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(cè)量?jī)x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(hào)，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(hào)波形的儀器，以供工程師查找定位問題或評(píng)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(cè)信號(hào)的數(shù)值，通常是有效值即RMS值，但它不能給出有關(guān)信號(hào)形狀的信息。而示波器則能以圖形的方式顯示信號(hào)隨時(shí)間變化的歷史情況。電壓表通常只能對(duì)一個(gè)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，而示波器則能同時(shí)顯示兩個(gè)或多個(gè)信號(hào)。

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(chǔ)是一個(gè)能產(chǎn)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(gè)點(diǎn)上。 屏幕的內(nèi)表面涂有熒光物質(zhì)，這樣電子束打中的點(diǎn)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(zhuǎn)系統(tǒng)。在偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)上施加電壓就可以使光點(diǎn)在屏幕上移動(dòng)。 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)由水平偏轉(zhuǎn)板和垂直偏轉(zhuǎn)板組成。這種偏轉(zhuǎn)方式稱為靜電偏轉(zhuǎn)。

在屏幕的內(nèi)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(biāo)尺 。標(biāo)尺通常在垂直方向有8個(gè)，水平方向有10個(gè)，每格為10cm。

受到電子轟擊后，CRT上的熒光物質(zhì)就會(huì)發(fā)光。當(dāng)電子束移開后，熒光物質(zhì)在一個(gè)短的時(shí)間內(nèi)還會(huì)繼續(xù)發(fā)光。這個(gè)時(shí)間稱為余輝時(shí)間。余輝時(shí)間的長(zhǎng)短隨熒光物質(zhì)的不同而變化。

將輸入信號(hào)加到Y(jié)軸偏轉(zhuǎn)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(diǎn)在屏幕上描繪出輸入信號(hào)的波形。這樣掃出的信號(hào)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(gè)直流電壓加到一對(duì)偏轉(zhuǎn)板上時(shí)，將使光點(diǎn)在熒光屏上產(chǎn)生一個(gè)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(gè)直流電壓同時(shí)加到垂直和水平兩對(duì)偏轉(zhuǎn)板上，則熒光屏上的光點(diǎn)位置就由兩個(gè)方向的位移所共同決定。

如果將一個(gè)正弦交流電壓加到一對(duì)偏轉(zhuǎn)板上時(shí)，光點(diǎn)在熒光屏上將隨電壓的變化而移動(dòng)。當(dāng)垂直偏轉(zhuǎn)板上加一個(gè)正弦交流電壓時(shí)，在時(shí)間t=0的瞬間，電壓為Vo（零值），熒光屏上的光點(diǎn)位置在坐標(biāo)原點(diǎn)0上，在時(shí)間t=1的瞬間，電壓為V1（正值），熒光屏上光點(diǎn)在坐標(biāo)原點(diǎn)0點(diǎn)上方的1上，位移的大小正比于電壓V1；在時(shí)間t=2的瞬間，電壓為V2（最大正值），熒光屏上的光點(diǎn)在坐標(biāo)原點(diǎn)0點(diǎn)上方的2點(diǎn)上，位移的距離正比于電壓V2；以此類推，在時(shí)間t=3，t=4，…，t=8的各個(gè)瞬間，熒光屏上光點(diǎn)位置分別為3、4、…、8點(diǎn)。在交流電壓的第二個(gè)周期、第三個(gè)周期……都將重復(fù)第一個(gè)周期的情況。如果此時(shí)加在垂直偏轉(zhuǎn)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(huì)看見一個(gè)上下移動(dòng)著的光點(diǎn)。這光點(diǎn)距離坐標(biāo)原點(diǎn)的瞬時(shí)偏轉(zhuǎn)值將與加在垂直偏轉(zhuǎn)板上的電壓瞬時(shí)值成正比。如果加在垂直偏轉(zhuǎn)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(gè)上下移動(dòng)的點(diǎn)，而是一根垂直的亮線了。該亮線的長(zhǎng)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(zhuǎn)板上加一個(gè)正弦交流電壓，則會(huì)產(chǎn)生相類似的情況，只是光點(diǎn)在水平軸上移動(dòng)罷了。

