[教材]示波器的基本工作原理

示波器的基本工作原理

随着科学技术的发展，出现了各类电子示波器和示波测量仪器，如数字示波器、存贮示波器、

取样示波器、扫频仪、晶体管图示仪等，但其基本组成都包括垂直通道、水平通道和波形显示三部分，如实图8-1所示。

8-1通用示波器的主要组成框图

（一）垂直通道

电子示波器中通常将被测信号加在垂直通道上，因此要求垂直通道不引起信号的失真。为增

加示波器的功能和使用灵活性，垂直通道通常包括输入衰减器、前置放大器、延迟线、输出

放大器及转换开关等部分。实图8-2为通用双踪示波器的垂直通道方框图。

1．输入电路

示波器的输入电路具有较高的输入阻抗，能调节输入信号大小，具有AC和DC耦合方式。

输入电路通常包括探极和输入衰减器。

8-2垂直通道方框图 探极安装在示波器机体外部，用电缆和机体相联，其作用是便于直接探测被测信号，提高示

波器的输入阻抗，减少波形失真，展宽示波器的使用频带等。最常用的探极为一无源RC电

路。

8-3 RC补偿探极 衰减电路，如实图8-3所示。图中R2和C2（包括连接电缆的等效电路）为示波器的输入阻抗，R2通常为1M ，R1为探头内的串联电阻通常为9M，C1为探头的分布电容和微

调补偿电容，以上电阻、电容组成一个具有高频补偿的RC型分压器。当 CRCR2211

时，分压器的分压比为 ，而且与频率无关，当R1=9M，R2=1M ，分压比则为1：10，

从探针看进去的输入电阻R=R1+R2=10M，而输入电容CC1，cc21 。因此探头输

入电容大大减小，输入阻抗提高十倍，探头具有10倍的衰减。

在测试一个方波信号时调整探头补偿电容C1过大，使 CRCR2211，示波器显示波形

将出现过补偿，当C1过小使CRCR2211 ，将出现补偿，只有正确调整微调电容C1使

CRCR2211时，示波器才能得到良好的方波。如实图8-4所示。因此示波器和探头

应配套使用，测试前用示波器的校正方波信号，先调整好探头补偿电容C1。

示波器的输入衰减器也是由一系列RC分压器组成，改变分压器的分压比即可改变示波的偏

转灵敏度，即通过示波器Y轴灵敏度粗调开关调整，在面板上为偏转因数开关或灵敏度开关，

通常用V／cm或V／div标记。例如GOS622B型示波器的输入灵敏度范围为5mv／div～5v

／div，按1-2-5进制共10个档级。VP—5220A型示波器灵敏度范围为1mv／div～2v/div，按1-2-5进制共11个档级。

（a）正确补偿 （b）过补偿 （c）欠补偿 实图8-4 不同补偿的波形

2．延迟线 示波器在采用内同步方式工作时，只有当被观察的信号到来时触发扫描发生器才工作，因此

扫描起始时间总是滞后于被观测脉冲一段时间，使脉冲的上升过程无法完整地被显示出来。

延迟线的作用就是使被测量信号在通过垂直通道时延迟一段时间，使在示波屏上可以扫出脉

冲的全过程。延迟电路有集总参数型和分布参数型。

3．Y放大器 Y放大器使示波器具有观测微弱信号的能力。通常Y放大器分为前置放大器和输出放大器两

部分。前置放大器应有较高的输入阻抗、稳定的增益和足够的频带宽度，可以通过改变负反

馈深度的方法调节放大器的增益，当示波器用于定量测量时，要固定放大器的增益，一定要

将灵敏度微调电位器旋转到“校正”位置。

Y放大器的输出级通常采用差分放大器，使示波管的偏转板上获得对称和足够大的偏转信号。同时通过调节放大器的直流电压来改变Y方向的位置，即调面板上垂直位移旋钮。

4．频带宽度和上升时间

为了满足对信号观测的需要，首先要考虑示波器有足够的频带宽度，特别是对脉冲信号观察

时，要保证信号的高频成分基本不衰减。通常示波器的带宽应为被测信号中最高频率的三倍左右。

信号所显示的上升时间也与通带宽度有关。若示波器的高端频率为fk ，则输入阶跃信号时

显示的波形上升时间 tR为：

35.014.322.2fktR

其中 fk单位为MHz，tR的单位为u s。

利用以上公式可估算带宽为100MHz的示波器，其系统的上升时间为3.5ns。

若被观测信号的实际上升时间为tr ，示波器显示出的信号上升时间为tr’ ，则可按下式求得被测信号实际上升时间 tr：

tRtrtr22'

