示波器的基礎(chǔ)知識(shí)解析

一、示波器的原理及作用

　　示波器是利用電子示波管的特性，將人眼無法直接觀測(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)量儀器。它是觀察數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析實(shí)驗(yàn)中的問題、測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果必不可少的重要儀器。利用示波器能觀察各種不同信號(hào)幅度隨時(shí)間變化的波形曲線，還可以用它測(cè)試各種不同的電量，如電壓、電流、頻率、相位差、調(diào)幅度等等。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。

　　示波器的原理的利用顯示在示波器上的波形幅度的相對(duì)大小來反映加在示波器Y偏轉(zhuǎn)極板上的電壓最大值的相對(duì)大小，從而反映出電磁感應(yīng)中所產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢(shì)的最大值的大小。因此借助示波器可以研究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與其產(chǎn)生條件的關(guān)系。它主要是用來測(cè)量交流電或脈沖電流波的形狀的儀器，由電子管放大器、掃描振蕩器、陰極射線管等組成。除觀測(cè)電流的波形外，還可以測(cè)定頻率、電壓強(qiáng)度等。凡可以變?yōu)殡娦?yīng)的周期性物理過程都可以用示波器進(jìn)行觀測(cè)。

　　二、示波器的測(cè)量方法分析

　　下面就示波器的電壓、時(shí)間、相位和頻率這4種測(cè)量方法進(jìn)行分析。

　　A、電壓的測(cè)量

　　利用示波器所做的任何測(cè)量，都是歸結(jié)為對(duì)電壓的測(cè)量。示波器可以測(cè)量各種波形的電壓幅度，既可以測(cè)量直流電壓和正弦電壓，又可以測(cè)量脈沖或非正弦電壓的幅度。更有用的是它可以測(cè)量一個(gè)脈沖電壓波形各部分的電壓幅值，如上沖量或頂部下降量等。這是其他任何電壓測(cè)量儀器都不能比擬的。

　　1.直接測(cè)量法

　　所謂直接測(cè)量法，就是直接從屏幕上量出被測(cè)電壓波形的高度，然后換算成電壓值。定量測(cè)試電壓時(shí)，一般把Y軸靈敏度開關(guān)的微調(diào)旋鈕轉(zhuǎn)至“校準(zhǔn)”位置上，這樣，就可以從“V/div”的指示值和被測(cè)信號(hào)占取的縱軸坐標(biāo)值直接計(jì)算被測(cè)電壓值。所以，直接測(cè)量法又稱為標(biāo)尺法。

　?。?）交流電壓的測(cè)量

　　將Y軸輸入耦合開關(guān)置于“AC”位置，顯示出輸入波形的交流成分。如交流信號(hào)的頻率很低時(shí)，則應(yīng)將Y軸輸入耦合開關(guān)置于“DC”位置。

　　將被測(cè)波形移至示波管屏幕的中心位置，用“V/div”開關(guān)將被測(cè)波形控制在屏幕有效工作面積的范圍內(nèi)，按坐標(biāo)刻度片的分度讀取整個(gè)波形所占Y軸方向的度數(shù)H,則被測(cè)電壓的峰-峰值VP-P可等于“V/div”開關(guān)指示值與H的乘積。如果使用探頭測(cè)量時(shí)，應(yīng)把探頭的衰減量計(jì)算在內(nèi)，即把上述計(jì)算數(shù)值乘10.

　　例如示波器的Y軸靈敏度開關(guān)“V/div”位于0.2檔級(jí)，被測(cè)波形占Y軸的坐標(biāo)幅度H為5div,則此信號(hào)電壓的峰-峰值為1V.如是經(jīng)探頭測(cè)量，仍指示上述數(shù)值，則被測(cè)信號(hào)電壓的峰-峰值就為10V.

