示波器是一種用途十分廣泛的電子測(cè)量?jī)x器。它能把肉眼看不見(jiàn)的電信號(hào)變換成看得見(jiàn)的圖像，便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過(guò)程。在開(kāi)始選擇之初，你心中已大概有一價(jià)格范圍。示波器的價(jià)格取決于多方面因素，包括帶寬、采樣率、通道數(shù)以及存儲(chǔ)深度等。如果你只以?xún)r(jià)格為依據(jù)來(lái)購(gòu)買(mǎi)，最終你有可能買(mǎi)不到你所需要的性能。所以當(dāng)購(gòu)買(mǎi)設(shè)備時(shí)，首先需要確定一些因素，具體如下：
1、確定你需要模擬還是數(shù)字示波器
數(shù)字示波器和模擬示波器各有其優(yōu)缺點(diǎn)。現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展使數(shù)字正確選用示波器的十個(gè)步驟示波器功能更強(qiáng)，響應(yīng)更快而且價(jià)格也逐漸降低。這些優(yōu)勢(shì)使得模擬示波器很難與先進(jìn)的數(shù)字示波器相匹敵。
2、確定你對(duì)帶寬的要求
測(cè)量交流波形的儀器通常都一頻率上限，如果波形的頻率在此之上則測(cè)量精度會(huì)變差。這頻率上限就是儀器的帶寬。通常用儀器響應(yīng)降低3bB處的頻率來(lái)定義，你所需儀器帶寬的數(shù)值取決于被測(cè)信號(hào)的特征以及你希望得到的測(cè)量精度。示波器有兩重類(lèi)型的寬度，即重復(fù)(或模擬)帶寬及實(shí)時(shí)帶寬。很多數(shù)字示波器提供的模擬帶寬比其基本采樣率要高。這一點(diǎn)是可能的，如果一信號(hào)重復(fù)出現(xiàn)，示波器并不一定要在一次完成所有的采集，而可以通過(guò)在每—次觸發(fā)發(fā)生時(shí)獲取波形的一部分，在多次循環(huán)觸發(fā)之后構(gòu)成顯示波形。(這過(guò)程通常很快，以致你不會(huì)注意到它的發(fā)生)，重復(fù)帶寬指標(biāo)獨(dú)立于示波器的采樣速率。事實(shí)上，這一指標(biāo)通常用來(lái)衡量示波器模擬放大器部分的帶寬。實(shí)時(shí)帶寬適用于非重復(fù)或單次信號(hào)。示波器在一次觸發(fā)過(guò)程中完成數(shù)字化，所以實(shí)時(shí)帶寬取決于示波器的采樣率，采樣率與帶寬之間的比值不是固定的。如果示波器有數(shù)字重構(gòu)能力，這比值接近于4：1，如果沒(méi)有重構(gòu)，這比值通常是10：l。
3.確定你所需要的通道數(shù)
一般來(lái)講，你所需要的通道數(shù)取決于被測(cè)對(duì)象。目前以雙通道示波器較為流行。然而對(duì)大多數(shù)工程師來(lái)講，對(duì)于某些應(yīng)用，四通道示波器更為有用。
下面幾點(diǎn)應(yīng)該予以考慮：你需要在同一觸發(fā)事件捕獲多通道信號(hào)嗎?如果是這樣的話(huà)，請(qǐng)選用每個(gè)通道可以同時(shí)采樣或獨(dú)立A/D變換的示波器。如果你觀(guān)測(cè)的信號(hào)是重復(fù)信號(hào)，那么就不一定要求同時(shí)采集了。某些示波器是2+2形式的，也就是說(shuō)，其中兩個(gè)通道是全功能的，而另外兩個(gè)通道是衰減范圍受限制的輔助通道。在這種情況下，兩個(gè)A/D變換器由四個(gè)通道共享。輔助通道在你觀(guān)測(cè)數(shù)字信號(hào)時(shí)可以提供額外的靈活性。對(duì)于雙通道示波器，外觸發(fā)可能很有用處。它可以用一無(wú)需觀(guān)測(cè)的信號(hào)作為外觸發(fā)源，而不占用示波器的輸入通道。如果你要進(jìn)行數(shù)字定時(shí)測(cè)量，要求超過(guò)四個(gè)通道的示波器時(shí)，你不妨考慮使用邏輯分析儀。盡管此時(shí)你放棄了測(cè)量的垂直分辨率，但你獲得了多個(gè)通道以及額外的觸發(fā)及分析能力。
