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示波器基礎(一)——示波器基礎知識之二
點(diǎn)擊次數:5116 更新時(shí)間:2011-02-18

1.4 水平偏轉

 

時(shí)基

為了描繪一幅圖形,我們必須要有水平和垂直兩個(gè)方向的信息。示波器描繪軌跡表明信號隨時(shí)間的變化情況,因此其水平偏轉必須和時(shí)間成正比。示波器中控制水平偏轉,即X軸的系統稱(chēng)為時(shí)基。

示波器里有一個(gè)的掃描發(fā)生器。它使得電子束以的、用戶(hù)可選擇的速度在屏幕上掃描。時(shí)基發(fā)生器的輸出示于圖6

掃描速度以每格的秒數(s/格)來(lái)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(gè)標尺格所代表的時(shí)間值,就可以測量出屏幕掃跡上任何兩點(diǎn)之間的時(shí)間。

圖6 時(shí)基發(fā)生器的輸出波形。圖中示出掃描時(shí)間、
回掃時(shí)間和隔離停止(Hold-off)時(shí)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(dòng)掃跡。這樣我們就可以把掃跡上的某一點(diǎn)和某一條垂直標尺線(xiàn)對齊,以便為時(shí)間測量規定一個(gè)起始點(diǎn)

可變時(shí)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(gè)波形的一個(gè)周期調整成??缯麄€(gè)屏幕寬度。和在Y軸方向使用VAR控制機構的情況一樣,




圖 7 1kHz 的正弦波,時(shí)基設置為1ms/格


多數示波器會(huì )給出指示,說(shuō)明正在使用可變時(shí)基,X軸處于未校準狀態(tài)。更先進(jìn)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(shí)基模式。這時(shí)由于可以用整個(gè)屏幕來(lái)顯示信號中我們感興趣的部分,所以能獲得更好的測量時(shí)間分辨率。同時(shí)也能大大減少發(fā)生操作錯誤的可能性。

圖8 1kHz的正弦波,時(shí)基設置為200μs/格

時(shí)基放大

時(shí)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(shí)基速度也變快10倍。所以一臺未經(jīng)時(shí)基放大的時(shí)掃描速度為20ns/格的示波器經(jīng)時(shí)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(gè)可移動(dòng)的觀(guān)察窗口。和簡(jiǎn)單的直接選擇更快的時(shí)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(guān)察信號的細節。


圖9說(shuō)明如何使用X軸位置控制來(lái)實(shí)現信號的滾動(dòng)顯示。

雙時(shí)基

在很多觀(guān)察復雜信號波形的應用場(chǎng)合中,往往需要顯示一個(gè)波形的一小部分,并使它占踞整個(gè)屏幕。這種情況的一個(gè)典型的例子是觀(guān)察研究全部電視信號中某一選定的行的波形。在這類(lèi)情況中,使用標準時(shí)基通過(guò)正常觸發(fā)的方法是無(wú)能為力的。

圖9 時(shí)基放大和X軸位置控制

這就是在現代示波器上采用雙時(shí)基工作的原因。

在這個(gè)例子中,示波器的主時(shí)基(MTB)可由波形中的主觸發(fā)事件,即全電視信號中的垂直同步信號來(lái)觸發(fā)。MTB掃跡的一部分顯示得更亮一些,這稱(chēng)為加亮部分。在此加亮部分的起始點(diǎn)時(shí)刻,第二個(gè)時(shí)基,稱(chēng)為延遲時(shí)基或DTB開(kāi)始掃描。這第二個(gè)時(shí)基可按自己的掃描速度來(lái)設置。并且掃描速度比主時(shí)基的掃描速度要快。主時(shí)基的起始點(diǎn)和加亮部分開(kāi)始點(diǎn)之間的延遲時(shí)間是可調的。

