示波器知识百问七 示波器工作原理

35． 除高斯响应示波器和平坦响应示波器之外，还有基于其它响应的示波器吗？答示波器前置放大器的频响特性是决定测试结果的*关键因素，它由模拟器件决定。关键在于用何种方法来获得足够的频响。36． 以前在用TDS744,TDS745等示波器时，使用的是无源探头(如P6139A,带宽500M)。在购买了有源探头(P6237)之后, 从测试波形来看(特别是测高频信号时),两者的测试结果差异较大. 从探头参数得知, 有源探头的输入电容<1pF,而无源探头则为10pF左右. 这样看来应该是有源探头的测试结果更能反映信号真实的情况. 既然无源探头对高频信号衰减很大, 那么500M的带宽有什么意义呢? 如何根据测试情况来选择使用有源或无源探头？答您的P6139A探头加上泰克的500MHz示波器典型带宽值还是可以达到500MHz，但是正如您所说，其输入电容不同，这一电容将产生对于待测信号的负载效应，造成信号振铃，形状发生改变，因此这个时候使用有源探头时能反映信号的真实情况。实际上，使用探头不光要考虑带宽，所有这些因素我们在测量高频信号的时候都要考虑带宽/上升时间动态范围负载效应接地效应共振效应尤其P6139A时您还要考虑地线的影响，探头上的接地线也会带来振铃，测量高频信号的时候应该尽量缩短地线的长度。另外，您使用的P6247是有源差分探头，共模的影响也可能是一个因素。选择无源探头主要是因为其动态范围大，比如P6139A可以测量从毫伏到几百伏的信号，而P6247只能测量＋－8.5V的信号。另外有源探头价格也是一个因素。37． 实验时，示波器接地线后，导致MOsfet炸掉，现在将示波器都剪掉了地线。这是什么原因？答为保证测试中的人身安全以及获得良好的测量效果，一般示波器的所有探头的地线都与机壳连接在一起，并连接到示波器电源线的地线。因此，您在电源中测量MOSFET管波形的时候，如果其中任何一个点都不是地，就会产生问题，如下图所示。剪断地线可以防止对MOSFET管测试中的短路问题，但是也会带来一些其它的测试问题，比如示波器机壳带电，示波器机壳分布参数对测量信号造成影响等。解决的办法是使用差分探头，比如泰克的P5205，可以测量所谓的2个测试点都不是地的差分信号。38． 用示波器抓取数据时，发现存储的文本里只有当前屏幕的数据，且是按照resolution为时间间隔的。如何利用软件实时处理数据（matlab?），如何抓到更多数据？答泰克示波器采用压缩屏幕的显示风格，即屏幕显示的波形为采集下来的所有数据，配合TDS5000B的multiViewZoom功能，可以方便显示所有波形。泰克TDS5000B，TDS6000，TDS7000B，TDS8000B系列示波器都采用完全开放的WINDOWS平台，支持当前所有的流行工具，象Matlab，LabView，VB，VC，.NET，MicroSoft Office VBA等等，可以灵活进行数据分析和处理。这些分析工具还可以直接安装在示波器里面，构成一台集数据采集，分析，显示，处理的仪器。 单次采集更多的数据，需要示波器配备更深的存储深度，象TDS5000B系列通用示波器可以支持到16M内存。 谈及分辨率，人们*容易想到的是图像分辨率。买电视、显示器、数码相机、打印机的时候都会考虑这个指标，一般用水平和垂直方向的像素点个数或者DPI(每英寸点数)来表示。显然，高分辨率图像更能清楚展示细节。而对于数字示波器，工程师极少谈及它的分辨率，谈得更多的是带宽、采样率等指标。示波器也有分辨率，更准确地说是垂直分辨率，也就是模数转换器(ADC)的量化位数。一般各个厂家生产的实时示波器ADC位数都为8位，故而极少提及垂直分辨率。实时示波器由于采样率高，ADC位数很难提高。在需要高分辨率测量的场合经常由低采样率的数据采集卡来实现。为满足高分辨率的测试需求，美国力科公司研发了新型的实时示波器WaveRunner HRO 6Zi，简称HRO(高分辨率示波器)。其ADC位数达12位，同时具备较高的采样率-2GS/s。存储深度(记录长度)可以达到每通道256M采样点。HRO示波器高分辨率、高采样率和长存储特性使其在多数测试场合中都能替代数据采集卡。当然，它也具备示波器所擅长的测量、分析和调试功能，其易用性更好。ADC位数对垂直分辨率有多大影响？我们来看图1，这是用8位示波器和12位示波器分别对同一个信号采集后，对其中部分波形放大显示的结果。

