什麼是電子測量

在數位電路實驗中，需要使用若干儀器、儀表觀察實驗現象和結果。常用的電子測量儀器有萬用表、邏輯筆、普通示波器、儲存示波器、邏輯分析儀等。萬用 表和邏輯筆使用方法比較簡單，而邏輯分析儀和儲存示波器目前在數位電路教學實驗中應用還不十分普遍。示波器是一種使用非常廣泛，且使用相對複雜的儀器。本 章從使用的角度介紹一下示波器的原理和使用方法。

1、示波器工作原理

示波器是利用電子示波管的特性，將人眼無法直接觀測的交變電訊號轉換成影象，顯示在熒光屏上以便測量的電子測量儀器。它是觀察數位電路實驗現象、分析實驗中 的問題、測量實驗結果必不可少的重要儀器。示波器由示波管和電源系統、同步系統、X軸偏轉系統、Y軸偏轉系統、延遲掃描系統、標準訊號源組成。

1。1、示波管

陰極射線管（CRT）簡稱示波管，是示波器的核心。它將電訊號轉換為光訊號。正如圖1所示，電子槍、偏轉系統和熒光屏三部分密封在一個真空玻璃殼內，構成了一個完整的示波管。

圖1示波管的內部結構和供電圖示

1。熒光屏

現在的示波管屏面通常是矩形平面，內表面沉積一層磷光材料構成熒光膜。在熒光膜上常又增加一層蒸發鋁膜。高速電子穿過鋁膜，撞擊熒光粉而發光形成亮點。鋁膜具有內反射作用，有利於提高亮點的輝度。鋁膜還有散熱等其他作用。

當電子停止轟擊後，亮點不能立即消失而要保留一段時間。亮點輝度下降到原始值的10％所經過的時間叫做“餘輝時間”。餘輝時間短於10μs為極短餘 輝，10μs—1ms為短餘輝，1ms—0。1s為中餘輝，0。1s-1s為長餘輝，大於1s為極長餘輝。一般的示波器配備中餘輝示波管，高頻示波器選用 短餘輝，低頻示波器選用長餘輝。

由於所用磷光材料不同，熒光屏上能發出不同顏色的光。一般示波器多采用發綠光的示波管，以保護人的眼睛。

2。電子槍及聚焦

電子槍由燈絲（F）、陰極（K）、柵極（G1）、前加速極（G2）（或稱第二柵極）、第一陽極（A1）和第二陽極（A2）組成。它的作用是發射電子並形成很 細的高速電子束。燈絲通電加熱陰極，陰極受熱發射電子。柵極是一個頂部有小孔的金屬園筒，套在陰極外面。由於柵極電位比陰極低，對陰極發射的電子起控制作 用，一般只有運動初速度大的少量電子，在陽極電壓的作用下能穿過柵極小孔，奔向熒光屏。初速度小的電子仍返回陰極。如果柵極電位過低，則全部電子返回陰 極，即管子截止。調節電路中的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，從而達到調節亮點的輝度。第一陽極、第二陽極和前加速極都是與 陰極在同一條軸線上的三個金屬圓筒。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程中，經過兩次聚焦過程。第一次聚焦由K、G1、G2完成，K、K、G1、G2叫做示波管的第一電子透鏡。第二次聚焦發生在G2、 A1、A2區域，調節第二陽極A2的電位，能使電子束正好會聚於熒光屏上的一點，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。有時調 節A1電壓仍不能滿足良好聚焦，需微調第二陽極A2的電壓，A2又叫做輔助聚焦極。

3。偏轉系統

偏轉系統控制電子射線方向，使熒 光屏上的光點隨外加訊號的變化描繪出被測訊號的波形。圖8。1中，Y1、Y2和Xl、X2兩對互相垂直的偏轉板組成偏轉系統。Y軸偏轉板在前，X軸偏轉板 在後，因此Y軸靈敏度高（被測訊號經處理後加到Y軸）。兩對偏轉板分別加上電壓，使兩對偏轉板間各自形成電場，分別控制電子束在垂直方向和水平方向偏轉。

