示波器基础（一）——示波器基础知识之一 Edit: Resource 1．1 说明和功能 我们可以把示波器简单地看成是具有图形显示的电压表。 普通的电压表是在其度盘上移动的指针或者数字显示来给出信号电压的测量读数。而示波 器则与共不同。示波器具有屏幕，它能在屏幕上以图形的方式显示信号电压随时间的变化，即波 形。 示波器和电压表之间的主要区别是： 1.电压表可以给出祥测信号的数值，这通常是有效值即 RMS 值。但是电压表不能给出有关信号 形状的信息。有的电压表也能测量信号的峰值电压和频率。然而，示波器则能以图形的方式显示 信号随时间变化的历史情况。 2.电压表通常只能对一个信号进行测量，而示波器则能同时显示两个或多个信号。 显示系统 示波器的显示器件是阴极射线管，缩写为 CRT，见图 1。阴极射线管的基础是一个能产生电 子的系统，称为电子枪。电子枪向屏幕发射电子。电子枪发射的电子经聚焦形成电子束，并打在 屏幕中心的一点上。屏幕的内表面涂有荧光物质，这样电子束打中的点就发出光来。 图 1 阴极射线管图 电子在从电子枪到屏幕的途中要经过偏转系统。在偏转系统上施加电压就可以使光点在屏 幕上移动。偏转系统由水平（X）偏转板和垂直（Y）偏转板组成。这种偏转方式称为静电偏转。 在屏幕的内表面用刻划或腐蚀的方法作出许多水平和垂直的直线形成网络，称为标尺。标尺 通常在垂直方向有 8 个，水平方向有 10 个，每个格为 1cm。有的标尺线又进一步分成小格， 并且还有标明 0％和 100％的特别线。这些特别的线和标明 10％和 90％的标尺配合使用以进行 上升时间的测量。我们后面会讨论这个问题。 如上所述，受到电子轰击后，CRT 上的荧光物质就会发光。当电子束移开后，荧光物质在 一个短的时间内还会继续发光。这个时间称为余辉时间。余辉时间的长短随荧光物质的不同而变 化。最常用的荧光物质是 P31，其余辉时间小于一毫秒(ms).而荧光物质 P7 的余辉时间则较长， 约为 300ms，这对于观察较慢的信号非常有用。P31 材料发射绿光，而 P7 材料发光的颜色为 黄绿色。 将输入信号加到 Y 轴偏转板上，而示波器自己使电子束沿 X 轴方向扫描。这样就使得光点 在屏幕上描绘出输入信号的波形。这样扫出的信号波形称为波形轨迹。 影响屏幕的控制机构有： —辉度 辉度控制用来调切波形显示的亮度。本书中用作示例的示波器所采用的电路能够根据不同 的扫描速度自动调切辉度。当电子束移动得比较快时，荧光物质受到激励的时间就变短，因此必 须增加辉度才能看清轨迹。相反，当电子束移动缓慢时，屏幕上的光点变得很亮，因此必须减小 辉度以免荧光物质被烧坏。从而延长示波管的寿命。 对于屏幕上的文字部分，另有单独的辉度控制机构。 —聚焦 聚焦控制机构用来控制屏幕上光点的大小，以便获得清晰的波形轨迹。有些示波器，例如 本书用作示例的示波器上，聚集也是由示波器自己进行最佳控制的，从而能在不同的辉度和不同 的扫描下保持清晰的波形轨迹。另外也提供手动调节的聚集控制。 —扫描旋转 这个控制机构使 X 轴扫描线和水平标尺线对齐。由于地球的磁场在各个地方是不同的，这 将会影响示波管显示的扫描线。扫迹旋转功能就用来对此进行补偿。扫描旋转功能是预先调好的， 通常只需在示波器搬动后再行调节。 —标尺照明 标尺亮度可以单独控制。这对于屏幕摄影或在弱光线条件下工作时非常有用。 —Z 调制 扫描的辉度可以用电气的方法通过一个外加的信号来改变。这对于由外部信号来产生水平 偏转以及使用 X－Y 显示方式来寻找频率关系的应用中是十分有用的。 此信号输入端通常是示波器后面板上的一个 BNC 插座。 1．2 模拟示波器方框图 CRT 是所有示波器的基础。现在我们已经对它有所了解。下面我们就看一看示波管是怎样 作为示波器的心脏来起作用的。 我们已经看到，示波器有两个垂直偏转板，两个水平偏转板和一个电子枪。从电子枪发射 出的电子束的强度可以用电气的办法来加以控制。 在上术基础上，再增添下面叙述的电路就可以构成一个完整的示波器（见图 2） 图 2 模拟示波器方框图 示波管的垂直偏转系统包括： —输入衰减器（每通道一个） —前置放大器（每通道一个） —用来选择使用哪一个输入通道的电子开关 —偏转放大器 示波器的水平偏转系统包括：时基、触发电路和水平偏转放大器 辉度控制电路用电子学的方法在恰当的时刻点亮和熄灭扫迹。 为使所有这些电路工作，示波器需要有一个电源。此电源从交流市电或者从机内或外部的 电池获取能量，使示波器工作。任何示波器的基本性能都是由它的垂直偏转系统的特性来决定的， 所以我们首先来详细地考察这一部分。 1．3 垂直偏转 灵敏度 垂直偏转系统对输入信号进行比例变换，使之能在屏幕上表现出来。示波器可以显示峰峰 值电压为几毫伏到几十伏的信号。因此必须把不同幅度的信号进行变换以适应屏幕的显示范围， 这样就可以按照标尺刻度对波形进行测量。为此就要求对大信号进行衰减、对小信号进行放大。 示波器的灵敏度或衰减器控制就是为此而设置的。 灵敏度是以每格的伏特数来衡量的看一下图 3 可以知道其灵敏度设置为 1V/格。因此，峰峰 值为 6V 的信号使得扫迹在垂直方向的 6 个格内偏转变化。知道了示波器的灵敏度设置值和电子 束在垂直方向扫描的格数，我们就可以测量出信号的峰峰电压值。 在多数的示波器上，灵敏度控制都是按 1－2－5 的序列步进变化的。即灵敏度。设置颠倒 为 10mV/格、20mV/格、50mV/、100mV/格等等。灵敏度通常是用幅度上升/下降钮来进行 控制的，而在有些示波器则是用转动垂直灵敏度旋钮来进行。 如果使用这些灵敏度步进不能调节信号使之能够准确的按照要求在屏幕上显示，那么就可以 使用可变（VAR）控制。在第 6 章我们将会看到，使用标尺刻度来进行信号上升时间的测量就 是一个很好的例子。可变控制能够在 1－2－5 的步进值之间对灵敏度进行连续调节。通常当使 用可变控制时，准确的灵敏度值是不知道的。我们只知道这时示波器的灵敏度是在 1－2－5 序 列的两个步进值之间的某个值。这时我们称该通道的 Y 偏转是未校准的或表示为"uncal"。这种 未校准的状态通常在示波器的前面板或屏幕上指示出来。 在更现代化的示波器，例如我们用作示例的示波器，由于彩用了现代先进的技术进行控制和 校准。因此示波器的灵敏度可以在最小值和最大值之间连续变化，而始终保持处于校准状态。 在老式的示波器上，通道灵敏度的设置值是从灵敏度控制旋钮周围的刻度上读出的。而在新 型的示波器上，通道灵敏度设置值清晰地显示在屏幕上，如图 3 所示，或者用一个单独的 CD 显 示器显示出来。 图 3 在灵敏度为 1v/格的情况下，峰峰值为 6v 的信号使电子束在垂直方向偏转 6 格 耦合 耦合控制机构决定输入信号从示波器前面板上的 BNC 输入端通到该通道垂直偏转系统其它 部分的方式。耦合控制可以有两种设置方式，即 DC 耦合和 AC 耦合。 DC 耦合方式为信号提供直接的连接通路。因此信号提供直接的连接通路。因此信号的所有 分量（AC 和：DC）都会影响示波器的波形显示。 AC 耦合方式则在 BDC 端和衰减器之间串联一个电容。这样，信号的 DC 分量就被阻断， 而信号的低频 AC 分量也将受阻或大为衰减。示波器的低频截止频率就是示波器显示的信号幅度 仅为其直实幅度为 71％时的信号频率。示波器的低频截止频率主要决定于其输入耦合电容的数 值。示波器的低频截止频率典型值为 10Hz，见图 4。 图 4 说明 AC 及 DC 耦合、输入接地以及 50Ω 输入阻抗功能选择的简化输入电路 和耦合控制机构有关的另一个功能是输入接地功能。这时，输入信号和衰减器断开并将衰 减器输入端连至示波器的地电平。当选择接地时，在屏幕上将会看到一条位于 0V 电平的直线。 这时可以使用位置控制机构来调节这个参考电平或扫描基线的位置。 输入阻抗 多数示波器的输入阻抗为 1MΩ 和大约 25pF 相关联。这足以满足多数应用场合的要求，因 为它对多数电路的负载效应极小。 有些信号来自 50Ω 输出阻搞的源。为了准确的测量这些信号并避免发生失真，必须对这些 信号进行正确的传送和端接。这时应当使用 50Ω 特性阻抗的电缆并用 50Ω 的负载进行端接。某 些示波器，如 PM3094 和 PM3394A，内部装有一个 50Ω 的负载，提供一种用户可选择的功能。 为避免误操作，选择此功能时需经再次确认。由于同样的理由，50Ω 输入阻抗功能不能和某些 探头配合使用。 位置 垂直位置控制或 POS 控制机构控制扫迹在屏幕 Y 轴的位置。在输入耦合控制中选择接地， 这时就将输入信号断开，这样就可以找到地电平的位置。在更先进的示波器上设有单独的地电平 指示器，它可以让用户能连续地获得波形的参考电平。 动态范围 动态范围就是示波器能够不失真地显示信号的最大幅值，在此信号幅值下只要调节示波器 的垂直位置仍能观察到波形的全部。对于 Fluke 公司的示波器来说，动态范围的典型值为 24 路 （3 个屏幕） 相加和反向 简单的把两个信号相加起来似乎没有什么实际意义。然百，把两个有关信号之一反向，再 将二者相加，实际上就实现了两个信号的相减。这对于消除共模干扰（即交流声），或者进行差 分测量都是非常有用的。 从一个系统的输出信号中减去输入信号，再进行适当的比例变换，就可以测出被测系统引 起的失真。 由于很多电子系统本身就具有反向的特性，这样只要把示波器的两个输入信号相加就能实 现我们所期望的信号相减。 交替和断续 示波器 CRT 本身一次只能显示一条扫迹。然而，在很多示波器应用中，常常要进行信号的 比较，例如，研究输入/输出信号间的关系，或者一个系统对信号的延迟等。这就要求示波器实 际上能同时显示不只一个信号。 为了达到这一目的，可以用两种办法来控制电子束： 1.可以交替地画完一条扫迹，再画另一条扫迹。这种方法称为交替模式，或简称为 ALT 模 式。 2.可以在两条扫迹之间迅速的进行开关或斩波切换，从而分段的画出两条扫迹。这称为断续 模式或 CHOP 模式。其结果是在一次扫描的时间里一段接一段的画出两条扫迹。 断续模式适合于在低时基速率下显示低频率信号，因为这时斩波器开关能快速进行切换。 交替模式适合于需要使用较快时基设置的高频率信号的显示。本书中我们用作示例的示波 器在不同的扫描速度下能自动地 ALT 或 CHOP 模式以给出最好的显示效果。用户也可以手动选 择 ALT 或 CHOP 模式以适合特殊信号的需求。 带宽 示波器最生根的技术指标就是带宽。示波器的带宽表明了该示波器垂直系统的频率响应。 示波器的带宽定义为示波器在屏幕上能以不低于真实信号 3dB 的幅度来显示信号的最高频率。 —3dB 点的频率就是示波器所显示的信号幅度“Vdisp”为示波器输入端真实信号值 “Vinput”的 71％时的信号频率，如下式所示：设： dB(伏)＝20log(电压比) —3Db=20log(Vdisp/Vinput) —0.15＝log(Vdisp/Vinput) 10-0.15=Vdisp/Vinput Vdisp=0.7Vinput 图 5 表示出一个 100MHz 示波器的典型频率响应曲线。 图 5 一台典型为 100MHz 示波器的频率响应曲线（简化的曲线和实际的曲线） 出于现实的理由，通常把带宽想象成为叔响曲线一直平坦延伸至其截止频率，然后从该频 率以－20dB/+倍频程的斜率下降。当然，这是一种简化的考虑。实际上，放大器的灵敏度从较 低的频率就开始下降，百在其截止频率达到－3dB。图 5 中中同时给出了简化的频率响应曲线和 实际的频率响应曲线。 带宽限制器 使用带宽限制器可以把通常带宽在 100MHz 以上的宽带示波器的频带减小到 20MHz 的典 型值。这样就降低了噪声电平和干扰，这对于进行高灵敏度的测量是非常有用的。 上升时间 上升时间直接和带宽有关。上升时间通常规定为信号从其稳态最大值的 10％到 90％ 所用的时间。 上升时间是一个示波器从理论上来说能够显示的最快的瞬变的时间。示波器的高频响应曲 线是经过认真安排的。这就保证了具有高谐波含量的信号，如方波，能够在屏幕上精确的再现。 如果频响曲线下降太快，则在信号的快速上升沿上就会发生振铃现象。如果频响曲线下降太慢， 即在频响曲线上下降开始得过早，则示波器总的高频响应就受到影响，使得方波失去“方形”特性。 对于各种通用示波器来说，其高频响应曲线是类似的。从该曲线我们可以得到一个示波器 带宽和上升时间的简单关系公式。此公式为： tr(s)=0.35/BW(Hz) 对于高频示波器来说，这个公式可以表示为： tr(ns)=350/BW(MHz) 对于一个 100MHz 的示波器来说，上升时间为 3.5（ns=纳秒 10－9 秒） 在示波器的标尺上刻有标明 0％和 100％的专门的线，用来进行上升时间的测量。测量时 我们先用 VAR 灵敏度控制机构将被测认号的顶部和底部分别和标有 0％和 100％的线对齐。 然后找出信号和标尺上标有 10％和 90％的两条线的交点。这样，上升时间就可以从这两 个交点沿 X 轴方向的时间间隔读出来。 要想测量一台示波器的上升时间，我们使用与上述相同的方法，只是要求测试信号的上升 时间应当比该示波器的上升时间短得多。为获得 2％的测量误差，测试信号的上升时间至少应小 于示波器上升时间的五分之一。示波器上显示的上升时间应当是示波器上升时间和信号上升时间 和组合函数。其关系为 trdisplayed=√(trsignal2+trScopeM2) 请记住这个公式，你将发现它是很有用的。 示波器基础（一）——示波器基础知识之二 Edit: Resource 1．4 水平偏转 时基 为了描绘一幅图形，我们必须要有水平和垂直两个方向的信息。示波器描绘轨迹表明信号 随时间的变化情况，因此其水平偏转必须和时间成正比。示波器中控制水平偏转，即 X 轴的系 统称为时基。 在示波器里有一个精确的扫描发生器。它使得电子束以精确的、用户可选择的速度在屏幕 上扫描。时基发生器的输出示于图 6。 图 6 时基发生器的输出波形。图中示出扫描时间、回扫时间和隔离停止（Hold-off）时间 扫描速度以每格的秒数（s/格）来度量。一台典型示波器的扫描速度范围可以从 20ns/格 到 0。5s/格。扫描速度也和灵敏度控制一样按 1－2－5 的序列变化。