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示波器基礎（一）——示波器基礎知識之二
點擊次數：7178 發布時間：2011-2-18
1．4 水平偏轉
時基
為了描繪一幅圖形，我們必須要有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的變化情況，因此其水平偏轉必須和時間成正比。示波器中控制水平偏轉，即X軸的系統稱為時基。
在示波器里有一個的掃描發生器。它使得電子束以的、用戶可選擇的速度在屏幕上掃描。時基發生器的輸出示于圖6
| 掃描速度以每格的秒數（s/格）來度量。一臺典型示波器的掃描速度范圍可以從20ns/格到0。5s/格。掃描速度也和靈敏度控制一樣按1－2－5的序列變化。只要我們知道了每個標尺格所代表的時間值，就可以測量出屏幕掃跡上任何兩點之間的時間。 |
圖6 時基發生器的輸出波形。圖中示出掃描時間、
回掃時間和隔離停止（Hold-off）時間
例如，圖7和圖8顯示的都是1kHz的正弦波（其周期為1ms）,而掃描速率分別為1ms/格和200ms/格。（us=微秒10-6）。
| 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。這樣我們就可以把掃跡上的某一點和某一條垂直標尺線對齊，以便為時間測量規定一個起始點 可變時基 |
圖 7 1kHz 的正弦波，時基設置為1ms/格
| 多數示波器會給出指示，說明正在使用可變時基，X軸處于未校準狀態。更先進的示波器，如我們用作示例的示波器，可以工作在校準的連續可變時基模式。這時由于可以用整個屏幕來顯示信號中我們感興趣的部分，所以能獲得更好的測量時間分辨率。同時也能大大減少發生操作錯誤的可能性。 |
圖8 1kHz的正弦波，時基設置為200μs/格
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。所以一臺未經時基放大的時掃描速度為20ns/格的示波器經時基放大后可以以2ns/格的速度掃描。示波器屏幕現在就成了信號上的一個可移動的觀察窗口。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。
圖9說明如何使用X軸位置控制來實現信號的滾動顯示。
| 雙時基 在很多觀察復雜信號波形的應用場合中，往往需要顯示一個波形的一小部分，并使它占踞整個屏幕。這種情況的一個典型的例子是觀察研究全部電視信號中某一選定的行的波形。在這類情況中，使用標準時基通過正常觸發的方法是無能為力的。 |
圖9 時基放大和X軸位置控制
這就是在現代示波器上采用雙時基工作的原因。
在這個例子中，示波器的主時基（MTB）可由波形中的主觸發事件，即全電視信號中的垂直同步信號來觸發。MTB掃跡的一部分顯示得更亮一些，這稱為加亮部分。在此加亮部分的起始點時刻，第二個時基，稱為延遲時基或DTB開始掃描。這第二個時基可按自己的掃描速度來設置。并且掃描速度比主時基的掃描速度要快。主時基的起始點和加亮部分開始點之間的延遲時間是可調的。
我們甚至可以作到在選定的延遲時間結束時不啟動DTB掃描，而只是在該時刻為DTB時基的觸發電路作好觸發準備。如果過一會兒再發生新的觸發事件，DTB掃描即將開始。
所以，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。
讓我們來看圖10。首先主時基以500μs/格的速度運行，在屏幕上描繪出一個波形。在此掃描期間，過了2ms即等于4格的時間以后，掃跡被加亮。這段延遲時間由延遲1控制來設定。波形上加亮部分的時間長度則由DTB掃描時間控制機構來高定，在我們的例子中現在為50μs/格
| 當經過2ms的延遲時間后延遲時基進行掃描時，它只顯示原來主時基掃跡的十分之一。但是這段原來主進基掃跡十分之一的波形段則在整個屏幕上顯示出來。 在老式的示波器上，延遲控制指的是延遲時間倍增器。邊是一個帶有刻度的多圈電位器。當掃跡的加亮部分在MTB上根據需要確定位置以后， |
圖10 雙時基工作（500μs/格及50μs格，4格延遲）
其延遲即可由DTB時基速度和該電位器示出的刻度讀數相乘而計算出來。由此延遲控制一詞得名。
當我們改變延遲時間時，就改變了延遲時基掃描的起始點在主時基上的位置。而改變延遲時基掃描速度則改變在主時其上顯示出來的波形段的長度。