4。示波管的電源

為使示波管正常工作，對電源供給有一定要求。規定第二陽極與偏轉板之間電位相近，偏轉板的平均電位為零或接近為零。陰極必須工作在負電位上。柵極G1相對陰 極為負電位（—30V~—100V），而且可調，以實現輝度調節。第一陽極為正電位（約+100V~+600V），也應可調，用作聚焦調節。第二陽極與前 加速極相連，對陰極為正高壓（約+1000V），相對於地電位的可調範圍為±50V。由於示波管各電極電流很小，可以用公共高壓經電阻分壓器供電。

1。2示波器的基本組成

從上一小節可以看出，只要控制X軸偏轉板和Y軸偏轉板上的電壓，就能控制示波管顯示的圖形形狀。我們知道，一個電子訊號是時間的函式f（t），它隨時間的變 化而變化。因此，只要在示波管的X軸偏轉板上加一個與時間變數成正比的電壓，在y軸加上被測訊號（經過比例放大或者縮小），示波管螢幕上就會顯示出被測信 號隨時間變化的圖形。電訊號中，在一段時間內與時間變數成正比的訊號是鋸齒波。

示波器的基本組成框圖如圖2所示。它由示波管、Y軸系統、X軸系統、Z軸系統和電源等五部分組成。

圖2示波器基本組成框圖

被測訊號①接到“Y“輸入端，經Y軸衰減器適當衰減後送至Y1放大器（前置放大），推輓輸出訊號②和③。經延遲級延遲Г1時間，到Y2放大器。放大後產生足 夠大的訊號④和⑤，加到示波管的Y軸偏轉板上。為了在螢幕上顯示出完整的穩定波形，將Y軸的被測訊號③引入X軸系統的觸發電路，在引入訊號的正（或者負） 極性的某一電平值產生觸發脈衝⑥，啟動鋸齒波掃描電路（時基發生器），產生掃描電壓⑦。由於從觸發到啟動掃描有一時間延遲Г2，為保證Y軸訊號到達熒光屏 之前X軸開始掃描，Y軸的延遲時間Г1應稍大於X軸的延遲時間Г2。掃描電壓⑦經X軸放大器放大，產生推輓輸出⑨和⑩，加到示波管的X軸偏轉板上。z軸系 統用於放大掃描電壓正程，並且變成正向矩形波，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，而在掃描回程進行抹跡。

以上是示波器的基本工作原理。雙蹤顯示則是利用電子開關將Y軸輸入的兩個不同的被測訊號分別顯示在熒光屏上。由於人眼的視覺暫留作用，當轉換頻率高到一定程度後，看到的是兩個穩定的、清晰的訊號波形。

示波器中往往有一個精確穩定的方波訊號發生器，供校驗示波器用。

2、示波器使用

本節介紹示波器的使用方法。示波器種類、型號很多，功能也不同。數位電路實驗中使用較多的是20MHz或者40MHz的雙蹤示波器。這些示波器用法大同小異。本節不針對某一型號的示波器，只是從概念上介紹示波器在數位電路實驗中的常用功能。

2。1熒光屏

熒光屏是示波管的顯示部分。屏上水平方向和垂直方向各有多條刻度線，指示出訊號波形的電壓和時間之間的關係。水平方向指示時間，垂直方向指示電壓。水平方向 分為10格，垂直方向分為8格，每格又分為5份。垂直方向標有0％，10％，90％，100％等標誌，水平方向標有10％，90％標誌，供測直流電平、交 流訊號幅度、延遲時間等引數使用。根據被測訊號在螢幕上佔的格數乘以適當的比例常數（V／DIV，TIME／DIV）能得出電壓值與時間值。