只要我们知道了每个标尺 格所代表的时间值，就可以测量出屏幕扫迹上任何两点之间的时间 例如，图 7 和图 8 显示的都是 1kHz 的正弦波（其周期为 1ms）,而扫描速率分别为 1ms/ 格和 200ms/格。（us=微秒 10-6）。 图 7 1kHz 的正弦波，时基设置为 1ms/格 图 8 1kHz 的正弦波，时基设置为 200μs/格 水平位置控制 水平或 X 轴位置控制机构 X－POS 可以在屏幕上沿水平方向移动扫迹。这样我们就可以把 扫迹上的某一点和某一条垂直标尺线对齐，以便为时间测量规定一个起始点。 可变时基 我们可以选择不同于标准的 1－2－5 序列设置值的扫描速度。这样我们就能够把任意一个 波形的一个周期调整成模跨整个屏幕宽度。和在 Y 轴方向使用 VAR 控制机构的情况一样多数示 波器会给出指示，说明正在使用可变时基，X 轴处于未校准状态。更先进的示波器，如我们用作 示例的示波器，可以工作在校准的连续可变时基模式。这时由于可以用整个屏幕来显示信号中我 们感兴趣的部分，所以能获得更好的测量时间分辨率。同时也能大大减少发生操作错误的可能性。 时基放大 时基放大功能通常能将 X 轴偏转扫描放大 10 倍。这样在屏幕上看到的等效时基速度也变快 10 倍。所以一台未经时基放大的时扫描速度为 20ns/格的示波器经时基放大后可以以 2ns/格的 速度扫描。示波器屏幕现在就成了信号上的一个可移动的观察窗口。和简单的直接选择更快的时 基速度相比，这种方法的好处是能够在保持原信号不变的情况下更加详细的观察信号的细节。 图 9 说明如何使用 X 轴位置控制来实现信号的滚动显示。 图 9 时基放大和 X 轴位置控制 双时基 在很多观察复杂信号波形的应用场合中，往往需要显示一个波形的一小部分，并使它占踞 整个屏幕。这种情况的一个典型的例子是观察研究全部电视信号中某一选定的行的波形。在这类 情况中，使用标准时基通过正常触发的方法是无能为力的。 这就是在现代示波器上采用双时基工作的原因。 在这个例子中，示波器的主时基（MTB）可由波形中的主触发事件，即全电视信号中的垂直 同步信号来触发。MTB 扫迹的一部分显示得更亮一些，这称为加亮部分。在此加亮部分的起始 点时刻，第二个时基，称为延迟时基或 DTB 开始扫描。这第二个时基可按自己的扫描速度来设 置。并且扫描速度比主时基的扫描速度要快。主时基的起始点和加亮部分开始点之间的延迟时间 是可调的。 我们甚至可以作到在选定的延迟时间结束时不启动 DTB 扫描，而只是在该时刻为 DTB 时基 的触发电路作好触发准备。如果过一会儿再发生新的触发事件，DTB 扫描即将开始。 所以，使用双时基时，电子束将以两个时基的两种不同的速度交替的在屏幕上扫描。 让我们来看图 10。首先主时基以 500μs/格的速度运行，在屏幕上描绘出一个波形。在此 扫描期间，过了 2ms 即等于 4 格的时间以后，扫迹被加亮。这段延迟时间由延迟 1 控制来设定。 波形上加亮部分的时间长度则由 DTB 扫描时间控制机构来高定，在我们的例子中现在为 50μs/ 格当经过 2ms 的延迟时间后延迟时基进行扫描时，它只显示原来主时基扫迹的十分之一。但是 这段原来主进基扫迹十分之一的波形段则在整个屏幕上显示出来。 图 10 双时基工作（500μs/格及 50μs 格，4 格延迟） 1)在老式的示波器上，延迟控制指的是延迟时间倍增器。边是一个带有刻度的多圈电位器。 当扫迹的加亮部分在 MTB 上根据需要确定位置以后，其延迟即可由 DTB 时基速度和该电位器 示出的刻度读数相乘而计算出来。由此延迟控制一词得名。 当我们改变延迟时间时，就改变了延迟时基扫描的起始点在主时基上的位置。而改变延迟 时基扫描速度则改变在主时其上显示出来的波形段的长度。 当延迟时基已经设置好，并显示出欲观察的信号段时，我们可以把主时基关闭。这样可以 使得延迟扫迹变得更亮。 典型双时基示波器的时基工作模式有： —MTBI＝只用主时基 只用 MTB 工作时，示波器的性能和单时基示波器相同。 —MTB±＝主时基加亮 这时示波器只显示主时基。但是扫迹上的一部分被加亮，以表示出 DTB 的起始位置及其扫 描速度。 —MTB 加亮和 DTB 和 MTBI 相同，但也同时显示 DTB 扫描。 —DTB＝延迟时基。 只显示 DTB 扫描。 在本书的触发部分还会进一步讨论双时基的问题。 时基模式 时基电路有几种工作。对普通模拟示波器来说，工作模式有自动、正常或触发以及单次或 单次捕捉等模式。 —正常模式 时基必须受到触发才能产生扫迹。其规律非常简单，即"没有信号就没有扫描轨迹"。示波器 在选定的触发源通道上必须有输入信号，并且该信号必须大到足以触发时基电路。如果没有输入 信号，屏幕上就不会有扫描轨迹。 —自动模式 如果能在没有输入信号时也能看到扫迹。这将会是很有用的。在没有输入信号以进行触发 时，自动模式将使时基以低频率自由运行，从而在屏幕上产生扫迹。这使得用户可以设置扫迹的 垂直位置，即如果信号仅为一直流电位的情况。 —单次模式 当接收到触发信号时进基将进行扫描，并且将只扫描一次。对于每次触发事件都必须使时 基电路作好触发准备（atm）。不然的话，下面来的触发事件将不能启动时基扫描。对于不同的 示波器，按动标有单次或复位的按钮就使得触发电路重新作好触发准备。为了避免在单次扫描工 作时盲目猜测，现代示波器上可以用屏幕上显示出伏特数值或显示水平线的方式来显示出其触发 电平值。 1．5 触发 我们已经看到在示波管上输入信号如何提供垂直偏转，时基如何给出水平偏转。但是我们 如何保证在电子束扫过屏幕时每次都准确地扫过相同的路径呢？解决这个问题的关键在于触发 电路。如果没有触发电路，你在屏幕上看到的将会是具有随机起始点的很多波形杂乱重叠的图象。 而触发电路的作用就在于保证每次时基在屏幕的扫描的时候，时基扫描都从输入信号上的一上精 确确定的点开始。这个精确的扫描起始点则由下述控制因素来决定。 图 11 无触发的信号波形 触发源 它决定触发信号从哪里获得。在多数情况下，触发信号来自输入信号本身。所以如果只使 用一个通道，那么触发源就设置为该通道。如果使用多个通道，那么触发源可以从这些通道中选 取。 复合触发（Composite triggering）则是在显示不同的通道时轮流使用相应的通道触发。 这对于显示频率不相关的信号时是非常有用的。 如果示波器具有外部触发输入端（Ext），那么它上面连接的信号则可驱动触发电路使示波 器触发。 如果要观测在电源频率或者源于电源频率系统的信号，那么电源触发功能可以提供电源触 发的能力。这是观察与电源有关的干扰信号的好方法。 触发电平 触发电平控制机构设置选定触发源的信号欲使触发电路启动时基扫描所必须跨越的电压电 平值。 图 12 触发电平设置对显示波形的影响。 图 13 视频行信号 触发斜率 触发斜率控制机构决定触发发生于触发源信号的上升沿（"正斜率"）或者下降沿（"负斜率"） 触发耦合 用以决定选定的触发源信号送往触发电路的耦合方式 —DC 耦合 触发源直接连到触发电路。 —AC 耦合 触发源通过一个串联的电容连到触发电路。 —峰（－）峰值电平－(Level p（－）p) 将触发电平控制机构的控制范围设置成略小于触发源信号的峰（－）峰值。在这种模式下 不可能将触发电平设置为超出输入信号的值，所以只要有信号示波器总能触发。 —HF 抑制 使触发源信号通过低通滤波器以抑制其高频分量。这意味着既使一个低频信号中包含很多 高频噪音，我们仍能使其按低频信号触发。 —LF 抑制 使触发源信号通过一个高通滤波器以抑制其低频成分。这对于显示包含很多电源交流声的 信号等情况是很有用的。 —TV 触发 在这种模式下触发电平控制不起作用。这时示波器使用视频信号中的同步脉冲作为触发信 号。TV 触发有两种模式：帧触发 TVF 和行触发 TVL —TVF 每一帧电视图象由两场组成。每一场则包含构成一个完整的帧所需行数的一半。在电视屏 幕上两场信号交错显示以构成一帧的画面。采用这种技术减少了传送一个频道所需要的带宽并减 小了画面的闪烁。在每一个场开始的时候都有一个特别的脉冲序列，称为帧同步脉冲。在 TVF 同步模式下，示波器就由帧同步脉冲来触发。现代示波器的触发控制可以区分第一场和第二场。 —TVL 每一场包括若干行。每一行都由一个行同步脉冲即行同步信号开始。示波器可以由每一个 行同步脉冲来触发，这样描绘出的各个行的波形将会重叠在一起。便用帧触发和双时基我们可以 观察某一特定行的波形。我们还可以使用如象 Fluke 公司的示波器所具有的称为视频行选择器的 特殊的附件 PM8917 来观察某一特定的行。使用本书中用作示例的组合示波器时，我们可以使 用示波器中内装的视频行计数器直接选定所需的行号（仅限于 PM3394A 系列示波器）。 触发隔离(Trigger Hold-off） 有些信号具有多个可能的触发点。这种情况的一个很好的例子是图 14 中的数字信号。该信 号虽然在较长的时间周期内是重复的，但是在短时间内情况则不然。为了更详细的观察少数个别 脉冲，必须使用快速的扫描时基。但是这样一来每次扫描时显示出来的信号波形段就是变化不一 的。为了解决这个问题，我们采用了触发隔离功能，即在各次扫描之间加入延迟时间，使得扫描 的每次触发总是从相同的信号沿开始。 图 14 复杀脉冲的触发隔离应用 延迟时基触发 从本书前面的时基部分我们已经知道，在 MTB 扫描时基开始后经过一段延迟，DTB 开始扫 描，即受到触发。此延迟时间从 MTB 触发点开始计算。经过这段时间延迟后，DTB 实际上是由 延迟系统启动的。这种模式称为 DTB 启动。 和 MTB 类似，DTB 也可以按触发模式工作，示波器上设有相应的控制机构以设置 DTB 触 发源、触发电平、触发率及耦合方式。这些控制机构与 MTBN 无关，自己独立工作。选择了这 种设置方式后，当上述的延迟时间结束以后，DTB 就作好触发准备。而当输入信号上探测到新 的触发事件时 DTB 才被触发开始扫描。 1.6 附加功能 X-Y 偏转 X-Y 偏转或 X-Y 模式是示波器的另一种显示方法。这种示波器将时基关闭，而用另一个与 产生垂直偏转的信号不同的信号来使电子束在水平方向偏转。这就是说用两个信号在 X、Y 方向 同时作用于电子束而描绘出波形，以便观察这两个信号的关系。 这种方法最常见的用处是观察两信号间的相位关系。图 15 的图形称为李萨育图。这些图形 是当使用互相成谐波频率关系的两个信号分别作 X 和 Y 偏转信号时产生的。如果所使用的两个 信号没有相关的频率关系，则不会获得稳定的图形显示。对于使用具有固定频率关系的两个信号 的情况来说，从显示的图形中还可以得两个信号间的相位关系。作为一个例子，图 16 给出了由 具有相同频率而相位差分别为 0°、45°、90°的两个信号所形成的图形。 图 15 李萨育图,垂直偏转信号的频率为水平偏转信号频率的整倍数 图 16 李萨育图。相同频率的两个信号加到垂直和水平偏转系统的情况。 X-Y 用适当的传感器把物理量变换成示波器能显示的信号，就可显示两个物理量，例如位移 和压力之间的关系。X－Y 显示模式还可以在电子学实验室用来进行元件测试工作，例如描绘二 极管的特性曲线等。事实上，在任何涉及两个相互关联的物理量的场合都可以使用 X－Y 显示模 式。 延迟线 虽然延迟线是示波器垂直偏转系统的一部分，但是我们将在这里讨论它，因为触发和水平 偏转系统是对其有影响的因素。 无论触发和时基电路的速度有多快，要对一个有效的触发条件作出响应都需要一定时间。同 时，时基电路在其扫描起始点也有一个小的非线性区。过了这个非线性区以后时基扫描才达到其 全扫描速度。这个非性区的时间宽度在纳秒的数量级。对于带宽不宽的示波器来说，这个非线性 区的时间和示波器所能显示的最快的信号相比是可以忽略的。而对于扫描速度可达 2ns/格的宽 带示波器来说，这个时间对波形的显示有很大的影响。为了能够显示纳秒级的波形事件，就必须 在信号波形中的触发事件到达屏幕之前触发时基开始扫描。 这就是说，当信号的触发信息到达偏转板时，电子束已经提前开始扫描了。这样就可以观察 完整的波形上升沿或下降沿，并能观察触发前若干纳秒的信号波形。触发前的这个若干纳秒的波 形称为预触发信息。这种预触发功能是由在垂直偏转系统中在触发电路信号提取点和最后的放大 器之间插入一个信号延迟线来实现的。延迟线可以将信号贮存一段时间，其时间长度和延迟线的 长度成正比。这样，当信号到达延迟线的末端时，时基已经启动并正在扫描之中。 图 17 延迟线对显示快速上升的影响 小结 至此我们已经通过系统方框图说明了一台基本的模拟示波器是如何式作的。 我们已经介绍了其各种基本控制功能。后面我们将会看到，多数这些控制功能不仅出现在 模拟示波器上，也出在数字存储示波器上。 示波器基础（二）——数字存储示波器之一 Edit: Resource 第二章数字存储示波器（Digital Storage oscilloscopes-DSO) 2.1 数字存储 你可能还记得，第一章中我们谈到，普通模拟示波器 CRT 上的 P31 荧光物质的余辉时间小 于 1ms。在有些情况下，使用 P7 荧光物质的 CRT 能给出大约 300ms 的余辉时间。只要有信 号照射荧光 CRT 就将不断显示信号波形。而当信号去掉以后使用 P31 材料的 CET 上扫迹迅速 变暗，而使用 P7 材料的 CRT 上扫迹停留时间稍长一些。 那么，如果信号在一秒钟内只有几次，或者信号的周期为数秒至珍长，甚至于信号只发生 一次，那又将会怎么样呢？在这种情况下，使用我们上面介绍过的模拟示波器则几乎乃至于完全 不能观察这些信号。 因此我们需要找到在荧光物质上保持信事情轨迹的方法。为达到这一目的而采用的一种老 式方法是使用一种称为存储示波管的特殊 CRT。这种示波管的荧光物质后面装有栅网，通过在 栅网上充载电荷的方法存贮电子束的路径。这种示波管价格很昂贵又比较脆弱，并且只能耐有限 的时间内保持轨迹。 数字存储的方法克服了所有这些缺点，并且还带来了很多附加的特色，下面列出部分特点： ·可以显示大量的预触发信息。 ·可通通过使用光标和不使用光标的方法进行全自动的测量。 ·可以长期贮存波形。 ·可以在打印机或绘图仪上制作硬考贝以供编制文件之用。 ·可以反新采集的波形和操作人员手工或示波器全自动采集的参考波形进行比较。 ·可以按通过/不通过的原则进行判断。 ·波形信息可用数学进行处理。 何谓数字存储 从字意上不难看出，所谓数字存储就是在示波器中以数字编码的形式来贮存信号。 当信号进入数字存储示波器，或称 DSO 以后，在信号到达 CRT 的偏转电路之前（图 18）， 示波器将按一定的时间间隔对信号电压进行采样。然后用一个模/数变换器（ADC）对这些瞬时 值或采样值进行变换从而生成代表每一个采样电压的二进制字。这个过程称为数字化。 图 18 数字存储示波器的方框图 获得的二进制数值贮存在存储器中。对输入信号进行采样的速度称为彩样速率。采样速率 由采样时钟控制。对于一般使用情况来说，采样速率的范围从每秒 20 兆次（20MS/s）到 200MS/s。 存储器中贮存的数据用来在示波器的屏幕上重建信号波形。 所以，在 DSO 中的输入信号接头和示波器 CRT 之间的电路不只是仅有模拟电路。输入信 号的波形在 CRT 上获得显示之前先要存贮到存储器中去我们在示波器屏幕上看到的波形总是由 所采集到数据重建的波形，而不是输入连接端上所加信号的立即的、连接的波形显示。 采样和数字化 数字存储分两步来实现。第一步，获取输入电压的采样值。这是通过采样及保持电路来完 成的，见图 19。 图 19 基本的采样保持电路 当开关 S 闭合时，输入放大器 A1，通过开关 S 对保持电容进行充放电，而当开关 S 断开 时保持电容上的电压就不再变化，缓冲放大器 A2 将此采样值送往模/数变换器（ADC），ADC 则测量此采样电压值，并用数字的“字”的形式表示出来。 模/数字变换器围绕一组比较器而构成，见图 20，每一个比较器都检查输入睬样电压是高 于或低于其参考电压。如果高于其参考电压则该比较器的输出为有效；反之则输出为无效。 图 20 模数变换器基本电路 各个比较器的参考电压彼此略有不同，这此参考电压都是用一个电阻链从一个基准电压源 而得到的。对于某一采样电压值来说，若干个比较器输出为有效，而其余的比较器输出为无效， 接着 ADC 中的编码变换器就把该采样电压值变为一个“数字”，并将其送往数字存储器。 这种类型的 ADC 称为闪其速式（flash)模/数字变换器。因为它能在“一闪”间把一个模拟 输入电压变换为一个“数字”。除此之外，还可以使用其它类型的模/数变换器，。其模/数变换是 由几步动作来完成的，但是其缺点是完成一个采样压的变换所需时间较长。 模/数变换器和垂直分辨率 ADC 通过把采样电压和许多参考电压进行比较来确定采样电压的幅度。构成 ADC 所用的 比较器越多，其电阻链越长，ADC 可以识别的电压层次也赵多。这个特性称为垂直分辨率，垂 直分辨率越高，则示波器上的波形中可以看到的信号细节越小（见图 21）。 图 21 垂直分辨对显示波形的影响 垂直分辨率用比特来表示，垂直分辨率就是构成输出的字的总比特数（即数字输出字的长 度大小）。 这样 ADC 可以识别并进行编码的电压层次数可以用下式来计算： 层次数=2 比特数 多数示波器使用比特的模/数变换器，所以能够按 28=256 个不同的电压层次来表示信号电 平，这样就能够提供足够的细节以便研究信号和进行测量，在这种垂直分辨率下，可以显示的最 小分辩率号步进值大约和 CRT 屏幕上光点的直径大小相同，代表采样电压值的一个 ADC 输出字 包含 8 个比特，并称为一个字节。 在现实当中，增加垂直分辨率的限制因素之一是成本问题，在制造 ADC 时，输出字每多增 加一个比特，就需要将所用的比较器数增加一倍并使用更大的编码变换器，这样一来就使得 ADC 电路在电路板上占据大一倍的芯片空间，并消耗多一倍的功率（这又将进一步影响周围电路）结 果，增加垂直分辨率又带了价格的提高。 时基和水平的分辨率 在数字存储示波器中，水平系统的作用是确保对输入信号采集足够数量的采样值，并且每 个采样值取自正确的时刻，和模拟示波器一样，水平偏转的速度取决于时基的设置（s/格）。 构成一个波形的组全部的采样叫作一个记录，用一个记录可以重建一个或多个屏莫的波形， 一个示波器可以贮存的采样点数称为记录长度或采集长度，记录长度用字节或千字节来表示，1 千字节（1KB）等于 1024 个采样点。 通常，示波器沿着水平轴显示 512 采样点，为了便于使用，这些采样点以每格 50 个采样 点的水平分辨率来进行显示，这就是说水平轴的长为 512/50=10.24 格。 据此，两个采样之间的时间间隔可按下式计算： 采样间隔=时基设置（s/格）/采样点数 若时基设置为 1ms/格，且生格有 50 个采样，则可以计算出采样间隔为：采样间隔 =1ms/50=20us 采样速率是采样间隔的倒数：采样速率=1/采样间隔 通常示波器可以显示的采样点数是固定的，时基设置的改变是通过改变采样速率来实现的， 因此一台特定的示波器所给出的采样速率只有在某一特定的时时设置之下才是有效的。在较低的 时基设置之下，示波器使用的采样速率也比较低。 设有一台示波器，其最大采样速率为 100MS/s 那么示波器实际使用这一采样的速率的时基 设置值应为 时基设置值=50 样点×采样间隔 =50/采样速率 =50/（100×106) =500ns/格 了解这一时基设置值是非常重要的，因为这个值是示波器采集非重复性信号时的最快的时基 设置，使用这个时基设置时示波器能给出其可能的最好的时间分辨率。 此时基设置值称为“最大单次扫描时基设置值”，在这个设置值之下示波器使用“最大实进采 样速率”进行工作。这个采样速率也就是在示波器的技术指标中所给出的采样速率。 实用上升时间 在很多示波器应用场合，都要进行信叼开关我的测量，即测量上升时间和下降时间。 从第一章我们已经知道，示波器的上升时间决定了该示波器能够精密进行测量的最快瞬变我 对于模拟示波器来说，上升时间特性。对于模拟示波器来说，上升时间特性完全取决于示波器的 模拟电路。 如果 DSO，则示波器可以采集到的最快的瞬变特性不仅取决于其模拟电路，也取决于其时 间分辨率。为了正确的进行上升时间的测量，必须在我们关心的信号边缘上采集到足够的细节信 息，这就是说，在瞬变期间必须采集很多采样点。这个上升时间称为 DSO 的有用上升时间。并 且其时间值是时基设置值的函数。 我们将在本书的练习部分（第六章）更详细的讨论上升时间测量的问题。 最大捕捉频率及香农(Shannon)采样准则 当人们最初探索将信号进行数字化的时候研究工作就已揭示，为了很好的恢复原来的信号， 在进行信号数字化的时候就要求采样时钟的频率至少应为信号本身所包含的最高频率的两倍，这 个要求通常称为香农采样定理。 然而，这项研究工作是针对通信应用领域而并非针对示波器为进行的，现在来看图 22。从 图中看出。当使用两倍于信号频率的采样时钟时。信号频率确实可以恢复。使用恰当的波形重建 装置我们就可可得到和原始的波形十分相象的波形。但是问题睦的是这样简单吗？ 现在我们设想在进行波形的数字化时仍然使用相同的采样时钟，但是将采样点选在和原来略 为不同的时刻，不定在信号的峰值点，这样一来，信号的幅度信息就会严重失误，甚至可能完全 丢失，事实上。如果采样点准确地取在信号地过零零碎碎点（见图 22 下图）那么由于所有的采 样取到的采值均为零零碎碎，我们将完全观测不到信号。 图 22 用两倍于信号频率的采样速率对正弦波进行采样。 分别示出采样点位于信号峰值点和采样点接近信号过零零碎碎点两种情况 示波器是用来研究信号的，为了很好的研究主事情不仅要求正确的表示信号频率并且还要 求准确地表示信号波形的幅度。从图 23 可以看出，如果每个周期用三个采样点对信号进行采样。 则再现的波形也会发生很大的失真。 图 23 以每周期约三个采样点进行采样的信号波形 根据经验通常认为每周期最小要了十个采样点才能给出足够的信号细节。在有些情况下， 对信号怕细节要求低一些，这时每周期取五个样点可能就足以给出有关信号的特性（见图 24）。 这样，对于一个最大样率为 200Ms/s 的示波器来说，能够准确采集的最大信号频率即为 20 于 40MHz。在这种情况下，还可以使用特殊的显示系统来提高显示波开有的保真度。其方法是通 过各个采样点画出最佳拟合的正弦曲线。这种方法称为正弦内插。 图 24 以每周期五个采样点进行采样的信号波形 假象（Aliasing)现象 我们已经知道，为了重建一个波形，至少需要一定数量的采样点，而且在任何情况下采样 时钟的频率都必须比信号频率高五至十倍。 如果采样时钟频率比信号频率代，那么我们将会得到不可预料的结果。 让我来看一下图 25 所示的情况。如图所示，我们从信号波形的不同周期连续获到采样点， 然而。每一个新的采样点的采集都发生在相对信号过零点的时间间隔略为长一点的时刻。如果我 们现在来显示这些采样点并用它来重建信号波形，则显示出的仍然是一个正弦波。但是这个正弦 波的频率和原来输入信号的频率完全不同。这种现象称为假象信号或者不正确频率的幻影信号。 然而，它却可能表示出正确的波形形状，而且往往还具有正确的波度幅度。 图 25 假象信号正弦波 多数现代示波器都调用有所谓自动设置功能，一旦输入信号连好以后，示波器就能自动地 造反适当的偏转系数和时基设置值。这种自动设置功能也能帮助避免假象现象。 在有些情况下，信号的频率变化得非常快，以致于在某一时刻选定的时基设置是正确的， 而在另一时刻（或者对于信号的另一部分而言）示波器又显示出假象信事情，这时可以用峰值检 测功能（见 2.2 节）来发现任何时刻信号的真正幅值。 为了获得这种复杂信号的起初波形，建议使用组合示波器的模拟方式来观察信号，归要结 底，模拟方式是不可能发生假象现象的。 实理采样和等效时间采样 到现在为止我们所介绍的波形数字化方法称为实时采样。这时所有的采样点都是按照一个 固定的次序来采集的。这个波形采样的次序和采样点在示波器屏幕上出现的次序是相同的。只要 一个触发事件就可以启动全部的采集动作。 在很多多应有和场合，实时采样方式所提供的时间分辨率仍然不能满足工作的要求，在这些 应用场合中，要观察的信号常常是重复性的，即相同的信号图形按有规则的时间间隔重复地出现。 图 26 实时采样 对于这些信号来说，示波器可以从若干连续的信号周期中采集到的多组采样点来构成波形， 第一组新的采样点都是由一个新的触发事件来启动采集的。这称为等效时间采样，在这种模式下， 一个触发事伯到来以后，示波器就采集信号波形的一部分，例如采集五个采样点并将它们存入存 储器。另一个触发事件则用来采集另外的五个采样点，并将其存贮在同一存储器的不同位置，如 此进行下去经过若干次触发事伯以后，存储器内存贮的足够的采样点，就可以在屏幕上重建一个 完整的波形，等效时间采样使得示波器在高时基设置值之下给出很高的时间分离率，这样一来， 就好象示波器具有了比共实际要样速率要高得多的一个虚拟采样速率或称等效时间采样速率。 等效时间采样速率 等效时间采样的方法采用从重复性信号的不同的周期取得采样点来重建这个重复性信号的 波形，这样就提高了示波器的时间分辨率。 举例来说，有一台 DSO 的时基设置值为 5ns/格，每格显示 50 个采样点，则可以求出等 效时间采样速率为：等效时间采样速率=50/5ns=50/5*10^-9=10000MS/s 等效时间采样速率是在高进基设置之下表示示波器不平分辨率的一种间接的方法.它也表明 假如使用实时采样的方法要获得相同的时间分辩集约所需要的采样速率,等效时间采样速率比现 今能够达到的实时采样速率要高得多。 可以采用两种不同的技术来实现等效时间采样,即顺序采样和随机采样. 顺序采样 采用顺序采样时,采样点的采集是按一个固定的次序进行的,即在屏幕以上左向右的进行采 集.每到来一个新的触发事件就采集一个采样点。为了填满一个完整的波形记录,记录中有多少个 存储位置就需要朋多少个触发事件,(见图 27)。 图 27 顺序采样时显示波形的构成情况 当第一个触发事件到来以后就立即采集第一个采样点,并将其存入存储器.第二个触发事件 则用来超动一个定时系统。此定时系统将产生一个很小的时间延迟 Δt,经过这个 Δt 的延迟时间 以后，再采集第二个采样点，在扫迹存储器中的时间分辨率就等于这个小的延迟时间 Δt，其值 可能小于 50 微微秒。第三个触发事件到来后，该定时系统则产生 2Δt 的延迟时间。此延迟时间 过后再采集第三个采样，并这样进行下去。 这就是说第 n 个新的采样点的采集是在相对于类似的触发事件延迟了（n-1）Δt 的时间以 后进行的。 其结果是示波器上显示的波形是由按固定次序出现的采样点而构成的。即第一个采样点在屏 幕的最左边，接着各采样点集资向右构成显示波形。 在顺序采样模式下，采集波形的周期数，即触发事件数等于存储器器的记录长度。顺序采样 可以实现后触发延迟功能，但是不能提供预触发信息。在快速时基设置之下，填满一个存储器记 录所需的时间是很有限的。其速度比随机采产要快得多。 随机采样 在使用随机采样的示波器中，第一组采样点是在随机的时刻采集的，而与触发事件无关， 这些采样点之间的时间隔为一已知的时间，由采样时钟来确定，当示波器在在等待触发事件到来 时，其内部就在连续的进行采样并将结果贮存起来。当一个触发事件到来时示波器内的一个定时 系统就从这一时刻开始直到下一个采点时刻进行时间测量。由于采样间隔是固定的，因此示波器 就能够从此测量的时间计算出所有采集的采样点在存储器中的位置（见图 28）。当第一次采集 的所有采样点存贮完毕以后，就开始采集一组新的采样点并等待新的触发事件，新触发事件到来 以后，计时系统双进行新的时间测量并计算出这些新的采产点位置。这些新的采样点落在一次采 集的采产点填充位置之间的未填充位置，用这种方法，波形扫迹就由在 X 轴上的随机位置上出 现的一组组采样点所构成。 图 28 随机采样时扫迹的构成情况 在最快的时基设置之下，使用随机采样的方法填满一个完整的波形记录所花的时间要比顺 序采样的方法多很多，因为这时是用统计的方法来填充所有的存储器位置。随机采样技术的在优 点在于可以提供预触发信息以及触发后信息。 电荷耦合器件 有些波器采用电荷耦合器件，或称 CCD 即一种模拟移位寄存器，来作模拟存储介质。