下产生的，这种扫描方式称为连续扫描。

有时扫描电压是在手动控制下产生的，称之为单次扫描，单次扫描适于观测非周期性信号。

有时在自动电路控制下，连续扫描和触发扫描可以实现自动变换，这种扫描方式称为自动扫描，是操作示波器时通常选用的扫描方式。2.显示任意两个变量之间的关系

X—Y图示仪：当有两个信号分别加在X和Y偏转板上时（Ux不一定是锯齿波），荧光屏上即能显示出两个信号波形之间的关系。

通常把两个偏转板上都加正弦电压时显示的图形叫李沙育图形，它常用于频率和相位测量中。

图3.7两个同频率信号构成的李沙育图形

(a)Uy与Ux同相位；(b)Uy超前Ux90°3.3.1通用示波器的基本组成通用示波器是指示波器中应用最广泛的一种，通用示波器主要由X通道（HORIZONTAL）、Y通道（VERTICAL）、主机三大部分组成。通用示波器的基本组成如图3.8所示。3.3通用示波器的工作原理图3.8通用示波器基本组成（1）X通道（水平系统）

X通道由触发电路、扫描电路和X放大器组成。它的主要作用是：在触发信号的作用下，输出大小合适、极性相反的对称扫描电压，以驱动电子束水平偏转。

（2）Y通道（垂直系统）

Y通道由衰减器、前置放大器、延迟级、输出放大器等组成。它的主要作用是：对单端输入的被测信号进行变换、处理成为大小合适极性相反的对称信号加到Y偏转板上，使电子束产生垂直偏转。（3）主机部分

主机部分主要包括标准信号源、增辉电路、电源、示波管等部分。

增辉电路的作用是在扫描正程时使波形增辉，扫描逆程或扫描休止期时使回扫线和休止线消隐；或在外加高频信号的作用下，对显示波形进行亮度调制，即使波形亮暗变化情况受外加信号的控制，波形由实线变为虚线，由此可测量信号周期或频率。

标准信号源用于提供幅度、周期等都很准确的方波信号，例如1kHz、10mVP-P的方波，以便对示波器有关技术指标进行校准调整。

由于增辉信号是加在示波管的控制栅极或阴极上，而控制栅极或阴极均与偏转板垂直，符合三维坐标关系，故增辉电路等又称为Z轴系统，有时也将主机部分称为Z轴系统。

示波器Y通道主要由输入电路、前置放大器、延迟级和输出放大器等组成，如图3.8所示。它的主要作用是把被测信号变换成为大小合适的双极性对称信号后加到Y偏转板上，使显示的波形适于观测；向X通道提供内触发信号源；补偿X通道的时间延迟，以观测到诸如脉冲等信号的完整波形。3.3.2通用示波器Y通道（垂直系统）1.输入电路

如图3.9所示，输入电路主要包括探极、耦合方式变换开关、衰减器、阻抗变换及倒相放大器等部分。图3.9Y通道输入电路（1）探极

被测信号与示波器的连接可以选用引线或附带的探极，通常选用高频特性良好、抗干扰能力强的高输入阻抗探极。

探极分为有源探极和无源探极两种，探极中通常设置有衰减器。

有源探极具有良好的高频特性，衰减比为1：1，适于测试高频小信号，但需要示波器提供专用电源，应用较少。

应用较多的是无源探极，衰减比（输入/输出）有1：1、10：1和100：1三种，前两种的应用比较普遍，后一种通常用于高频测量。当探极衰减比为10：1或100：1时，被测电压值是示波器测得电压的10倍或100倍。

无源探极的结构如图3.10所示。如果要正确地测量高频波和方波，需要调节探极补偿电容器C。补偿电容的位置有的在探针处（图(a)），有的在探极末端（图(b)）或在校准盒内。图3.10两种无源探极的结构

调整补偿电容时，将示波器标准信号发生器产生的方波加到探极上，用螺刀左右旋转补偿电容C，直到调出下图(a)所示的方波（即正确补偿）为止。否则，会出现下图(b)、下图(c)所示的电容过补偿或欠补偿情况。探极补偿情况