如果將一隨時(shí)間線性變化的電壓（如鋸齒波電壓）加到一對(duì)偏轉(zhuǎn)板上，則光點(diǎn)在熒光屏上又會(huì)怎樣移動(dòng)呢？當(dāng)水平偏轉(zhuǎn)板上有鋸齒波電壓時(shí)，在時(shí)間t=0瞬間，電壓為Vo（最大負(fù)值），熒光屏上光點(diǎn)在坐標(biāo)原點(diǎn)左側(cè)的起始位置（零點(diǎn)上），位移的距離正比于電壓Vo；在時(shí)間t=1的瞬間，電壓為V1（負(fù)值），熒光屏上光點(diǎn)在坐標(biāo)原點(diǎn)左方的1點(diǎn)上，位移的距離正比于電壓V1；以此類推，在時(shí)間t=2，t=3，...,t=8的各個(gè)瞬間，熒光屏上光點(diǎn)的對(duì)應(yīng)位置是2、3、…、8各點(diǎn)。在t=8這個(gè)瞬間，鋸齒波電壓由最大正值V8躍變到最大負(fù)值Vo，則熒光屏上光點(diǎn)從8點(diǎn)極其迅速地向左移到起始位置零點(diǎn)。如果鋸齒波電壓是周期性的，則在鋸齒波電壓的第二個(gè)周期、第三個(gè)周期、……都將重復(fù)第一個(gè)周期的情形。如果此時(shí)加在水平偏轉(zhuǎn)板上的鋸齒波電壓頻率很低，僅為1Hz～2Hz，在熒光屏上便會(huì)看見光點(diǎn)自左邊起始位置零點(diǎn)向右邊8點(diǎn)處勻速地移動(dòng)，隨后光點(diǎn)又從右邊8點(diǎn)處極其迅速地移動(dòng)到左邊起始位置零點(diǎn)。上述這個(gè)過程稱為掃描。在水平軸加有周期性鋸齒波電壓時(shí)，掃描將周而復(fù)始地進(jìn)行下去。光點(diǎn)距離起始位置零點(diǎn)的瞬時(shí)值，將與加在偏轉(zhuǎn)板上的電壓瞬時(shí)值成正比。如果加在偏轉(zhuǎn)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(zhǎng)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(shí)間變化成正比的，而熒光屏上光點(diǎn)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(shí)間軸。在此亮線上的任何相等的線段都代表相等的一段時(shí)間。

如果將被測(cè)信號(hào)電壓加到垂直偏轉(zhuǎn)板上，鋸齒波掃描電壓加到水平偏轉(zhuǎn)板上，而且被測(cè)信號(hào)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(gè)周期的被測(cè)信號(hào)電壓隨時(shí)間變化的波形曲線。在被測(cè)周期信號(hào)的第二個(gè)周期、第三個(gè)周期……都重復(fù)第一個(gè)周期的情形，光點(diǎn)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(cè)信號(hào)電壓是隨時(shí)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(cè)信號(hào)電壓的頻率應(yīng)與鋸齒波電壓的頻率保持整數(shù)比的關(guān)系，即同步關(guān)系。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，就要求鋸齒波電壓的頻率連續(xù)可調(diào)，以便適應(yīng)觀察各種不同頻率的周期信號(hào)。其次，由于被測(cè)信號(hào)頻率和鋸齒波振蕩信號(hào)頻率的相對(duì)不穩(wěn)定性，即使把鋸齒波電壓的頻率臨時(shí)調(diào)到與被測(cè)信號(hào)頻率成整倍數(shù)關(guān)系，也不能使圖形一直保持穩(wěn)定。因此，示波器中都設(shè)有同步裝置。也就是在鋸齒波電路的某部分加上一個(gè)同步信號(hào)來促使掃描的同步，對(duì)于只能產(chǎn)生連續(xù)掃描（即產(chǎn)生周而復(fù)始連續(xù)不斷的鋸齒波）一種狀態(tài)的簡(jiǎn)易示波器（如國(guó)產(chǎn)SB-10型示波器等）而言，需要在其掃描電路上輸入一個(gè)與被觀察信號(hào)頻率相關(guān)的同步信號(hào)，當(dāng)所加同步信號(hào)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(shí)，就可以把鋸齒波頻率“拖入同步”或“鎖住”。對(duì)于具有等待掃描（即平時(shí)不產(chǎn)生鋸齒波，當(dāng)被測(cè)信號(hào)來到時(shí)才產(chǎn)生一個(gè)鋸齒波進(jìn)行一次掃描）功能的示波器（如國(guó)產(chǎn)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(gè)與被測(cè)信號(hào)相關(guān)的觸發(fā)信號(hào)，使掃描過程與被測(cè)信號(hào)密切配合。這樣，只要按照需要來選擇適當(dāng)?shù)耐叫盘?hào)或觸發(fā)信號(hào)，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(shí)踐技術(shù)過程中，常常需要同時(shí)觀察兩種（或兩種以上）信號(hào)隨時(shí)間變化的過程。并對(duì)這些不同信號(hào)進(jìn)行電量的測(cè)試和比較。為了達(dá)到這個(gè)目的，人們?cè)趹?yīng)用普通示波器原理的基礎(chǔ)上，采用了以下兩種同時(shí)顯示多個(gè)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(yīng)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(shí)現(xiàn)的。下面以雙槍示波管為例加以簡(jiǎn)單說明。雙槍示波管有兩個(gè)互相獨(dú)立的電子槍產(chǎn)生兩束電子。另有兩組互相獨(dú)立的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，它們各自控制一束電子作上下、左右的運(yùn)動(dòng)。熒光屏是共用的，因而屏上可以同時(shí)顯示出兩種不同的電信號(hào)波形，雙線示波也可以采用單槍雙線示波管來實(shí)現(xiàn)。這種示波管只有一個(gè)電子槍，在工作時(shí)是依靠特殊的電極把電子分成兩束。然后，由管內(nèi)的兩組互相獨(dú)立的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，分別控制兩束電子上下、左右運(yùn)動(dòng)。熒光屏是共用的，能同時(shí)顯示出兩種不同的電信號(hào)波形。由于雙線示波管的制造工藝要求高，成本也高，所以應(yīng)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(chǔ)上，增設(shè)一個(gè)專用電子開關(guān)，用它來實(shí)現(xiàn)兩種（或多種）波形的分別顯示。由于實(shí)現(xiàn)雙蹤（或多蹤）示波比實(shí)現(xiàn)雙線（或多線）示波來得簡(jiǎn)單，不需要使用結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)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(yīng)用。