电荷 耦合器件可以看成是一个由很多小单元组成的阵列，每个单元都可以贮存一宣的电荷，此电荷就 代表队号的采样值，在时钟信号的命令控制下，这些单元可以按一个固定方向一个接一个的传递 电荷，就象救火队员传递水桶一样。 在高速时钟控制下，CCD 可以用来移位存入模拟信息，当所有的单元都填满时，快速时钟 停止，然后用一个较慢的时钟将 CCD 中的电荷信息移位取出送入一个标准的模/数变换器。这样 模/数变抽象器就可以以低得多的速度工作。而波形采集的速度仅仅取决于 CCD 输入时钟的速 度。 如果让采样时钟连续运行，而当触发事件到来时让时钟停止，那么所有 CCD 的单元中存贮 都是触发时刻这前采集的信息，也就是说，整个 CCD 中填充的都是预触发信息。这对于研究系 统过程的起因是非常宝贵的。 单次捕捉应用 模拟示波器和 DSO 的主要区别在于 DSO 能够存贮波形信息。这使得 DSO 在研究低重复 速率的现象或者研究完全不重复的现象即所谓单冲信号的工作中具有特别宝贵的价值。这种应用 情况的例子包括诸如测量一个电系统的冲击电流、破坏性试验中只能进行一次测量，事实上，非 重复性信号或单位信号在很多系统中都可以见到。虽然很多模拟示波器也常常有单次测量能力， 即可以产生单次的进基扫描。但是 DSO 在采集波形细节方面则是首屈一指的。在进行单次采集 时，示波器首先诮进行触发准备（armedfor trigering)。通常用一个标有“单次”或者“单次复位” 的传门控制机构来提供此项功能。 显示类型，光栅扫描与向量扫描 在本书第一章的开头，我们谈到 CRT 是示波器的心脏。还谈到在 CRT 中电子束的偏听偏 信转是通过在两个偏转板之间施加电压来实现的。这种偏转方法称为静电偏转。这时偏听偏信转 系统可以从 DC 开始直到很宽的频率范围内使用。在模拟示波器中就采用了这种方法，在模拟示 波器中输入信号经过衰减或放大以后，连续地、直接地加到偏转系统。因此，模拟示波器常常被 认为是最可信赖的的信号仪器；我们在 CRT 屏幕上所看到的波形就是被套测系统中实际发生的 情况。 这时，电子束的偏转是由输入信号和时基来决定的。这两者一起把电子束偏转到屏幕上需要 加亮的位置。这种类型的显示称为向量扫描显示。 在 DSO 中，在显示信号波形之前首先要采集波形并存入存储器。在基本些 DSO 中使用了 另一种类型的 CRT，即和 PC 监视器及电视机所使用的相类侯 CRT。在这些 CRT 中电子束得由 安装在 CRT 外面的线圈产生的磁场来偏转的。这种偏转方法称为磁偏转，它只能在一个很有限 的偏转频率范围内使用，所以为种显示管采用和 TV 屏幕完全相同的方法来驱动：即在屏幕上以 固定的频率从左到右一行紧挨一行的车出扫描线。扫守完整的一屏（一个全场）可能需要 500 行或者更多的行。DSO 计算出屏幕上的哪些点需要加亮，当扫描系统扫到屏幕上的这种点时， 就使电子束加亮。这种显示方式只能用于 DSO，而不能用在模拟示波器中。这时我们在屏幕上 看到的并不是输入信号本身的波形，而是使用早些时刻采集的表示输入信号的数据在屏幕上重建 的波形。 近年来使用液晶显示（LCD）的 DSO 已经问世，这种显示器需要的功率比 CRT 要小，困 此用在便携式示波器上极为理想。下面在 Fluke 公司的示波表(ScopeMeter)中我们会看到很好 的应用实例。由于 LCD 显示器功耗很低，所以一组小型的电池就可以供仪器工作几个小时。 示波器基础（二）——数字存储示波器之二 Edit: Resource .2 DSO 的功能和控制机构 DSO 有许多新的特性，这就使得 DSO 有许多模拟示波器没有的控制机构，下面我们将介 绍若干最常见的控制机构。 预触发和后触发 在第一章中我们谈到，每次时基扫描都是由一个触发事件启动的。这样一来我们就只通用 性研究观察触发时刻以后的信号变化情况。 在很多应用场合，我们感兴趣的波形部分并不紧跟在引起稳定触发的信号部位的后面，而 是在触发以后一段时间，或者甚至可能在触发这前。 例如，当一个半导体器件被打开时，其输出信事情的幅度可能很大，我们可以用它来触发 示波器，但是，如果我们要研究该半导体器件开始导通的很小的输入信号时，我们就会发现，。 这个信号太小因而不能准确的触发示波器。这就要求示波器具有所谓的预触发观察能力：即由一 个信号（这里指那个大的输出信号）来触发示波器，而示波器显示触动发时刻之前的信号的能力， 这就使得示波器能用多通道的波形详细地显示出一个系统的输入和输出信号，从而看出系统响应 的因果关系。 在另一些情况下，你可能想要详细地研究触发事件之后一段时间发生的信号有关部分。例 如在研究一个方波的抖动的大小，就可以使用一台具有后触发延迟或后触发观察能力的示波器。 这时可以使用方波的一个沿来触发示波器，而把时基设置成很高的速度以显示抖动，其做法是： 在示波器探测到触发事件时，启动一个后触发延迟计数器。将此计数器的计数时间设置成大约等 于一个信号周期的时间。当此预先设计的定时时间结束以后，示波器就开始从方波的下一个上升 沿好将开始的时刻开始采集。 由于延迟计数器是一个非常稳定的石英晶体控制的数字时钟，它与被测信号无关、独立工 作，所以被没方波信号的抖动就会表现为示波器上采集到的上升沿位置的不稳定性。也就是说在 各次采集过程中，方波的上升沿将会在相对于触发事件卡拉奇不同时刻（即屏幕上的不同位置） 出现。 触发位置 具有预触发或后触发延迟能力的示波器必须具有某种方法来控制延迟时间的大小，这可以 用触发位置控制机构来完成。这个控制机构可以舍不得触发位置在屏幕上或者在采集记录中移 动。 在有些示波器中，触发位置只能设置为几个预先规定的数值，例如在采集的信号记录的开 关、中间和结尾。但如示波器具有很宽的触发位置控制范围，使用起来将会是很方便的。因此 PM3394A 示波器就允许用户将触发时刻设置在整个采集记录中的任何位置，并且触发位置还是 连续可变的。 毛刺捕捉 图 29 所示的是一个带有快速的毛刺或尖峰的失真正弦波。产生这种波形的原因可能是由于 其它电路的干扰，也可能是由于连线离被测系统过近的缘故。这些毛刺常常会引起系统发生误动 作。那么，我们能用示波器来发现这些毛刺吗？ 图 29 叠加了毛刺的正弦波 如果我们使用模拟示波器来观察，只有当毛刺信号是重复性的并且和主信号（即这个例子 中的正弦波）同步时，我们才能看到毛刺信号。或者，如果我们的运气好，出现了很多的毛刺的 朦胧形象。 由于毛刺源于其它的电路系统，所以这些毛刺通常只是偶尔发生，并且和主信号不同步。 那么，如果 DSO，我们能发能这些毛刺吗？未必，首先我们必须确保示波器已准备好去捕 捉这些快速毛刺。 我们知道，DSO 在特定时刻对输入信号进行采样，如本章开头所述，采样点之间的时间间 隔取决于时基设置。如果毛刺的宽度比示波器的时间分辨率还要小，那么能否捕捉到毛刺就看运 气如何了。为了能够捕捉到毛，我们的办法就是峰值检测或毛刺捕捉。 彩峰值检测的方法时，示波器将对信号波形的幅度连续地进行监测，并由正负峰值检测器 将信号的峰值幅度暂地存贮起来。当示波器要显示采样点的时候，示波器就将正或负峰值检测器 保存的峰值进行数字化，并将该峰值检测器清零。这样在示波器上就用检测到的信号的正，负峰 值代替了原来的采样点数值。因此，峰值检测的方法能够帮助我们发现由于使用的采样速率过低 而丢失的信号或者由于假象而引起失真的信号。峰值检测的方法对于捕捉调制信号，例如图 30 所示的 AM 波形，也是非常有用的。为了显示这类信号，必须将示波器的时基设置得和调制信号 在频率相配合，而在这种信号中，调制信号的频率通常在音频范围但载波频率通常为 455KHz 或者更高。在这种情况下，不使用行刺捕捉功能，就不能正确地采集信号，而使用了毛刺捕捉功 能就可以看到类似模拟示波器所显示的波形。 图 30 使用和不使用峰值检测模式两种情况下捕捉到 AM 调制信号波形 示波器上的峰值检测功能是通过硬件（模拟）峰值检测器的方法或者快速采样的方法来实 现的，模拟峰值检测器是一个专门的硬件电路，它以电容上电压的形式存贮信号的峰值，这种缺 点是速度比较慢，它通常只能存贮宽度大于几个微秒且具有相当幅度的毛刺。 数字式峰值检测器围绕 ADC 而构成，这时 ADC 将以可能的最高采样速率连续对信号进行 采样，然后将峰值存贮在一个专用的存储器中，当要显示采样点的值时，贮存的峰值就作为该时 刻的采样值来使用。数字式峰值检测器的优点是其速度和数字化过程的速度一样快，本书中用作 示例的示波器 PM3394A 就能够在很低的时基速率设置下，如 1 秒/格，以正确的幅度采集到窄 至 5ns 的毛刺。 滚动模式 至此，我们已经知道 DSO 能用和模拟示波器类似的方式显示波形，从触发事件开始，标波 器采集信号的采样点，并将其存于采集在储器中的连续位置中。一旦新的数据已将存储器的最后 一个单元填满以后，采集过程既告结束，示波器就将采集存储器中的波形数据复制到显示存储器 中去在此时期示波器不再采集新的数据，就像模拟示波器在时基复位期间不能显示波形扫迹一 样。 对于低频应用的场合，信号的变化周期可达分钟量级而远不只是微秒的量级，这时 DSO 可以应用于一种全连续的显示方式：滚动模式。而这种背后的极样点显示于屏幕的右面，屏幕上 已有的波形则向左滚动（见图 31）。老的采样点一旦移动到屏幕的左面即行消失。这样一来示 波器屏幕上显示的波形总是反映出最新信号对时间变化的情况。 图 31 滚动模式 由于有了这种滚动模式，我们就可以用示波器来代替图表记录仪来显示慢变化的现象，诸 如化学过程、电池的充放电周期或温度对系统性能的影响等。 显示放大 在模拟示波器中，可以将进基放大 10 倍，以便详细观察信事情的细节。在 DSO 中显示的 波形可以按大小不同的步进值放大，通常进基放大按 2 的幂次倍数放大，即按 x2,x4,x8,x16, 等倍数放大。 一旦波形已经采集并存入存储器，例如单次波形采集的情况，使用垂直放大功能代替提高 垂直灵敏度来放大波形也是很方便的。 特殊的触发方式 DSO 的存贮功能使它成为捕捉十分罕见、甚至于只发生一次的信号，例如单次事件或者系 统闭锁等情况的极为有用的工具。为捕捉这些信号就要求示波器具有各种各样的触发方式去探测 这些特殊的条件，以便启动波形采集。这实惠这一目的，只有边缘触发方式往往是不够的，为此 又开发了若干附加的触动发能力。我们在此讨论其中的几种。 —图形触发 在逻辑硬件电路各，信号是由许多并行的线来传送的，整个硬件的瞬时状态则是由在给定 时刻时这些线上的状态来表示的。为了识别硬件状态，就需要有一种仪器来检测这些线的状态。 使用图形触发功能可以监视多条，例如 4 条线的状态，当探测到用户规定的图形（例如 HHLH） 或字时，示波器就被触发。由于图形触妇的设计是和数字逻辑配合使用的，因此，可以用来监视 各条线的状态是为高（H）、低（L）、或者任意（X）。 —状态触发 逻辑硬件通常是围绕着一个中央时钟系统来构成的。其中的所有硬件都在时钟系统的指令 之下来存贮其输入信号，因此我们的测试仪器也应依据同样的原则工作。当使用状态触发时。输 入信号怕自理方法和图形触发时一样，只不过一在要把其中的一个输入信号当作时钟信号。如果 示波器在时钟上升沿或下降沿时存贮的其余三条线的输入字和用户规定的触发定一致，则示波器 新触发。 —毛刺触发 使用毛刺触发时，能引起系统误动作的窄脉冲，如毛刺、类峰等可以引起示波器触发。 如果一个系统是设计在 DC 到某一频率信号下工作的，那么由于线路走线可能会使系统引 入比此范围更高的频率信号，例如来自其它线路的干扰或吸收大功率的瞬变信号等，可以把示波 器设置为当被测脉冲的宽度小于允许的最高频率信号之周期的一半时触发。国为我们可以认为， 在正常工作的情况下，这样窄的脉冲是不会发生的。 毛刺触发的另一个应用场合是逻辑硬件，这时硬件电路的逻辑状态都是和系统时钟同步变 化的。结果，这种硬件电路中的脉冲宽度都应为系统时钟周期的整倍数。在这种系统中，故障的 发生常常和脉冲宽度异常有关，为了探测故障，我们现在可以把示波器的角发条件设置为在脉冲 宽小于一个时钟周期时触发。 图 32 毛刺触发 —时间限定触发 这种触发方式使得示波器在满足一定的时间长度要求的条件下，可以按上述任何一种方式 触发。这种时间长度要求可以是要注某一最小时间长度（如果时间长于某值则为有效），要求某 一最大时间长度或者要求某一个从最小值到最大值的时间范围。时间限定触发对于按照系统不能 满足正常工作条件来触发以对系统进行检测时非常肜的。还可有用这种触方式来探测连续工作信 号发生的中断现象。 —事件延迟 这种触发方式使示波器多个信号的情况来触发，而其中的一个入号，用来延迟采集的超始 点。触发周期是由一个主信号，通常为多个信号通道之一启动的。接收到主触发信号以后，示波 器就开始检查第二个信号（这也可能还是那个主触发信号，但取不同的电平），并对这个信号上 的触发事件进行计数，当达到预先规定的触发事件数时，示波器就开始采集波形，见图 33。 图 33 事件延迟 典型应用实例为串行数据线、控制系统及机械环境等。 —N 次周期 这种功能可以用来从输入信号中选出每个第 N 次出现的波形，然后将这种选出的信号加到 正常触发系统来使示波器触发。当一个信号受到它的谐波的影响而失真，也就是说这个信号是周 期性的但其各个周期并不完全相同，这种情况下，N 次周期触发方式特别有用。例如，其一系统 按一固定频率运行，但是每过 12 个脉冲，脉冲宽度就变得宽一些。这时可以选择“N=周期=12”， 这样示波器就只对这些变宽的脉冲作出响应，引起触发。 图 34 N 次周期触发 波形存贮 被测信号的波形形存入存储器以后，可以将其复制到所谓的后备存储器或寄存器中，供以 后进行分析或作参考及比较的目的使用，DSO 中通常装有多个这种存储器可以按扫迹存储器的 方式设置，这时示波器多通道采集的每一条扫迹将分别存贮，也可将后务存储器设置为记录存储 器，这时示波器将多通道采集所有数据同时存贮了所有有关的时间信息。 示波器配备大量的后备存储器对于在现场工作的工程师是很方便的。这时工程师可以把现场 测量期间所有有关的波形都存贮下来，以便以后生成硬考贝，或将这些波形传往计算机再作进一 步的分析。 显示算法，内插和点连接 我们在 DSO 屏幕上看到的波形是由存储器中的采样点重建出来的信号波形。