　?。?）直流電壓的測(cè)量

　　將Y軸輸入耦合開關(guān)置于“地”位置，觸發(fā)方式開關(guān)置“自動(dòng)”位置，使屏幕顯示一水平掃描線，此掃描線便為零電平線。

　　將Y軸輸入耦合開關(guān)置“DC”位置，加入被測(cè)電壓，此時(shí)，掃描線在Y軸方向產(chǎn)生跳變位移H,被測(cè)電壓即為“V/div”開關(guān)指示值與H的乘積。

　　直接測(cè)量法簡單易行，但誤差較大。產(chǎn)生誤差的因素有讀數(shù)誤差、視差和示波器的系統(tǒng)誤差（衰減器、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、示波管邊緣效應(yīng)）等。

　　2.比較測(cè)量法

　　比較測(cè)量法就是用一已知的標(biāo)準(zhǔn)電壓波形與被測(cè)電壓波形進(jìn)行比較求得被測(cè)電壓值。

　　將被測(cè)電壓Vx輸入示波器的Y軸通道，調(diào)節(jié)Y軸靈敏度選擇開關(guān)“V/div”及其微調(diào)旋鈕，使熒光屏顯示出便于測(cè)量的高度Hx并做好記錄，且“V/div”開關(guān)及微調(diào)旋鈕位置保持不變。去掉被測(cè)電壓，把一個(gè)已知的可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)電壓Vs輸入Y軸，調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)電壓的輸出幅度，使它顯示與被測(cè)電壓相同的幅度。此時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)電壓的輸出幅度等于被測(cè)電壓的幅度。比較法測(cè)量電壓可避免垂直系統(tǒng)引起和誤差，因而提高了測(cè)量精度。

　　B、時(shí)間的測(cè)量

　　示波器時(shí)基能產(chǎn)生與時(shí)間呈線性關(guān)系的掃描線，因而可以用熒光屏的水平刻度來測(cè)量波形的時(shí)間參數(shù)，如周期性信號(hào)的重復(fù)周期、脈沖信號(hào)的寬度、時(shí)間間隔、上升時(shí)間（前沿）和下降時(shí)間（后沿）、兩個(gè)信號(hào)的時(shí)間差等等。

　　將示波器的掃速開關(guān)“t/div”的“微調(diào)”裝置轉(zhuǎn)至校準(zhǔn)位置時(shí)，顯示的波形在水平方向刻度所代表的時(shí)間可按“t/div”開關(guān)的指示值直讀計(jì)算，從而較準(zhǔn)確地求出被測(cè)信號(hào)的時(shí)間參數(shù)。

　　C、相位的測(cè)量

　　利用示波器測(cè)量兩個(gè)正弦電壓之間的相位差具有實(shí)用意義，用計(jì)數(shù)器可以測(cè)量頻率和時(shí)間，但不能直接測(cè)量正弦電壓之間的相位關(guān)系。利用示波器測(cè)量相位的方法很多，下面，僅介紹幾種常用的簡單方法。

　　1.雙蹤法

　　雙蹤法是用雙蹤示波器在熒光屏上直接比較兩個(gè)被測(cè)電壓的波形來測(cè)量其相位關(guān)系。測(cè)量時(shí)，將相位超前的信號(hào)接入YB通道，另一個(gè)信號(hào)接入YA通道。選用YB觸發(fā)。調(diào)節(jié)“t/div”開關(guān)，使被測(cè)波形的一個(gè)周期在水平標(biāo)尺上準(zhǔn)確地占滿8div,這樣，一個(gè)周期的相角360°被8等分，每1div相當(dāng)于45°。讀出超前波與滯后波在水平軸的差距T,按下式計(jì)算相位差φ：

　　φ=45°/div×T（div）

　　如T==1.5div ,則φ=45°/div×1.5div=67.5°

　　2.李薩如圖形法測(cè)相位

　　將示波器的X軸選擇置于X軸輸入位置，將信號(hào)u1接入示波器的Y軸輸入端，信號(hào)u2接入示波器的X軸輸入端。適當(dāng)調(diào)節(jié)示波器面板上相關(guān)旋鈕，使熒光屏上顯現(xiàn)一個(gè)大小適宜的橢圓（在特殊情況下，可能是一個(gè)正圓或一根斜線）。