图18位示波器和12位示波器捕获波形对比

从图中可以看出8位示波器采集的波形出现台阶状现象，这是因为信号的微小变化和ADC的量化误差相当，信号的微小变化淹没在了量化噪声中。可能很多工程师在使用示波器时并没有注意到这个现象。这好比两台尺寸相同、分辨率不一样的电视机，站在5米外观看可能看不出差别，靠近了观察就能发现低分辨率电视机的像素点更粗、马赛克现象更明显。那么把示波器捕获的信号放大、观察细节，也就有类似的效果。垂直分辨率还和示波器本身的噪声和失真水平有关。打个比方，一台高分辨率的电视机，如果它内部电路的噪声很大，导致屏幕出现很多雪花点。即便是高清片源也会被这些雪花点给模糊了。同样道理，示波器ADC能够分辨的*小电压也可能淹没在示波器的噪声中。如何评估示波器的噪声水平呢？有的示波器厂家喜欢采用基底噪声示波器不输入信号，测量基线的噪声大小。这种指标只能作为参考。因为没有人使用示波器时不输入信号。有无输入信号，示波器内部电路的工作状态可能差别很大。图2是某示波器没有输入信号和输入一个高信噪比5GHz正弦波的对比图，并分别对时域波形做FFT，观察频域。在没有信号输入时，频域噪底比较平坦；而输入正弦波后，除了信号基频和谐波分量以外，出现了不少杂散，而且噪底的形状也不再平坦。因此，基线噪声不是评估示波器噪声水平的合理指标。

图2示波器没有输入信号和输入一个高信噪比5GHz正弦波的对比图

更科学的指标是信号与噪声失真比(Signal to Noise and Distortion Ratio，SINAD)，以及有效位数(ENOB)。SINAD的测量需要输入一定频率、一定幅度的高信噪比正弦波给示波器，计算信号功率和噪声失真功率之比。ENOB在数学上可以通过SINAD计算得到。SINAD、ENOB与输入信号频率、幅度的大小以及示波器的工作状态都有关。力科HRO不仅ADC位数比其他实时示波器高，也有极低的噪声水平。其典型的信噪比为55dB，而8位示波器一般只有35~40dB。图3是将一个多谐波信号分别输入到8位和12位示波器，转化到频域观察的图形。两者频域的垂直刻度和基准都一样。从图中可以看出，12位示波器的频域噪底比8位示波器低大约10dB。

图3将一个多谐波信号分别输入到8位和12位示波器，转化到频域观察

我们来看一个实际的测试案例需要对某开关电源产品中的功率MOS管进行分析。其中有一个测试项是MOS管导通损耗。分别用电压和电流探头测量漏源电压Vds与漏极电流Ids，在示波器上将两个波形相乘得到功率波形，导通期间的功率就是导通损耗。由于在导通期间，Vds与Ids的值都很小，和8位示波器的量化误差相当。可以将Vds波形导通时的波形放大观察，同样也会出现前文提到的台阶状现象(图4)。

图4将Vds波形导通时的波形放大观察

而HRO的高分辨率特性使这种误差大大减小。通过对比测试，8位示波器测量的导通损耗是1.5W，HRO测量的导通损耗是688mW(图5)。

图58位示波器与HRO测量的导通损耗对比

使用低分辨率示波器的工程师，也许会花费很多精力物力去降低导通损耗，殊不知测量结果主要是量化误差。

而HRO的高分辨率特性使这种误差大大减小。通过对比测试，8bit示波器测量的导通损耗是1.5W，HRO测量的导通损耗是688mW

使用低分辨率示波器的工程师，也许花费很多精力物力去降低导通损耗，殊不知测量结果主要是量化误差。总结力科HRO示波器的高分辨率特性，使其特别适合测量和分析微小变化的信号，如高精度传感器和执行器;心电、脑电等微弱生理信号;电源噪声和纹波;无线中频信号等等。 示波器的工作试验方法是什么？