这时示波器在 屏幕上显示出这些采样点，并在这些采样点之间画出连线，这种波形显示的工作可以按几种方法 来作，最简单的方法是在各个采样点之间用直线连接，这种京都我为线性内差，只要各采样点之 间告得很近，例如每格 50 个采样点，用这种方法就能获得足够的重建波形，如果在信号跳变沿 前后都采集了采样点，那么用这种方法就可以观察领事的沿，如果将显示的波形在水平方向放大， 使得采集的采样点之间的距离变大，那么示波器屏幕上信号波形的亮度就会降低，所以，示波器 是通过计算出内插的或显示的采样值来保持屏幕上显示的采样点数足够高，当屏幕上的波形在水 平方向放大得很大时，在屏幕上显示出一条通过各采样点的连续的曲线就比在采点之间用直线连 接要好得多，为此可用使用正弦内插法。采用这种方法时，在屏幕上将各个采集的采样点用幅度 和频率均为可变的最佳正弦拟合曲线连接直来。采用了内插的方法以后，既使当屏幕上每格的采 样点数较少时也能得到和模拟示波器显示波形类似的自然平滑的重建波形。 为了察看真正的采样点，示波器通常设有点显示方式，在此方式之下，不使用任何内插方 法。选择这种方式以后，我们在屏幕上只能看到用离散亮点表示采样点，而在这些点之间没有任 何连线。 窗口模式 当我们进行信号比较时，例如将一新采集的波形和以前存贮的信号波形比较时，把这两个 波形扫迹显示在示波器屏幕的不同区域会是很有用处的。为此，示波器又设有窗口模式，这个模 式将示波器屏幕分成两个或多个区域以显示不同的扫迹，由于减小了显示波形幅度的情况下，还 能获得优化的测量准确度， 2.3 自动测量和处理 自动测量 示波器用来显示信号的波形，并对诸如：峰〈一〉峰值幅度，RMS 幅度、DC 电平、频率、 脉冲宽度、上升时间等波形参数进行测量。对于任何波形来说，这些波表参数都可以使用大家熟 知的数学方法来测量计算，我们将在第六章对此进行介绍。 在使用模拟示波器的时候，用户只能进行手动测量，例如对屏幕上显示的波形曲线进行解 释分析、在屏幕上计算格数以求出波形幅度和时间间隔，殖民地用数学定义算出测量结果，对于 西藏的波形来说，这种方法虽然只能获得中等的准确度，但方法是可行的。而对于更加复杂的波 形来说，使用这方法要困难得多，并且可能需要进行某些推测。 当使用 DSO 时，只要示波器已经采集了信号波形，就获得了所有的波形信息数据，根据这 些数据就能自动计算出要测量的参数，得到更加准确，可靠的结果，整个过程极为迅速，简便。 多数 DSO 都能对一个或多个通道上的输入信号同时进行两个或我个参数的测量，困此可以 用来进行信号间的比较，例如比较一个放大器或衰减器的输入和输出信号。 另外，如果示波器对存贮的波形和新采集的波形都能进行能进行参数测量，那将会是非常方 便的。这就使我们能对实际信号的性能和标准信号的性能进行比较，也使我们可以观察时间对信 号的响应变化或者对系统修改后的变化影响。 示波器上最完全的参数测量功能还应包括用统计形式给出测量结果，这就是说，在一个较长 的波形采集期间中的任何时刻，示波器应给出某一特定测量参数的最小值，最大值和平均值，使 用这一功能我们就可以发现一个系统性能变化的趋势而而无须连续监视示波器屏幕显示的内容。 应当记住，任何示波器的参数测量都是通过对采集的数据进行分析来进行的，所以，参数测 量的结果都源于在示波器中存贮的采集到的波形，这就意味着，示波器的设置情况对参数测量和 结果会有影响，例如，如果示波器的时基速度设置得比较慢，比如说设置为 1ms/格，而要对一 个估计为 50ns 至 100ns 的上升沿进行上升时间测量，那么由于采集过程中时间分辩集约的限 制，我们就无法测出正确的结果，为了进行这项参数测量，我们应当把示波器的时基设置得足够 快，例如设置为 50ns/格以便以足够细的时间分辨率显示出被测波形的上升沿。 图 35 用统计的格式给出峰〈-〉峰值电压和频率测量值的屏幕显示情况。 其中给出了这两个参数的的最小值，平均值和最大值随时间的变化 在第六章我们将详细讨论各种不同参数的定义、测量方法以及如何用手动和自动的方式进 行这些参数的测量。 数字处理 示波器所采集的波形数据中包含了非常丰富的信息，用来显示这些数据的一种非常有用的 形式就是波形显示，即用垂直坐标轴表示电压、用水平坐标轴表示时间。这就是 Y-t 显示方式。 另一种显示波形数据的方法是用两上通道的波形数据来画图。这时对显示的每个数据点来 说，其水平位置代表一个通道的数据值，而其垂直位置则表示另一个通道的数据值，这种显示模 式称为 X 对 Y 模式，或简称为 X-Y 模式，用这种模式，用户可以观察频率相关联的两个信号之 间的相位或时间关系，X-Y 模式对于测试相移器和滤波器极为有用，还可以和运动传感器配合使 用来检查运动系统的振动情况。 在 X-Y 模式下，DSO 比模拟示波器优越地地方在于这时 DSO 的带宽为示波器的全部采集 带宽，而在 X-Y 模式下 DSO 显示的是在某一单个记录中所包含的采样点数据。这些数据只能表 示在一个有限的时间期间（该记录的时间长度）的波形，而在 X-Y 模式下模拟示波器给出的是 一个连续的，活的显示图形。 此外还有很多其它的方法用来从波形数据据中提取宝贵的信息，或者对数据进行运算以便 用更加有用的格式来表示娄据中所包含的信息，这种运算通常称为波形的数学处理，这咱处理往 往是由计算机来完成的，这就是说把采集到的波形传送给计算机，然后再作进一步的处理。 更新颖的 DSO 已经把这种数学处理能力装在了示波器内部，这可以靠示波器的主处理器 或者另一个附加的数字信号处理器（DSP）来实现的。 —采用平均的方法来提高分辨率 平均的方法是把连续的各次波形采集的结果组合在一起，采用平均的方法可以减少叠加在 信号上的噪音，经过平均处理以后的波形的第一个采样点都是由各次连续采集的波形上相同位置 的采样值通过平均运算而获得的。 由于噪音的本质所决定，噪音对每次新的采集来说都是不同的，所以各次连续采集波形的 采样值就会略有不同，通过平均减少了这种差别，获得了更加平滑的波形，但是并不影响带宽， 然而，当使用平均的方法时，示波器要用更长的时间才能响应信息的变化。多数 DSO 的垂直分 辨率为 8 比特。这就是说，采集的波形完全由 256 个不同的电压电平来表示，通过对各次连续 采集的波形进行平均可以提高分辨率，进行平均计算时所用的连续采集波形数越多，垂直分辨率 就越高。每当所用的连续采集波形数增加一倍时，垂直分辨率就增加一个比特。 —包络模式 当被测信号随着时间变化时，例如要观察信事情的幅度变化或者抖动现象时，观测在多次 休集过程中波形记录中每个采样点位置的最小值和最大值都存贮下来，并以此构成波形显示，这 样获得的显示波形表现了信号长期变化的积累效果，使得我们可以进行长时间的抖动测量或者长 时间的幅度变化测量。 图 36 使用和不使用包络模式两种情况下的抖动脉冲 —数字滤波 对波形进行滤波是一种通过对采集的波形数据进行数学处理以咸小波形带宽的得理过程。 “滤波”一词说明这种处理功能和在示波器的输入端加入低通滤波器具有相同的效果。 数字滤波是通过把波形记录中的每个采样点和同一波表记录中与该点相邻的若干采样点进 行平均来实现的。这样作的结果减小了信号的噪音，但同时也减少了带宽的目的是为了减小噪音。 数字滤波也可用于单次信号的情况，而平均的方法却要求对重复性信号进行多次波形采集。 —波形比较，样板测试 示波器中存贮的波形可以和新采集的波形同时进行显示，例如，我们可以把一个已知好的 设备的波形特性和有故障的设备的波形特性进行比较，在很多情况下，进行这种信号比较的目的 在于检查该系统的性能是否符合其技术指标。在设备生产测试过程中，我们常常会遇到这种情况， 使用具有“通过/不通过”测试能力的示波器我们可以非常容易地，全自动地进行这种信号比较工 作，。首先，我们把标准信号及其允许的极限范围存贮在示波器的寄存器中，这些存贮的信息称 为样板，接着示波器就从被测系统采集信号，并将每个新采集的信号和该样板进行比较。，如果 采集的信号在样板的范围之内，则示波器指示“通过”，反之，则示波大就会报出“不通过”。 图 37 信号的波形及其频率变换 —快速付里叶变换（FFT） 快速付里叶变换是一种数学运算方法。它从被测信号中提取信号所包含的各个频率分量， 并将各个频率分量的幅度显示出来。 FFT 对于发现信号失真的大小，确认复杂波形中包含的频率万分或者寻找系统间的相互干扰等工 作都是非常有用的。 —波表相乘 此功能最重要的应用是测量电功率，因为电功率的定义就是电流和电压的数学乘积，为了 进行功率的测量，示波器就要同时采集电压和电流的小辈形，并将二者相乘，相乘后获得的波形 则表示随时间变化的瞬时功率值。这种功率测量工作对于测试电源，功率放大器以及稳压器等都 是非常重要的，因为在这些场合电流都比较大，而这些部件承受的功率大小都是很关键的指标。 —积分 积分可以给出一条曲线下的面保佑，使我们能够观察信号随着时间积累的总体效果，例如， 连续充电过程对于电容器上的电荷量的总体效果，或者一个元件耗散功率的总体效果。 在测量机械系统时，如使用输出电压和系统加速度成正比的传感器，则此信号的积分映出 的就是速度。 —微分 微分表示的是信号变化的速率，例如，一个电信号的摆动率（Slew rate)就是信号随时间 变化曲线的微分。 —功率及损耗的测量 下面叙述的功率耗损测量是示波器处理能力的一个实际例子。 一个元件可以承受一定的功率，此功率的定义为跨过元件两端的电压和流过元件的电流的乘 积。在元件的设计中通常要对元件随功率的能力规定一个极限值，此极限值是由该功率在一定的 时间里引起的元件温升来确定的。元件耗散的热量（即能量）是曲其瞬时功率和时间来决定的。 元件产生的热量可以通过测量其电压和电流值并将二者相乘来决定，两者相乘后获得的是以 瓦特为单位的任一时刻的瞬时功率值，接着可以使用第二个数学处理功能进行积分，这样就可以 得到以瓦秒为单位的总的功率耗损值，而 3600000 瓦秒等于 1kwh 这样通过换算我们就可以把 元件的功耗值换算成我们日常付电费时常用的单位来表示。 2.4 接口 接口 在很多情况下，我们需要把示波器中的信号传往 PC 机，而在另一些情况下，我们可能希望 用 PC 机来对示波器进行控制，这两种情况都要求示波器具有通讯能力。也就是说，示波器必须 装有通讯硬件及其支持软件。我们称此通讯用软硬件为“接口”。常用的接口有两种，好 RS-232 接口和通用接口总线（GPIB），后者又称为 IEEE-488 总线，对多数示波器来说，这些通讯接 口都是选件。 RS-232 接口是一种串行接口，这种接口在 PC 机上一般用来通过调制解调器进行通讯，还用来 连接鼠标器，打印机等设备。连接到 PC 机上的每个设备都需要单独占用 PC 机上的一个 RS-232 接口，也就是说在一台 PC 机上只能连接有限个设备，常常只能连接一个。 很多软件包都使用串行通讯方式，因为这种通讯方式要求对 PC 机的改动最小，并且可以使 用比较简单的电缆，所以在示波器上配备这种软件比较容易。我们只要使用一台 PC 机就可以存 贮示波器采集的波形以作后备之用。GPIB 总线是一种为在仪器系统中使用而设计的的并行总线， 这种总线允许多台仪器同时连至同一总线。这种总线还允许各仪器在测试协议之下随时（例如， 当某台仪器在测量发生错误时）请求控制器给予注意，按 GPIB 总线的计算机可以是专用的 GPIB 控制器，但当今最常用的还是配有 GPIB 插卡的标准的 PC 机，由于 GPIB 插卡不是 PC 机的标 准配置，所以必须另外加配。 供 GPIB 使用的软件通常都在计算机上生成一个完整的测试环境，将我台仪器集成为一个单 独的测试系统。 打印机、绘图仪，硬考贝 在很多现场测试的场合，工程技术人员都需要获得某种形式的测量结果的硬拷贝，以便以 后作为参考资料使用，或者设备报告发生错误动作时都需要查看以往的资料。 多数 DSO 都能使用一般 PC 机用的数字绘图仪或打印机来制作硬拷贝。有的 DSO 还能带 动图表记录仪，因为在很多实验室中还在使用这种记录仪。示波器的硬拷贝功能通常是通过上述 两种之一的标准配置或选件配置的接口来提供的。 如果在进行测量时工作现场没有打印机或绘图仪，那么示波器中最好配备比较多的存储器， 以便把所有需要的信息都存贮下来留待以后再制作硬拷贝。 示波器基础（三）——模拟示波器、数字示波器,还是二者兼备 Edit: Resource 第三章模拟示波器、数字示波器,还是二者兼备？ 3.1 介绍 当考虑购买新的示波器时，用户往往会提出许多问题。比如，应当选择哪种示波器？需要 多宽的带宽？模拟示波器能够满足工作需要吗？还是需要一台 DSO？ 另一个人们经常问的问题是："DSO 能够满足我的工作需要吗？"换句话说，DSO 能完成我 原来用模拟示波器所作的所有测量工作吗？ 遗憾的是对所有这些问题并没有一个简洁的答案。问题的答案完全取决于要进行的测量工作 和要测量的信号。在有些情况下模拟示波器比现有的 DSO 都要好，现在让我们来考察若干主要 的思考原则。 3.2 简单重复性信号 使用模拟示波器和 DSO 通常都能很好地观察简单重复性信号。但是两者都有其优点和局限 性。对于模拟示波器来说，由于 CRT 的余辉时间很短，因而难于显示频率很低的信号。由于示 波管上的扫迹亮度和扫描速度成反比，所以具有快速上升、下降时间的低重复速率信号就很难看 到。而 DSO 的扫迹亮度和扫描速度与信号重复速率无关。随着被测信号情况的不同，这个特点 可能是优点也可能是缺点。 对于显示具有足够高重复速率的重复性信号的快速沿来说，DOS 和模拟示波器的性能几乎 没有什么区别。用两种示波器都能很好的观察信号波形。 当要进行信号参量的测量时，DSO 的优点在于具有自动测量的能力。而使用模拟示波器时， 用户必须自己设置光标、分析理解显示的波形才能得到测量的结果。 如果要进行调整工作，那么一般最好使用模拟示波器。这是因为模拟示波器的实时显示能力 使它在每时刻都能显示出输入的电压。其波形更新速率（每秒钟在屏幕上描画扫迹的次数）很高， 在高扫描速度时可以远超过 100000 次扫描/秒。所以信号的任何变化都会立即显示出来。而且 有些领事的变化会在显示屏幕上以波形亮度变化的形式表现出来。 