我們甚至可以作到在選定的延遲時(shí)間結束時(shí)不啟動(dòng)DTB掃描,而只是在該時(shí)刻為DTB時(shí)基的觸發(fā)電路作好觸發(fā)準備。如果過(guò)一會(huì )兒再發(fā)生新的觸發(fā)事件,DTB掃描即將開(kāi)始。

所以,使用雙時(shí)基時(shí),電子束將以?xún)蓚€(gè)時(shí)基的兩種不同的速度交替的在屏幕上掃描。

讓我們來(lái)看圖10。首先主時(shí)基以500μs/格的速度運行,在屏幕上描繪出一個(gè)波形。在此掃描期間,過(guò)了2ms即等于4格的時(shí)間以后,掃跡被加亮。這段延遲時(shí)間由延遲1控制來(lái)設定。波形上加亮部分的時(shí)間長(cháng)度則由DTB掃描時(shí)間控制機構來(lái)高定,在我們的例子中現在為50μs/格

當經(jīng)過(guò)2ms的延遲時(shí)間后延遲時(shí)基進(jìn)行掃描時(shí),它只顯示原來(lái)主時(shí)基掃跡的十分之一。但是這段原來(lái)主進(jìn)基掃跡十分之一的波形段則在整個(gè)屏幕上顯示出來(lái)。

在老式的示波器上,延遲控制指的是延遲時(shí)間倍增器。邊是一個(gè)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(shí)基工作(500μs/格及50μs格,4格延遲)

其延遲即可由DTB時(shí)基速度和該電位器示出的刻度讀數相乘而計算出來(lái)。由此延遲控制一詞得名。

當我們改變延遲時(shí)間時(shí),就改變了延遲時(shí)基掃描的起始點(diǎn)在主時(shí)基上的位置。而改變延遲時(shí)基掃描速度則改變在主時(shí)其上顯示出來(lái)的波形段的長(cháng)度。

當延遲時(shí)基已經(jīng)設置好,并顯示出欲觀(guān)察的信號段時(shí),我們可以把主時(shí)基關(guān)閉。這樣可以使得延遲掃跡變得更亮。
 

典型雙時(shí)基示波器的時(shí)基工作模式有:

-MTBI=只用主時(shí)基
只用MTB工作時(shí),示波器的性能和單時(shí)基示波器相同。

-MTB±=主時(shí)基加亮
這時(shí)示波器只顯示主時(shí)基。但是掃跡上的一部分被加亮,以表示出DTB的起始位置及其掃描速度。

圖11 無(wú)觸發(fā)的信號波形

-MTB加亮和DTB
和MTBI相同,但也同時(shí)顯示DTB掃描。

-DTB=延遲時(shí)基。
只顯示DTB掃描。




 

在本書(shū)的觸發(fā)部分還會(huì )進(jìn)一步討論雙時(shí)基的問(wèn)題。
 

時(shí)基模式

時(shí)基電路有幾種工作。對普通模擬示波器來(lái)說(shuō),工作模式有自動(dòng)、正?;蛴|發(fā)以及單次或單次捕捉等模式。

圖12 觸發(fā)電平設置對顯示波形的影響

一正常模式
時(shí)基必須受到觸發(fā)才能產(chǎn)生掃跡。其規律非常簡(jiǎn)單,即"沒(méi)有信號就沒(méi)有掃描軌跡"。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(shí)基電路。如果沒(méi)有輸入信號,屏幕上就不會(huì )有掃描軌跡。

-自動(dòng)模式
如果能在沒(méi)有輸入信號時(shí)也能看到掃跡。這將會(huì )是很有用的。在沒(méi)有輸入信號以進(jìn)行觸發(fā)時(shí),自動(dòng)模式將使時(shí)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(hù)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(fā)信號時(shí)進(jìn)基將進(jìn)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(shí)基電路作好觸發(fā)準備(atm)。不然的話(huà),下面來(lái)的觸發(fā)事件將不能啟動(dòng)時(shí)基掃描。對于不同的示波器,按動(dòng)標有單次或復位的按鈕就使得觸發(fā)電路重新作好觸發(fā)準備。為了避免在單次掃描工作時(shí)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(xiàn)的方式來(lái)顯示出其觸發(fā)電平值。