2。2示波管和電源系統

1。電源（Power）

示波器主電源開關。當此開關按下時，電源指示燈亮，表示電源接通。

2。輝度（Intensity）

旋轉此旋鈕能改變光點和掃描線的亮度。觀察低頻訊號時可小些，高頻訊號時大些。

一般不應太亮，以保護熒光屏。

3。聚焦（Focus）

聚焦旋鈕調節電子束截面大小，將掃描線聚焦成最清晰狀態。

4。標尺亮度（Illuminance）

此旋鈕調節熒光屏後面的照明燈亮度。正常室內光線下，照明燈暗一些好。室內光線不足的環境中，可適當調亮照明燈。

2。3垂直偏轉因數和水平偏轉因數

1。垂直偏轉因數選擇（VOLTS／DIV）和微調

在 單位輸入訊號作用下，光點在螢幕上偏移的距離稱為偏移靈敏度，這一定義對X軸和Y軸都適用。靈敏度的倒數稱為偏轉因數。垂直靈敏度的單位是為 cm/V，cm／mV或者DIV／mV，DIV／V，垂直偏轉因數的單位是V／cm，mV／cm或者V／DIV，mV／DIV。實際上因習慣用法和測量電 壓讀數的方便，有時也把偏轉因數當靈敏度。

蹤示波器中每個通道各有一個垂直偏轉因數選擇波段開關。一般按1，2，5方式從5mV／DIV到5V／DIV分為10檔。波段開關指示的值代表熒光屏上垂直方向一格的電壓值。例如波段開關置於1V／DIV檔時，如果螢幕上訊號光點移動一格，則代表輸入訊號電壓變化1V。

每個波段開關上往往還有一個小旋鈕，微調每檔垂直偏轉因數。將它沿順時針方向旋到底，處於“校準”位置，此時垂直偏轉因數值與波段開關所指示的值一致。逆時 針旋轉此旋鈕，能夠微調垂直偏轉因數。垂直偏轉因數微調後，會造成與波段開關的指示值不一致，這點應引起注意。許多示波器具有垂直擴充套件功能，當微調旋鈕被 拉出時，垂直靈敏度擴大若干倍（偏轉因數縮小若干倍）。例如，如果波段開關指示的偏轉因數是1V/DIV，採用×5擴充套件狀態時，垂直偏轉因數是 0。2V／DIV。

在做數位電路實驗時，在螢幕上被測訊號的垂直移動距離與+5V訊號的垂直移動距離之比常被用於判斷被測訊號的電壓值。

2。時基選擇（TIME／DIV）和微調

時基選擇和微調的使用方法與垂直偏轉因數選擇和微調類似。時基選擇也透過一個波段開關實現，按1、2、5方式把時基分為若干檔。波段開關的指示值代表光點在水平方向移動一個格的時間值。例如在1μS／DIV檔，光點在屏上移動一格代表時間值1μS。

“微調”旋鈕用於時基校準和微調。沿順時針方向旋到底處於校準位置時，螢幕上顯示的時基值與波段開關所示的標稱值一致。逆時針旋轉旋鈕，則對時基微調。旋鈕拔 出後處於掃描擴充套件狀態。通常為×10擴充套件，即水平靈敏度擴大10倍，時基縮小到1／10。例如在2μS/DIV檔，掃描擴充套件狀態下熒光屏上水平一格代表的 時間值等於

2μS×（1/10）=0。2μS

TDS實驗臺上有10MHz、1MHz、500kHz、100kHz的時鐘訊號，由石英晶體振盪器和分頻器產生，準確度很高，可用來校準示波器的時基。

示波器的標準訊號源CAL，專門用於校準示波器的時基和垂直偏轉因數。例如COS5041型示波器標準訊號源提供一個VP-P=2V，f=1kHz的方波訊號。

示波器前面板上的位移（Position）旋鈕調節訊號波形在熒光屏上的位置。旋轉水平位移旋鈕（標有水平雙向箭頭）左右移動訊號波形，旋轉垂直位移旋鈕（標有垂直雙向箭頭）上下移動訊號波形。