原则上，示波器的探极应专用。

正确使用探极，可以提高示波器的输入阻抗，增强示波器的抗干扰能力，扩展示波器的电压量程。接入探极后，一般可以使示波器输入电阻提高到10MΩ、输入电容减小到十几pF。（2）耦合方式选择开关

输入耦合方式选择开关一般有DC、AC和GND三个挡位。

在不断开被测信号的情况下，GND耦合为示波器提供测量直流电压的参考零电平。

交流（AC）耦合可隔离被测信号中的直流及慢变化分量，抑制工频干扰，便于测量高频及交流瞬变信号。

直流(DC)耦合即直接耦合，信号直接接至衰减器，用于观测频率很低或带有直流分量的交流。

变换交流耦合和直流耦合，可以测出交流信号中直流成分的大小。（3）衰减器

衰减器一般为阻容步进衰减器，它对应示波器面板上的Y轴灵敏度粗调旋钮，其电路原理如下图所示。阻容步进衰减器原理图

改变衰减器衰减比，也就改变了示波器偏转因数，从而使显示波形的幅度得以调整。偏转因数旋钮每挡所对应的阻容衰减器是唯一的。

对于下图所示的阻容衰减器，只有当满足R1C1=R2C2时，衰减器才具有平坦的幅频特性，即示波器偏转因数与输入信号频率无关，其衰减比为R2/(R1+R2)。阻容步进衰减器原理图（4）阻抗变换及倒相放大器

阻抗变换及倒相放大器的作用是将来自衰减器的单端输入信号变换为后级差分放大器所需的双端输出信号，以克服放大器零点漂移的影响；提高放大器输入阻抗；隔离前后级的影响；提供Y偏转板所需的对称信号。

与该电路有关的旋钮有直流“平衡”及偏转因数“微调”等旋钮。“微调”可以连续调节显示波形的幅度；适当调节“平衡”可以避免因为偏转因数的改变而使波形产生位移，示波器面板上一般不予设置。2.前置放大器

前置放大器的作用是对前级输出信号进行初步放大，补偿延迟级对信号的损耗；为X通道的触发电路提供大小合适的内触发信号，以得到稳定可靠的内触发脉冲。

与前置放大器有关的开关旋钮有“倒相”开关、垂直“移位”旋钮。“倒相”开关通过改变加在前置放大器的双端输入信号的极性使显示波形倒置；“移位”旋钮通过调节同轴双联电位器反向对称地改变前置放大器双端输出信号中的直流成分而使波形垂直移位。3.延迟级

为了显示稳定的脉冲波形，示波器通常采用内触发方式来产生扫描电压。只有当被测信号达到一定的触发电平时，才能产生触发脉冲并形成扫描电压，但被测信号从零电平开始上升到一定的触发电平需要经历一定的时间，这表明扫描电压要比被测信号出现的时间晚，从而使被测信号的前沿无法完整显示。为了完整显示被测信号波形，在Y通道中设置延迟级对被测信号进行延迟,延迟时间一般为60～200ns，常取100ns左右。

图3.10为延迟级原理示意图，图3.10(a)、图3.10(b)、图3.10(c)、图3.10(d)分别为被测信号uy(t)、触发脉冲p(t)、扫描电压ux(t)的波形和被测信号的显示波形，Ut为触发电平。由此可见，经过延迟级适当延迟后即可看到完整的被测信号波形。但观测正弦等缓慢变化的信号时，延迟级的作用却不显著，故简易示波器中一般不设置延迟级。图3.10延迟级原理示意图4.输出放大器

为了克服零点漂移等的影响，输出放大器一般采用差分放大器。其作用是对来自前级的信号进行放大，使电子束在垂直方向上产生足够大的偏转，便于观测微弱信号。

与该电路有关的开关旋钮主要有“倍率”、偏转因数“微调”等开关旋钮。如果“微调”旋钮已设置在阻抗变换及倒相放大器中，则不再出现在输出放大器中，反之，则不再出现在阻抗变换及倒相放大器中。这两个旋钮都是通过调节放大器增益来实现偏转因数调节的。3.3.3通用示波器X通道（水平系统）

示波器X通道主要由触发电路、扫描电路及X放大器等三大部分组成，如图3.11所示。它的主要作用是产生扫描电压，使波形在水平方向上展开；给示波管提供增辉、消隐脉冲；提供双踪示波器交替显示时的控制信号。图3.11X通道组成框图1.触发电路

