示波器原理和校准

示波器原理

示波器是利用电场改变电子运动轨迹来反映电压的瞬变过程，是显示二维图像的仪器。二维图像在数学上要两个坐标Y 和X 来描述。示波器上的二维图像要两个电场即Y 电场(Y偏转) 和X 电场(X偏转) 共同影响电子轨迹来形成。

对于一个电压信号V=F(t)的二维函数，需要两个坐标即V 和t 来描述。数学上的绘图是简单的，示波器显示二维图形是把电压V=F(t)“加在”Y偏转上形成Y 电场，影响电子Y 向上的运动轨迹或位移。这就反映出V 值。(如果V=F(t)是非常缓慢地变化，Y 向上电子的运动轨迹如何 ) 。但是这没有描绘出V=F(t)的二维图形，t 没有表达出来，如何表达t 呢？时间是不能“加在”X偏转上的，只能把时间概念“转到”电压概念上才行。若V=Kt线性关系成立，就把时间“转到”电压了，但随t 的增加电压会很大，同时会超出显示屏幕，不可实现。最后选择锯齿波来兼顾而实现。当把V=Kt “加在”X偏转上形成X 电场，与Y 电场共同影响电子轨迹(正交迭加) 来描述V=F(t)。

V=F(t)和V=Kt实际上是两个完全不相干电压信号，它们的时间t 也是不相干的，为了建立联系，示波器为此设置了辅助功能触发同步系统。

总之，围绕二维图形的建立，示波器面板设置了垂直Y 向调整功能，水平X 向(扫描) 调整功能，辅助功能触发同步系统三大区域。按三大功能区域熟悉各按钮功能，就显得简单易懂易记。

1 示波器的结构

示波器它由示波管、衰减放大输入系统、扫描信号发生器、触发同步系统和电源供给系统组成。

2 示波器显示波形的原理

X 偏转板的作用是使光点水平运行，而Y 偏转板的作用是使光点垂直运动。因此在X 偏转板上不加电压，而只有一个正弦信号加到Y 偏转板上时，在屏幕上我们只能看到一条竖直的亮线，当信号的频率足够小时，我们就能清晰地看到光点的运动过程——正弦振动。

当X 偏转板上的扫描信号完成m 个周期时，Y 偏转板上的正弦信号也刚好完成n 个周期，那么接下去屏幕上的光点就会重复以前的轨迹运动，我们就能看到稳定的图形。

3 同步和触发扫描

示波器可采用“触发扫描”的办法使波形稳定。它是使用被测信号来控制扫描电压的产生时刻。调节触发电平的高低，使被测信号达到一定位相时，扫描电路才开始工作，产生一个锯齿波，将被测信号显示出来。由于每次都是当被测信号达到一定位相时，扫描电路才工作，所以每次扫描显示的波形相同，这样，在荧光屏上看到的波形就稳定不动了。

4.1 荧光屏

荧光屏是示波管的显示部分。屏上水平方向和垂直方向各有多条刻度线，指示出信号波形的电压和时间之间的关系。水平方向指示时间，垂直方向指示电压。水平方向分为10格，垂直方向分为8格，每格又分为5份。垂直方向标有0％，10％，90％，100％等标志，水平方向标有10％，90％标志，供测直流电平、交流信号幅度、延迟时间等参数使用。根据被测信号在屏幕上占的格数乘以适当的比例常数(V／DIV ，TIME ／DIV) 能得出电压值与时间值。

4．2 示波管和电源系统

1．电源(Power)

示波器主电源开关。当此开关按下时，电源指示灯亮，表示电源接通。

2．辉度(Intensity)

旋转此旋钮能改变光点和扫描线的亮度。观察低频信号时可小些，高频信号时大些。一般不应太亮，以保护荧光屏。

3．聚焦(Focus)

聚焦旋钮调节电子束截面大小，将扫描线聚焦成最清晰状态。

4．标尺亮度(Illuminance)

此旋钮调节荧光屏后面的照明灯亮度。正常室内光线下，照明灯暗一些好。室内光线不足的环境中，可适当调亮照明灯。

2．3 垂直偏转因数和水平偏转因数

1．垂直偏转因数选择(VOLTS／DIV) 和微调

在单位输入信号作用下，光点在屏幕上偏移的距离称为偏移灵敏度，这一定义对X 轴和Y 轴都适用。灵敏度的倒数称为偏转因数。垂直灵敏度的单位是为 cm/V，cm ／mV 或者DIV ／mV ，DIV ／V ，垂直偏转因数的单位是V ／cm ，mV ／cm 或者V ／DIV ，mV ／DIV 。实际上因习惯用法和测量电压读数的方便，有时也把偏转因数当灵敏度。