當延遲時基已經設置好，并顯示出欲觀察的信號段時，我們可以把主時基關閉。這樣可以使得延遲掃跡變得更亮。
 | 典型雙時基示波器的時基工作模式有： －MTBI＝只用主時基 －MTB±＝主時基加亮 |
圖11 無觸發的信號波形
－MTB加亮和DTB
和MTBI相同，但也同時顯示DTB掃描。
－DTB＝延遲時基。
只顯示DTB掃描。
在本書的觸發部分還會進一步討論雙時基的問題。
| 時基模式 時基電路有幾種工作。對普通模擬示波器來說，工作模式有自動、正常或觸發以及單次或單次捕捉等模式。 |
圖12 觸發電平設置對顯示波形的影響
一正常模式
時基必須受到觸發才能產生掃跡。其規律非常簡單，即"沒有信號就沒有掃描軌跡"。示波器在選定的觸發源通道上必須有輸入信號，并且該信號必須大到足以觸發時基電路。如果沒有輸入信號，屏幕上就不會有掃描軌跡。
－自動模式
如果能在沒有輸入信號時也能看到掃跡。這將會是很有用的。在沒有輸入信號以進行觸發時，自動模式將使時基以低頻率自由運行，從而在屏幕上產生掃跡。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。
一單次模式
當接收到觸發信號時進基將進行掃描，并且將只掃描一次。對于每次觸發事件都必須使時基電路作好觸發準備（atm）。不然的話，下面來的觸發事件將不能啟動時基掃描。對于不同的示波器，按動標有單次或復位的按鈕就使得觸發電路重新作好觸發準備。為了避免在單次掃描工作時盲目猜測，現代示波器上可以用屏幕上顯示出伏特數值或顯示水平線的方式來顯示出其觸發電平值。
1．5 觸 發
我們已經看到在示波管上輸入信號如何提供垂直偏轉，時基如何給出水平偏轉。但是我們如何保證在電子束掃過屏幕時每次都準確地掃過相同的路徑呢？解決這個問題的關鍵在于觸發電路。如果沒有觸發電路，你在屏幕上看到的將會是具有隨機起始點的很多波形雜亂重疊的圖象。而觸發電路的作用就在于保證每次時基在屏幕的掃描的時候，時基掃描都從輸入信號上的一上確定的點開始。這個的掃描起始點則由下述控制因素來決定。
圖-13視頻行信號
觸發源
它決定觸發信號從哪里獲得。在多數情況下，觸發信號來自輸入信號本身。所以如果只使用一個通道，那么觸發源就設置為該通道。如果使用多個通道，那么觸發源可以從這些通道中選取。
復合觸發（Composite triggering）則是在顯示不同的通道時輪流使用相應的通道觸發。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輸入端（Ext），那么它上面連接的信號則可驅動觸發電路使示波器觸發。
如果要觀測在電源頻率或者源于電源頻率系統的信號，那么電源觸發功能可以提供電源觸發的能力。這是觀察與電源有關的干擾信號的好方法。
觸發電平
觸發電平控制機構設置選定觸發源的信號欲使觸發電路啟動時基掃描所必須跨越的電壓電平值。
觸發斜率
觸發斜率控制機構決定觸發發生于觸發源信號的上升沿（"正斜率"）或者下降沿（"負斜率"）
觸發耦合
用以決定選定的觸發源信號送往觸發電路的耦合方式
－DC耦合
觸發源直接連到觸發電路。
－AC耦合
觸發源通過一個串聯的電容連到觸發電路。
－峰（－）峰值電平－（Level p（－）p）
將觸發電平控制機構的控制范圍設置成略小于觸發源信號的峰（－）峰值。在這種模式下不可能將觸發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。
| －HF抑制 使觸發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。 使觸發源信號通過一個高通濾波器以抑制其低頻成分。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。
|
圖14 復殺脈沖的觸發隔離應用
－TV觸發
在這種模式下觸發電平控制不起作用。這時示波器使用視頻信號中的同步脈沖作為觸發信號。TV觸發有兩種模式：幀觸發TVF和行觸發TVL
－TVF
每一幀電視圖象由兩場組成。每一場則包含構成一個完整的幀所需行數的一半。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，稱為幀同步脈沖。在TVF同步模式下，示波器就由幀同步脈沖來觸發。現代示波器的觸發控制可以區分*場和第二場。