2。4輸入通道和輸入耦合選擇

1。輸入通道選擇

輸入通道至少有三種選擇方式：通道1（CH1）、通道2（CH2）、雙通道（DUAL）。選擇通道1時，示波器僅顯示通道1的訊號。選擇通道2時，示波器僅 顯示通道2的訊號。選擇雙通道時，示波器同時顯示通道1訊號和通道2訊號。測試訊號時，首先要將示波器的地與被測電路的地連線在一起。根據輸入通道的選 擇，將示波器探頭插到相應通道插座上，示波器探頭上的地與被測電路的地連線在一起，示波器探頭接觸被測點。示波器探頭上有一雙位開關。此開關撥到“×1” 位置時，被測訊號無衰減送到示波器，從熒光屏上讀出的電壓值是訊號的實際電壓值。此開關撥到“×10”位置時，被測訊號衰減為1／10，然後送往示波器， 從熒光屏上讀出的電壓值乘以10才是訊號的實際電壓值。

2。輸入耦合方式

輸入耦合方式有三種選擇：交流（AC）、地（GND）、 直流（DC）。當選擇“地”時，掃描線顯示出“示波器地”在熒光屏上的位置。直流耦合用於測定訊號直流絕對值和觀測極低頻訊號。交流耦合用於觀測交流和含 有直流成分的交流訊號。在數位電路實驗中，一般選擇“直流”方式，以便觀測訊號的絕對電壓值。

2。5觸發

第一節指出，被測訊號從 Y軸輸入後，一部分送到示波管的Y軸偏轉板上，驅動光點在熒光屏上按比例沿垂直方向移動；另一部分分流到x軸偏轉系統產生觸發脈衝，觸發掃描發生器，產生 重複的鋸齒波電壓加到示波管的X偏轉板上，使光點沿水平方向移動，兩者合一，光點在熒光屏上描繪出的圖形就是被測訊號圖形。由此可知，正確的觸發方式直接 影響到示波器的有效操作。為了在熒光屏上得到穩定的、清晰的訊號波形，掌握基本的觸發功能及其操作方法是十分重要的。

1。觸發源（Source）選擇

要使螢幕上顯示穩定的波形，則需將被測訊號本身或者與被測訊號有一定時間關係的觸發訊號加到觸發電路。觸發源選擇確定觸發訊號由何處供給。通常有三種觸發源：內觸發（INT）、電源觸發（LINE）、外觸發EXT）。

內觸發使用被測訊號作為觸發訊號，是經常使用的一種觸發方式。由於觸發訊號本身是被測訊號的一部分，在螢幕上可以顯示出非常穩定的波形。雙蹤示波器中通道1或者通道2都可以選作觸發訊號。

電源觸發使用交流電源頻率訊號作為觸發訊號。這種方法在測量與交流電源頻率有關的訊號時是有效的。特別在測量音訊電路、閘流管的低電平交流噪音時更為有效。

外觸發使用外加訊號作為觸發訊號，外加訊號從外觸發輸入端輸入。外觸發訊號與被測訊號間應具有周期性的關係。由於被測訊號沒有用作觸發訊號，所以何時開始掃描與被測訊號無關。

正確選擇觸發訊號對波形顯示的穩定、清晰有很大關係。例如在數位電路的測量中，對一個簡單的週期訊號而言，選擇內觸發可能好一些，而對於一個具有複雜週期的訊號，且存在一個與它有周期關係的訊號時，選用外觸發可能更好。

2。觸發耦合（Coupling）方式選擇

觸發訊號到觸發電路的耦合方式有多種，目的是為了觸發訊號的穩定、可靠。這裡介紹常用的幾種。

AC耦合又稱電容耦合。它只允許用觸發訊號的交流分量觸發，觸發訊號的直流分量被隔斷。通常在不考慮DC分量時使用這種耦合方式，以形成穩定觸發。但是如果觸發訊號的頻率小於10Hz，會造成觸發困難。

