模擬示波器簡介

我們可以簡單的把示波器看成是具有圖形顯示的電壓表。普通的電壓表是在其度盤上移動的指針或者數(shù)字顯示來給出信號電壓的測量讀數(shù)。而示波器則與其不同。示波器具有屏幕，它能在屏幕上以圖形的方式顯示信號電壓隨時間的變化，即波形。 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(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。 影響屏幕的控制機構有： 輝度------輝度控制用來調節(jié)波形顯示的亮度。當電子束移動較快時，熒光物質受到的激勵的時間就變短，這時必須增加輝度才能看清軌跡。反之，當電子束移動緩慢時，屏幕上的光點變得很亮，這時必須減小輝度以避免熒光物質被燒壞。從而延長示波管的壽命。 聚焦------聚焦控制機構用來控制屏幕上光點的大小，以便獲得清晰的波形軌跡。 掃描旋轉-----這個控制機構使X軸掃描線和水平標尺線對齊。由于地球的磁場在各個地方是不同的，這將會影響示波管顯示的掃描線。掃描旋轉功能就用來對此進行補償。掃描旋轉功能是預先調好的，通常只需在示波器搬動后再行調節(jié)。 標尺亮度------標尺亮度可以單獨控制。這對于屏幕攝影或在弱光線條件下工作時非常有用。 Z調制------掃描的輝度可以用電氣的方法通過一個外加的信號來改變。這對于由外部信號來產(chǎn)生水平偏轉以及使用X-Y顯示方式來尋找頻率關系的應用中是十分有用的。此信號輸入端通常是示波器后面板上的一個BNC插座。 二、模擬示波器的偏轉系統(tǒng) 模擬示波器的偏轉系統(tǒng)包括示波管的垂直偏轉系統(tǒng)和水平偏轉系統(tǒng) （一）示波管的垂直偏轉系統(tǒng)：包括輸入衰減器（每通道一個）、前置放大器（每通道一個）、偏轉放大器、用來選擇使用哪一個輸入通道的電子開關。任何示波器的基本性能都是由它的垂直偏轉系統(tǒng)的特性來決定的。 1、靈敏度 垂直偏轉系統(tǒng)對輸入信號進行比例變換，使之能在屏幕上表現(xiàn)出來。示波器可以顯示峰峰值電壓為幾毫伏到幾十伏的信號。因此必須把不同幅度的信號進行變換以適應屏幕的顯示范圍，這樣就可以按照標尺刻度對波形進行測量。這就要求對大信號進行衰減，對小信號進行放大。示波器的靈敏度或衰減器就是為此而設置的。靈敏度是以每格的伏特數(shù)來衡量的。在多數(shù)示波器上，靈敏度控制都是按1-2-5的序列步進變化的。 2、耦合 耦合控制機構決定輸入信號從示波器前面板上的BNC輸入端通到該通道垂直偏轉系統(tǒng)其它部分的方式。耦合控制機構一般有DC耦合、AC耦合等。 DC耦合為信號提供直接的連接通路。因此信號的所有分量（AC和DC）都會影響示波器的波形顯示。 AC耦合則在BNC端和衰減器之間串聯(lián)一個電容。這樣，信號的DC分量就被阻斷，而信號的低頻AC分量也將受阻或大為衰減。示波器的低頻截止頻率就是示波器顯示的信號幅度僅為其真實幅度為71%時的信號頻率。示波器的低頻截止頻率主要決定于其輸入耦合電容的數(shù)值。 接地耦合，這時輸入信號和衰減器斷開并將衰減器輸入端連至示波器的地電平。當選擇接地時，屏幕上將會看到一條位于0V電平的直線。這時可以使用位置控制機構來調節(jié)這個參考電平或掃描基線的位置。 3、輸入阻抗 多數(shù)示波器的輸入阻抗為1MΩ和大約25pF相并聯(lián)，它對多數(shù)電路的負載效應極小。 有些信號來自50Ω輸出阻抗的源。為了準確的測量這些信號并避免發(fā)生失真，必須對這些信號進行準確的傳送和端接。這時應當用50Ω特性阻抗的電纜并用的50Ω負載進行端接。 4、位置 垂直位置控制或POS控制機構控制掃跡在屏幕Y軸的位置。在輸入耦合控制中選擇接地，這樣就可以找到地電平的位置。 5、動態(tài)范圍 動態(tài)范圍就是示波器能夠不失真的顯示信號的最大幅值，在此信號幅值下只要調節(jié)示波器的垂直位置仍能觀察到波形的全部。 