雙蹤示波器波形顯示的基本原理與使用方法

2022-06-23 16:20:40 字數 5538 閱讀 5972

波形顯示的基本原理

由示波管的原理可知,一個直流電壓加到一對偏轉板上時,將使光點在熒光屏上產生一個固定位移,該位移的大小與所加直流電壓成正比。如果分別將兩個直流電壓同時加到垂直和水平兩對偏轉板上,則熒光屏上的光點位置就由兩個方向的位移所共同決定。

如果將一個正弦交流電壓加到一對偏轉板上時,光點在熒光屏上將隨電壓的變化而移動。參見圖5-4可知,當垂直偏轉板上加一個正弦交流電壓時,在時間t=0的瞬間,電壓為vo(零值),熒光屏上的光點位置在座標原點0上,在時間t=1的瞬間,電壓為v1(正值),熒光屏上光點在座標原點0點上方的1上,位移的大小正比於電壓v1;在時間t=2的瞬間,電壓為v2(最大正值),熒光屏上的光點在座標原點0點上方的2點上,位移的距離正比於電壓v2;以此類推,在時間t=3,t=4,…,t=8的各個瞬間,熒光屏上光點位置分別為3,4,…,8點。在交流電壓的第二個週期、第三個週期……都將重複第一個週期的情況。

如果此時加在垂直偏轉板上的正弦交流電壓之頻率很低,僅為lhz~2hz,那麼,在熒光屏上便會看見一個上下移動著的光點。這光點距離座標原點的瞬時偏轉值將與加在垂直偏轉板上的電壓瞬時值成正比。如果加在垂直偏轉板上的交流電壓頻率在10hz~20hz以上,則由於熒光屏的餘輝現象和人眼的視覺暫留現象,在熒光屏上看到的就不是一個上下移動的點,而是一根垂直的亮線了。

該亮線的長短在示波器的垂直放大增益一定的情況下決定於正弦交流電壓峰一峰值的大小。如果在水平偏轉板上加一個正弦交流電壓,則會產生相類似的情況,只是光點在水平軸上移動罷了。

如果將一隨時間線性變化的電壓(如鋸齒波電壓)加到一對偏轉板上,則光點在熒光屏上又會怎樣移動呢?參看圖5-5可見,當水平偏轉板上有鋸齒波電壓時,在時間t=0瞬間,電壓為vo(最大負值),熒光屏上光點在座標原點左側的起始位置(零點上),位移的距離正比於電壓vo;在時間t=1的瞬間,電壓為v1(負值),熒光屏上光點在座標原點左方的1點上,位移的距離正比於電壓v1;以此類推,在時間t=2,t=3,...,t=8的各個瞬間,熒光屏上光點的對應位置是2,3,…,8各點。

在t=8這個瞬間,鋸齒波電壓由最大正值v8躍變到最大負值vo,則熒光屏上光點從8點極其迅速地向左移到起始位置零點。如果鋸齒波電壓是週期性的,則在鋸齒波電壓的第二個週期、第三個週期、……都將重複第一個週期的情形。如果此時加在水平偏轉板上的鋸齒波電壓頻率很低,僅為1hz ~2hz,在熒光屏上便會看見光點自左邊起始位置零點向右邊8點處勻速地移動,隨後光點又從右邊8點處極其迅速地移動到左邊起始位置零點。

上述這個過程稱為掃描。在水平軸加有週期性鋸齒波電壓時,掃描將周而復始地進行下去。光點距離起始位置零點的瞬時值,將與加在偏轉板上的電壓瞬時值成正比。

如果加在偏轉板上的鋸齒波電壓頻率在10hz~20hz以上,則由於熒光屏的餘輝現象和人眼的視覺暫留現象,就看到一根水平亮線,該水平亮線的長度,在示波器水平放大增益一定的情況下決定於鋸齒波電壓值,鋸齒波電壓值是與時間變化成正比的,而熒光屏上光點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間軸。在此亮線上的任何相等的線段都代表相等的一段時間。

如果將被測訊號電壓加到垂直偏轉板上,鋸齒波掃描電壓加到水平偏轉板上,而且被測訊號電壓的頻率等於鋸齒波掃描電壓的頻率,則熒光屏上將顯示出一個週期的被測訊號電壓隨時間變化的波形曲線(如圖5-6所示)。由圖5-6所示可見,在時間t=0的瞬間,訊號電壓為vo(零值),鋸齒波電壓為v0′(負值),熒光屏上光點在座標原點左面,位移的距離正比於電壓v0′;在時間t=1的瞬間,交流電壓為v1(正值),鋸齒波電壓為v1′(負值),熒光屏上光點在座標的第ⅱ象限中。同理,在時間t=2,t=3,…,t=8的瞬間,熒光屏上光點分別位於2,3,…,8點。