触发电路用来选择触发源并产生稳定可靠的触发信号，以触发产生稳定的扫描电压。

如图3.12所示，触发电路主要由触发源选择开关S1、耦合方式选择开关S2、触发电平与斜率选择器、放大整形电路等组成。图中S1为“触发源（TRIGSOURCE）”选择开关；S2为“触发耦合（TRIGCOUPLING）”方式选择开关；S3为“触发极性（SLOPE）”选择开关；电位器RP为“触发电平(LEVEL)”调节器。图3.12触发电路组成框图（1）触发源

用于产生触发脉冲的信号源，有内触发、外触发、电源触发三种。双踪示波器内触发源又分为CH1、CH2。

内触发（INT）：将Y前置放大器的输出作为触发信号，适用于观测被测信号。

外触发（EXT）：用外接的、与被测信号有严格同步关系的信号作为触发源，用于比较两个信号的同步关系。

电源触发（LINE）：用50Hz的工频正弦交流电信号作为触发源，适于观测与50Hz交流电有同步关系的信号。（2）耦合方式

触发信号的耦合方式是指选择触发源中某种成分来产生触发脉冲，有DC、AC、AC（H）和HF四种方式。DC耦合，即直接耦合，常用于外触发或连续扫描方式；AC耦合是一种常用的方式，因C1的接入，适于低频到高频信号的触发。AC(H)为低频抑制耦合，C1和C2串联，阻抗增大，有利于抑制工频干扰等的低频干扰。HF为高频抑制耦合，耦合电容较小，适用于5MHz以上信号的观测。（3）触发方式

常态（NORM）扫描即触发扫描，是示波器优先采用的扫描方式。

无信号时，屏幕上无扫线。有信号时，与电平控制配合显示稳定波。

自动(AUTO)触发方式:无信号时，屏幕上显示光迹；有信号时,与电平控制配合显示稳定波形。该方式适于观测低频信号。

视频（TV）触发方式：用于显示电视场信号，以便对电视信号（行、场同步）进行监视与电视设备维修。

P-PAUTO（峰值自动）：无信号时，屏幕上显示光迹；有信号时,无须调节电平即能获得稳定波形。该方式只有部分示波器中采用。（4）触发电平及斜率选择器

触发电平及斜率选择器用于选择合适稳定的触发点，以控制扫描起始时刻，为了使波形显示稳定，应选择同相位点作为每次扫描的起始点。

触发电平可以由“触发电平”旋钮进行调节，它有正电平、负电平和零电平之分，触发点分别位于触发信号的上部、下部和中部。

触发斜率即触发极性，是指触发点位于触发信号的上升沿还是下降沿，位于上升沿的称为正极性触发，位于下降沿的称为负极性触发。

触发电平及触发极性可以直接从显示波形上进行判断。图4.13(a)~图4.13(f)的触发电平及触发极性分别为零电平、正极性，负电平、正极性，正电平、正极性，零电平、负极性，负电平、负极性，正电平、负极性。图3.13触发电平、触发极性与波形显示的关系（5）触发放大及触发形成电路

触发放大及触发形成电路一般由电压比较器、斯密特电路、微分电路组成，其作用是对前级输出信号进行放大整形，产生稳定可靠的触发脉冲。2.扫描电路

扫描电路又称为时基电路，其作用是产生符合要求的扫描电压；为Z通道提供增辉、消隐脉冲；为双踪示波器电子开关提供交替显示的控制信号。

扫描电路主要由时基闸门电路、积分器、电压比较器和释抑电路等四个呈环状结构的电路组成，故又称为扫描环，如图3.11所示。图3.11X通道组成框图（1）时基闸门

时基闸门电路又称为扫描门，是施密特触发器。它的作用是在触发脉冲作用下或在自激状态下产生闸门脉冲，闸门脉冲是积分器的控制信号。另外，闸门脉冲还通过射随器加到Z通道去实现增辉消隐，以及加到双踪示波器Y通道电子开关作为交替显示的控制信号。（2）积分器

