模拟示波器的基本工作原理.pdf

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1、.模拟示波器的基本工作原理1．回顾中学的沙漏实验——随时间变化的信号如何在平面展示物理学理论可以证明，一端通过细绳固定的重物在作摆动时，与中心垂线的距离满足正弦波规律。沙漏实验可以清晰地显示这个随时间变化的波形：用沙漏充当重物，并且在沙漏底下的桌面上平铺一张纸，当沙漏开始摆动时，让纸匀速移动。这样，沙漏中流出的细沙，就在纸上留下了一个正弦波痕迹，如图1.1.3所示。白纸匀速移动利用这种设计思想，可以完成波形在平面上（对应于时间的流动）的展开。这种设计思想在波形记录、显示中被广泛采用，比如心电图机，图1.1.3沙漏摆动留下的正弦波就是用原地摆动的电热

2、针，在匀速移动的记录纸带上描记出心电波形。利用心电图机的结构，已经可以记录电压信号，但是，示波器在大量的应用中，并不需要通过消耗纸张来记录波形，而仅仅是观察波形。因此，可以重复使用的荧光屏，被应用到示波器的设计中。2．在示波器上描绘一条曲线——电子枪和荧光屏在一个封闭玻璃管显示屏的内壁涂上荧光粉，当荧光粉被大量电子形成的电子束轰击时，会发出荧光。可以发出电子束的设备称为电子枪，它可以连续地发出集束性很强的电子。这些电子束在飞行过程中，如果遇到电场的作用，会因电场形成的力而改变运行方向，导致最终电子束落到荧光屏上的位置发生改变，也就是光点改变。根据这

3、个原理制造的示波管，其结构如图1.1.4所示。图中电子枪发出的电子束，经过两个偏转板的作用，会在X、Y两个方向上发生偏转。当在Y偏转板上加入被测信号，而在X偏转板上不加电压，可以在示波管的荧光屏上看到光点随着被测电压的变化而发生位置变化——电压越大，光点位置越靠上方。当在X偏转板上加入一个锯齿波，而在Y偏转板上不加电压，可以看到光点从荧光屏左边出现，匀速移动到右边，然后又迅速在左边重复出现。当在X偏转板上加入一个锯齿波，而在Y偏转板上加入一个正弦波，则可以看到，光点在匀速左移的同时，其Y方向位置出现了正弦变化的规律，也就是说，光点的移动轨迹是一个正

4、弦波。屏光荧电子束光点电子枪Y偏转板X偏转板图1.1.4示波管的结构示意图3．怎样将周期性电压信号稳定地显示于荧光屏？...仅靠电子枪、X偏转板、Y偏转板和荧光屏，还不能将被测信号稳定地显示在示波器的荧光屏上。当X轴偏转板上加入周期性的锯齿波时，而Y轴偏转板上加入被测的正弦信号，示波器的荧光屏上会出现如图1.1.5所示的波形。由于X轴偏转板的锯齿波频率为机内产生，肯定无法保证其与外界被测信号频率同步，因此，就出现了每个锯齿波的起点，对应的被测Y轴偏转板○3被测信号○1○2○4X轴偏转板锯齿波示波器的荧光屏○1○2○3○4图1.1.5自动触发引起的被

5、测波形滚动正弦波的相位不一致。这样，观察者在示波器上看到的波形好像是在滚动，并且多个波形交错重叠。这种波形显示，是难以完成观察者记录波形、测量波形的任务的。只有准确控制X轴偏转板上的锯齿波电压的触发时刻，使其在被测信号的相同初相角处发出，才能够使得被测波形在荧光屏上准确重叠，获得稳定的波形显示。如图1.1.6所示。示波器内部的电路，通过下述方法，可以检测出被测信号在每个周期中，相同的初相角时刻。在一个周期性信号中，相同初相角的时刻，各个周期的电压信号具备如下特征：它们的瞬时电压相等，并且它们上升或者下降的特征相同。在图1.1.6中，被测信号在○1～

6、○6时刻，具有相同的特征：都是以上升的方式经过0V电压。示波器内部，用微分电路可以区分被测信号上升或者下降，用比较器配合外部的电压设置，可以判断被测信号是否经过这个比较电压（比如图中的0V）。这样，再经过一套逻辑电路，可以在被测信号具有相同初相角的时刻，控制X轴偏转板，发出一个锯齿波。这种利用被测信号的周期性，在相同初相角时刻，触发X轴锯齿波扫描信号，使得波形被重叠、稳定地显示于示波器荧光屏的技术，称为同步触发扫描。图中，锯齿波在○1～○6时刻满足触发条件，但仅在○1、○3、○5时刻被触发，是因为在○2、○4、○6时刻，此前的锯齿波尚未扫描结束。Y

7、轴偏转板被测信号○3○2○1○1○2○3○4○5○6X轴偏转板锯齿波示波器的荧光屏○1○2○3图1.1.6根据被测信号触发X轴锯齿波可以稳定显示波形因此，在示波器外部面板上，有控制被测信号在电压多大时触发锯齿波产生的电平旋钮，英文标识为Level，这个电压称为触发电平。有控制被测信号是上升或者下降经过Level电压的选择开关，英文标识为Slope为了更加清晰地表述触发扫描中，各个控制开关和旋钮对波形显示的影响，图1.1.7～图1.1.11给出了几个实例。请读者将这些图和图1.1.6作比较。Slope:LevelY轴偏转板被测信号○3○2○1○1○2

8、○3○4○5○6X轴偏转板锯齿波示波器的荧光屏○1○2○3图1.1.7改变触发电平对波形显示的影响Slope:LevelY