6、相加和反相 簡單的把兩個信號相加起來似乎沒有什么實際意義，然而把兩個有關的信號之一反相，再將兩者相加，實際上實現(xiàn)了兩個信號的相減。這對于消除共模干擾（即交流聲），或者進行差分測量都是非常有用的。從一個系統(tǒng)的輸出信號中減去輸入信號，再進行適當?shù)谋壤儞Q，就可以測出被測系統(tǒng)引起的失真。 7、交替和斷續(xù) 示波器CRT本身一次只能顯示一條掃跡。然而在實際應用中常常要進行信號的比較，例如嚴究輸入/輸出信號間的關系，或者一個系統(tǒng)對信號的延遲等。這就要求示波器實際上能同時顯示不止一個信號。 為了達到這一目的，可以用兩種辦法來控制電子束： （1）可以交替的畫完一條掃跡，再畫另一條掃跡。這種方法稱為交替模式，即ATL模式。交替模式適合于需要使用較快時基設置的高頻率信號的顯示。 （2）可以在兩條掃跡之間迅速的進行開關和斬波切換，從而分段的畫出兩條掃跡。這稱為斷續(xù)模式或CHOP模式。其結果是在一次掃描的時間里一段接一段的畫出兩條掃跡。 斷續(xù)模式適合于在低時基速率下顯示低頻率信號，因為這時斬波器開關能快速進行切換。 8、帶寬 示波器最重要的技術指標就是帶寬。示波器的帶寬表明了該示波器垂直系統(tǒng)的頻率響應。示波器的帶寬定義為示波器在屏幕上能以不低于真實信號3dB的幅度來顯示信號的最高頻率?！?dB點的頻率就是示波器所顯示的信號幅度“Vdisp”的71%時的信號頻率。 9、帶寬限制器 使用帶寬限制器可以把通常帶寬在100MHZ以上的帶寬示波器的頻帶減小到20MHZ的典型值。這樣就降低了噪聲電平和干擾，這對于進行高靈敏度的測量是非常有用的。 10、上升時間 上升時間直接和帶寬有關。上升時間通常規(guī)定為信號從其穩(wěn)態(tài)最大值的10%到90%所用的時間。上升時間是一個示波器從理論上來說能夠顯示最快的瞬變的時間。示波器的高頻響應曲線是經(jīng)過認真安排的。這就保證了具有高諧波含量的信號，能夠在屏幕上精確的再現(xiàn)。如果頻響曲線下降太快，則在信號的快速上升沿就會發(fā)生振鈴現(xiàn)象。如果頻響曲線下降太慢，即在頻響曲線上下降開始得過早，則示波器總的高頻響應就受到影響。 （二）示波管的水平偏轉系統(tǒng)：包括時基、觸發(fā)電路、和水平偏轉放大器。 1、時基 為了描繪一幅圖形，必須要水平和垂直兩個方向的信息。示波器描繪軌跡表明信號隨時間變化的情況，水平偏轉必須和時間成正比。示波器中控制水平偏轉，即X軸的系統(tǒng)稱為時基。在示波器里有一個精確的掃描發(fā)生器。它使得電子束以精確的、用戶可以選擇的速度在屏幕上掃描。掃描速度以每格的秒數(shù)來度量。掃描速度也和靈敏度控制一樣按1-2-5的序列變化。 2、水平位置控制 水平或X軸位置控制機構X-POS可以在屏幕上沿水平方向移動掃跡。這樣就可以把掃跡上的某一點和某一條垂直標尺線對齊，以便為時間測量規(guī)定一個起始點。 3、可變時基 我們可以選擇不同于標準的1-2-5序列設置值的掃描速度。這樣我們就能夠把任意一個波形的一個周期調整成橫跨整個屏幕寬度。 4、時基放大 時基放大功能通常能將X軸偏轉掃描放大10倍。這樣在屏幕上看到的等效時基速度也變快10倍。和簡單的直接選擇更快的時基速度相比，這種方法的好處是能夠在保持原信號不變的情況下更加詳細的觀察信號的細節(jié)。 5、雙時基 在很多觀察復雜信號波形的應用場和中，往往需要顯示一個波形的一小部分，并使它占據(jù)整個屏幕。這時，使用標準時基通過正常觸發(fā)是無能為力的。這就是采用雙時基工作的原因。使用雙時基時，電子束將以兩個時基的兩種不同的速度交替的在屏幕上掃描。 6、時基模式 時基電路一般有自動、正常、或觸發(fā)以及單次或單次捕捉等幾種工作模式。 （1）正常模式 時基必須受到觸發(fā)才能產(chǎn)生掃跡。沒有信號就沒有掃跡，示波器在選定的觸發(fā)源通道上必須有輸入信號，并且該信號必須大到足以觸發(fā)時基電路。 （2）自動模式 如果能在沒有輸入信號時也能看到掃跡，這將會很有用。在沒有輸入信號以進行觸發(fā)時，自動模式將使時基以低頻率自由運行，從而在屏幕上產(chǎn)生掃跡。