智能仪器仪表分析——示波器的原理、使用方法及改进
本文基于实用角度介绍了模拟以及数字示波器的基本原理，着重于各个模块间的相互关系，而没有细致分析具体的电路是如何实现的。特别分析了智能仪表——数字式示波器的通道短路问题，并予以改进。此外，笔者根据自身的使用经验针对性的查找了一部分数字示波器的使用注意事项，但并没有像实验课程一样手把手教授使用方法。
通过完成这篇大作业，笔者查阅了一些资料，吸收并理解资料内容，并转为自己的理解输出。对于数字示波器有了进一步的了解，解决了之前一直不明白的问题。
目录
0 引言
伴随着高新技术的快速发展，科学研究和工程应用得到了新方法，也需要更加先进智能的仪器仪表来充当研究人员感官的延伸。这也推动着仪表行业的相应进步。而示波器作为实验室中最为常见的智能仪器，发挥着不可替代的作用。在机械、电子、通讯等领域得到了广泛应用。
笔者在本科期间使用过示波器，但仅限于插线正确以及遇事不决按Auto键的水平，而示波器对于科学研究的意义又相当重大，出于在后续研究生生活中能够熟练使用仪器的目的，选择分析示波器的原理、使用方法等内容，以期深入了解示波器。文中有关具体键位的部分，用红色字体强调。下图1为可在实验室接触到的“古董式”模拟示波器。
图1 模拟式通用双通道示波器
1 模拟示波器原理
1.1 基本结构
图2 示波器原理框图
示波器主要由示波管（CRT）、电子放大系统、扫描触发系统、电源等组成，其中的核心部件是示波管。图2为示波器基本结构。
1.2 示波管
示波管是一只硬质玻璃管，其内高度真空，由电子枪、偏转系统、荧光屏组成。图3为示波管内部结构。
电子枪用于发射电子形成电子束。由灯丝(F)、阴极(K)、栅极(G)、第一阳极(A1)和第二阳极(A2)组成。灯丝加热阴极，阴极发射电子，栅极根据其电位高低可控制电子射向荧光孔或者返回阴极。因此，调节栅极电位可以控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变亮点的辉度（即示波器面板上“辉度”旋钮的作用）。如果用外加信号控制栅、阴极间电压，则可使亮点辉度随信号强弱而变化。由K、G、A1、A2共同完成聚焦，改变第一阳极Ai的电位（利用面板上的“聚焦”旋钮）及第二阳极电位（利用面板上的“辅助聚焦”旋钮），电子束在荧光屏上会聚成细小的亮点，以保证显示波形的清晰度。
图3 示波管内部结构
在第二阳极的后面，由两对相互垂直的金属板构成示波器Y轴和X轴的偏转系统。Y轴偏转板在前，X轴偏转板在后，对板间各自形成静电场。被测信号电压作用在Y轴偏转板上，锯齿波扫描电压作用在X轴偏转板。通过作用在这两个偏转板上的电压控制着从阴极发射过来的电子束在垂直方向和水平方向的偏转。水平偏转板上电压令屏幕上光点在屏幕X轴方向幅度变化，频率较高时形成直线，Y轴同理。
荧光屏位于示波管的终端，它的作用是将偏转后的电子束显示出来，以便观察。在示波器的荧光屏内壁涂有一层发光物质，因而，荧光屏上受到高速电子冲击的地点就显现出荧光。此时光点的亮度决定于电子束的数目、密度及其速度。
1.3 电子放大系统
电子放大系统主要用于扩展信号。水平放大器扩展扫描信号；竖直放大器是对较弱的被测信号进行放大 或者衰减。
1.4 扫描触发系统
扫描触发系统包括扫描发生器与触发电路，触发电路作用是形成触发信号。形成过程是将被测信号取出一部分送到一个电压比较器，而电压比较器的另一输入端则是其电压被触发电平旋钮(Trigger LEVEL)所调节的直流电压。当被测信号的瞬时电压高于触发电平时电压比较器就输出高电平，而被测信号的瞬时电压低于触发电平时电压比较器就输出低电平。故电压比较器输出矩形波形式的触发脉冲。
扫描发生器作用是产生一个与时间成正比的电压作为扫描信号，也就是锯齿波。形成过程是当触发脉冲的前沿到来时，锯齿波的正程开始，但是正程的长短则由扫描开关(TIME/DIV)来决定，扫描的逆程时间是固定的。若逆程时期结束后尚未有触发脉冲的前沿到来，则扫描锯齿波维持低电平，一直要到某个触发脉冲的前沿到来则第二个扫描锯波的正程期才开始。