与模拟示波器相反，DSO 所显示的是用采集的波形数据重建的波形。每秒钟采集波形的闪 数远低于 100 次。在有些示波器上，每秒钟采集波形的次娄法超过去 5 次。结果在信号发生变 化和变化了的信号在屏幕上显示出来之间就有了明显的时间延迟。当对系统进行调整工作时，这 是使用 DSO 的重大缺点。 3.3 比较复杂的重复性信号 上述的简单重复性信号可以在很多电子学领域中见到，但是这些信号常常用来作为信息的 载体。为此目的可以有多种形式，例如正弦波、泳冲、斜波或阶梯波等，而且多种调制信号和多 种调制方式常常可能同时使用。 一个常见的复杂模拟信号的实例就是全电视信号。此信号由多种不同频率，不同幅度的分 量构成，既包括脉冲，也包括正弦波，于加上为表示彩色信息而进行了相移的另外的正弦波。对 于这样的情况，模拟示波厌的 DSO 都有其自己特别的优点，各自都能对信号的不同部分进行最 佳节观察。 例如，模拟示波器具有限的分辩率和每秒钟很高的扫描次数，它能显示出波形在时间止的 颁波形扫描上的这度变化正比于信号在某一特定持续的时间，这就很好的显示出彩色调制的情 况。由于示波器具有很高的波形更新速率（第秒钟的扫描次数很高），所以它能立即显示出对系 统进行调整的效果。 使用 DSO 时，由于其采样点数有限以及没有亮度的变化，使得很多波形细节信息无法显示 出来，虽然有些 DSO 可能具有两上或多个亮度层次，但这只是相对意义上的区别，再加上示波 器有限的显示分辨率，使它仍然不能重现模拟显示的效果。 图 38 给出了使用模拟示波器显示全电视信号的情况。请注意其中丰富的波形细节和亮度变 化的情况。图 39 给出的是在 DSO 的典型光栅扫描 CRT 上显示相同信号的情况。 图 38 在模拟示波器上看到的视频信号 图 39 在数字存储示波器上看到的同一个视频信号 如果只要显示一行视频信号的小部分，例如某一特定行中的 TV 发送测试信号、图文电视数 据或者某一特定行上的采色脉冲群，那么最好 DSO。如果使用模拟示波器，则由于相对比较低 的信号重复速率，再加上要观察的信号部分本身时间很短，很容易导致显示的画面太暗而难以看 见。而 DSO 则不论信号的重复速率高低具有一致的亮度，因而能以很高的这度显示此信号。 如果重复性的浅薄形中还包含着宽度很窄的尖峰或毛刺，那么使用模拟示波器观察整个波形 式是不可能看到这些类峰或毛刺的。而当 DSO 时，使用峰值检测就可以所这些尖峰显示出来（见 图 40）。 图 40 这类尖峰信号通常只是偶尔发生，因此只能用 DSO 捕捉 3.4 非重复性信号和瞬变 以前，由于观察极为困难而且代价过高，所以很多观察非重复性信号和瞬变的工作都不得 不许诺了，因为在那个时候，观察这类的信号需要使用昂贵的模拟存储示波器、照相机和长余辉 示波管等。 如果某一个事件只发生一次，那么模拟示波器通常是不能应付的。而这正是 DSO 展示其 强大能力的时机，DSO 能够捕捉这种罕见的一次性事件，并且按照你的的希望长时间地将它显 示出来。 这种罕见的事件甚至可能是干扰的结果，通过用干扰本身来触发，DSO 具有显示预触发信 息的能力，包括显示干扰的原因。 图 41 显示的是当电缆一端的开路接在桌面上弹起时电缆的微音效应波形，图中触发时刻用 Δ 符号来表示，这个符号左边的波形信息就是预触发信息。 图 41 当电缆一端的接头在桌面上弹起时电缆的微音效应。 只有使用 DSO 才能捕捉到这种突起见的信号 3.5 模拟示波器、数字示波器,还是二者兼备 我们已经看到，在日常工作中技术人员同时需要模拟示波器和数字存储示波器，以便对他 们工作中遇到的信号进行最好的观察，在某些应用场合模拟示波器比较合适，而在另一些场合 DSO 则是更好的选择。 市场上见到的一些 DSO 号称具有"模拟示波器的外观和感觉"。但这些都是纯粹的 DSO，尽 管其中有一些示波器的控制机构排列得和许多模拟示波器完全相同，而另一些又具有很高扫描更 新率以模仿真正的模拟示波器的能力。或者，他们可能具有很高的采样速率而采集波形的记录长 度都很有限，从而不具备观察比较复杂的信号，避免出现假象信号所需要的时间分辨率，当然， 这些示波器不仅具有 DSO 的优点，也具有 DSO 的全部缺点。 值得庆幸的是，现在有一种示波器能够真正的把模拟示波器和 DSO 两者的能力和优点结合 于一台仪器。这就是组合示波器，组合示波器把一台高性能模拟示波器组合在一起，并且能很容 易的从一种工作模式转换到另一种工作模式。 技术人员选用了组合示波器就意味着，只要有这台示波器就足够，不管他的工作需求如何， 他的手边总有合适的工具。当这台仪器设置成 DSO 时，用户可以用它来进行自动参数，测量， 存贮采集的波形进而制作硬考贝；而同时，当需要地时候还能具有模拟示波器的无限分辨率以及 熟悉而可信的波形显示，并且使用组合示波器时，不管信号重复速率的高低，都可获得最亮的显 示，换句话说，组合示波器使用得模拟示波器和 DSO 两者的精华兼备于一身。 示波器基础（四）——附件和软件 Edit: Resource 4.1 探头是怎样工作的 示波器探头不仅仅是把测试信号判定以示波器输入端的一段导线，而且是测量系统的重要 组成部分。探头有很多种类型号各有其没的特性，以适应各种不同的专门工作的击破要，其中一 类称为有源探头，探头内包含有源电子元件可以提供放大能力，不含有源元件的探头称为无源探 头，其中只包含无源元件如电阻和电容。这种探头通常对输入信号进行衰减。 我们将首先集中讨论通用无源探头，说明共主要技术指标以及探头对被测电路和被测信号的 影响，接着简单介绍几种专用探头及其附近。 屏蔽 探头的一个重要任务是确保只有希望观测的信号才在示波器上出现，如果我们仅仅使用一 面导线来代替探头，那到它的作用就好象是一根天线，可以从无线电台、荧光灯，电机、50 或 60Hz 的电源的交流声甚至当地业余无线电爱好者那里接收到很多不希望的干扰信号，其些这类 噪声甚至还能抽向注入到被测电路中去所以我们首先需要的是屏蔽的电缆，示波器探头的屏蔽电 缆通过们于探头尖端的接地线和被测电路连接，从而保证了很好的屏蔽。 探头带宽 和示波器一起，探头也具有其允许的有限带宽。如果我们使用一台 100MHz 的示波器和一 个 100MHz 的探头，那么它们组合起来的响应就小于 100MHz，探头的电容和示波器的输入电 容相加，这就减小了系统的带宽，加大了显示的上升时间 tr 见第一章 1.3 节上升时间。 使用 1.3 节的公式 tr(ns)=350/BW(MHz) 如果示波器和探头各自均为 100MHz 带宽，其上升时间均为 tr=3.5ns 。则有效系统上升 时间就由下式给出： trsystem=sqr(t2rscope+t2rprobe) =sqr(3.52+3.52)ns =sqr(24.5)2ns =4.95ns 根据 4.95ns 的系统上升时间求得，系统带宽为 350/4.95MHz=70.7MHz。 Fluke 公司给所有示波器配备的探头都能使示波器保证在探头尖端获得规定的示波器带宽，从上 述的计算可以看出，视觉要求探头本射的带宽要比示波器的带宽宽得多。 负载效应 当我们进行测量时，我们常常以为测得的电压和电路中未连入示波器时是完全一样的。 实际上，每个探头都有其输入阻抗，输入阻抗包含了电阻、电容和电感分量。由于探头引 入的额外负载，所以连入探头后就会影响被测电路我以当我们分析测量结果时必须考虑探头的特 性以及测试电路的阻抗。 有些探头里没有串联的电阻，这类探头主要就由一段电缆和一个测试头构成，因此，在其 工作频率范围或有用带宽之内，探头对信号没有衰减作用。这类探头称为 1：1 或 X1 探头。由 于这类探头在测试点处将其自身的电容（包括电缆的电容）与示波器的输入阻抗连在了一起，所 以这种探头具有负载效应。见图 42。 图 42 探头的等效电路 当信号频率啬时，探头的容性负载效应京戏得更加显著。由于电缆的类型和长度的不同以 及探头本身构造等原因，1：1 探头的输入电容通常可以从大约 35pF 到 100pF 以上，这等于给 被测电路施加了一个低阻抗菌素负载，具有 47pF 输入电容 1：1 探头在 20MHz 之下的电抗仅 为 169W，这就使得这个探头在此频率无法使用。 衰减式探头减小了负载效应 我们可以在探头中增加一个和示波器输入阻抗相串联的阻抗，用这种办法就可以减小探头 的负载效应。然而，这就意味着输入电压不能完全加到示波器的输入端，因为我们现在已经引入 了一个分压器。 图 43 给出了一处简化的探头等效电路，Rp 和 Rs 构成了一个 10：1 的分压器，Rs 为示 波器的输入阻抗。调节补偿电容 C 补偿使得探头和示波器械相匹配，视觉保证了在探头的尖端 获得正确的频率响应曲线，宋一来就使得这种探头的频率响应比 1：1 探头频率响应要宽得多。 图 43 10：1 探头电路图 示波器的标准输入电阻为 1MΩ。这就要求在探头中串联 9MΩ 的电阻，使得在低频时探头 尖端的输入阻抗为 10MΩ。 探头补偿 一个实际的 10：1 探头具有几个可调的电容和电阻以便在很宽的频率范围内获得正确的频 率响应，这些可调元件的大多数都是在制造探头时由工厂调好的。只有一个微调电容留给用户去 调节。这个电容称为低频补偿电容，应当通过调节这个电容使得探头和与相配用的示波器匹配， 使用示波器前面板上的信号输出可以很容易地进行这项调节工作，示波器的这个输出端标有"探 头调节"、"校准器""CAL"或者"探头校准"等标志，并能送出一个方波输出电压。方波中包含很多 频率分量。当所有这些分量都以正确的幅度送至示波器时，就能在示流器屏幕上再现方波信号。 图 44 示出探头欠补偿，正确补偿和过补偿的影响。 图 44 在 2kHz 方波和 1MHz 正弦波之下观察不同探头补偿情况的影响。 可以看出，在较高的的频率下探头过补偿和欠补偿和欠被偿情况下 1MHz 正弦波的幅度是 很不准确的。 所以在使用的衰减探头之前一定不要忘记检查探头的补偿情况。由于一台示波器的不同输 入通道的输入电容可能有小的差异，所以您应当按照示波器上要使用的通道来进行探头补偿调整 工作。 最大输入电压 多数通用 10：1 探头的构造使这些探头适合于最大输入电压为峰值 400V 或 500V 的情况 下使用，所以这些探头可以用于信号电平高达数百伏的广泛的应用场合，对于需要测量更高电压 的场面合，我们推荐使用电压额定值更高的 100：1 探头。 探头读出 现代示波器探头都装有编码系统，使得示波器能够识别与它相连年的探头类型。从而使示 波器能够高速垂直偏转指示值及所有幅度测量结果以避免发生泥淆。而如果使用不带这种识别系 统的探头，则用户就不得不自己为所有波形显示和测量结果重新定樯以便反映出探头的衰减量。 接地引线电感 图 45 说明探头的接地引线电感如何与探头及示波器的输入电容形成串联谐振电路。而探头 的输入电阻则在谐振电路中引入阻尼。 图 45 带有接地引线电感的探头等效电路 像其它谐振电路一亲，如果在探头上加入阶跃电压则此谐振电路也会发生振铃现象，过大 的接地引线电感还会使示波器显示的上升时间变差，图 46 显示出使用不同长度的接地引线时， 连至示波器的快速上升沿脉冲的显示波形。 图 46 接地引线对脉冲响应的影响 从图中我们可以清楚的看到接地引线电感对测量结果的影响，所以一定要使探头的接地引 线尽可能的短，特别是在测高频和快速上升沿的信号时尤应注意。 安全接地 为保证电气上的安全，多数示波器都通过电源线与安全地线相连。被测信号有可能和地线 具有相同的参考电位，但并非必然如此，因此在连接探头的地线时，一定要注意不要因此而把被 测系统的某一部分短路。另一方面，既使被测系统和示波器的地线具有相同的参考电位，这也并 不意味着可以用安全地线来作信号返回通路，这是由于安全地线连接走线很长，具有很大的引线 电感，因此不适合作信号返回通路。这时一定要用探头的接地引线来作为信号的参考地线。 4.2 探头类型 我们已经研究了 10：1 和 1：1 两种探头，此外还有多种其它类型的通用探头。 可切换式探头 这种探头将 10：1 探头和 1：1 探头容为一体，使用起来非常方便，在一般情况下最好使 用 10：1 档，因为在这一档探头对被测电路的负载效应小，而且频带宽。而 1：1 档则可在测量 低频低电平信号时使用。 衰减器探头 另一种常用的衰减器探头为 100：1 探头，其输入电容较低，典型值为 2.5pF，输入电阻 为 20MW，探头的额定电压值很高，典型值为 4KV。因此这种探头适合于在测量高压变换器等 电压很高的场合使用。 FET 探头 这是一种可在高频下使用的有源探头，其使用频率可达 650MHz。其输入电容可低达 1.4pF，因此特别适合于在具有很高源阻抗的电路中测量快速瞬变，或者其它要求探头负载效应 最小的场合。由于采用有源设计方案，所以 FET 探头也可用于 1：1 的情况，仍具有极低的输入 电容。 电流探头 顾名思义，使用这种探头时示波器上显示的是导体中的电流而不是其上的电压。在这种探 头的头上装有一个电流感应变压器，使用时只要把探头卡到电缆导线上而无需切断电路，探头获 得的信号首先变换成电压，再经过比例变换后送到示波器的端，这时示波器显示的单位为 A/格 或 mA/格。探头的频率范围可达 70MHz 以上。 使用电流探头以后，具有数学处理能力的示波器就可以通过将电压波形和电流波形相乘来 进行功率的测量，详细情况见 2.3 节。 隔离放大器 隔离放大器虽然不是一般意义下的探头，但我们可以把它看成是一种用来把示波器测量点 和地电位隔离开来的特殊类?quot;探头"。这种"探头"之所以必要是因为，除非使用电源隔离变 压器或者电池来为示波器供电，不然的话，示波器的输入参考地线总是在地电位，采用隔离放大 器还使我们能够测量叠加于很大的共模电压之上的小信号（见图 47）。隔离放大器的输入单元 整个由塑料构成。并由电池供电，以保证安全。隔离放大器大都应用在电力和控制系统等领域。 图 47 具有共模电压的电路 带有命令开关的探头 在探头方面的一项最新改进是针对使用探头进行大量测试工作的用户。在 PM3094 和 PM3394A 系列的示波器中，Fluke 公司采用了一项称为探头命令开关的新技术，为此在探头体 上装了一个小开关，使用空虚开关可以启动预选的功能，如启动自动设置，或者从设置存储器中 选择另一组设置参数，在组合示波器中命令开送还可以用来启动"接触、保持和测量"功能，即进 行一次采集，将波形冻结并根据存贮的波形进行多咱参数的测量。 