直流耦合（DC）不隔斷觸發訊號的直流分量。當觸發訊號的頻率較低或者觸發訊號的佔空比很大時，使用直流耦合較好。

低 頻抑制（LFR）觸發時觸發訊號經過高通濾波器加到觸發電路，觸發訊號的低頻成分被抑制；高頻抑制（HFR）觸發時，觸發訊號透過低通濾波器加到觸發電 路，觸發訊號的高頻成分被抑制。此外還有用於電視維修的電視同步（TV）觸發。這些觸發耦合方式各有自己的適用範圍，需在使用中去體會。

3。觸發電平（Level）和觸發極性（Slope）

觸發電平調節又叫同步調節，它使得掃描與被測訊號同步。電平調節旋鈕調節觸發訊號的觸發電平。一旦觸發訊號超過由旋鈕設定的觸發電平時，掃描即被觸發。順時 針旋轉旋鈕，觸發電平上升；逆時針旋轉旋鈕，觸發電平下降。當電平旋鈕調到電平鎖定位置時，觸發電平自動保持在觸發訊號的幅度之內，不需要電平調節就能產 生一個穩定的觸發。當訊號波形複雜，用電平旋鈕不能穩定觸發時，用釋抑（HoldOff）旋鈕調節波形的釋抑時間（掃描暫停時間），能使掃描與波形穩定同 步。

極性開關用來選擇觸發訊號的極性。撥在“+”位置上時，在訊號增加的方向上，當觸發訊號超過觸發電平時就產生觸發。撥在“-”位置上時，在訊號減少的方向上，當觸發訊號超過觸發電平時就產生觸發。觸發極性和觸發電平共同決定觸發訊號的觸發點。

2。6掃描方式（SweepMode）

掃描有自動（Auto）、常態（Norm）和單次（Single）三種掃描方式。

自動：當無觸發訊號輸入，或者觸發訊號頻率低於50Hz時，掃描為自激方式。

常態：當無觸發訊號輸入時，掃描處於準備狀態，沒有掃描線。觸發訊號到來後，觸發掃描。

單次：單次按鈕類似復位開關。單次掃描方式下，按單次按鈕時掃描電路復位，此時準備好（Ready）燈亮。觸發訊號到來後產生一次掃描。單次掃描結束後，準備燈滅。單次掃描用於觀測非週期訊號或者單次瞬變訊號，往往需要對波形拍照。

上面扼要介紹了示波器的基本功能及操作。示波器還有一些更復雜的功能，如延遲掃描、觸發延遲、X-Y工作方式等，這裡就不介紹了。示波器入門操作是容易的， 真正熟練則要在應用中掌握。值得指出的是，示波器雖然功能較多，但許多情況下用其他儀器、儀表更好。例如，在數位電路實驗中，判斷一個脈寬較窄的單脈衝是 否發生時，用邏輯筆就簡單的多；測量單脈衝脈寬時，用邏輯分析儀更好一些。

數字示波器使用必須注意問題

前言

數字示波器因具有波形觸發、儲存、顯示、測量、波形資料分析處理等獨特優點，其使用日益普及。由於數字示波器與模擬示波器之間存在較大的效能差異，如果使用不當，會產生較大的測量誤差，從而影響測試任務。

區分模擬頻寬和數字實時頻寬

頻寬是示波器最重要的指標之一。模擬示波器的頻寬是一個固定的值，而數字示波器的頻寬有模擬頻寬和數字實時頻寬兩種。數字示波器對重複訊號採用順序取樣或隨 機取樣技術所能達到的最高頻寬為示波器的數字實時頻寬，數字實時頻寬與最高數字化頻率和波形重建技術因子K相關（數字實時頻寬=最高數字化速率/K），一 般並不作為一項指標直接給出。從兩種頻寬的定義可以看出，模擬頻寬只適合重複週期訊號的測量，而數字實時頻寬則同時適合重複訊號和單次訊號的測量。廠家聲 稱示波器的頻寬能達到多少兆，實際上指的是模擬頻寬，數字實時頻寬是要低於這個值的。例如說TEK公司的TES520B的頻寬為500MHz，實際上是指 其模擬頻寬為500MHz，而最高數字實時頻寬只能達到400MHz遠低於模擬頻寬。所以在測量單次訊號時，一定要參考數字示波器的數字實時頻寬，否則會 給測量帶來意想不到的誤差。