积分器又称为扫描电压发生器，是密勒积分器，它具有输入阻抗高、线性好的特点，电路结构框图如图3.16所示。图3.16扫描电压发生器电路结构框图

时基闸门电路输出的闸门脉冲控制开关S的断开闭合。当S断开时，积分器开始积分，产生扫描正程电压，扫描正程电压为:

改变RC的值，即改变了扫描电压正程斜率，也就改变了扫描速度。改变积分电阻、积分电容的旋钮称为“时基因数（sec/div）”旋钮。

当S闭合时，积分电容放电，产生扫描逆程电压。（3）电压比较器

如图3.17所示，二极管与有关电路一起构成电压比较器，当扫描电压高于参考电压Vr时，二极管导通，输出信号经释抑电路送至时基闸门电路，以结束闸门脉冲，从而闭合扫描电压发生器开关S，进入扫描逆程。调节参考电压Vr的大小可以改变二极管导通时间，从而调节扫描电压的幅度。（4）释抑电路

释抑电路一般是RC电路，如图3.17所示。释抑电路的作用是使每次扫描水平方向上起始点在荧光屏上的位置都相同，以保证每次扫描得到的波形能够重合，这是得到稳定波形的重要条件之一。

当二极管导通时，扫描电压还对释抑电容Ch充电。当二极管截止时，释抑电容放电，释抑电容的放电速度很慢，这样可以使时基闸门电路输入信号的电平被长时间抬升，使得时基闸门脉冲为低电平，积分器控制开关S长时间处于闭合状态，从而保证积分电容有足够的时间进行放电。

只有在积分电容放完电的基础上，积分器才能在触发脉冲的作用下产生扫描正程电压，这样就保证了每次扫描水平方向起始点的位置都相同。释抑电容放完电之前，无论有无触发脉冲，始终不能产生下次扫描，扫描电路处于被抑制状态；释抑电容放完电到下次产生扫描信号之前，释抑电路失效，即扫描电路被释放，释抑电路名称由此而来。3.X放大器X放大器的作用是：将单端输入的信号进行放大变换成为大小合适的双端信号加在X偏转板上，使电子束在水平方向上产生足够的偏转，得到合适的波形。当示波器用于显示被测信号波形时，X放大器的输入信号是扫描电压；当示波器工作在“X-Y”方式时，输入信号是外加的X信号。

“X-Y”方式时，示波器X偏转板上所加的信号不再是扫描电压而是外加的X信号，该信号与Y信号是各自独立的，它们各自在X、Y偏转板间建立偏转电场对电子束共同作用而产生一个新的图形。例如，将两个同频正弦波加到示波器上时，得到的波形为椭圆、圆或直线，两个正弦波加到示波器得到的图形称为李沙育图形。

与X放大器有关的开关旋钮有：“水平移位”、“扫描扩展”等开关旋钮。“水平移位”是通过改变水平偏转板上叠加的对称直流电压的大小来实现波形水平移位的。“扫描扩展”是通过成倍增大X放大器增益来实现波形扩展的。3.4示波器的多波形显示

实际工作中常常需要同时观测两个或两个以上的波形，即多波形显示，实现多波形显示的方法有两种：

一种是采用多束示波管（又称为多线示波管）制成的多束示波器。多束示波管内装有两个或两个以上的电子枪，每个电子枪能同时发出一束电子束，每一电子束都有各自独立的Y偏转板，有的还有独立的多个扫描系统。多束示波器制造困难，成本高，性能有待提高，较少使用。

另一种方法是采用单束示波管制成的多踪示波器。单束示波管内只有一个电子枪，示波管内只有一套Y偏转板。多踪示波器是利用Y通道上增设的电子开关控制被测信号轮流快速地接入Y偏转板而显示出多个波形的，即采用了时分复用技术，这一技术充分利用了电子开关的高速变换特性和人眼的视觉惰性。比较常用的是双踪示波器，即能够显示两个波形的多踪示波器。本节只讨论双踪示波器的多波形显示原理，即双踪显示原理。

电子开关又称为通道变换器，基本工作原理如图3.18(a)所示，其输入端接前置放大器，S1～S8为模拟电子开关。电子开关有“信道1”、“信道2”、“叠加”、“交替”和“断续”五种工作状态。3.4.1双踪显示原理