－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，這樣描繪出的各個行的波形將會重疊在一起。使用幀觸發和雙時基我們可以觀察某一特定行的波形。我們還可以使用如象Fluke公司的示波器所具有的稱為視頻行選擇器的特殊的附件PM8917來觀察某一特定的行。使用本書中用作示例的組合示波器時，我們可以使用示波器不內裝的視頻行計數器直接選定所需的行號（ 僅即于PM3394A系列示波器）。 觸發隔離（Trigger Hold-off）
有些信號具有多個可能的觸發點。這種情況的一個很好的例子是圖14中的數這信號。該信號雖然在較長的時間周期內是重復的，但是在短時間內情況則不然。為了更詳細的觀察少數個別脈沖，必須便使用快速的掃描時基。但是這樣一來每次掃描時顯示出來的信號波形段就是變化不一的。為了解決這個問題，我們采用了觸發隔離功能，即在各次掃描之間加入延遲時間，使得發描的每次觸發總是從相同的信號沿開始。
延遲時基觸發
從本書前面的時基部分我們已經知道，在MTB掃描時基開始后經過一段延遲，DTB開始掃描，即愛到觸發。此延遲時間從MTB觸發點開始計算。經過這段時間延遲后，DTB實際上是由延遲系統啟動的。這種模式稱為DTB啟動。
和MTB類似，DTB也可以按觸發模式工作。示波器上設有相應的控制機構以設置DTB觸發源、觸發電平、觸發率及耦合方式。這些控制機構與MTB無關，自己獨立工作。選擇了這種設置方式后，當上述的延遲時間結束以后，DTB就作好觸發準備。而當輸入信號上探測到新的觸發事件時DTB才被角發開始掃描。這種工作模式稱為觸發工DTB。我們將在本書后面的練習中介紹如何使用觸發式DTB。
1．6 附加功能
X－Y偏轉
X－Y偏轉或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。
這種方法zui常見的用處是觀察兩信號間的相位關系。圖15的圖形稱為李薩育圖。這些圖形是當使用互相成諧波頻率關系的兩個信號分別作X和Y偏轉信號時產生的。如果所使用的兩個信號沒有相關的頻率關系，則不會獲得穩定的圖形顯示。對于使用具有固定頻率關系的兩個信號的情況來說，從顯示的圖形中還可以得兩個信號間的相位關系。作為一個例子，圖16給出了由具有相同頻率而相位差分別為0°、45°、90°的兩個信號所形成的圖形。
| X－Y顯示模式還可以在很多其它應用場合使用。其中很多是在電－機環境下的應用。 |
圖15 李薩育圖,垂直偏轉信號的頻率為水平偏轉信號頻率的整倍數
| 用適當的傳感器把物理量變換成示波器能顯示的信號，就可顯示兩個物理量，例如位移和壓力之間的關系。X－Y顯示模式還可以在電子學實驗室用來進行元件測試工作，例如描繪二極管的特性曲線等。事實上，在任何涉及兩個相互關聯的物理量的場合都可以使用X－Y顯示模式。 |
圖16 李薩育圖。 相同頻率的兩個信號加到垂直和水平偏轉系統的情況。
延遲線
雖然延遲線是示波器垂直偏轉系統的一部分，但是我們將在這里討論它，因為觸發和水平偏轉系統是對其有影響的因素。
無論觸發和時基電路的速度有多快，要對一個有效的觸發條件作出響應都需要一定時間。同時，時基電路在其掃描起始點也有一個小的非線性區。過了這個非線性區以后時基掃描才達到其全掃描速度。這個非性區的時間寬度在納秒的數量級。對于帶寬不寬的示波器來說，這個非線性區的時間和示波器所能顯示的zui快的信號相比是可以忽略的。而對于掃描速度可達2ns/格的寬帶示波器來說，這個時間對波形的顯示有很大的影響。為了能夠顯示納秒級的波形事件，就必須在信號波形中的觸發事件到達屏幕之前觸發時基開始掃描。
| 這就是說，當信號的觸發信息到達偏轉板時，電子束已經提前開始掃描了。這樣就可以觀察完整的波形上升沿或下降沿，并能觀察觸發前若干納秒的信號波形。觸發前的這個若干納秒的波形稱為預觸發信息。這種預觸發功能是由在垂直偏轉系統中在觸發電路信號提取點和zui后的放大器之間插入一個信號延遲線來實現的。延遲線可以將信號貯存一段時間，其時間長度和延遲線的長度成正比。 |
圖17 延遲線對顯示快速上升的影響
這樣，當信號到達延遲線的末端時，時基已經啟動并正在掃描之中。
小結
至此我們已經通過系統方框圖說明了一臺基本的模擬示波器是如何式作的。
我們已經介紹了其各種基本控制功能。后面我們將會看到，多數這些控制功能不僅出現在模擬示波器上，也出在數字存儲示波器上。