模擬示波器的基本工作原理

1、模擬示波器的基本工作原理1.回顧中學(xué)的沙漏實(shí)驗(yàn)一一隨時(shí)間變化的信號(hào)如何在平面展示物理學(xué)理論可以證明，端通過(guò)細(xì)繩固定的重 物在作擺動(dòng)時(shí)，與中心垂線的距離滿足正弦波規(guī) 律。沙漏實(shí)驗(yàn)可以清晰地顯示這個(gè)隨時(shí)間變化的 波形：用沙漏充當(dāng)重物，并且在沙漏底下的桌面 上平鋪張紙，當(dāng)沙漏開(kāi)始擺動(dòng)時(shí)，讓紙勻速移 動(dòng)。這樣，沙漏中流出的細(xì)沙，就在紙上留下了個(gè)正弦波痕跡，如圖所示。利用這種設(shè)計(jì)思想, 可以完成波形在平面上（對(duì)應(yīng)于時(shí)間的流動(dòng)）的 展開(kāi)。這種設(shè)計(jì)思想在波形記錄、顯示中被廣泛 采用,比如心電圖機(jī),就是用原地?cái)[動(dòng)的電熱針, 在勻速移動(dòng)的記錄紙帶上描記出心電波形。利用心電圖機(jī)的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)可以記錄電壓信號(hào)，但是，

2、示波器在大量的應(yīng)用中，并不需要通過(guò)消 耗紙張來(lái)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(jì) 中。在示波器上描繪一條曲線一一電子槍和熒光屏在個(gè)封閉玻璃管顯示屏的內(nèi)壁涂上熒光粉，當(dāng)熒光粉被大量電廣形成的電廣束轟擊時(shí)，會(huì)發(fā)出 熒光?？梢园l(fā)出電r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(qiáng)的電r-o這些電廣束在 飛行過(guò)程中，如果遇到電場(chǎng)的作用，會(huì)因電場(chǎng)形成的力而改變運(yùn)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(diǎn)改變。根據(jù)這個(gè)原理制造的示波管，其結(jié)構(gòu)如圖所示。圖中 電子槍發(fā)出的電子束，經(jīng)過(guò)兩個(gè)偏轉(zhuǎn)板的作用，會(huì)在X、丫兩個(gè)方向上發(fā)生偏轉(zhuǎn)。當(dāng)在丫偏轉(zhuǎn)板上加

3、入被測(cè)信號(hào)，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(diǎn)隨 著被測(cè)電壓的變化而發(fā)生位置變化一一電壓越大，光點(diǎn)位置越靠上方。當(dāng)在X偏轉(zhuǎn)板上加入個(gè)鋸齒波，而在丫偏轉(zhuǎn)板上不加電壓，可以看到光點(diǎn)從熒光屏左邊出現(xiàn), 勻速移動(dòng)到右邊，然后又迅速在左邊重復(fù)出現(xiàn)。當(dāng)在X偏轉(zhuǎn)板上加入個(gè)鋸齒波，而在丫偏轉(zhuǎn)板上加入個(gè)正弦波，則可以看到，光點(diǎn)在勻速左 移的同時(shí)，其丫方向位置出現(xiàn)了正弦變化的規(guī)律，也就是說(shuō)，光點(diǎn)的移動(dòng)軌跡是個(gè)正弦波。圖示波管的結(jié)構(gòu)示意圖Tm/T ijl 一心 口 pj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(cè)信號(hào)穩(wěn)定地顯示在示波器的熒光屏上. 當(dāng)X軸偏轉(zhuǎn)板上加入周期性的鋸齒波時(shí)，而Y