图3.18双踪波形显示原理示意图（1）信道1（CH1）

开关S1、S2、S7、S8断开，开关S3、S4、S5、S6闭合，CH1输入的信号送到输出端，而信道2（CH2）输入的信号不能到达输出端，只能显示CH1输入的信号。（2）信道2（CH2）

开关S3、S4、S5、S6断开，开关S1、S2、S7、S8闭合，CH2输入的信号送到输出端，而CH1输入的信号不能到达输出端，只能显示CH2输入的信号。（3）叠加

开关S1、S2、S5、S6断开，开关S3、S4、S7、S8闭合，CH1和CH2输入的两路信号均送到输出端，并在负载中互相叠加，显示叠加（ADD）后的波形。当CH2输入的信号未倒相时，实现求和（CH1+CH2），当CH2输入的信号被倒相后，实现求差（CH1－CH2）。（4）交替

交替（ALT）状态时，开关S3、S4、S5、S6和S1、S2、S7、S8断开或闭合的状态受时基闸门脉冲的控制，并且每间隔一个扫描周期变换一次状态，使得CH1和CH2输入的信号轮流接通、轮流显示，只要轮流显示的间隔时间较短，就可交替显示出两个信号的波形。设CH1、CH2的输入分别为梯形波、三角波信号，示波器显示的波形如图3.18(b)所示。

交替方式适于观测高频信号。这是因为被测信号频率较低时，所需扫描电压的周期长，即交替显示同一信号的间隔时间长，当间隔时间接近或超过人眼视觉暂留时间时，显示波形会产生闪烁，不便于观测。图3.18双踪波形显示原理示意图（5）断续

断续（CHOP）状态时，在每一次扫描过程中，开关S3、S4、S5、S6和S1、S2、S7、S8的断开或闭合受电子开关内断续器（自激多谐振荡器）产生的高频振荡信号（如200kHz的方波）的控制，快速轮流接通两个输入信号，从而显示出每个被测信号的某一段，以后各次扫描重复以上过程。这样显示出的波形是由许多线段组成的，只要开关变换频率很快、水平扫速又较慢，这些线段就很短，看起来显示的波形好象是连续的，如图4.18(c)所示。

断续方式时，断续器还产生“断续”消隐信号，以对信号变换过程中产生的扫描线进行消隐。

断续方式适于观测频率较低的信号，这是因为，被测信号频率较高时，所需扫描电压的周期短，亦即电子束水平移动速度快，但显示每一线段的时间是相等（断续器频率不变）的，这样显示出的波形的断续感比较明显，不便于观测；另外，当被测信号频率很高时，要求断续器的振荡频率也很高，但断续器的频率一般是不可调的，因此，断续方式不适于观测高频信号。3.5.1通用模拟示波器的主要技术性能指标3.5通用示波器的使用操作方法通用模拟示波器的主要技术性能指标有：（1）频带宽度BW：通常指Y通道的工作频率范围，即Y通道输入信号上、下限频率之差。现代示波器的下限频率都已延伸至0Hz，因而示波器的频带宽度可用上限频率来表示。通常要求：BW≥3fmax式中fmax为被测信号的最高频率。此值越大越好。（2）时域响应：

当输入理想的矩形脉冲波后，从示波器显示的波形中可看出上升时间tr、下降时间tf、上冲δ、反冲ε、平顶跌落Δ等脉冲参数。频带宽度BW与上升时间tr之间一般有确定的内在关系，即： 此值越小越好。

上述两项指标在很大程度上决定了可以观测的信号最高频率值或脉冲信号的最小宽度。（3）偏转灵敏度：

指输入信号在无衰减情况下，亮点在屏幕上偏转1cm（或1格）所需信号电压的峰-峰值（UP-P），其单位为V/cm或V/div，它反映示波器观察微弱信号的能力。其值越小，偏转灵敏度越高。一般示波器的偏转灵敏度为几十毫伏。

通常示波器的灵敏度都是按1-2-5步进分档，例如，10mV/cm~20V/cm分为11档。（4）输入阻抗：

示波器输入阻抗一般可等效为电阻和电容并联，用在示波器输入端测得的直流电阻值Ri和并联电容值Ci分别给出。Ri值越大、Ci值越小越好。一般示波器Ri和Ci值分别在MΩ和pF数量级。例如，CA8040型示波器的Ri=1MΩ,Ci=25pF。（5）扫描速度：

