模擬示波器的使用原理

模擬示波器的使用原理

示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器。俗話說，電是看不見摸不著的。但是示波器可以幫我們“看見”電信號，便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過程。所以示波器的核心功能，就和他的名字一樣，是顯示電信號波形的儀器，以供工程師查找定位問題或評估系統(tǒng)性能等等。

示波器與電壓表的主要區(qū)別：電壓表可以給出被測信號的數(shù)值，通常是有效值即RMS值，但它不能給出有關信號形狀的信息。而示波器則能以圖形的方式顯示信號隨時間變化的歷史情況。電壓表通常只能對一個信號進行測量，而示波器則能同時顯示兩個或多個信號。

一、顯示系統(tǒng)

示波器的顯示器件是陰極射線管，縮寫為CRT 。陰極射線管的基礎是一個能產生電子的系統(tǒng)，稱為電子槍。電子槍發(fā)射的電子經(jīng)聚焦形成電子束，并打在屏幕中心的一個點上。 屏幕的內表面涂有熒光物質，這樣電子束打中的點就發(fā)出光來。

電子在從電子槍到屏幕的途中要經(jīng)過偏轉系統(tǒng)。在偏轉系統(tǒng)上施加電壓就可以使光點在屏幕上移動。 偏轉系統(tǒng)由水平偏轉板和垂直偏轉板組成。這種偏轉方式稱為靜電偏轉。

在屏幕的內表面用刻劃或腐蝕的方法作出許多水平和垂直的直線形成網(wǎng)格，稱為標尺 。標尺通常在垂直方向有8個，水平方向有10個，每格為10cm。

受到電子轟擊后，CRT上的熒光物質就會發(fā)光。當電子束移開后，熒光物質在一個短的時間內還會繼續(xù)發(fā)光。這個時間稱為余輝時間。余輝時間的長短隨熒光物質的不同而變化。

將輸入信號加到Y軸偏轉板上，而示波器自己使電子束沿X軸方向掃描。這樣就使得光點在屏幕上描繪出輸入信號的波形。這樣掃出的信號波形稱為波形軌跡。

模擬示波器的使用基本原理

波形顯示

由示波管的原理可知，一個直流電壓加到一對偏轉板上時，將使光點在熒光屏上產生一個固定位移，該位移的大小與所加直流電壓成正比。如果分別將兩個直流電壓同時加到垂直和水平兩對偏轉板上，則熒光屏上的光點位置就由兩個方向的位移所共同決定。

如果將一個正弦交流電壓加到一對偏轉板上時，光點在熒光屏上將隨電壓的變化而移動。當垂直偏轉板上加一個正弦交流電壓時，在時間t=0的瞬間，電壓為Vo（零值），熒光屏上的光點位置在坐標原點0上，在時間t=1的瞬間，電壓為V1（正值），熒光屏上光點在坐標原點0點上方的1上，位移的大小正比于電壓V1；在時間t=2的瞬間，電壓為V2（最大正值），熒光屏上的光點在坐標原點0點上方的2點上，位移的距離正比于電壓V2；以此類推，在時間t=3，t=4，…，t=8的各個瞬間，熒光屏上光點位置分別為3、4、…、8點。在交流電壓的第二個周期、第三個周期……都將重復第一個周期的情況。如果此時加在垂直偏轉板上的正弦交流電壓之頻率很低，僅為lHz～2Hz，那么，在熒光屏上便會看見一個上下移動著的光點。這光點距離坐標原點的瞬時偏轉值將與加在垂直偏轉板上的電壓瞬時值成正比。如果加在垂直偏轉板上的交流電壓頻率在10Hz～20Hz以上，則由于熒光屏的余輝現(xiàn)象和人眼的視覺暫留現(xiàn)象，在熒光屏上看到的就不是一個上下移動的點，而是一根垂直的亮線了。該亮線的長短在示波器的垂直放大增益一定的情況下決定于正弦交流電壓峰一峰值的大小。如果在水平偏轉板上加一個正弦交流電壓，則會產生相類似的情況，只是光點在水平軸上移動罷了。