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

首先，兩個(gè)被測(cè)信號(hào)頻率與掃描信號(hào)頻率之間應(yīng)該是成整數(shù)比的關(guān)系，也就是要求“同步”。這一點(diǎn)與單線示波器的原理是相同的，區(qū)別在于被測(cè)信號(hào)是兩個(gè)，而掃描電壓是一個(gè)。在實(shí)際應(yīng)用中，需要觀察和比較的兩個(gè)信號(hào)常常是互相有內(nèi)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(gè)被測(cè)信號(hào)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(guān)的轉(zhuǎn)換頻率，使得在示波器上所顯示的波形個(gè)數(shù)合適，以便于觀察。下面談?wù)勲娮娱_關(guān)的工作方式問題，這個(gè)問題與電子開關(guān)的轉(zhuǎn)換頻率有關(guān)。電子開關(guān)的工作方式有“交替”轉(zhuǎn)換和“斷續(xù)”轉(zhuǎn)換兩種。

采用交替轉(zhuǎn)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(diǎn)。但由于被測(cè)信號(hào)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(shí)間超過了人眼的視覺暫留時(shí)間和熒光屏的余輝時(shí)間，則人們所看到的熒光屏上的波形就會(huì)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(guān)有足夠高的轉(zhuǎn)換頻率。這就是說當(dāng)被測(cè)信號(hào)的頻率較低時(shí)，不宜采用交替轉(zhuǎn)換工作方式，而應(yīng)采用斷續(xù)轉(zhuǎn)換工作方式。當(dāng)電子開關(guān)用斷續(xù)轉(zhuǎn)換工作方式時(shí)，在X軸掃描的每一個(gè)過程中，電子開關(guān)都以足夠高的轉(zhuǎn)換頻率，分別對(duì)所顯示的每個(gè)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行多次取樣。這樣，即使被測(cè)信號(hào)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(gè)通道的Y軸前置放大電路、門控電路、電子開關(guān)、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(zhǔn)信號(hào)電路、示波管和高低壓電源供給電路等組成。

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

為了觀察被測(cè)信號(hào)隨時(shí)間變化的波形，示波管的水平偏轉(zhuǎn)板上必須加以線性掃描電壓（鋸齒波電壓）。這個(gè)掃描電壓是由掃描電路產(chǎn)生的。當(dāng)觸發(fā)信號(hào)加到觸發(fā)電路時(shí)，觸發(fā)了掃描電路，掃描電路就產(chǎn)生相應(yīng)的掃描信號(hào)；當(dāng)不加觸發(fā)信號(hào)時(shí)，掃描電路就不產(chǎn)生掃描信號(hào)。

觸發(fā)有內(nèi)觸發(fā)、外觸發(fā)兩種，由觸發(fā)選擇開關(guān)來選擇。當(dāng)該開關(guān)置于內(nèi)的位置時(shí)，觸發(fā)信號(hào)來自經(jīng)Y軸通道送入的被測(cè)信號(hào)。當(dāng)該開關(guān)置于外的位置時(shí)，觸發(fā)信號(hào)是由外部送入的。這個(gè)信號(hào)應(yīng)與被測(cè)信號(hào)的頻率成整數(shù)比的關(guān)系。示波器在使用中，多數(shù)采用內(nèi)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(jí)所需的低壓電源的，高壓是供給示波管顯示系統(tǒng)電源的。