這使得用戶可以設置掃跡的垂直位置，即如果信號僅為一直流電位的情況。 （3）單次模式 當接收到觸發(fā)信號時時基將進行掃描，并且將只掃描一次。對于每次觸發(fā)事件都必須使時基電路作好觸發(fā)準備，不然的話，下面來的觸發(fā)事件將不能起動時基掃描。 7、觸發(fā) 為了保證在電子束掃過屏幕時每次都準確的掃過相同的路徑，這就需要觸發(fā)電路。如果沒有觸發(fā)電路，將會在屏幕上看到的是具有隨機起始點的很多波形雜亂重疊的圖形，而觸發(fā)電路的作用就在于保證每次時基在屏幕上掃描的時侯，時基掃描都從輸入信號上的一個精確確定的點開始。 觸發(fā)電路的幾個控制因素 （1）觸發(fā)源-------它決定觸發(fā)信號從哪里獲得。在多數(shù)情況下，觸發(fā)信號來自輸入信號本身。如果只使用一個通道，那么觸發(fā)源就設置為該通道。如果使用多個通道，那么觸發(fā)源可以從這些通道中選取。復合觸發(fā)則是在顯示不同的通道時輪流使用相應的通道觸發(fā)。這對于顯示頻率不相關的信號時是非常有用的。如果示波器具有外部觸發(fā)輸入端（Ext.），那么它上面連接的信號則可驅動觸發(fā)電路使示波器觸發(fā)。如果要觀測在電源頻率或者緣于源于電源頻率系統(tǒng)的信號，那么電源觸發(fā)功能可以提供電源觸發(fā)的能力。這是觀察與電源有關的干擾信號的好方法。 （2）觸發(fā)電平觸發(fā)電平控制機構設置選定觸發(fā)源的信號欲使觸發(fā)電路啟動時基掃描所必須跨越的電壓電平值。 （3）觸發(fā)斜率觸發(fā)斜率控制機構決定觸發(fā)發(fā)生于觸發(fā)源信號的上升沿（“正斜率”）或者下降沿（“負斜率”） （4）觸發(fā)耦合用于決定選定的觸發(fā)源信號送往觸發(fā)電路的耦合方式。 DC耦合-------觸發(fā)源直接連到觸發(fā)電路 AC耦合-------觸發(fā)源通過一個串聯(lián)的電容連到觸發(fā)電路 （5）峰—峰值電平將觸發(fā)電平控制機構的控制范圍設置成略小于觸發(fā)源信號的峰—峰值。這種模式下不可能將觸發(fā)電平設置為超出輸入信號的值，所以只要有信號示波器總能觸發(fā)。 （6）HF抑制使觸發(fā)源信號通過低通濾波器以抑制其高頻分量。這意味著既使一個低頻信號中包含很多高頻噪音，我們仍能使其按低頻信號觸發(fā)。 （7）LF抑制使觸發(fā)源信號通過高通濾波器以抑制其低頻分量。這對于顯示包含很多電源交流聲的信號等情況是很有用的。 （8）TV觸發(fā)在這種模式下觸發(fā)電平控制不起作用。這時示波器使用視頻信號中的同步脈沖作為觸發(fā)信號。TV觸發(fā)有兩種模式：幀觸發(fā)TVF和行觸發(fā)TVL。 （9）幀觸發(fā)TVF每一幀電視圖像由兩場組成。每一場則包含構成一個完整的幀所需行數(shù)的一半。在電視屏幕上兩場信號交錯顯示以構成一幀的畫面。采用這種技術減少了傳送一個頻道所需要的帶寬并減小了畫面的閃爍。在每一個場開始的時候都有一個特別的脈沖序列，稱為幀同部脈沖。 （10）行觸發(fā)TVL每一場包括若干行。每一行都由一個行同步脈沖即行同步信號開始。示波器可以由每一個行同步脈沖來觸發(fā)，這樣描繪出的各個行的波形將會重疊在一起。使用幀觸發(fā)和雙時基我們可以觀察某一特定行的波形。 （11）觸發(fā)隔離有些信號具有多個可能的觸發(fā)點。即在各次掃描之間加入延遲時間，使得每次觸發(fā)總是從相同的信號沿開始。 （12）延遲時間觸發(fā) （三）附加功能 X-Y偏轉------- X-Y偏轉和X-Y模式是示波器的另一種顯示方法。這時示波器將時基關閉，而用另一個與產(chǎn)生垂直偏轉的信號不同的信號來使電子束在水平方向偏轉。這就是說用兩個信號在X、Y方向同時作用于電子束而描繪出波形，以便觀察這兩個信號的關系。在任何涉及兩個相互關聯(lián)的物理量的場合都可以使用X-Y模式。它最常見的用處是觀察兩信號間的相位關系。