踪示波器中每个通道各有一个垂直偏转因数选择波段开关。一般按1，2，5方式从 5mV ／DIV 到5V ／DIV 分为10档。波段开关指示的值代表荧光屏上垂直方向一格的电压值。例如波段开关置于1V ／DIV 档时，如果屏幕上信号光点移动一格，则代表输入信号电压变化1V 。

每个波段开关上往往还有一个小旋钮，微调每档垂直偏转因数。将它沿顺时针方向旋到底，处于“校准”位置，此时垂直偏转因数值与波段开关所指示的值一致。逆时针旋转此旋钮，能够微调垂直偏转因数。垂直偏转因数微调后，会造成与波段开关的指示值不一致，这点应引起注意。许多示波器具有垂直扩展功能，当微调旋钮被拉出时，垂直灵敏度扩大若干倍(偏转因数缩小若干倍) 。例如，如果波段开关指示的偏转因数是1V/DIV，采用×5扩展状态时，垂直偏转因数是0． 2V ／DIV 。

在做数字电路实验时，在屏幕上被测信号的垂直移动距离与+5V信号的垂直移动距离之比常被用于判断被测信号的电压值。

2．时基选择(TIME／DIV) 和微调

时基选择和微调的使用方法与垂直偏转因数选择和微调类似。时基选择也通过一个波段开关实现，按1、2、5方式把时基分为若干档。波段开关的指示值代表光点在水平方向移动一个格的时间值。例如在1μS／DIV 档，光点在屏上移动一格代表时间值1μS。

“微调”旋钮用于时基校准和微调。沿顺时针方向旋到底处于校准位置时，屏幕上显示的时基值与波段开关所示的标称值一致。逆时针旋转旋钮，则对时基微调。旋钮拔出后处于扫描扩展状态。通常为×10扩展，即水平灵敏度扩大10倍，时基缩小到1／10。例如在2μS/DIV档，扫描扩展状态下荧光屏上水平一格代表的时间值等于2μS×(1/10)=0.2μS。

TDS 实验台上有10MHz 、1MHz 、500kHz 、100kHz 的时钟信号，由石英晶体振荡器和分频器产生，准确度很高，可用来校准示波器的时基。

示波器的标准信号源CAL ，专门用于校准示波器的时基和垂直偏转因数。例如COS5041型示波器标准信号源提供一个VP-P=2V,f=1kHz的方波信号。

示波器前面板上的位移(Position)旋钮调节信号波形在荧光屏上的位置。旋转水平位移旋钮(标有水平双向箭头) 左右移动信号波形，旋转垂直位移旋钮(标有垂直双向箭头) 上下移动信号波形。

2.4 输入通道和输入耦合选择

1．输入通道选择

输入通道至少有三种选择方式：通道1(CH1)、通道2(CH2)、双通道(DUAL)。选择通道1时，示波器仅显示通道1的信号。选择通道2时，示波器仅显示通道2的信号。选择双通道时，示波器同时显示通道1信号和通道2信号。测试信号时，首先要将示波器的地与被测电路的地连接在一起。根据输入通道的选择，将示波器探头插到相应通道插座上，示波器探头上的地与被测电路的地连接在一起，示波器探头接触被测点。示波器探头上有一双位开关。此开关拨到“×1”位置时，被测信号无衰减送到示波器，从荧光屏上读出的电压值是信号的实际电压值。此开关拨到“×10"位置时，被测信号衰减为1／10，然后送往示波器，从荧光屏上读出的电压值乘以10才是信号的实际电压值。

2．输入耦合方式

输入耦合方式有三种选择：交流(AC)、地(GND)、直流(DC)。当选择“地”时，扫描线显示出“示波器地”在荧光屏上的位置。直流耦合用于测定信号直流绝对值和观测极低频信号。交流耦合用于观测交流和含有直流成分的交流信号。在数字电路实验中，一般选择“直流”方式，以便观测信号的绝对电压值。