1.5 波形产生原理
为了方便理解原理，假设扫描信号与被测信号频率相同：当仅有竖直偏转板加上被测电压的话，则荧光屏上只会在竖直方向出现一个上下运动的点，所运动的高度（幅度）与电压大小有关，当被测信号频率足够大，则竖直方向会形成一条线。那么，如何将被测信号的时间轴显示出来呢，这就需要加在x轴方向的扫描信号出马了。如下图4波形产生原理。
首先，再次假设仅有水平偏转板加扫描信号，则荧光屏上x轴上会出现一个点，它从最左边一直运动到最右边，循环往复。（因为电压信号是锯齿波，所以电子运动的幅度从0即荧光屏x轴最左边到最大值即x轴最右边，再次循环）。
那么，当竖直偏转板加上被测信号并且水平偏转板加扫描信号时，即可将被测信号随时间变化的幅值显示出来，所以大家在模拟式示波器上会看到一个波形从左到右出现。
图4 波形产生原理
1.6 总结
模拟式示波器是早期示波器，现在比较少见。它具有快速的波形捕获速度，可以灰度显示并且价格便宜。但是它不能存储波形而且很难捕获瞬态现象，带宽窄，只能到几百MHz，通道数一般最多只有2个通道，参数测量很麻烦，不能作复杂的应用。
2 数字示波器原理及改进
2.1 原理
数字示波器主要先对被测波形采样，再利用AD转换器转换为数字波形，最后把波形重现到屏幕上面。图5为数字示波器工作原理。
具体过程如下：Probe(探头)接到待测信号所在线路，Vertical System（垂直系统）控制调整信号的衰减和放大，这个和模拟示波器一样。接着，在Acquisition System（采样系统）中对信号进行模－数转换（ADC），连续的模拟信号变成了离散的点。Horizontal System|（水平系统）的时基决定了采样率的水平。比如TDS5054的最大采样速率为5GSa/s，说明它最快的情况下能够在每秒钟采样5G个点。经过采样量化的点被存到存储器里面，并拼成波形图。
Trigger System（触发系统）决定了保存点的开始和结束点的位置。存储器里面的波形最后传送到显示系统中进行显示。
为了增强示波器的综合能力，数据处理是必须的。另外预触发能够让我们能够看到触发前的波形情况。和模拟示波器一样，使用数字示波器来测试，也需要调整垂直幅度、水平时间间隔和触发设置。
图5 数字示波器工作原理
2.2 改进
示波器是电子测量中不可缺少的基本测量工具，随着数字技术的不断发展，数字示存储示波器的功能进一步加强了，逐渐取代了传统的模拟示波器。而手持式数字示波器除了具备普通示波器的示波功能，更有小巧、便携的优点，这也使其在某些特殊场合的应用更加广泛。
因此本文主要研究了手持式示波器的信号模拟转换的过程，分析出其容易短路的特点。增加了通道中的保护装置，使示波器工作更加安全可靠。
2.21 模拟通道需求分析
模拟通道是将信号采入示波器的第一级，信号经过模拟通道的变换后才能方便的被数字电路处理。模拟通道技术指标的好坏，工作的稳定性等都直接的影响到示波器技术指标。
当然由于模拟示波器时代的研究成果，可以说模拟通道的发展还是先于其他部分的。而模拟通道改进的目的就是使采集信号的准确度更高，使信号失真更加减少。同时也要保护示波器以及其使用者不要被采集到的信号所伤害，这点在探测高压的时候尤其关键。
图6 手持式示波器通道电路
早期手持示波器的通道并没有通道间短路的保护装置，这里的通道间的短路其实是由手持式示波器的一些技术问题引出来的。理想示波器的多个通道应该是完全隔离的，也就是每个通道中间有着严格的隔离，没有任何电气上的连接。但是，事实中完全没有干扰是不可能的，因为即使隔的很远的两个电器都有可能互相干扰，何况硬件上离得很近的通道。而手持式示波器更是由于其硬件大小的局限性，两个通道之间还是有着电气连接的，两个通道的地其实是共用的，也就是两个通道的地之间是短路的。这样就存在着一个问题，当双通道同时使用，则测量电压的时候，如果两个通道的地不是相同电压，那么就有短路发生，就会有烧毁示波器的可能性。例如，在测量三相电时候，因为可能存在着线电压和相电压，但是在同时用两个通道测量相电压或者线电压的时候，一旦两个通道的地有压差，就会造成短路，如所示。安全的测量方法就是只用一个通道的地连接。