1.5 觸 發(fā)

我們已經(jīng)看到在示波管上輸入信號如何提供垂直偏轉,時(shí)基如何給出水平偏轉。但是我們如何保證在電子束掃過(guò)屏幕時(shí)每次都準確地掃過(guò)相同的路徑呢?解決這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵在于觸發(fā)電路。如果沒(méi)有觸發(fā)電路,你在屏幕上看到的將會(huì )是具有隨機起始點(diǎn)的很多波形雜亂重疊的圖象。而觸發(fā)電路的作用就在于保證每次時(shí)基在屏幕的掃描的時(shí)候,時(shí)基掃描都從輸入信號上的一上確定的點(diǎn)開(kāi)始。這個(gè)的掃描起始點(diǎn)則由下述控制因素來(lái)決定。

圖-13視頻行信號

 

觸發(fā)源

它決定觸發(fā)信號從哪里獲得。在多數情況下,觸發(fā)信號來(lái)自輸入信號本身。所以如果只使用一個(gè)通道,那么觸發(fā)源就設置為該通道。如果使用多個(gè)通道,那么觸發(fā)源可以從這些通道中選取。

復合觸發(fā)(Composite triggering)則是在顯示不同的通道時(shí)輪流使用相應的通道觸發(fā)。這對于顯示頻率不相關(guān)的信號時(shí)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(dòng)觸發(fā)電路使示波器觸發(fā)。


如果要觀(guān)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(fā)功能可以提供電源觸發(fā)的能力。這是觀(guān)察與電源有關(guān)的干擾信號的好方法。

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(dòng)時(shí)基掃描所必須跨越的電壓電平值。

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")

觸發(fā)耦合

用以決定選定的觸發(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(guò)一個(gè)串聯(lián)的電容連到觸發(fā)電路。

-峰(-)峰值電平-(Level p(-)p)

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。在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)。

-HF抑制

使觸發(fā)源信號通過(guò)低通濾波器以抑制其高頻分量。這意味著(zhù)既使一個(gè)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)。
-LF抑制

使觸發(fā)源信號通過(guò)一個(gè)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(fā)隔離應用

-TV觸發(fā)

在這種模式下觸發(fā)電平控制不起作用。這時(shí)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

-TVF

每一幀電視圖象由兩場(chǎng)組成。每一場(chǎng)則包含構成一個(gè)完整的幀所需行數的一半。在電視屏幕上兩場(chǎng)信號交錯顯示以構成一幀的畫(huà)面。采用這種技術(shù)減少了傳送一個(gè)頻道所需要的帶寬并減小了畫(huà)面的閃爍。在每一個(gè)場(chǎng)開(kāi)始的時(shí)候都有一個(gè)特別的脈沖序列,稱(chēng)為幀同步脈沖。在TVF同步模式下,示波器就由幀同步脈沖來(lái)觸發(fā)?,F代示波器的觸發(fā)控制可以區分*場(chǎng)和第二場(chǎng)。

-TVL

每一場(chǎng)包括若干行。每一行都由一個(gè)行同步脈沖即行同步信號開(kāi)始。示波器可以由每一個(gè)行同步脈沖來(lái)觸發(fā),這樣描繪出的各個(gè)行的波形將會(huì )重疊在一起。使用幀觸發(fā)和雙時(shí)基我們可以觀(guān)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(chēng)為視頻行選擇器的特殊的附件PM8917來(lái)觀(guān)察某一特定的行。使用本書(shū)中用作示例的組合示波器時(shí),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(fā)隔離(Trigger Hold-off)