4.確定你所需要的采樣速率
對(duì)于單次信號(hào)測(cè)量，最關(guān)鍵的性能指標(biāo)是采樣速率，即示波器對(duì)于輸入信號(hào)進(jìn)行“快速拍照”的速率。高采樣速率可以產(chǎn)生高實(shí)時(shí)帶寬以及高的實(shí)時(shí)分辨率。大多數(shù)示波器生產(chǎn)廠(chǎng)商采用采樣速率與實(shí)時(shí)帶寬為4：l(如果采用數(shù)字重構(gòu)技術(shù))或10：1(沒(méi)有數(shù)字重構(gòu))的比例來(lái)防止出現(xiàn)假波。某些示波器提供了獨(dú)立控制采樣速率的功能，這樣你可以同時(shí)調(diào)節(jié)采樣速率和屏幕顯示的數(shù)據(jù)量(時(shí)基)，使二者設(shè)置不必互相牽制。這一特征可以使你保持你所希望的時(shí)間分辨率來(lái)觀(guān)測(cè)波形。
5、確定你所需要的存儲(chǔ)深度
你所需要的示波器存儲(chǔ)深度取決于要求的總時(shí)間測(cè)量范圍以及要求的時(shí)間分辨率。如果你想以高分辨率存儲(chǔ)長(zhǎng)時(shí)間段信號(hào)，那么你需要選擇深存儲(chǔ)示波器。這樣，你可以在水平掃描速度低的情況下，采用高采樣速率。由此將大大減少出現(xiàn)假波的機(jī)會(huì)，并且獲得更多的波形細(xì)節(jié)信息。
下列算式可以幫助你計(jì)算你所希望的存儲(chǔ)深度。
6、考察評(píng)估觸發(fā)能力
很多通用示波器用戶(hù)習(xí)慣于采用邊沿觸發(fā)。在某些應(yīng)用場(chǎng)合，如果示波器具有其它觸發(fā)能力，你將會(huì)發(fā)現(xiàn)它對(duì)你的測(cè)量會(huì)很有幫助。先進(jìn)的觸發(fā)功能可以隔離出你所希望觀(guān)測(cè)的事件。在數(shù)字應(yīng)用領(lǐng)域，使示波器觸發(fā)在多通道之間的特定模式對(duì)解決問(wèn)題很有用處。此外，狀態(tài)觸發(fā)可以用來(lái)使模式觸發(fā)與外時(shí)鐘沿同步。毛刺觸發(fā)在正或負(fù)毛刺發(fā)生的時(shí)刻或者一脈沖寬于或窄于設(shè)定的寬度。這些特征對(duì)故障查錯(cuò)尤其重要，觸發(fā)在錯(cuò)誤發(fā)生的時(shí)刻，觀(guān)察前向事件(采用延時(shí)或水平位置旋鈕)來(lái)確定問(wèn)題產(chǎn)生的原因。如果需要更高級(jí)的邏輯觸發(fā)功能，你仍然可以考慮采用邏輯分析儀。電視信號(hào)觸發(fā)可以觸發(fā)在場(chǎng)以及你需要觀(guān)測(cè)的特定行上。在某些示波器上，該特征是選項(xiàng)功能。
7、評(píng)價(jià)毛刺捕捉能力
三個(gè)重要因素影響示波器的毛刺捕捉能力：更新速率：數(shù)字示波器必須首先捕獲數(shù)據(jù)然后進(jìn)行處理，最后進(jìn)行顯示。示波器在一秒鐘內(nèi)可以完成這三個(gè)過(guò)程的次數(shù)稱(chēng)為更新速率。更新速率快的示波器捕捉偶發(fā)毛刺的機(jī)會(huì)比較高。采用多處理器結(jié)構(gòu)的示波器比傳統(tǒng)的單處理器結(jié)構(gòu)示波器具有更快的更新速率，使它更適用于捕捉偶發(fā)事件。多處理器結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生與模擬示波器相近的顯示吞吐能力和響應(yīng)速度。