　　示波器是利用电子示波管的特性，将人眼无法直接观测的交变电信号转换成图像，显示在荧光屏上以便测量的电子测量仪器。它是观察数字电路实验现象、分析实验中的问题、测量实验结果必不可少的重要仪器。示波器由示波管和电源系统、同步系统、X轴偏转系统、Y轴偏转系统、延迟扫描系统、标准信号源组成。　　1、示波管　　阴极射线管（CRT）简称示波管，是示波器的核心。它将电信号转换为光信号。如图所示，电子枪、偏转系统和荧光屏三部分密封在一个真空玻璃壳内，构成了一个完整的示波管。

　　2、荧光屏　　现在的示波管屏面通常是矩形平面，内表面沉积一层磷光材料构成荧光膜。在荧光膜上常又增加一层蒸发铝膜。高速电子穿过铝膜，撞击荧光粉而发光形成亮点。铝膜具有内反射作用，有利于提高亮点的辉度。铝膜还有散热等其他作用。　　当电子停止轰击后，亮点不能立即消失而要保留一段时间。亮点辉度下降到原始值的10％所经过的时间叫做“余辉时间”。余辉时间短于10μs为极短余辉，10μs—1ms为短余辉，1ms—0．1s为中余辉，0．1s-1s为长余辉，大于1s为极长余辉。一般的示波器配备中余辉示波管，高频示波器选用短余辉，低频示波器选用长余辉。　　由于所用磷光材料不同，荧光屏上能发出不同颜色的光。一般示波器多采用发绿光的示波管，以保护人的眼睛。　　3、电子枪及聚焦　　电子枪由灯丝（F）、阴极（K）、栅极（G1）、前加速极（G2）（或称第二栅极）、*阳极（A1）和第二阳极（A2）组成。它的作用是发射电子并形成很细的高速电子束。灯丝通电加热阴极，阴极受热发射电子。栅极是一个顶部有小孔的金属园筒，套在阴极外面。由于栅极电位比阴极低，对阴极发射的电子起控制作用，一般只有运动初速度大的少量电子，在阳极电压的作用下能穿过栅极小孔，奔向荧光屏。初速度小的电子仍返回阴极。如果栅极电位过低，则全部电子返回阴极，即管子截止。调节电路中的W1电位器，可以改变栅极电位，控制射向荧光屏的电子流密度，从而达到调节亮点的辉度。*阳极、第二阳极和前加速极都是与阴极在同一条轴线上的三个金属圆筒。前加速极G2与A2相连，所加电位比A1高。G2的正电位对阴极电子奔向荧光屏起加速作用。　　电子束从阴极奔向荧光屏的过程中，经过两次聚焦过程。*次聚焦由K、G1、G2完成，K、K、G1、G2叫做示波管的*电子透镜。第二次聚焦发生在G2、A1、A2区域，调节第二阳极A2的电位，能使电子束正好会聚于荧光屏上的一点，这是第二次聚焦。A1上的电压叫做聚焦电压，A1又被叫做聚焦极。有时调节A1电压仍不能满足良好聚焦，需微调第二阳极A2的电压，A2又叫做辅助聚焦极。　　4、偏转系统　　偏转系统控制电子射线方向，使荧光屏上的光点随外加信号的变化描绘出被测信号的波形。中，Y1Y2和Xl、X2两对互相垂直的偏转板组成偏转系统。Y轴偏转板在前，X轴偏转板在后，因此Y轴灵敏度高（被测信号经处理后加到Y轴）。两对偏转板分别加上电压，使两对偏转板间各自形成电场，分别控制电子束在垂直方向和水平方向偏转。　　5、示波管的电源　　为使示波管正常工作，对电源供给有一定要求。规定第二阳极与偏转板之间电位相近，偏转板的平均电位为零或接近为零。阴极必须工作在负电位上。栅极G1相对阴极为负电位（—30V~—100V），而且可调，以实现辉度调节。*阳极为正电位（约+100V~+600V），也应可调，用作聚焦调节。第二阳极与前加速极相连，对阴极为正高压（约+1000V），相对于地电位的可调范围为±50V。由于示波管各电极电流很小，可以用公共高压经电阻分压器供电。

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