在t=8瞬間,鋸齒波電壓由最大正值v8′跳變到最大負v0′,因而熒光屏上的光點也從8點極其迅速地向左移到起始位置0點。以後,在被測週期訊號的第二個週期、第三個週期……都重複第一個週期的情形,光點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訊號電壓是隨時間變化的穩定波形曲線。

若被測訊號電壓的頻率等於鋸齒波電壓頻率整數倍數時,則熒光屏上將顯示出週期為整數的被測訊號穩定波形。而當被測訊號電壓的頻率與鋸齒波電壓的頻率不成整數倍數時,則熒光屏上不能獲得穩定的波形,如圖5-7所示。在圖5-7中,第一次掃描時,屏上顯示的是0~1這段波形曲線;第二次掃描時,屏上顯示1~2這段波形曲線;第三次掃描時,屏上顯示2~3這段波形曲線;……可見,每次熒光屏上顯示的波形曲線都不同,所以圖形不穩定。

由上述可見,為使熒光屏上的圖形穩定,被測訊號電壓的頻率應與鋸齒波電壓的頻率保持整數比的關係,即同步關係。為了實現這一點,就要求鋸齒波電壓的頻率連續可調,以便適應觀察各種不同頻率的週期訊號。其次,由於被測訊號頻率和鋸齒波振盪訊號頻率的相對不穩定性,即使把鋸齒波電壓的頻率臨時調到與被測訊號頻率成整倍數關係,也不能使圖形一直保持穩定。

因此,示波器中都設有同步裝置。也就是在鋸齒波電路的某部分加上一個同步訊號來促使掃描的同步,對於只能產生連續掃描(即產生周而復始連續不斷的鋸齒波)一種狀態的簡易示波器(如國產sb-10型示波器等)而言,需要在其掃描電路上輸入一個與被觀察訊號頻率相關的同步訊號,當所加同步訊號的頻率接近鋸齒波頻率的自主振盪頻率(或接近其整數倍)時,就可以把鋸齒波頻率“拖入同步”或“鎖住”。對於具有等待掃描(即平時不產生鋸齒波,當被測訊號來到時才產生一個鋸齒波進行一次掃描)功能的示波器(如國產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與被測訊號相關的觸發訊號,使掃描過程與被測訊號密切配合。

這樣,只要按照需要來選擇適當的同步訊號或觸發訊號,便可使任何欲研究的過程與鋸齒波掃描頻率保持同步。

雙線示波的顯示原理

在電子實踐技術過程中,常常需要同時觀察兩種(或兩種以上)訊號隨時間變化的過程。並對這些不同訊號進行電參量的測試和比較。為了達到這個目的,人們在應用普通示波器原理的基礎上,採用了以下兩種同時顯示多個波形的方法:

一種是雙線(或多線)示波法;另一種是雙蹤(或多蹤)示波法。應用這兩種方法製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)示波器是採用雙槍(或多槍)示波管來實現的。下面以雙槍示波管為例加以簡單說明。雙槍示波管有兩個互相獨立的電子槍產生兩束電子。

另有兩組互相獨立的偏轉系統,它們各自控制一束電子作上下、左右的運動。熒光屏是共用的,因而屏上可以同時顯示出兩種不同的電訊號波形,雙線示波也可以採用單槍雙線示波管來實現。這種示波管只有一個電子槍,在工作時是依靠特殊的電極把電子分成兩束。

然後,由管內的兩組互相獨立的偏轉系統,分別控制兩束電子上下、左右運動。熒光屏是共用的,能同時顯示出兩種不同的電訊號波形。由於雙線示波管的製造工藝要求高,成本也高,所以應用並不十分普遍。

雙蹤示波的顯示原理

雙蹤(或多蹤)示波是在單線示波器的基礎上,增設一個專用電子開關,用它來實現兩種(或多種)波形的分別顯示。由於實現雙蹤(或多蹤)示波比實現雙線(或多線)示波來得簡單,不需要使用結構複雜、**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用。

(1)雙蹤示波的顯示原理

圖5-8(a)是雙蹤示波法基本原理的示意圖。圖中,電子開關k的作用是使加在示波管垂直偏轉板上的兩種訊號電壓作週期性轉換。例如,在0~1這段時間裡,電子開關k與訊號通道a接通,這時在熒光屏上顯示出訊號ua的一段波形;在1~2這段時間裡,電子開關k與訊號通道b接通,這時在熒光屏上顯現出訊號ub的一段波形;在2~3這段時間裡,熒光屏上再一次顯示出訊號ua的一段波形;在3~4這段時間裡,熒光屏上將再一次顯示出ub的一段波形……。

這樣,兩個訊號在熒光屏上雖然是交替顯示的,但由於人眼的視覺暫留現象和熒光屏的餘輝(高速電子在停止衝擊熒光屏後,熒光屏上受衝擊處仍保留一段發光時間)現象,就可在熒光屏上同時看到兩個被測訊號波形 (圖5-8(b)所示)。