扫描速度又叫扫描因数。它表示在无扩展情况下，亮点在屏幕上轴方向移动单位长度1cm（或1格）所表示的时间，其单位为t/cm或t/div。其中t可取s、ms或us。3.4.2示波器的选择与使用一、示波器的合理选择

1.根据被测信号的特性来选择(1)定性观察频率不高的一般周期性信号，可选用普通示波器或简易示波器。

(2)观察非周期信号、宽度很小的脉冲信号，应选用具有触发扫描的宽带示波器。

(3)观察快速变化的非周期性信号，应选用高速示波器。(4)观察频率很高的周期性信号，可以选用取样示波器。(5)观察低频缓慢变化的信号，可选用长余辉、慢扫描示波器。(6)需要对两个信号进行比较时，应选用双踪示波器；需要对两个以上信号比较时，则选用多踪示波器或多束示波器。(7)若被测信号为一次性过程或复杂波形，需将被测信号存储起来，以便进一步分析、研究，可选用数字存储示波器。2.根据示波器的性能来选择(1)频带宽度和上升时间。

一般要求示波器:频带宽度BW≥3fmax；上升时间tr≤try（被测信号的上升时间）。

如果示波器的频带宽度不够，则输入信号中的高频分量将被极大地衰减。如将一个50MHz的方波加至一个频宽150MHz的数字示波器上，将得到如图3.19（a）所示的波形；若加至一个频宽500MHz的数字示波器上，得到的波形将如图3.19（b）所示。所以要选择频带宽度大于150MHz的示波器来观测50MHz的方波。

图3.1950MHz方波在不同频宽示波器上显示的波形

(a)频宽150MHz;（b）频宽500MHz(2)垂直偏转灵敏度。如需观测微弱信号，应选较高偏转灵敏度，即V/div较小的示波器。(3)输入阻抗。尽量选用高输入阻抗的示波器，这对观测一些带负载能力较弱的电路波形十分重要。如，用低阻抗探头检测高频振荡器，可能会造成其停振的现象。(4)扫描速度。它反映了在X方向对被测信号展开的能力。扫描速度越高（t/cm值越小），表明示波器能够展开高频信号或窄脉冲信号波形的能力越强。二、示波器的使用要点示波器在使用时应注意以下几点：(1)选择合适的电源，并注意机壳接地。使用前要预热几分钟再调整各旋钮。(2)经过探极衰减后的输入信号切不可超过示波器允许的输入电压范围，并应注意防止触电。(3)根据需要，选择合适的输入耦合方式。(4)辉度要适中，不宜过亮，且亮点不能长时间停留在同一点上，特别是暂时不观测波形时，更应该将辉度调暗，以免缩短示波管的使用寿命。(5)聚焦要合适，不宜太散或过细。(6)测量前要注意调节“轴线校正（TRACEROTATION”）旋钮，使荧光屏刻度轴线与显示波形的轴线平行。(7)尽量在荧光屏有效尺寸内进行测量。(8)探极要与示波器配套使用，不能互换，且使用前要校正。(9)波形不稳定时，通常按“触发源”、“触发耦合方式”、“触发方式”、“扫描速度”、“触发电平”的顺序进行调节。3.4.3示波器测量应用1.直流电压的测量

测量直流电压的原理是利用被测电压在屏幕上呈现一条直线。被测直流电压值为

U=HDy式中U——被测直流电压值；

H——被测电压偏离零电平线的高度；

Dy——示波器的垂直灵敏度。

若使用的探头具有衰减，应考虑其衰减倍数Ky。此时，被测电压值为

U=HDyKy

图3.20直流电压的测量(a）“交流-地-直流”开关置GND；(b）“交流-地-直流”开关置DC

示波器只能测出交流电压的峰-峰值、任意时刻的电压瞬时值或任意两点间的电位差值，其有效值或平均值是无法直接读出的，必须进行换算求出。峰值为

UP-P=HDyK

有效值为2.交流电压的测量

式中，KP为被测电压的波峰因数。例如，对于正弦波KP为；对于三角波KP为

。图3.21交流电压的测量例3.3

示波器显示波形如图3.21所示，H=3.6（div），Dy=50mV/div，探头衰减为10倍，求被测交流电压有效值。解：被测电压峰-峰值:

