模擬示波器的基本工作原理

1． 回顧中學的沙漏實驗——隨時間變化的信號如何在平面展示
物理學理論可以證明，一端通過細繩固定的重物在作擺動時，與中心垂線的距離滿足正弦波規(guī)律。沙漏實驗可以清晰地顯示這個隨時間變化的波形：用沙漏充當重物，并且在沙漏底下的桌面上平鋪一張紙，當沙漏開始擺動時，讓紙勻速移動。這樣，沙漏中流出的細沙，就在紙上留下了一個正弦波痕跡，如圖1.1.3所示。利用這種設(shè)計思想，可以完成波形在平面上（對應(yīng)于時間的流動）的展開。這種設(shè)計思想在波形記錄、顯示中被廣泛采用，比如心電圖機，就是用原地擺動的電熱針，在勻速移動的記錄紙帶上描記出心電波形。
利用心電圖機的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)可以記錄電壓信號，但是，示波器在大量的應(yīng)用中，并不需要通過消耗紙張來記錄波形，而僅僅是觀察波形。因此，可以重復(fù)使用的熒光屏，被應(yīng)用到示波器的設(shè)計中。

2． 在示波器上描繪一條曲線——電子槍和熒光屏
在一個封閉玻璃管顯示屏的內(nèi)壁涂上熒光粉，當熒光粉被大量電子形成的電子束轟擊時，會發(fā)出熒光?？梢园l(fā)出電子束的設(shè)備稱為電子槍，它可以連續(xù)地發(fā)出集束性很強的電子。這些電子束在飛行過程中，如果遇到電場的作用，會因電場形成的力而改變運行方向，導(dǎo)致最終電子束落到熒光屏上的位置發(fā)生改變，也就是光點改變。根據(jù)這個原理制造的示波管，其結(jié)構(gòu)如圖1.1.4所示。圖中電子槍發(fā)出的電子束，經(jīng)過兩個偏轉(zhuǎn)板的作用，會在X、Y兩個方向上發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
當在Y偏轉(zhuǎn)板上加入被測信號，而在X偏轉(zhuǎn)板上不加電壓，可以在示波管的熒光屏上看到光點隨著被測電壓的變化而發(fā)生位置變化——電壓越大，光點位置越靠上方。
當在X偏轉(zhuǎn)板上加入一個鋸齒波，而在Y偏轉(zhuǎn)板上不加電壓，可以看到光點從熒光屏左邊出現(xiàn)，勻速移動到右邊，然后又迅速在左邊重復(fù)出現(xiàn)。
當在X偏轉(zhuǎn)板上加入一個鋸齒波，而在Y偏轉(zhuǎn)板上加入一個正弦波，則可以看到，光點在勻速左移的同時，其Y方向位置出現(xiàn)了正弦變化的規(guī)律，也就是說，光點的移動軌跡是一個正弦波。

3． 怎樣將周期性電壓信號穩(wěn)定地顯示于熒光屏？
僅靠電子槍、X偏轉(zhuǎn)板、Y偏轉(zhuǎn)板和熒光屏，還不能將被測信號穩(wěn)定地顯示在示波器的熒光屏上。當X軸偏轉(zhuǎn)板上加入周期性的鋸齒波時，而Y軸偏轉(zhuǎn)板上加入被測的正弦信號，示波器的熒光屏上會出現(xiàn)如圖1.1.5所示的波形。由于X軸偏轉(zhuǎn)板的鋸齒波頻率為機內(nèi)產(chǎn)生，肯定無法保證其與外界被測信號頻率同步，因此，就出現(xiàn)了每個鋸齒波的起點，對應(yīng)的被測正弦波的相位不一致。這樣，觀察者在示波器上看到的波形好像是在滾動，并且多個波形交錯重疊。這種波形顯示，是難以完成觀察者記錄波形、測量波形的任務(wù)的。
只有準確控制X軸偏轉(zhuǎn)板上的鋸齒波電壓的觸發(fā)時刻，使其在被測信號的相同初相角處發(fā)出，才能夠使得被測波形在熒光屏上準確重疊，獲得穩(wěn)定的波形顯示。如圖1.1.6所示。示波器內(nèi)部的電路，通過下述方法，可以檢測出被測信號在每個周期中，相同的初相角時刻。
在一個周期性信號中，相同初相角的時刻，各個周期的電壓信號具備如下特征：它們的瞬時電壓相等，并且它們上升或者下降的特征相同。在圖1.1.6中，被測信號在○1～○6時刻，具有相同的特征：都是以上升的方式經(jīng)過0V電壓。示波器內(nèi)部，用微分電路可以區(qū)分被測信號上升或者下降，用比較器配合外部的電壓設(shè)置，可以判斷被測信號是否經(jīng)過這個比較電壓（比如圖中的0V）。這樣，再經(jīng)過一套邏輯電路，可以在被測信號具有相同初相角的時刻，控制X軸偏轉(zhuǎn)板，發(fā)出一個鋸齒波。這種利用被測信號的周期性，在相同初相角時刻，觸發(fā)X軸鋸齒波掃描信號，使得波形被重疊、穩(wěn)定地顯示于示波器熒光屏的技術(shù)，稱為同步觸發(fā)掃描。圖中，鋸齒波在○1～○6時刻滿足觸發(fā)條件，但僅在○1、○3、○5時刻被觸發(fā)，是因為在○2、○4、○6時刻，此前的鋸齒波尚未掃描結(jié)束。
因此，在示波器外部面板上，有控制被測信號在電壓多大時觸發(fā)鋸齒波產(chǎn)生的電平旋鈕，英文標識為Level，這個電壓稱為觸發(fā)電平。有控制被測信號是上升或者下降經(jīng)過Level電壓的選擇開關(guān)，英文標識為Slope
 為了更加清晰地表述觸發(fā)掃描中，各個控制開關(guān)和旋鈕對波形顯示的影響，圖1.1.7～圖1.1.11給出了幾個實例。請讀者將這些圖和圖1.1.6作比較