其实这个安全问题也是手持式示波器的通病，所以早期的手持式示波器不论是说明书和机体上都有明确警告，要单点接地，不要多点接地。可是这样仍旧不能防范错误操作的发生。作为一个通用的测量工具，要给操作者一个安全的测量环境，所以误操作保护这个问题是急需要解决的。
2.22 改进方法
为了解决通道间的短路问题，最彻底的解决办法就是将通道改成绝对的隔离，这样任凭操作者的使用也不会造成两个通道的短路了。可是由于隔离通道的许多技术问题在手持式示波器狭小的空间内实现起来非常困难而又复杂，所以真的要是进行彻底的隔离通道以达到保护示波器的目的是比较困难的。
图7 手持式示波器通道改进电路
如上图7所示，相比较起来，一个简单易行的方法就是在通道探头的地线和系统的地之间加上一个PTC（正温度系数电阻）。
PTC的特点是它由特殊材料制作而成，其电阻值不是一成不变的，当它的温度增大时候，其电阻值也是增大的，这也就是它是正温度系数电阻的原因，相应的也有NTC（负电阻系数电阻）也就是其阻值随温度增大而变小。有了这个PTC后，平时电阻只有十几欧姆电阻的大小不影响系统的正常工作，几乎等于不存在。但是当出现前面叙述过的两个通道的地之间存在电压的情况，短路的一瞬间产生很高的温度，要是没有PTC的存在则示波器就会被视作一根导线而被烧毁，直到不再短路，这里有了PTC后，温度的提高导致它的电阻变大，而电阻两端的两个通道的地之间已不再是短路，自然也不会放出巨大的热量，就保持在一个相对稳定的状态，这样就起到了保护示波器以及其操作者的目的。
加入PTC是个简单易行的方法，虽然没有从根本上改变两个通道的绝对隔离问题，但是却保证了即使不恰当的操作亦不会造成很大的伤害。
3使用方法
使用方法来源于笔者在使用示波器的过程中所遇到的问题，在过去的使用中一直没有解决。因此该章不像课程PPT一样进行细致的讲解，仅强调一些使用过程中可能遇到的一些坑。
3.1 探头
上图5数字示波器显示原理已经展示出一个探头，那如何给它下定义呢？探头是在一个测试点或信号源和一台示波器之间做的物理及电路的连接，探头对于被测回路，必须有最小的影响，同时对想要测量地信号应保证足够的保真度。
3.11 分类
无源探头
无源探头由电线和接头组成，没有有源的部件-晶体管或放大器，并且不需供电源给探头。常用无源探头的最大测量的电压大约在400～500 伏特附近(直流+ 交流峰值)。最常见的示波器一般使用无源探头，如下图8、9即为最常见的示波器探头。
图8 常用示波器无源探头
图9 常用示波器无源BNC探头
有源探头
有源探头通常包含有源器件，例如晶体管。需要电源供电。
差分探头
差分信号是相互作为参考，而不是以地为参考。
电流探头
电流通过导线引起导线周围电磁场的形成。电流探头感应这一场的强度， 并且转换为电压信号由示波器测量
示波器探头在使用时，要保证地线夹子可靠地接地(被测系统的地，非真正的大地)，不然测量时，就会看到一个很大的50Hz的信号，这是因为示波器的地线没连好，而感应到50Hz工频而产生的。
3.12 增益
笔者之前经常听到使用探头时有所谓一倍衰减，这究竟是什么意思呢。这所说的是增益的概念。探头的增益有：“X1 X10 X100”。