UP-P=HDyKy=3.6div×50mV/div×10=1800mV=1.8V

有效值:【思考】假设显示波形为三角波，试求其有效值是多大？3.时间、周期与频率的测量(1)周期的测量

将“扫描速度微调”旋钮置于“校准”位置，将Y输入耦合开关置于“AC”挡，调节“V/div”、“t/div”开关，使屏幕上显示的波形稳定、大小适中。记录下扫描速度（t/div）的挡位数值Dx，以及交流信号的一个周期在X轴上所占的距离L，则所测信号的周期为:T=LDx

。

若使用了扫描速度扩展，应考虑扩展倍率的作用。此时，被测信号的周期为：T=LDx/Kx

，式中Kx——扫描速度扩展倍率。例3.4荧光屏上的波形如图3.24所示，信号一周期7div扫描速度开关置于“10ms/div”位置，扫描扩展置于“拉出×10”位置，求被测信号的周期和频率。解：从显示的波形上可以看出L=7div，Dx=10ms/div，Kx=10。T=LDx/Kx=（7div×10ms/div）/10=7ms

故：f=1/T=0.14286kHz=142.86HzLt/div

根据上述测周期的方法也可以测两个时刻之间的时间间隔t，所不同的是L为任意两点之间的水平距离。基于此方法，利用双踪示波器也可测出两个输入信号之间的时间差。二个相关信号的时间差或相位差的测量

根据二个相关信号频率，选择合适的扫描速度，并将垂直方式开关根据扫描速度的快慢分别置“交替”或“断续”位置，将“触发源”选择开关置被设定作为测量基准的通道，调节电平使波形稳定同步，根据两个波形在水平方向某两点间的距离，用下式计算出时间差：

在下图中，扫描时间系数置50µs/格，水平扩展置×1，测得两测量点A、B间的水平距离为1.5格，则：（2）频率的测量①直接测量法先测得信号周期，再换算为频率。这种测量频率的方法精度不太高，常用作频率的粗略测量。f=1/T（2）李沙育图形法李沙育图形法测频率的基本操作思路是：示波器工作于X-Y方式下，将频率已知的信号与频率未知的信号分别加到示波器的X、Y端，调节已知信号的频率，使荧光屏上得到李沙育图形。

当李沙育图形稳定后，设荧光屏X轴方向与图形的切线交点数为Nx，Y轴方向与图形的切线交点数为Ny，则已知频率fx与待测频率fy有如下关系：即图3.22几种常用的李沙育图形图3.22所示的李沙育图形及式即可测出被测信号的频率。例3.5

如图3.23所示的李沙育图形，已知X信号频率为6MHz，问Y信号的频率是多少？NyNx图3.23李沙育图形解：根据李沙育图形法测频率的基本原理，由图示的李沙育图形的可得：Nx=2Ny=6（3）相位差的测量①双踪示波器测时间间隔法

将两个信号u1、u2分别接入双踪示波器的两个输入端，选择触发信号，采用交替显示（选用相位超前的u1信号作内触发信号，否则会产生误差）或断续显示方式，适当调整Y轴移位旋钮，使两个信号的水平中心轴重合，如下图所示，测出AB、AC长度。则相位差的计算公式为：BCu1(t)u2(t)A△图3.24u1与u2的相位差测量【例】u1与u2的相位差是多少？

在图3.24中，u1与u2的周期为5格，u1与u2之间的相位差为1.65格，由此可得，u2超前u1为1.65/5×2π≈2π/3，即u2超前u1的相位角为120°。②椭圆法椭圆法原理类似于李沙育图形法。将两个正弦信号分别加到示波器“X”、“Y”输入端时，两个信号在示波器X、Y偏转板间产生的电场对电子束共同作用而在荧光屏上得到下图所示的椭圆，图中O点为椭圆中心。AyByAxBxO