如果將一隨時間線性變化的電壓（如鋸齒波電壓）加到一對偏轉板上，則光點在熒光屏上又會怎樣移動呢？當水平偏轉板上有鋸齒波電壓時，在時間t=0瞬間，電壓為Vo（最大負值），熒光屏上光點在坐標原點左側的起始位置（零點上），位移的距離正比于電壓Vo；在時間t=1的瞬間，電壓為V1（負值），熒光屏上光點在坐標原點左方的1點上，位移的距離正比于電壓V1；以此類推，在時間t=2，t=3，...,t=8的各個瞬間，熒光屏上光點的對應位置是2、3、…、8各點。在t=8這個瞬間，鋸齒波電壓由最大正值V8躍變到最大負值Vo，則熒光屏上光點從8點極其迅速地向左移到起始位置零點。如果鋸齒波電壓是周期性的，則在鋸齒波電壓的第二個周期、第三個周期、……都將重復第一個周期的情形。如果此時加在水平偏轉板上的鋸齒波電壓頻率很低，僅為1Hz～2Hz，在熒光屏上便會看見光點自左邊起始位置零點向右邊8點處勻速地移動，隨后光點又從右邊8點處極其迅速地移動到左邊起始位置零點。上述這個過程稱為掃描。在水平軸加有周期性鋸齒波電壓時，掃描將周而復始地進行下去。光點距離起始位置零點的瞬時值，將與加在偏轉板上的電壓瞬時值成正比。如果加在偏轉板上的鋸齒波電壓頻率在10Hz～20Hz以上，則由于熒光屏的余輝現(xiàn)象和人眼的視覺暫留現(xiàn)象，就看到一根水平亮線，該水平亮線的長度，在示波器水平放大增益一定的情況下決定于鋸齒波電壓值，鋸齒波電壓值是與時間變化成正比的，而熒光屏上光點的位移又是與電壓值成正比的，因此熒光屏上的水平亮線可以代表時間軸。在此亮線上的任何相等的線段都代表相等的一段時間。

如果將被測信號電壓加到垂直偏轉板上，鋸齒波掃描電壓加到水平偏轉板上，而且被測信號電壓的頻率等于鋸齒波掃描電壓的頻率，則熒光屏上將顯示出一個周期的被測信號電壓隨時間變化的波形曲線。在被測周期信號的第二個周期、第三個周期……都重復第一個周期的情形，光點在熒光屏上描出的軌跡也都重疊在第一次描出的軌跡上。所以，熒光屏上顯示出來的被測信號電壓是隨時間變化的穩(wěn)定波形曲線。

為使熒光屏上的圖形穩(wěn)定，被測信號電壓的頻率應與鋸齒波電壓的頻率保持整數(shù)比的關系，即同步關系。為了實現(xiàn)這一點，就要求鋸齒波電壓的頻率連續(xù)可調，以便適應觀察各種不同頻率的周期信號。其次，由于被測信號頻率和鋸齒波振蕩信號頻率的相對不穩(wěn)定性，即使把鋸齒波電壓的頻率臨時調到與被測信號頻率成整倍數(shù)關系，也不能使圖形一直保持穩(wěn)定。因此，示波器中都設有同步裝置。也就是在鋸齒波電路的某部分加上一個同步信號來促使掃描的同步，對于只能產生連續(xù)掃描（即產生周而復始連續(xù)不斷的鋸齒波）一種狀態(tài)的簡易示波器（如國產SB-10型示波器等）而言，需要在其掃描電路上輸入一個與被觀察信號頻率相關的同步信號，當所加同步信號的頻率接近鋸齒波頻率的自主振蕩頻率（或接近其整數(shù)倍）時，就可以把鋸齒波頻率“拖入同步”或“鎖住”。對于具有等待掃描（即平時不產生鋸齒波，當被測信號來到時才產生一個鋸齒波進行一次掃描）功能的示波器（如國產ST-16型示波器、SBT-5型同步示波器、SR-8型雙蹤示波器等等）而言，需要在其掃描電路上輸入一個與被測信號相關的觸發(fā)信號，使掃描過程與被測信號密切配合。這樣，只要按照需要來選擇適當?shù)耐叫盘柣蛴|發(fā)信號，便可使任何欲研究的過程與鋸齒波掃描頻率保持同步。

雙線示波

在電子實踐技術過程中，常常需要同時觀察兩種（或兩種以上）信號隨時間變化的過程。并對這些不同信號進行電量的測試和比較。為了達到這個目的，人們在應用普通示波器原理的基礎上，采用了以下兩種同時顯示多個波形的方法：一種是雙線（或多線）示波法；另一種是雙蹤（或多蹤）示波法。應用這兩種方法制造出來的示波器分別稱為雙線（或多線）示波器和雙蹤（或多蹤）示波器。