4.3 其它附件 示波器还可配备多种附件，其中有些附件是为了使示波器适合于在某种测量环境下使用， 例如：接口，上架机件及软件包，而另一些附件则有助于方便、有条有理的携带示波器及探头或 者有助于专门的测量工作。 视频行选择器 这个附近件对于视频工程师的工作是极理想的工具。它能生成行、场及帧同步脉冲用以触 发示波器，使得视频工程师可以对某一视频行的各部分进行研究。通过开关可以观察行的另码， 当该行到来时示波器就触发。 某些型号的示波器，如 PM3394A 具有内置式的视频行选择器。这时，此功能的控制机构 则为示波器控制机构的一部分。 终端负载 当测量低阻抗系统时，示波器必须配以正确的终端负载以避免信号失真。某些示波器的输 入端可以由开关切换成 50Ω 的输入阻抗。对于没有这种功能的示波器则可使用这种终端负载附 件来和示波器的输入端配合使用，终端负载的衰减系数有 1：1、10：1 及 100：1 多咱。此外 还有 75Ω 规格的终端负载可供其它视频系统使用。 接口 在示波器最常见的接口是 RS-232 接口和 GPIB 接口（详见 2.4 节），使用这些接口可以 将数据传给示波器或者从示波器取出，虽然通过接口传送波形可能只限于数字存储示波器，但是 模拟示波器也可配备接口以便对示波器的设置进行远程控制。 电池和逆变器 这些附件使台式示波器可以在没有市电的场合，如车辆或收音机中使用，还能使示波器能 进行对地浮置的测量。这也意味着，当被测系统处于地电位时，使用这类附件可以避免地回路。 其它配件 携带箱可在运输时保护示波器，这对于经常外出施行的用户非常有价值。 附件盒可以和示波器配套，保存探头及其它小的附件。由于探头应当按照它所配用的示波 器来调整，所以给示波器配以附件盒是非常有用的。 保护罩可以保护示波器的前面板不致损伤和弄脏。 示波器可以使用户很方便的在实验室的不同地点经常流动使用示波器，并且常常还要以有 来存放附件及硬考设备。有些示波器还可以再配备附加的存储器盒，晕样当示波器开机后就可以 恢复关机关原来的设置状态。 4.4 软件 可供用户使用的软件包有很多种，其中有些用来进行简单的波形传送及在计算机中存贮波 形；而另一些软件则有来进行复杂的数据分析。下面介绍若干专门为测度仪器设计的软件包的实 例。 图 48 视频行选择器和选择的视频行信号 通讯软件 有多种软件包可以实现将波形从示波器传送到 PC 机，并将其存贮在 PC 机的硬盘上。示波 器捕获的波形可以和示波器的设置一起在 PC 机的屏幕上显示出来，而且还能将这些信息存贮在 硬盘上便随时调用。 有些软件包还能将波形由计算机送回给示波器作为参考波形使用。如果对传送时间的要求 不苛刻，通常使用 RS-232 接口来实现示波器与计算机之间的连接。这是因为每个 PC 机上都有 RS-232 接口，使用非常方便。某些软件包还能以 HP-GL 文件的形式传送和存贮波形。使用市 场上已有的文字处理软件可以把这种文件作为图形直接编入文件中去，本书中大量的屏幕波形图 就是这样生成的。 另一些软件包，如 Any Wave 给示波器增添了宝贵的自动测试功能。例如，可以使用这类 程序生成测试的范围（样板），定义出上限和下限的波形曲线，然后就可以用这个测试样板作为 参考标准进行立即的、自动的通过/不通过测试。测量的波形可以通过 RS-232 或者 IEEE 通讯 接口传送给 PC 机，并将不通过的波形自动存贮下来。 对于装有样板测试功能的示波器来说 Any Wave 软件也使得测试包络的生成更加容易，使 用 PC 机的键盘和鼠标就可以对包络进行编辑。如果愿意，也可以从一个采集到的波形出发来生 成包络。 除此之外，Any Wave 软件还可用来为任意波形发生器生成波形描述数据。 存贮的波形还可以用统计图表软件包或者专门的分析软件来进行处理。 编程环境软件 这些软件包能为使用标准编程语言，如"Quick-Basic"或"C"等编写测试程序提供一种编程 环境。在这种编程环境下，应用程序的开发工作变得更加容易、更加有效、更加迅速。使用诸如 TestTeam 和 Lab Windows 等软件包，则可以提供各种仪器的驱动程序，使编程工作进一步 简化，这些软件包不仅能支持示波器的应用，而且有助于在使用诸如多表表、信号发生器、程控 电源、频率计和信号并关等多种仪器时编写测试程序。晕样编写的程序可以在 TestTeam 的环 境下执行，也可以转换成独立的可执行文件来控制测试系统。 示波器基础（五）——若干最新发展情况 Edit: Resource 第五章 若干最新发展情况 在这一章中我们将考查在最新一代示波器上的若干新的发展情况。 万用示波表（Scope Meter） 万用示波表是示波器技术的一个突破。 通过大规模集成电路技术和使用液晶显示器，万用法波表是地波器技术的一个突破。 通过大规模集成电路技术和使用液晶显示器，万用示波表把一个全功能的 2 通道 50MHz DSO 和一个数字多用表组合在一个重量只有 1.8kg 的手持式体内。 万表示波表是适合真正需要便携式示波器的维修工程师使用的仪器。也是适合浮动测量的全 功能示波器。其设计使得示波器可以用在对地电平高达 600V 有效值的情况，万用示波表甚至可 以通过光电隔离的 RS-232 接口驱动打印机来制作测量结果的硬考贝，本仪器功耗很低，机内 电池充电一次就可以供示波表工作数小时，足以满足一般一天的工作中全部测量工作的需要。 图 49 示波表 自动设置 自动设置功能可以设置示波器的灵敏度、时基及触发条件以便获得最佳的信号观察效果。 最完善的、多功能的示波器可以扫描所有的输入通道，开启所有连有信号的通道并按照各输入通 道上最低频率的信号设置触发和时基。在有些示波器上只是部分的配备了这种功能，即示波器只 对通道上信号的情况来进行设置。 在和本书用作实例子的示波器类似的多数现代示波器中，自动设置功能都是可程控的。因此 用户可以根据自己的应用情况来安排示波器的设置功能。 自动量程示波器 在任何示波器上操作得最频繁的控制机构都是控制时基和衰减器的机构。为了使得示波器 更加容易使用，在示波器技术上的一个最新进展就是采用了全自动量程衰减器和自动时基。这些 新的功能特性使得技术人员无须接触示波器的控制面板就能检查各种不同幅度和频率的信号、对 被测系统进行故障检测。现在人们就可以无须调整示波器，就象使用自动量程数字多用表一样容 易。 以度为单位的时基 现在电子电路已经广泛的应用在电子工业之外的各个应用领域。因此测量其它类型信号的 需求正在不断增长，今天的汽车及其发动机现在都装备了了电子电路。例如，烯油喷射器由发动 机管理系统来控制，刹车由电子电路来控制等。 Fluke 公司已经设计了一种对于测量汽车发动机及其系统极为理想的示波器。其时基不是以 秒而是以度为单位来设置以方便对发动机功能的分析。示波器内置的自动可变时基使得用户不论 在发动机速度多高的情况下都可获得工作循环中选定部分的正确波形显示。测量结果可安 2 冲程 或 4 冲程发动机进行比例定标，并给出 RPM（转数/分）的读出结果，在测量压力传感器的工作 中，测量读数还可按压力单位定标。 自动校准和不开盖标准 自动标准通过对环境温度和仪器温度的变化进行补偿来实现最佳的示波器性能，校准数据 存贮在非易失性存储器，使用这些校准数据以及示波器的内部电压和时间标准，以保证示波器总 是在其最佳性能下工作。 在象 PM3094 和 PM3394A 这样的多数现代示波器中都采用了很先进的技术，完全去掉了 普通的微调电位器和微调电容，所有的内部调节工作都是通过存贮的校准数据，可调增益放大器、 可变电流源、比较器及数模变换器来实现的。不用打开示波器的机箱（但要通过两层安全确认措 施）就可以改变存贮的校准数据。这就意味着校准工作可以在计算机的控制下用很低的费用来完 成，而且示波器是在其真正的内部工作温度下标准的。 另一个节省大量的因素是：这种示波器可以每两年校准一次，而达到老式的示波器每年校准 一次时同样的准确度技术指标。 可变时基（消除 1-2-5 序列的进基设置的限制） 很多信号的频率都是变化的。如果使用示波器的时基设置信息来计算信号频率，那么固定 的 1-2-5 序列的时基设置对于进行频率计算是比较方便的，但是随着自动参数测量越来越成为 标准的测量方式，特别是在 DSO 中尤为如此，累此对于固定时基设置的需求实际上已经消失了。 在很多应用场合中，技术人员所需要的就是在示流器上给出有限信信号周期，如 2 或 3 个 周期的信号波形显示，这可以通过使用可变时其来达到。可变时基能使用户将示波器设置成不管 信号的频率高低都能显示出准确的所需要周期数的信号波形，如果可变时基还带有自动调节功 能，那么当信号频率变化时示波器就能跟踪信号频率的变化而一直给出固定周期数的波形显示。 可变时基功能广泛应用于滤波器测试、音频测试、可变速度驱动及锁相环路的测试等工作中。 与用户的操作界面 经典的示波器是模拟示波器，多年以来，示波器的样子看起来都是差不多的。在面板上从 左到右排放着 CRT 及其控制旋钮，挨着这些的是供两上输入通道使用的两组控制旋钮再向右则 是一个大的旋转控制钮用来设置时基，这种控制布局在很大程度上取决于示波器的构造，因为在 这类示波器中，所有的控制旋钮都是直接作用到相关的电路的。 随着被测信号频率的提高以及对示波器进行远程控制的需求，示波器的内部电路也发生了 变化。即通过示波器内置的微处理器来控制电子开关从而实现对示波器的控制，并且这个微处理 器还负责自动地对示波器进行设置、读取面板控制机构的位置并进行相应的设置，放置光标及计 算光标的读出数值以及在远程控制工作时管理经过 IEEE-488 或 RS-232 总线的通讯等。 由于现在示波器的实际设置是通过微处理器来完成的，所以制造厂家在设计前面板方面就有 了更大的自由度。这样一来，为不同应用领域所设计的示波器变可以具有不同布局的控制面板。 对于在自动测试工作中使用的示波器来说，主要是通过仪器控制器或 PC 机来进行控制的。 这类示波器的前面板通常只设有很少的控制机构。对这些示波器的控制需要使用大量的软件菜 单，并根据按键的顺序来给各个控制机构分配不同的功能。 主要由手动操作使用的示波器，其前面板上则装有很多按键，以便于更好的用于动选择各种 基本功能。这种用户界面方式的好处是，为了改变示波器的基本设置只需要有限的几个控制操作。 例如示波器的垂直偏转或者进基速度等功能都是可以直接改变的。 对于在工作中要测量各种不同的信号的技术人员来说，上述第二种控制面板布局方案特别适 用。例如在电子工作台、在研制工发、在样机调试以及在维修等工作场合，技术人员都会对此感 到满意。 示波器基础（六）——测量和练习 Edit: Resource 6.1 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）。 图 50 分别在 20MHz 和 200MHz 示波器上显示的 10MHz 方波的波形 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。 图 51 最常见的信号类型 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）。 图 52 正弦波及其频率和幅度的表示 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。 图 53 正宗常的和放大的波形显示 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 TB MODE 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 SINGLE RESET 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 TRIGGER MTB 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 TB MODE 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 TRIGGER MTB 键，在 PM3394A 示波器上按 TRIGGER 键，并 选择 Level-ppOFF（峰峰值电平触发关）。 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 SINGLE RESET 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： CH1 0.2V/格、AC 耦合、主时基 20μs/格、CH1 触发、正斜率、Levelp-p ON；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。 图 54a MTB 和 DTB 扫描波形。DTB 处于 STARTS 模式 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 LEVEL DTB 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。 图 54b MTB 和 DTB 扫描波形。DTB 处于触发模式 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 STARTS 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“Level p-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。 图 57 脉冲的各种参数 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。 