椭圆形状与两信号的幅度和相位差有关，则相位差的计算如下： 1)直线扫描法直线扫描法测量调幅系数时，将被测信号加到示波器Y轴输入端，调整示波器有关的开关旋钮，得到如下图所示的调幅波波形。（4）调幅系数的测量

测出A、B的长度，代入下式计算得出调幅系数：A、B分别为调幅波最大和最小振幅。2）梯形图法梯形图法测量调幅系数时，示波器工作于X-Y方式，将调幅波、调制信号分别加至示波器X、Y轴输入端，在荧光屏上显示出图3.26所示的梯形图，测出A、B的长度，利用前式计算即可。图3.26梯形法测量调幅系数3.5取样技术在示波器中的应用

为了观测高频信号，在普通示波器的前面加一个专门的取样装置，然后在荧光屏上以断续的亮点显示出被测信号的波形来，这样就构成了取样示波器。取样示波器属非实时示波器，可以观测吉赫兹（1GHz=109Hz）以上的超高频信号。

取样技术——是一种频率变换技术，通过“非实时取样”方式将高频信号变成低频信号，将极窄的快速脉冲展宽后再以模拟示波器的方法显示被测波形。

欲观察一个波形，可以把这个波形在示波器上连续显示，也可以在这个波形上取很多的点，把连续波形变换成离散波形，只要取样点数足够多，这些离散点也能够反映原波形的形状。这种从被测连续波形上取得一系列样点(也就是获取一系列离散时刻对应的信号幅值)的过程就是取样，又称采样。1.取样原理

取样分为实时取样和非实时取样两种。从信号波形一个周期中取得大量取样点来表示一个信号波形（也就是取样脉冲的周期远小于输入信号的周期），并且取样持续的时间等于输入信号的一个周期或输入信号实际经历的时间，这种取样方式称为实时取样，如图3.28（a）所示。

由于实时取样信号的频率比输入信号的频率还要高。所以实时取样不能用于高频信号的观测而常用于非周期现象和单次过程的观测。2.实时取样

图3.28实时与非实时取样示意图(a)实时取样；(b)非实时取样3.非实时取样

取样点分别来自输入信号若干周期的取样方式称为非实时取样，即跨周期取样，如图3.28（b）所示。

步进间隔Δt与信号最高频率fh间应满足取样定理：即：3.5.2取样示波器的组成取样门放大电路延长门取样门脉冲信号源延长门脉冲信号源时基单元取样脉冲△t步进延迟脉冲mT+△tmT同步信号被测信号图3.29取样示波器组成方框图取样电路延长电路Y通道X通道ui(t)

取样示波器主要由主机、Y通道和X通道三大部分组成，如图3.29所示。

采用阶梯波作为扫描电压，且与取样信号同步。

延长电路中有保持电容和直流放大器，可以把窄脉冲取样信号展宽得到阶梯取样信号。t

00uxuyt0134526(a)01345260134526(b)(c)图3.30显示过程取样信号阶梯扫描信号被测高频信号当取样密度足够高时，则显示的波形与被测波形非常接近。取样示波器与通用示波器主要有如下区别：（1）通用示波器中，每触发一次能产生一个完整扫描信号，而取样示波器中，每触发一次，只能获得一个样点。这是因为取样示波器中的扫描信号是阶梯波。（2）取样示波器显示的波形由许多点组成，它能反映被测信号形状，但它是经过变换得到的，波形经历的时间远大于被测信号的实际经历时间。故取样示波器只能测量频率较高的重复信号，而不能对单次脉冲，极低频信号进行观测。【课后延伸】波形测试技术的新发展1.示波器的发展历程几十年来，示波器由电子管发展到晶体管、集成电路的示波器，由模拟示波器发展到数字示波器。

模拟示波器最大的缺点——不适于观测缓慢变化的信号。比如在1s内变化几次或数秒变化一次的信号用模拟示波器几乎不能观测到，而数字示波器可以轻松地解决上述问题。2.数字示波器的特点

数字示波器就是在示波器中以数字编码的形式来存储信号，主要有以下特点：（1）可以显示大量的预触发信息。（2）可以通过使用光标和不使用光标的方法进行全自动测量。（3）能长期存储波形。（4）可以将波形传送到计算机进行储存或供进一步分析之用。（5）可以将已存储的波形与实时波形同时显