雙線（或多線）示波器是采用雙槍（或多槍）示波管來實現(xiàn)的。下面以雙槍示波管為例加以簡單說明。雙槍示波管有兩個互相獨立的電子槍產生兩束電子。另有兩組互相獨立的偏轉系統(tǒng)，它們各自控制一束電子作上下、左右的運動。熒光屏是共用的，因而屏上可以同時顯示出兩種不同的電信號波形，雙線示波也可以采用單槍雙線示波管來實現(xiàn)。這種示波管只有一個電子槍，在工作時是依靠特殊的電極把電子分成兩束。然后，由管內的兩組互相獨立的偏轉系統(tǒng)，分別控制兩束電子上下、左右運動。熒光屏是共用的，能同時顯示出兩種不同的電信號波形。由于雙線示波管的制造工藝要求高，成本也高，所以應用并不十分普遍。

雙蹤示波

雙蹤（或多蹤）示波是在單線示波器的基礎上，增設一個專用電子開關，用它來實現(xiàn)兩種（或多種）波形的分別顯示。由于實現(xiàn)雙蹤（或多蹤）示波比實現(xiàn)雙線（或多線）示波來得簡單，不需要使用結構復雜、價格昂貴的“雙腔”或“多腔”示波管，所以雙蹤（或多蹤）示波獲得了普遍的應用。

為了保持熒光屏顯示出來的兩種信號波形穩(wěn)定，則要求被測信號頻率、掃描信號頻率與電子開關的轉換頻率三者之間必須滿足一定的關系。

首先，兩個被測信號頻率與掃描信號頻率之間應該是成整數(shù)比的關系，也就是要求“同步”。這一點與單線示波器的原理是相同的，區(qū)別在于被測信號是兩個，而掃描電壓是一個。在實際應用中，需要觀察和比較的兩個信號常常是互相有內在聯(lián)系的，所以上述的同步要求一般是容易滿足的。

為了使熒光屏上顯示的兩個被測信號波形都穩(wěn)定，除滿足上述要求外，還必須合理地選擇電子開關的轉換頻率，使得在示波器上所顯示的波形個數(shù)合適，以便于觀察。下面談談電子開關的工作方式問題，這個問題與電子開關的轉換頻率有關。電子開關的工作方式有“交替”轉換和“斷續(xù)”轉換兩種。

采用交替轉換工作方式的顯示的波形與雙線示波法所顯示的波形非常相似，它們都沒有間斷點。但由于被測信號UA、UB的波形是依次交替地出現(xiàn)在熒光屏上的，所以，如果交替的間隙時間超過了人眼的視覺暫留時間和熒光屏的余輝時間，則人們所看到的熒光屏上的波形就會有閃爍現(xiàn)象。為了避免這種情況的出現(xiàn)，就要求電子開關有足夠高的轉換頻率。這就是說當被測信號的頻率較低時，不宜采用交替轉換工作方式，而應采用斷續(xù)轉換工作方式。當電子開關用斷續(xù)轉換工作方式時，在X軸掃描的每一個過程中，電子開關都以足夠高的轉換頻率，分別對所顯示的每個被測信號進行多次取樣。這樣，即使被測信號頻率較低，也可避免出現(xiàn)波形的閃爍現(xiàn)象。

雙蹤示波器的主要是由兩個通道的Y軸前置放大電路、門控電路、電子開關、混合電路、延遲電路、Y軸后置放大電路、觸發(fā)電路、掃描電路、X軸放大電路、Z軸放大電路、校準信號電路、示波管和高低壓電源供給電路等組成。

當顯示方式開關置于交替位置時，電子開關為一雙穩(wěn)態(tài)電路。它受由掃描電路來的閘門信號控制，使得Y軸兩個前置通道隨著掃描電路門信號的變化而交替地工作。每秒鐘交替轉換次數(shù)與由掃描電路產生的掃描信號的重復頻率有關。交替工作狀態(tài)適用于觀察頻率不太低的被測信號。

為了觀察被測信號隨時間變化的波形，示波管的水平偏轉板上必須加以線性掃描電壓（鋸齒波電壓）。這個掃描電壓是由掃描電路產生的。當觸發(fā)信號加到觸發(fā)電路時，觸發(fā)了掃描電路，掃描電路就產生相應的掃描信號；當不加觸發(fā)信號時，掃描電路就不產生掃描信號。

觸發(fā)有內觸發(fā)、外觸發(fā)兩種，由觸發(fā)選擇開關來選擇。當該開關置于內的位置時，觸發(fā)信號來自經(jīng)Y軸通道送入的被測信號。當該開關置于外的位置時，觸發(fā)信號是由外部送入的。這個信號應與被測信號的頻率成整數(shù)比的關系。示波器在使用中，多數(shù)采用內觸發(fā)工作方式。

高、低壓電源供給電路中的低壓是供給示波器各級所需的低壓電源的，高壓是供給示波管顯示系統(tǒng)電源的。