4、軸偏轉(zhuǎn)板上加入被測(cè)的正弦信號(hào)，示波器的熒光解 上會(huì)出現(xiàn)如圖所示的波形0由于X軸偏轉(zhuǎn)板的鋸齒波頻率為機(jī)內(nèi)產(chǎn)生，肯定無(wú)法保證其與外界被測(cè)信號(hào)頻率同步，因此，就出現(xiàn)/每個(gè)鋸齒波的起點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的被測(cè)正弦波的相位不致0這樣,Y軸偏轉(zhuǎn)板 泗洲I信目X軸偏轉(zhuǎn)板示波器的熒光屏圖自動(dòng)觸發(fā)引起的被測(cè)波形滾動(dòng)觀察者在示波器上看到的波形好像是在滾動(dòng)，并且多個(gè)波形交錯(cuò)重疊。這種波形顯示，是難以完 成觀察者記錄波形、測(cè)量波形的任務(wù)的。只有準(zhǔn)確控制X軸偏轉(zhuǎn)板上的鋸齒波電壓的觸發(fā)時(shí)刻，使其在被測(cè)信號(hào)的相同初相角處發(fā)出，才 能夠使得被測(cè)波形在熒光屏上準(zhǔn)確重疊，獲得穩(wěn)定的波形顯示。如圖所示。示波器內(nèi)部的電路, 通過(guò)下述方法，可以檢

5、測(cè)出被測(cè)信號(hào)在每個(gè)周期中，相同的初相角時(shí)刻。在個(gè)周期性信號(hào)中，相同初相角的時(shí)刻，各個(gè)周期的電壓信號(hào)具備如下特征：它們的瞬時(shí)電壓 相等，并且它們上升或者下降的特征相同。在圖中，被測(cè)信號(hào)在時(shí)刻，具有相同的特征： 都是以上升的方式經(jīng)過(guò)0V電壓。示波器內(nèi)部，用微分電路可以區(qū)分被測(cè)信號(hào)上升或者下降，用 比較淤配合外部的電壓設(shè)置，可以判斷被測(cè)信號(hào)是否經(jīng)過(guò)這個(gè)比較電壓（比如圖中的0V）。這 樣，再經(jīng)過(guò)套邏輯電路，可以在被測(cè)信號(hào)具有相同初相角的時(shí)刻，控制X軸偏轉(zhuǎn)板，發(fā)出個(gè) 鋸齒波。這種利用被測(cè)信號(hào)的周期性，在相同初相角時(shí)刻，觸發(fā)X軸鋸齒波掃描信號(hào)，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)

6、掃描。圖中，鋸齒波在時(shí)刻滿 足觸發(fā)條件，但僅在、時(shí)刻被觸發(fā)，是因?yàn)樵?、時(shí)刻，此前的鋸齒波尚未掃描 結(jié)束。Y軸偏轉(zhuǎn)板 掂洲I信烏X軸偏轉(zhuǎn)板9 IP .田圖根據(jù)被測(cè)信號(hào)觸發(fā)X軸鋸齒波可以穩(wěn)定顯示波形因此，在示波器外部面板上，有控制被測(cè)信號(hào)在電壓多大時(shí)觸發(fā)鋸齒波產(chǎn)生的電平旋鈕，英文標(biāo) 識(shí)為L(zhǎng)evel,這個(gè)電壓稱為觸發(fā)電平。有控制被測(cè)信號(hào)是上升或者下降經(jīng)過(guò)Level電壓的選擇開(kāi)關(guān), 英文標(biāo)識(shí)為Slope為了更加清晰地表述觸發(fā)掃描中，各個(gè)控制開(kāi)關(guān)和旋鈕對(duì)波形顯示的膨響，圖圖給出了幾 個(gè)實(shí)例。請(qǐng)讀者將這些圖和圖作比較。Y軸偏轉(zhuǎn)板咕制啟叁X軸偏轉(zhuǎn)板non示波器的熒光屏Y軸偏轉(zhuǎn)板他涮歸縣示波器的熒光屏X釉偏轉(zhuǎn)

7、板A口 I M .5圖觸發(fā)電平太高或太低，無(wú)法觸發(fā)鋸齒波，無(wú)波形顯示Y軸偏轉(zhuǎn)板 油油I信反X軸偏轉(zhuǎn)板M3 I.田圖將上升沿觸發(fā)改為下降沿觸發(fā)引起的顯示波形改變Y軸偏轉(zhuǎn)板獷;：加信&X軸偏轉(zhuǎn)板M3 » .、*圖提高鋸齒波掃速對(duì)波形顯示的影響Y軸偏轉(zhuǎn)板加;mI自叁X軸偏轉(zhuǎn)板MJ »P .、金圖降低鋸齒波掃速對(duì)波形故示的影響怎樣實(shí)現(xiàn)雙蹤波形顯示般來(lái)說(shuō)，個(gè)示波器只有套電r槍系統(tǒng)。而在日常測(cè)量中，經(jīng)常需要比較兩個(gè)或者兩個(gè)以上 被測(cè)信號(hào)之間的相位，這就需要示波器能夠同時(shí)完成兩路被測(cè)信號(hào)的顯示。這就叫雙蹤顯示。 示波券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(