峰值檢測(cè)能力：大多數(shù)數(shù)字示波器在低掃速時(shí)將丟掉采樣點(diǎn)，從而降低了有效采樣速率。由此引發(fā)了這樣一個(gè)問(wèn)題，在設(shè)定成快速時(shí)基時(shí)很容易觀(guān)察到的窄脈沖在掃速低時(shí)消失了。然而對(duì)于峰值檢測(cè)或毛刺檢測(cè)這一特殊采樣模式，在所有的掃描速度下均維持最大采樣速率，把每一采樣周期獲得的最大和最小值記錄下來(lái)?？梢詸z測(cè)到的最小毛刺只與示波器的采樣速率有關(guān)。
毛刺觸發(fā)：具有毛刺觸發(fā)功能的示波器可使你隔離出難以發(fā)現(xiàn)的毛刺并且觸發(fā)在毛刺發(fā)生時(shí)刻。這一功能可以幫助你發(fā)現(xiàn)電路運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生異常情況的原因。
8、確定你所需要的分析功能
利用自動(dòng)測(cè)量以及示波器內(nèi)置的分析能力，你可以即容易又省時(shí)地完成工作。數(shù)字示波器通常具有模擬示波器不可能擁有的順序測(cè)量功能和分析選件。算術(shù)運(yùn)算功能包括有加、減、乘、除、積分和微分。統(tǒng)計(jì)測(cè)量(最小、最大和平均)可以定量描述測(cè)量的不確定性，這在測(cè)量噪聲特征以及定時(shí)容限時(shí)是很有價(jià)值的。有些數(shù)字示波器還可以提供FFT功能。具有—卜述所有先進(jìn)功能的示波器可能在價(jià)格上要高一些，所以你自己應(yīng)該決定花費(fèi)額外的錢(qián)是否物有所值。你可以還是根據(jù)實(shí)際應(yīng)用來(lái)選擇擁有這些特征的示波器。
9、評(píng)價(jià)存檔能力
大多數(shù)數(shù)字示波器可以通過(guò)GPIB、RS-232或者并行口與PC，打印機(jī)或繪圖儀相連接。但你應(yīng)弄清楚可以提供哪一種接口，可與哪種類(lèi)型打印機(jī)相匹配。從激光和噴墨打印機(jī)輸出的效果比熱打印輸出的質(zhì)量要高得多，這一點(diǎn)你應(yīng)該心中有數(shù)。利用帶有軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器或軟件包的數(shù)字示波器，你可以方便地將波形的圖像和波形數(shù)據(jù)傳送至PC機(jī)。如果你想在一份報(bào)告中包含一幅捕捉到的屏幕圖像或者想要把波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成表格，那么這些特征會(huì)節(jié)省時(shí)間。
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示波器在用測(cè)量信號(hào)時(shí)，可以按以下方法操作。
1、切換開(kāi)關(guān)的位置
將示波器的探頭連接到垂直輸入端( VERT、INPUT)，并將切換開(kāi)關(guān)的位置撥到AC（測(cè)交流信號(hào)波形），如同時(shí)檢測(cè)直流分量，將此開(kāi)關(guān)置于DC（直流）位置。
2、垂直軸靈敏度切換
將垂直軸靈敏度切換鈕撥至衰減的位置（反時(shí)針旋轉(zhuǎn)）。
3、探頭連接與波形調(diào)整
將示波器的探頭接到被測(cè)電路后，一邊觀(guān)察波形圖像，一邊調(diào)整垂直靈敏度，使波形大小適當(dāng)。
4、時(shí)間軸切換
將示波器的時(shí)間軸切換鈕左右旋轉(zhuǎn)，使示波器上顯示出比較清楚的波形，一般2～3個(gè)周期為宜。如果波形不容易同步，可微調(diào)觸發(fā)電平鈕(TRIGLEVEL)，使示波穩(wěn)定為宜。
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示波器是利用電子示波管的特性，將人眼無(wú)法直接觀(guān)測(cè)的交變電信號(hào)轉(zhuǎn)換成圖像，顯示在熒光屏上以便測(cè)量的電子測(cè)量?jī)x器。