圖5-8 雙蹤示波器基本原理

為了保持熒光屏顯示出來的兩種訊號波形穩定,則要求被測訊號頻率、掃描訊號頻率與電子開關的轉換頻率三者之間必須滿足一定的關係。

首先,兩個被測訊號頻率與掃描訊號頻率之間應該是成整數比的關係,也就是要求“同步”。這一點與單線示波器的原理是相同的,只是現在的被測訊號是兩個,而掃描電壓是一個。在實際應用中,需要觀察和比較的兩個訊號常常是互相有內在聯絡的,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被測訊號波形都穩定,除滿足上述要求外,還必須合理地選擇電子開關的轉換頻率,使得在示波器上所顯示的波形個數合適,以便於觀察。下面談談電子開關的工作方式問題,這個問題與電子開關的轉換頻率有關。

電子開關的工作方式有“交替”轉換和“斷續”轉換兩種。

圖5-9是電子開關“交替”轉換工作方式的波形示意圖。在0~1時間內,電子開關與通道a接通,加在x軸上的掃描訊號開始進行第一個正程掃描,此時熒光屏上將顯現出訊號ua的波形;在完成ua波形顯示後,掃描電壓迅速回掃;在1~2時間內,電子開關k與通道b接通,x軸上的掃描訊號開始進行第二個正程掃描,熒光屏上將顯示出訊號ub的波形;在2~3時間內,熒光屏上再一次顯示出訊號ua的波形;在3~4時間內,熒光屏上再一次顯示出訊號ub的波形……。由此可見,被測訊號ua、ub的波形是依次、交替地出現在熒光屏上的,熒光屏上顯示的波形如圖5-9(b)所示。

顯然,此時電子開關的轉換與x軸的掃描始終保持著一致的步調,即電子開關的轉換頻率等於x軸掃描訊號的頻率。圖5-9(b)中的虛線實際上是看不見的。

圖5-10 採用“斷續”轉換

圖5-9 採用“交替”轉換方式的波形示意圖方式的波形示意圖

採用交替轉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。但由於被測訊號ua、ub的波形是依次交替地出現在熒光屏上的,所以,如果交替的間隙時間超過了人眼的視覺暫留時間和熒光屏的餘輝時間,則人們所看到的熒光屏上的波形就會有閃爍現象。為了避免這種情況的出現,就要求電子開關有足夠高的轉換頻率。

這就是說當被測訊號的頻率較低時,不宜採用交替轉換工作方式,而應採用斷續轉換工作方式。

當電子開關用斷續轉換工作方式時,在x軸掃描的每一個過程中,電子開關都以足夠高的轉換頻率,分別對所顯示的每個被測訊號進行多次取樣。這樣,即使被測訊號頻率較低,也可避免出現波形的閃爍現象。同時,由於在一次掃描的過程中,光點在兩個圖形上交換的次數極多,所以圖形上的細小斷裂痕跡不顯著,並不妨礙對波形細節的觀察。

圖5-10是電於開關採用斷續轉換方式時的波形示意圖。實際上,由於開關的轉換頻率選得遠大於x軸掃描頻率,所以熒光屏上顯示的圖形不會是圖5-10所示的斷續圖形,而是連續的圖形。圖中垂直方向的細虛線表示了電子開關的轉換過程。

因在轉換過程中示波器電路的設定使電子束截止,所以圖中所示的垂直細虛線實際上也是不可見的。

在瞭解上述用電子開關來實現雙蹤示波的原理後,就不難聯想到用環形計數器來實現多蹤示波的原理。由於兩者的顯示原理相似,這裡就不再贅述。

(2)雙蹤示波器的基本組成

圖5-11是雙蹤示波器的原理功能方框圖。由圖可見,它主要是由兩個通道的y軸前置放大電路、門控電路、電子開關、混合電路、延遲電路、y軸後置放大電路、觸發電路、掃描電路、x軸放大電路、z軸放大電路、校準訊號電路、示波管和高低壓電源供給電路等組成。

觀察訊號波形時,被測訊號ua,ub通過ya,yb兩個輸入端輸入示波器,先分別送到y軸前置放大電路ya和yb進行放大。因通道ya和通道yb都受電子開關的控制,所以ua,ub兩訊號輪換著輸送到後面的混合電路,加到示波管的垂直偏轉板上。

為了適應各種不同的測試需要,電子開關可有五種不同的工作狀態,即交替、ya、yb、ya+yb、斷續等。這5種工作狀態由顯示方式開關來控制。

當顯示方式開關置於交替位置時,電子開關為一雙穩態電路。它受由掃描電路來的閘門訊號控制,使得y軸兩個前置通道隨著掃描電路門訊號的變化而交替地工作。每秒鐘交替轉換次數與由掃描電路產生的掃描訊號的重複頻率有關。

交替工作狀態適用於觀察頻率不太低的被測訊號。