8、CHOP)。它們都是利用人 眼的視覺(jué)暫留現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)的。這點(diǎn)，類似于計(jì)算機(jī)的多任務(wù)分時(shí)操作，利用設(shè)備的高速性能和人 對(duì)事物觀察的緩慢，讓觀察者察覺(jué)不到設(shè)備內(nèi)部的分時(shí)操作。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(cè)信號(hào)。如圖所 示，號(hào)鋸齒波周期內(nèi)，Y軸偏轉(zhuǎn)板上為通道1的正弦波，電束在熒光醉上掃出個(gè)正弦波片 斷，號(hào)鋸齒波開(kāi)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個(gè) 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(shí)顯示。在交替顯示中，負(fù)責(zé) 切換兩個(gè)通道信號(hào)的電廣開(kāi)關(guān)，是以觸發(fā)后的鋸齒波為節(jié)拍的。因此，當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率較低時(shí), 肉眼可

9、以看出這種切換，不利于波形的穩(wěn)定顯示。所以，此時(shí)股使用斷續(xù)方式實(shí)現(xiàn)雙蹤顯示。示波器的熒光屏Slooe: /n ；C ；n ;n c ;c44444原始輸入 的兩路被X軸偏轉(zhuǎn)板 9 IP .5Y軸偏轉(zhuǎn)板 交替接通兩圖交替方式實(shí)現(xiàn)雙蹤顯示的【作原理斷續(xù)顯示在斷續(xù)方式中，丫軸偏轉(zhuǎn)板上的負(fù)責(zé)切換兩個(gè)通道信號(hào)的電子開(kāi)關(guān)，是以個(gè)較高的、固定的頻 率，頻繁的在通道1和通道2之間切換，以實(shí)現(xiàn)對(duì)兩路信號(hào)的同時(shí)顯示。如圖所示。通過(guò)橢圓 小圖內(nèi)的展開(kāi)波形，可以看到，在個(gè)掃描周期內(nèi)，電f開(kāi)關(guān)頻繁地切換于兩個(gè)通道，小圖內(nèi)的 縱向虛線，是電廣開(kāi)關(guān)切換時(shí)留下的痕跡，這些縱線的存在將使得顯示波形很模糊，因此，示波 然采用消除

10、電路，在電廣開(kāi)關(guān)切換的瞬間，關(guān)閉r電子槍，使得人肉眼只能看到兩條光滑的被測(cè) 曲線。但是，需要注意的是，當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率很高時(shí)，在示波器上就可以看到每條曲線都是斷續(xù) 的，這也不利于觀察。因此，被測(cè)信號(hào)頻率很高時(shí)，應(yīng)該采用交替方式實(shí)現(xiàn)雙蹤顯示。Slooe: / 原始輸入 的兩路被X軸偏轉(zhuǎn)板Y軸偏轉(zhuǎn)板 以固定頻率 接通兩路被圖斷續(xù)方式實(shí)現(xiàn)雙蹤顯示的工作原理為什么要進(jìn)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(hào)?！癷觸發(fā)源為被測(cè)信號(hào)木身，示波器可以保證能齒波的產(chǎn)生 與被測(cè)信號(hào)同步，進(jìn)而完成顯示的準(zhǔn)確重段，也就是穩(wěn)定。以被測(cè)信號(hào)木身作為觸發(fā)源，是模擬示波器基本工作原理 的表現(xiàn)。為增加觸發(fā)靈活性，以適應(yīng)更為豆雜的測(cè)量要求，實(shí)際的示波器中，都可以對(duì)觸發(fā)源進(jìn)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(lái)自示波器的外觸發(fā)端子，而內(nèi)觸發(fā)則指觸發(fā)源來(lái)自 被測(cè)信號(hào)、機(jī)內(nèi)獲得了工頻電樂(lè)信號(hào)等.與