它是觀(guān)察數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題、測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果必不可少的重要儀器。
示波器由示波管和電源系統(tǒng)、同步系統(tǒng)、X軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、Y軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、延遲掃描系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源組成。
1．1示波管
陰極射線(xiàn)管(CRT)簡(jiǎn)稱(chēng)示波管，是示波器的核心。它將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三部分密封在一個(gè)真空玻璃殼內(nèi)，構(gòu)成了一個(gè)完整的示波管。
1．熒光屏
現(xiàn)在的示波管屏面通常是矩形平面，內(nèi)表面沉積一層磷光材料構(gòu)成熒光膜。在熒光膜上常又增加一層蒸發(fā)鋁膜。高速電子穿過(guò)鋁膜，撞擊熒光粉而發(fā)光形成亮點(diǎn)。
鋁膜具有內(nèi)反射作用，有利于提高亮點(diǎn)的輝度。鋁膜還有散熱等其他作用。
當(dāng)電子停止轟擊后，亮點(diǎn)不能立即消失而要保留一段時(shí)間。亮點(diǎn)輝度下降到原始值的10％所經(jīng)過(guò)的時(shí)間叫做“余輝時(shí)間”。
余輝時(shí)間短于10μs為極短余輝，10μs—1ms為短余輝，1ms—0．1s為中余輝，0．1s-1s為長(zhǎng)余輝，大于1s為極長(zhǎng)余輝。一般的示波器配備中余輝示波管，高頻示波器選用短余輝，低頻示波器選用長(zhǎng)余輝。
由于所用磷光材料不同，熒光屏上能發(fā)出不同顏色的光。一般示波器多采用發(fā)綠光的示波管，以保護(hù)人的眼睛。
2．示波管的電源
為使示波管正常工作，對(duì)電源供給有一定要求。規(guī)定第二陽(yáng)極與偏轉(zhuǎn)板之間電位相近，偏轉(zhuǎn)板的平均電位為零或接近為零。
陰極必須工作在負(fù)電位上。柵極G1相對(duì)陰極為負(fù)電位(—30V~—100V)，而且可調(diào)，以實(shí)現(xiàn)輝度調(diào)節(jié)。
陽(yáng)極為正電位(約+100V~+600V)，也應(yīng)可調(diào)，用作聚焦調(diào)節(jié)。
第二陽(yáng)極與前加速極相連，對(duì)陰極為正高壓(約+1000V)，相對(duì)于地電位的可調(diào)范圍為±50V。由于示波管各電極電流很小，可以用公共高壓經(jīng)電阻分壓器供電。
3．偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)
偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制電子射線(xiàn)方向，使熒光屏上的光點(diǎn)隨外加信號(hào)的變化描繪出被測(cè)信號(hào)的波形。
Y1、Y2和Xl、X2兩對(duì)互相垂直的偏轉(zhuǎn)板組成偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。Y軸偏轉(zhuǎn)板在前，X軸偏轉(zhuǎn)板在后，因此Y軸靈敏度高(被測(cè)信號(hào)經(jīng)處理后加到Y(jié)軸)。
兩對(duì)偏轉(zhuǎn)板分別加上電壓，使兩對(duì)偏轉(zhuǎn)板間各自形成電場(chǎng)，分別控制電子束在垂直方向和水平方向偏轉(zhuǎn)。