有關取樣速率

取樣速率也稱為數字化速率，是指單位時間內，對模擬輸入訊號的取樣次數，常以MS/s表示。取樣速率是數字示波器的一項重要指標。

1。如果取樣速率不夠，容易出現混迭現象

如果示波器的輸人訊號為一個100KHz的正弦訊號，示波器顯示的訊號頻率卻是50KHz，這是怎麼回事呢？這是因為示波器的取樣速率太慢，產生了混迭現 象。混迭就是螢幕上顯示的波形頻率低於訊號的實際頻率，或者即使示波器上的觸發指示燈已經亮了，而顯示的波形仍不穩定。混迭的產生如圖1所示。那麼，對於 一個未知頻率的波形，如何判斷所顯示的波形是否已經產生混迭呢？可以透過慢慢改變掃速t/div到較快的時基檔，看波形的頻率引數是否急劇改變，如果是， 說明波形混迭已經發生；或者晃動的波形在某個較快的時基檔穩定下來，也說明波形混迭已經發生。根據奈奎斯特定理，取樣速率至少高於訊號高頻成分的2倍才不 會發生混迭，如一個500MHz的訊號，至少需要1GS/s的取樣速率。有如下幾種方法可以簡單地防止混迭發生：

·調整掃速；

·採用自動設定（Autoset）；

·試著將收集方式切換到包絡方式或峰值檢測方式，因為包絡方式是在多個收集記錄中尋找極值，而峰值檢測方式則是在單個收集記錄中尋找最大最小值，這兩種方法都能檢測到較快的訊號變化。

·如果示波器有InstaVu採集方式，可以選用，因為這種方式採集波形速度快，用這種方法顯示的波形類似於用模擬示波器顯示的波形。

2。取樣速率與t/div的關係

每臺數字示波器的最大采樣速率是一個定值。但是，在任意一個掃描時間t/div，取樣速率fs由下式給出：

fs=N/（t/div）N為每格取樣點

當取樣點數N為一定值時，fs與t/div成反比，掃速越大，取樣速率越低。下面是TDS520B的一組掃速與取樣速率的資料：

表1掃速與取樣速率

t/div（ns）1252550100200fs（GS/s）502510210。50。25

綜上所述，使用數字示波器時，為了避免混迭，掃速檔最好置於掃速較快的位置。如果想要捕捉到瞬息即逝的毛刺，掃速檔則最好置於主掃速較慢的位置。

數字示波器的上升時間

在模擬示波器中，上升時間是示波器的一項極其重要的指標。而在數字示波器中，上升時間甚至都不作為指標明確給出。由於數字示波器測量方法的原因，以致於自動 測量出的上升時間不僅與取樣點的位置相關，如圖2中a表示上升沿恰好落在兩取樣點中間，這時上升時間為數字化間隔的0。8倍。圖2中的b的上升沿的中部有 一取樣點，則同樣的波形，上升時間為數字化間隔的1。6倍。另外，上升時間還與掃速有關，下面是TDS520B測量同一波形時的一組掃速與上升時間的數 據：

表2掃速與上升時間

t/div（ms）502010521tr（μs）800320160803216

由上面這組資料可以看 出，雖然波形的上升時間是一個定值，而用數字示波器測量出來的結果卻因為掃速不同而相差甚遠。模擬示波器的上升時間與掃速無關，而數字示波器的上升時間不 僅與掃速有關，還與取樣點的位置有關，使用數字示波器時，我們不能象用模擬示波器那樣，根據測出的時間來反推出訊號的上升時間。