若tr>>tR，则示波器的影响可忽略不计。

（二）水平通道 示波器的水平通道主要由扫描发生器环、触发电路和X放大器组成。

1．扫描发生器环

扫描发生器又称为时基电路，用来产生扫描信号，通常由积分器、扫描门及比较释抑电路组

成。如实图8-5所示。

实图8-5 扫描发生器环的组成

扫描发生器环使输出锯齿波信号每一次都在同一起始电平开始，不论在触发扫描还是连续扫

描下都保证产生稳定的等幅扫描信号，并与被测信号同步。

2．触发电路

触发电路的作用是提供一个适当的脉冲去启动扫描。其在面板上对应的功能键有：

（1）触发源选择

触发源包括触发信号来自Y信道的“内触发”，来自外部输入的“外触发”以及来自50Hz

交流电源的“电源触发”，也有的示波器还有来自电视信号的“电视触发”等。

（2）耦合方式选择

耦合方式通常有：DC、AC、HFREJ（高频抑制）、LFREJ（低频抑制）。如实图8-6所示。

实图8-6 触发电路原理框图

（3）触发极性和触发电平 触发脉冲决定了扫描的起点。调节触发极性开关和触发电平电位器可以在不同的极性和电平

下产生触发。实图8-7显示了不同触发“极性”和“电平”时示波器显示的波形。由图可见，

波形起始点在基线以上时为正电平触发，在基线以下时为负电平触发。触发起始点处于波形

上升沿或正斜率时为“正极性”触发，处于波形下降沿或负斜率时为“负极性”触发。

（a）正极性零电平触发 （b）正极性、正电平触发

（c）负极性、正电平触发 （d）负极性、负电平触发

实图8-7 不同触发“极性”和“电平”时显示的波形

（4）触发方式

触发方式通常有：常态（或称触发）和自动两种。

常态触发方式是在有触发信号，并产生有效的触发脉冲时扫描发生器才工作，屏幕出现扫描线。常态触发时通过触发极性和触发电平调节可以任意选择触发点。

自动触发方式是在无触发输入信号时扫描系统仍有扫描输出，屏幕上将显示扫描线。当系统

加入触发信号时又能进行触发扫描。当触发输入信号频率略高于自激扫描频率，触发信号将

使扫描与被测信号同步。

（三）双踪显示 双踪示波器的组成与普通示波器类似，只不过具有两个垂直通道和一个电子开关。通过电子

开关分别把两个不同信号轮流送入输出放大器，在荧光屏上显示两路波形，按同样原理可以

组成多踪示波器。双踪显示有以下两种工作方式。

1．交替方式

在交替方式时，相邻的两次扫描分别由电子开关接通不同的Y信号通道，则在屏幕上轮流显示出两个信号波形，如果扫描周期为被测信号周期的整数倍即可实现同步。当交替频率低于

25Hz时图形将出现闪烁。

2．断续方式

当开关信号频率远大于被测信号频率时，双踪显示频率较高时，应选用交替方式；在被测信

号频率较低时则应选用断续方式。 （四）示波器的基本测量方式

利用示波器可以进行电压、频率（周期）、相位差以及其他物理量测量。在进行测试之前，

首先要认真阅读各类示波器的使用说明书，根据示波器的基本原理，正确选择和调整好示波

器，按其使用方法对被测信号进行测量。我们以双踪示波器为例介绍基本测量方法。

1．电压测量

通常被测信号含交流和直流分量，测量时经常需要测量两种分量的复合值或单独值。在测量

复合值时Y输入选择置于“DC”位置，而测量交流分量时Y输入选择置于“AC”位置。通

常我们采用直接测量法进行电压测量。测试时根据被测信号的幅度和频率，适当选择“V／

div”、“t／div”开关档级，将被测信号直接或通过10：1探极输入示波器Y输入端，调节触发“电平”使波形稳定。置Y轴微调于“校正”位置，则可通过屏幕测得被测电压值。

其中：VPP——被测电压峰峰值或任意两点间电压值，

Dy——偏转灵敏度，单位为V/cm、mv／cm或V／div、mv／div；

h——被测电压波形峰峰高度或任意两点间高度，单位为cm或div。 如果通过了10：1探极，则测量电压还要×10。 2．时间测量

示波器测量时间通常采用直接测量方法，测量时应注意将扫描速度微调放在“校准”位置，

被测时间 tx可由下式求得：

XSBtx

其中：

——SB示波器扫描速度，单位为s／cm、ms／cm„„ X——被测时间所对应的光迹在水平方向的距离。

3．相位的测量

实图8-8 相位测试示意图

在双踪示波器中用两波形直接比较测量相位差是最直观、最简单的方法。对实图8-8所示波

形，可测得相位差：

3601XX