4．電子槍及聚焦
電子槍由燈絲(F)、陰極(K)、柵極(G1)、前加速極(G2)(或稱(chēng)第二柵極)、陽(yáng)極(A1)和第二陽(yáng)極(A2)組成。它的作用是發(fā)射電子并形成很細(xì)的高速電子束。燈絲通電加熱陰極，陰極受熱發(fā)射電子。
柵極是一個(gè)頂部有小孔的金屬園筒，套在陰極外面。由于柵極電位比陰極低，對(duì)陰極發(fā)射的電子起控制作用，一般只有運(yùn)動(dòng)初速度大的少量電子，在陽(yáng)極電壓的作用下能穿過(guò)柵極小孔，奔向熒光屏。
初速度小的電子仍返回陰極。如果柵極電位過(guò)低，則全部電子返回陰極，即管子截止。
調(diào)節(jié)電路中的W1電位器，可以改變柵極電位，控制射向熒光屏的電子流密度，從而達(dá)到調(diào)節(jié)亮點(diǎn)的輝度。
陽(yáng)極、第二陽(yáng)極和前加速極都是與陰極在同一條軸線(xiàn)上的三個(gè)金屬圓筒。前加速極G2與A2相連，所加電位比A1高。G2的正電位對(duì)陰極電子奔向熒光屏起加速作用。
電子束從陰極奔向熒光屏的過(guò)程中，經(jīng)過(guò)兩次聚焦過(guò)程。次聚焦由K、G1、G2完成，K、K、G1、G2叫做示波管的電子透鏡。
第二次聚焦發(fā)生在G2、A1、A2區(qū)域，調(diào)節(jié)第二陽(yáng)極A2的電位，能使電子束正好會(huì)聚于熒光屏上的一點(diǎn)，這是第二次聚焦。
A1上的電壓叫做聚焦電壓，A1又被叫做聚焦極。有時(shí)調(diào)節(jié)A1電壓仍不能滿(mǎn)足良好聚焦，需微調(diào)第二陽(yáng)極A2的電壓，A2又叫做輔助聚焦極。
1.2示波器的基本組成
從上一小節(jié)可以看出，只要控制X軸偏轉(zhuǎn)板和Y軸偏轉(zhuǎn)板上的電壓，就能控制示波管顯示的圖形形狀。
我們知道，一個(gè)電子信號(hào)是時(shí)間的函數(shù)f(t)，它隨時(shí)間的變化而變化。
因此，只要在示波管的X軸偏轉(zhuǎn)板上加一個(gè)與時(shí)間變量成正比的電壓，在y軸加上被測(cè)信號(hào)(經(jīng)過(guò)比例放大或者縮小)，示波管屏幕上就會(huì)顯示出被測(cè)信號(hào)隨時(shí)間變化的圖形。
電信號(hào)中，在一段時(shí)間內(nèi)與時(shí)間變量成正比的信號(hào)是鋸齒波。
它由示波管、Y軸系統(tǒng)、X軸系統(tǒng)、Z軸系統(tǒng)和電源等五部分組成。
被測(cè)信號(hào)①接到“Y"輸入端，經(jīng)Y軸衰減器適當(dāng)衰減后送至Y1放大器(前置放大)，推挽輸出信號(hào)②和③。
經(jīng)延遲級(jí)延遲Г1時(shí)間，到Y(jié)2放大器。放大后產(chǎn)生足夠大的信號(hào)④和⑤，加到示波管的Y軸偏轉(zhuǎn)板上。
為了在屏幕上顯示出完整的穩(wěn)定波形，將Y軸的被測(cè)信號(hào)③引入X軸系統(tǒng)的觸發(fā)電路;
在引入信號(hào)的正(或者負(fù))極性的某一電平值產(chǎn)生觸發(fā)脈沖⑥，啟動(dòng)鋸齒波掃描電路(時(shí)基發(fā)生器)，產(chǎn)生掃描電壓⑦。
由于從觸發(fā)到啟動(dòng)掃描有一時(shí)間延遲Г2，為保證Y軸信號(hào)到達(dá)熒光屏之前X軸開(kāi)始掃描，Y軸的延遲時(shí)間Г1應(yīng)稍大于X軸的延遲時(shí)間Г2。
掃描電壓⑦經(jīng)X軸放大器放大，產(chǎn)生推挽輸出⑨和⑩，加到示波管的X軸偏轉(zhuǎn)板上。
z軸系統(tǒng)用于放大掃描電壓正程，并且變成正向矩形波，送到示波管柵極。這使得在掃描正程顯示的波形有某一固定輝度，而在掃描回程進(jìn)行抹跡。
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