图 58 使用 DTB 进行上升时间的测量 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） 图 59 脉冲宽度的测量 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；也可以是百分数。百分数的表示方法对于脉冲参数测量特别有用。因为我们已经看到，对于 象占空比这样的参数测量是用周期的百分数来表示的。 光标系统有两种。第一种光标系统用于模拟示波器和某些数字示波器，称为屏幕映射的光示。 这种光标和输入信号没有联系。这就是说操作人员必须手工地把光标和波形对齐，以便进行测量 （见图 60）。由于操作人员必须依靠视觉来把波形和光标对齐，这种手工对齐的操作就造成了 产生误差的机会。示波器的任何小的显示不准确度都会在不同程度上影响波形和光标的显示，从 而引起测量的误差。 图 60 屏幕映射光标 第二种类型的光标是基于在示波器中存贮的数字化的波形数据。这种光标称为基于存储器 的光标。这种光标没有可能由偏转系统引入误差。这种光标跟踪屏幕上的波形。由于所有的波形 数据都存贮在示波器中，所以其它的参数测量，如上升时间、频率、周期等都可以根据波形的指 定部分计算出来。这种类型的光标可以在其它类型的示波器，如 PM3365A 上找到（见图 61）。 图 61 PM3365A 示波器上的基于存储器的光标 在有些示波器，如 PM3394A 中，可以将光标分配给不同的扫迹，因而能够进行诸如传播 延时，开关时间等的测量。 2）注：对于在更先进的示波器，如 PM3094 上的某些测量来说，屏幕映射光标和信号有联系。 这类示波器使用峰峰值触发电路来测量输入电压，并且由此能获得其它测量参数。 幅度限定的光标 第三种光标应用得不太广泛，称为幅度限定的光标。这种光标对于确定特殊应用场合的时 间测量时特别有用。所谓特殊应用场合的时间测量就是和“标准”参数，如上升时间等不同的别的 参数测量。这种情况在元件测试（如二极管反向恢复时间测量）、控制回路建立时间测量、PLL 锁定时间测量等工作中都会遇到。 这种光标的名称来源是：时间的测量是通过把光标放在信号上的某一确定位置来进行的。例 如：可以把光标放在信号达到其最终幅度的 20%的位置上，而不必管信号的实际幅度是多少。 而另一个光标可以放在信号达到其最终幅度的 80%的位置上。从光标的读出数值可以得到出两 个光标之间的时间。这个时间就是信号从其最终幅度的 20%到 80%所需要的时间。 使用幅度限定的光标时，时间测量和实际信号的幅度无关。测量具有很大的灵活性。可以把 光标放在相对于规定参考值的任何水平位置上。参考电平可以从一个与实际幅度有关的数值度 （例如：最小值、最大值、某一绝对电平、地电平或者统计高或低电平）中选择。光标不一定放 在信号第一次跨过规定电平的时刻；第二次、第三次或最后一次等其它跨过规定电平的时刻都可 用来放置光标。 为了说明这种光标系统的能力，让我们来看一看下面的例子（见取自 PM3394A 示波器的图 62）。 图 62 用于测量建立时间的幅度限定光标 我们在这个图中看到的是，当输入信号发生突然变化（阶跃电压）时，一个控制系统的输 出电压。对于这样一个系统来说，建立时间定义为回路达到并重新保持在正确的输出电压的 5% 范围内所需要的时间。 对于多数示波器的情况来说，建立时间的测量必须由操作人员使用光标在手动控制下来完 成。而使用幅度限定的光标，建立时间的测量则可以自动地进行。 建立时间的测量从输入信号发生阶跃的时刻开始。如果输入信号不易测量，也可以输出信号 开始增加的时刻为测量的起点。 将示波器设置成能够找到波形上接近其上升沿起点的时刻，比如说波形达到其幅度的 20% 的电平的时刻。对于实际测量工作来说，用这种方法能够相当好的确定输入电压阶跃的起点。对 于第一个光标来说，波形的初始稳定电平作为 0%，波形的最终值作为 100%。第一个光标就 放在参考电平的 20%的地方，其位置处在 0%和 100%之间。 第二个光标的参考电平设置方法与第一个光标有所不同。将波形的最终值作为 0%，而将波 形的初始值定为 100%！这样第二个光标就放在信号波形的 5%电平点的地方。这里所说的波 形最终值就是波形上的所有振铃消失以后所达到的电平值。这个值按“统计高”电平来选择。 为了找到信号波形保持在其最终电压的 5%之内的开始时刻，我们把光标放在信号波形最后 一次跨过 5%幅度电平的时刻。 在图 62 中表示出了测得的显示波形以及光标和参考电压线。从图中顶部的一行文字中可以 读出建立时间为 1.49us。 这种测量方法能自动地给出回路的建立时间，而不必过问输入阶跃的大小。这对于需要重复 进行的测量。例如生产测试是非常有用的。这时，示波器能够自动进行测试而无需操作人员干预。 各种光标测量 使用光标测量周期和频率 将探头连至 CH1，并连至探头调节输出。按 AUTOSET 以获得波形显示。 启动光标，选择时间模式或垂直光标以便进行时间测量。 将一个光标放在某一信号周波的起始点。而把另一个光标放在同一信号周期的结束点。现在 光标应能测出信号的周期。如将读出数值选为△T（光标之间的时间），则可得出信号的周期。 也可将读出数值选为 1/△T，这样就得到信号的频率。 用光标测量占空比 采用和前一个练习相同的设置条件，测出校准信号的占空比是很容易的。 改变设置条件，使得读出数值为按比值给出的△T，放置两个光标，使得它们能严格地包括 一个完整的信号周期。按△T=100%，这样我们就告诉示波器两个光标之间的时间宽度为一个 信号周期的 100%。 保持第一个光标在该周波的起始点不变，而将第二个光标移动到该周波中间的沿上（见图 63）。这样光标的读出数值就表示了脉冲被光标包括的部分的占空比，其数值约为 50%。 图 63 使用光标测量占空比 使用光标测量相位 将函数发生器的输出连至 CH1，将其 TTL 输出（在函数发生器的后面板上）连至 CH2。将 函数发生器的频率设置为其可能的最高数值，并选择三角波输出信号。 启动示波器的 SUTOSET 功能。检查并确认使用 CH1 作为触发源。调节垂直偏转和扫迹的 垂直位置以便能够清楚的看到两个分开的扫迹。改变时基设置，以便能在屏幕上看到稍多于一个 周波的信号波形，如有必要可使用可变时基模式。调节触发电平，以便能够显示出 CH1 波形上 升沿的足够的信息（见图 64）。 图 64 使用光示测量相位 将每个波形对称的放在某一条水平标尺线的两边。 启动光标，并选择垂直光标以便进行时间测量。选择相位读出。 现在，从波形的第一个上升沿开始放置两个光标以标志出 CH1 波形的一个周期。利用波形 和该水平标尺线的交点作为参考标志来找出沿的中点。 按：“△T=360°”按键，告诉示波器两个光标之间的时间为波形的一个完整周期。在 PM3394A 示波器上，此周期长度可由触发源的频率自动获得。 保持第一个光标的位置不变，而把第二个光标放到 CH2 波形上升沿的中心。在 PM3394A 示波器上，可以把代表波形与垂直光标线交点的小十字符号放在任意一个波形上。这可以用光标 菜单中的“选择光标扫迹”来进行。 现在就可以读出以度为单位的两个波形间相位差。 当使用 PM3394A 示波器时，应当注意此示波器能自动测出所选触发源的信号频率。而从这 个频度又能自动得出相位测量所需的 360 度的参考标准。当信号频率改变时，PM3394A 示波 器能自动的调节光标的参考标准。而使用其它示波器，包括 PM3094 时，必须用手工控制重新 选择新的信号周期作为参考标准。 用光标测量信号的幅度 将输入信号加给示波器并按 AUTOSET。 打开光标并选择水平或幅度测量光标。 将第一个光标放到信号最低值的地方，而将另一个光标放在信号最高值的地方。 这样光标的读数值就给出这两个电压的差值，这就是波形的峰-峰值幅度。 在有些示波器，如本书中我们用作示例的 PM3094 示波器上，可以将读数值改变为分别表 示出每一个光标的绝对电平。这对于叠加在 DC 分量上的信号或者测量逻辑信号等情况特别有 用。 测量 AM 信号 3 的调制深度 上一个例子中的幅度测量看起来太简单了，可能没有充分的反映出光标的测量能力。现在 让我们来看一个比较复杂的例子。我们将用光标来找出两个幅度的比值。 对于幅度调制信号来说，调制深度定义为调制信号的幅度和载波信号幅度之比。在文献中通 常用 m 来表示。为测量调制深度，设置函数发生器使之输出幅度调制信号。如果可能的话，将 调制深度设为一个已知值。将调制后的信号加至 CH1，而将调制信号（有时在函数发生器的后 面板上）加至 CH2。 按 AUTOSET。在 Fluke 公司的示波器，AUTOSET 功能将最低频率的信号选为触发源。关 掉 CH2。在使用 PM3394A 示波器时请选择模拟模式，或者当使用数字存储模式时，请选择“峰 值检测”模式。 改变时基和垂直灵敏度以便获得类似于图 65 所示的波形显示。 3 本测量中需要使用具有幅度调制能力的信号源，例如 PM5134、PM5138A 或 PM5139。 打开光标，选择水平光标，并将读出数值选△V 比。 不论调制深度有多大，可以将光标放在波形上的 a 和 c 点电平上来测量出载波的幅度（见图 65）。 图 65 AM 信号 按△V=100%按键，以便将此载波幅度定为 100%。 下一步，将上面的光标向上移动 b 电平处（见图 65）。 这时，光标的读出数值就以百分数的形式给出调制深度。 此测量结果和函数发生器上设置的调制深度相比如何？ 6.5 数字存储示波器练习 到现在为止我们已经做出的各种测量练习既可以用模拟示波器来做，也可以用数字存储示 波器来说。在这一节中我们对若干 DSO 的特别功能进行练习，例次单次捕和自动测量等。 DSO 本身具有存贮波形的能力。这使我们能够捕捉那些人们甚至以为得不到的信号。 捕捉单次信号 将一根 BNC 电缆连到 PM3394A 示波器的 CH1 输入端，而电缆的另一端不连任何东西。 检查并确认示波器处于数字存储模式。 按 AUTOSET 并注意这时示波器没有发现任何输入信号。因此示波器选择其默认的设置参 数：50mv/格、1ms/格，通道 1 开通、按通道 1 正沿触发、当没有信号时使用 AUTO 触发。 选择 2 格的预触发观察。改选 10mv/格。从触发菜单中选择 DC 触发，并关掉 Level pp 触发。从 TB 模式菜单中选择 TRIG‘D’模式，从而关闭自动触发。将触发电平指示器“T-”设在基 线以上大约半格的位置。 拿起 BNC 电缆的开路一端，并将其在桌子上敲击。 注意，这时电缆就产生了一个小的电信号，并且此信号就为示波器采集（见图 66） 图 66 由一根开路电缆在桌子上敲击所产生的电信号 存贮波形 这样我们就捕捉到了一个真正的单次事件，让我们把这个波形存入后备存储器供以后使用。 选择 SAVE 菜单。这样就能把采集的波形存入由 TRACK 放置控制机构所选择的任何一个存 储器中。 现在将该波形存入 3 号存储器（m3）。这样，在 m3 前面的园圈就将变为实心的，表明 m3 中已经存有波形信息。如果存贮波形前园圈已经是实心的，则存贮时示波器将首先询问是否 可以覆盖此存储器的内容。 自动测量 很多现代的数字存储示波器，如 Fluke 公司的 PM3394A 都能完全自动的进行测量而无需 使用光标。可以测量的项目非常广泛，包括了所有一般日常需要进行的测量项目。示波器使用存 贮的波形数据并按照 IEEE4 规定的标准算法来得出所选择项目的测量结果。 作为一个例子，我们来测量刚刚采集到的单次信号的幅度。 打开 MEASURE 菜单。选择“MEASurement 1”。示波器就按其默认规定进行峰峰值幅度 测量，这正好符合我们的需求。打开这个测量功能，测量结果就立即显示在屏幕上。 注意，示波器可以进行很多种这样的自动测量，其菜单中包括：与幅度有关的测量（伏）、 与时间有关的测量（包括周期和频率）及延时测量。 4 IEEE 为电气及电子工程师学会 光标限制的测量 考虑图 67 中的信号。如果我们想测量波形振铃的频率，但是示波器测出的却是方波信号的 频率。 图 67 带有振铃的方波 为了自动的测量振铃的频率，必须改变示波器的设置，使得示波器只采集振铃信号。当然， 我们可以使用 DTB，使得示波器只采集信号的这一特定部分，但是这样一来就失去了总的信号 的全貌。 某些示波器具有在波形的某一特定部分进行自动测量的能力。进行测量的这一波形特定部分 则由光标来规定。用这种方法，既保持了总的信号的全貌，又控制了波形上进行测量的区域，从 而能够对信号的规定的细节，例如振铃的频率幅度或者脉冲群中的脉冲频率等进行测量。 光标限制测量的练习 选择 RECALL 菜单，将在存储器 3 中存贮的波形调回到示波器屏幕上来，在菜单中进行滚 动直至 m3 变为加亮状态。打开这个波形的显示。按通道 1 的标有“ON”的按键，现在就可以把 该输入通道的显示关掉。由于现在在屏幕上有另一个波形，所以采集存储器将被关掉。 打开测量菜单，选择测量 1 以计算出信号的峰峰值幅度。选择“光标限制”子菜单，并打开光 标限制。这时光标将自动出现。 将两个光标放在信号的某一细节部分，并注意幅度指示值。 移动两个光标使它们隔离选择信号的另一部分。观察波形的不同部分，示波器显示的峰峰值 读数也不相同。 自动量程练习 将函数发生器的输出连至 PM3394A 示波器的任意一个输入端。将函数发生器设置为输出 频率约为 1KHz 峰峰值 1V 的正弦波。按 AUTOSET。 检查并确认示波器牌数字存储模式 按时基部分的紫色的 AUTORANGE 按键及连接信号的输入通道的紫色 AUTORANGE 按 键。 现在改变化信号发生器的幅度和频率设置，并注意示波器不断的进行自动调节以适应信号的 变化。 您可以看到自动量程组合示波器能够跟踪信号的任何变化。这就使得这种示波器对要观察多 种不同信号的场合，例如修理工作或者样机调试等场合来说是一台完美的工具。 如果您的手头有某一个电子系统，您可以浓度探测该系统的各测试点。您将发现，这台示波 器可以显示出所有不同幅度和不同频率的信号，并且在各种情况下都能以正确的扫描速度和正确 的幅度给出稳定的显示波形。 为了比较效果，您可以不用自动量程功能，再测量同样这些测试点。您可以看出使用自动量 程能您不用动手调节示波器就能轻松的完成测量工作。