4． 怎樣實現(xiàn)雙蹤波形顯示？
一般來說，一個示波器只有一套電子槍系統(tǒng)。而在日常測量中，經(jīng)常需要比較兩個或者兩個以上被測信號之間的相位，這就需要示波器能夠同時完成兩路被測信號的顯示。這就叫雙蹤顯示。
示波器完成雙蹤顯示的方法有兩種，分別叫交替顯示(ALT)、斷續(xù)顯示(CHOP)。它們都是利用人眼的視覺暫留現(xiàn)象實現(xiàn)的。這一點，類似于計算機的多任務(wù)分時操作，利用設(shè)備的高速性能和人對事物觀察的緩慢，讓觀察者察覺不到設(shè)備內(nèi)部的分時操作。
1） 交替顯示
所謂交替顯示，就是Y軸偏轉(zhuǎn)板上以觸發(fā)掃描的鋸齒波為節(jié)拍，交替接通兩路被測信號。如圖1.1.12所示，○1號鋸齒波周期內(nèi)，Y軸偏轉(zhuǎn)板上為通道1的正弦波，電子束在熒光屏上掃出一個正弦波片斷，○2號鋸齒波開始，Y軸偏轉(zhuǎn)板立即接通通道2的三角波，電子束又重新在熒光屏上掃出一個三角波片斷，如此往復(fù)，就在熒光屏上得到了正弦波和三角波的同時顯示。在交替顯示中，負責切換兩個通道信號的電子開關(guān)，是以觸發(fā)后的鋸齒波為節(jié)拍的。因此，當被測信號頻率較低時，肉眼可以看出這種切換，不利于波形的穩(wěn)定顯示。所以，此時一般使用斷續(xù)方式實現(xiàn)雙蹤顯示。

5． 為什么要進行觸發(fā)源選擇？
所謂的觸發(fā)源，就是觸發(fā)X軸偏轉(zhuǎn)板產(chǎn)生鋸齒波的源信號。當觸發(fā)源為被測信號本身，示波器可以保證鋸齒波的產(chǎn)生與被測信號同步，進而完成顯示的準確重疊，也就是穩(wěn)定。以被測信號本身作為觸發(fā)源，是模擬示波器基本工作原理的表現(xiàn)。
為了增加觸發(fā)靈活性，以適應(yīng)更為復(fù)雜的測量要求，實際的示波器中，都可以對觸發(fā)源進行靈活選擇。幾乎所有的模擬示波器都具有內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā)選擇。所謂外觸發(fā)，是指觸發(fā)源來自示波器的外觸發(fā)端子，而內(nèi)觸發(fā)則指觸發(fā)源來自被測信號、機內(nèi)獲得了工頻電壓信號等。
當觸發(fā)源選擇開關(guān)置于外觸發(fā)時，示波器內(nèi)部的觸發(fā)電路將從外觸發(fā)端子取信號和觸發(fā)電平比較，產(chǎn)生鋸齒波。用外觸發(fā)控制鋸齒波的產(chǎn)生，可以用于兩個信號的相位比較。
當觸發(fā)源選擇開關(guān)置于內(nèi)觸發(fā)時，如果是單蹤顯示，則僅有本通道信號作為觸發(fā)源或者線電壓作為觸發(fā)源兩種選擇。而雙蹤顯示時，則可以任意選擇通道1、通道2、線電壓之中的一個作為觸發(fā)源。