探头前端手柄上有一个量程选择的小开关，当选择×1挡时，信号是没经衰减进入示波器的：而选择×10挡时，信号是经过衰减1／10再到示波器的。因此，当使用示波器的×10挡时，应该将示波器上的读数扩大10倍才是实际的读数（数字示波器可通过设置探头衰减比后自动换算）。另外，×10挡的输入阻抗比×1挡要高得多，所以在测试驱动能力较弱的信号波形时。把探头打到×10挡可更好地测量。但要注意，在不确定信号电压高低时，也应当先用×10挡测一下，确认电压不是过高后再选用正确量程挡测量，养成这样的习惯是很有必要的。
X1挡，它的动态测量范围同示波器一样。如果使用的示波器只能测量4mV 到40V 范围内的信号，那么用X1挡最大就只能测量40V 的信号。但是，如果你需要测量一个超过40V 的信号时该怎么办？你可以通过使用一个衰减探头，从而扩展示波器的动态范围至更高的高电压。例如用 X10挡，将扩展动态测量范围至40 mV 到400V。它衰减输入信号10倍，有效地增大了示波器的测量范围。
图10 无源探头衰减开关
在实际测量高频信号时，为保证测量的精确度，需将探头设置X10，原因是X1时探头的带宽只有6MHz。
3.2 触发中的Auto键
相信很多初学者在使用示波器的时候，都听过老师说过不要只会按Auto键。但每每使用Auto后总能出现稳定波形的情况实在是让人欲罢不能。那么这个Auto键到底有什么作用呢？
3.21 基本概念
示波器的“触发”就是使得示波器的扫描与被观测信号同步，从而显示稳定的波形。也就是令波形y轴幅度与x轴的时基一一对应，避免屏幕上产生具有随机起点的波形杂乱重叠的图像。具体工作流程如下：
示波器中是通过扫描来显示被测信号的，每次扫描都显示被测信号的一部分。要使得被显示的波形是稳定不变的，就必须做到每次所显示的波形是完全一样的，即重叠的。对于周期信号来说，只要每次扫描所显示的波形起始相位是相同的，那么每次所显示的波形就是相同的，从而所显示的波形就是稳定的。为了做到这一点，示波器中除了将被测信号送到示波管去以外，还从中分出一路，用电压比较器来形成触发脉冲，用触发脉冲去控制水平方向的扫描，以保证水平方向的每次扫描起始点都正好对准被测信号的相同相位点。
触发模式开关(Trigger MODE)置于NORM位置时，示波器就按以上的方式来进行扫描。显然，如果没有被测信号，或有被测信号但无法形成触发脉冲时，就没有扫描锯齿波，这时屏幕上就没有扫描线。被测信号的频率低于25HZ时，就应该将示波器置于常态触发状态。
当触发模式开关置于AUTO位置时，示波器将自动形成扫描，故无论有无被测信号，扫描线总是会出现。但是，当有被测信号时，示波器就立刻转换到上面所说的工作方式上来。 在一般情况下，应将示波器置于自动触发状态。
4 应用及发展趋势
示波器是一种应用广泛的基本测量仪器。不仅可以观察电压的波形，还可以测量电压的大小、周期、频率、相位等。对于所有电学量（如电流、电功率等）和非电学量（如温度、位移、压力等），只要通过换能器转换成电压信号，都可以用示波器观察和测量。
从示波器的发展水平上看，外国的发展水平要远高于中国，其产品也占据了国际示波器市场的大部分份额。其中，一九四七年成立的美国泰克公司，主要从事对于高档次的示波器的研究，几乎各个门类示波器的最高指标均由它所占据，已成为示波器领域公认的权威。除了泰克，安捷伦也是具备相当竞争力的示波器生产厂家。
尽管在国际上数字示波器己经有了较为成熟的发展，我国目前在数字示波器生产领域内基本上处于起步阶段。相当多的示波器生产企业还是主要生产模拟示波器。近十年来，国内数字示波器技术研究以及发展也取得了相当的成果。但是我国示波器行业总体水平还是比较落后的，国产示波器的很多技术指标跟国外的产品有一定距离，如采样率和各种功能等方面。
随着社会生活的不断进步，数字示波器的发展方向也是多方向的，不仅仅趋向采样率更高，功能更加完善的高级指标的示波器，还有应用于不同场合，不同方向的示波器。例如应用于野外工程和车间现场的手持式示波器等等。
参考文献
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