　　D、頻率的測(cè)量

　　用示波器測(cè)量信號(hào)頻率的方法很多，下面介紹常用的兩種基本方法。

　　1.周期法

　　對(duì)于任何周期信號(hào)，可用前述的時(shí)間間隔的測(cè)量方法，先測(cè)定其每個(gè)周期的時(shí)間T,再用下式求出頻率f :f=1/T

　　例如示波器上顯示的被測(cè)波形，一周期為8div,“t/div”開關(guān)置“1μs”位置，其“微調(diào)”置“校準(zhǔn)”位置。則其周期和頻率計(jì)算如下：

　　T=1us/div×8div = 8us

　　f= 1/8us =125kHz

　　所以，被測(cè)波形的頻率為125kHz.

　　2.李薩育圖形法測(cè)頻率

　　將示波器置X-Y工作方式，被測(cè)信號(hào)輸入Y軸，標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)輸入“X外接”,慢慢改變標(biāo)準(zhǔn)頻率，使這兩個(gè)信號(hào)頻率成整數(shù)倍時(shí)，例如fx :

　　fy=1:2,則在熒光屏上會(huì)形成穩(wěn)定的李沙育圖形。

　　三、示波器使用中的注意事項(xiàng)

　　儀器操作人員的安全和儀器安全，儀器在安全范圍內(nèi)正常工作，保證測(cè)量波形準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)可靠。因此，在儀器使用中應(yīng)注意：

　　1.通用示波器通過調(diào)節(jié)亮度和聚焦旋鈕使光點(diǎn)直徑最小以使波形清晰，減小測(cè)試誤差；不要使光點(diǎn)停留在一點(diǎn)不動(dòng)，否則電子束轟擊一點(diǎn)宜在熒光屏上形成暗斑，損壞熒光屏。

　　2.測(cè)量系統(tǒng)- 例如示波器、信號(hào)源；打印機(jī)、計(jì)算機(jī)等設(shè)備等。被測(cè)電子設(shè)備- 例如儀器、電子部件、電路板、被測(cè)設(shè)備供電電源等設(shè)備接地線必須與公共地（大地）相連。

　　3.TDS200/TDS1000/TDS2000 系列數(shù)字示波器配合探頭使用時(shí)，只能測(cè)量（被測(cè)信號(hào)- 信號(hào)地就是大地，信號(hào)端輸出幅度小于300VCAT II）信號(hào)的波形。絕對(duì)不能測(cè)量市電AC220V 或與市電AC220V 不能隔離的電子設(shè)備的浮地信號(hào)。（浮地是不能接大地的，否則造成儀器損壞，如測(cè)試電磁爐。）

　　4.通用示波器的外殼，信號(hào)輸入端BNC 插座金屬外圈，探頭接地線，AC220V 電源插座接地線端都是相通的。如儀器使用時(shí)不接大地線，直接用探頭對(duì)浮地信號(hào)測(cè)量，則儀器相對(duì)大地會(huì)產(chǎn)生電位差；電壓值等于探頭接地線接觸被測(cè)設(shè)備點(diǎn)與大地之間的電位差。這將對(duì)儀器操作人員、示波器、被測(cè)電子設(shè)備帶來嚴(yán)重安全危險(xiǎn)。

　　5. 用戶如須要測(cè)量開關(guān)電源（開關(guān)電源初級(jí)，控制電路） 、UPS（不間斷電源）、電子整流器、節(jié)能燈、變頻器等類型產(chǎn)品或其它與市電AC220V 不能隔離的電子設(shè)備進(jìn)行浮地信號(hào)測(cè)試時(shí)，必使用DP100高壓隔離差分探頭。

　　除此之外，熱電子儀器還要避免頻繁開機(jī)、關(guān)機(jī)，并且關(guān)機(jī)前先將輝度調(diào)節(jié)旋鈕沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)到底，使亮度減到最小，然后再斷開電源開關(guān)。