有些信號具有多個(gè)可能的觸發(fā)點(diǎn)。這種情況的一個(gè)很好的例子是圖14中的數這信號。該信號雖然在較長(cháng)的時(shí)間周期內是重復的,但是在短時(shí)間內情況則不然。為了更詳細的觀(guān)察少數個(gè)別脈沖,必須便使用快速的掃描時(shí)基。但是這樣一來(lái)每次掃描時(shí)顯示出來(lái)的信號波形段就是變化不一的。為了解決這個(gè)問(wèn)題,我們采用了觸發(fā)隔離功能,即在各次掃描之間加入延遲時(shí)間,使得發(fā)描的每次觸發(fā)總是從相同的信號沿開(kāi)始。

 

延遲時(shí)基觸發(fā)

從本書(shū)前面的時(shí)基部分我們已經(jīng)知道,在MTB掃描時(shí)基開(kāi)始后經(jīng)過(guò)一段延遲,DTB開(kāi)始掃描,即愛(ài)到觸發(fā)。此延遲時(shí)間從MTB觸發(fā)點(diǎn)開(kāi)始計算。經(jīng)過(guò)這段時(shí)間延遲后,DTB實(shí)際上是由延遲系統啟動(dòng)的。這種模式稱(chēng)為DTB啟動(dòng)。

和MTB類(lèi)似,DTB也可以按觸發(fā)模式工作。示波器上設有相應的控制機構以設置DTB觸發(fā)源、觸發(fā)電平、觸發(fā)率及耦合方式。這些控制機構與MTB無(wú)關(guān),自己獨立工作。選擇了這種設置方式后,當上述的延遲時(shí)間結束以后,DTB就作好觸發(fā)準備。而當輸入信號上探測到新的觸發(fā)事件時(shí)DTB才被角發(fā)開(kāi)始掃描。這種工作模式稱(chēng)為觸發(fā)工DTB。我們將在本書(shū)后面的練習中介紹如何使用觸發(fā)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(shí)示波器將時(shí)基關(guān)閉,而用另一個(gè)與產(chǎn)生垂直偏轉的信號不同的信號來(lái)使電子束在水平方向偏轉。這就是說(shuō)用兩個(gè)信號在X、Y方向同時(shí)作用于電子束而描繪出波形,以便觀(guān)察這兩個(gè)信號的關(guān)系。

這種方法zui常見(jiàn)的用處是觀(guān)察兩信號間的相位關(guān)系。圖15的圖形稱(chēng)為李薩育圖。這些圖形是當使用互相成諧波頻率關(guān)系的兩個(gè)信號分別作X和Y偏轉信號時(shí)產(chǎn)生的。如果所使用的兩個(gè)信號沒(méi)有相關(guān)的頻率關(guān)系,則不會(huì )獲得穩定的圖形顯示。對于使用具有固定頻率關(guān)系的兩個(gè)信號的情況來(lái)說(shuō),從顯示的圖形中還可以得兩個(gè)信號間的相位關(guān)系。作為一個(gè)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(gè)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(chǎng)合使用。其中很多是在電-機環(huán)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(gè)物理量,例如位移和壓力之間的關(guān)系。X-Y顯示模式還可以在電子學(xué)實(shí)驗室用來(lái)進(jìn)行元件測試工作,例如描繪二極管的特性曲線(xiàn)等。事實(shí)上,在任何涉及兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的物理量的場(chǎng)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(gè)信號加到垂直和水平偏轉系統的情況。

延遲線(xiàn)

雖然延遲線(xiàn)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(fā)和水平偏轉系統是對其有影響的因素。

無(wú)論觸發(fā)和時(shí)基電路的速度有多快,要對一個(gè)有效的觸發(fā)條件作出響應都需要一定時(shí)間。同時(shí),時(shí)基電路在其掃描起始點(diǎn)也有一個(gè)小的非線(xiàn)性區。過(guò)了這個(gè)非線(xiàn)性區以后時(shí)基掃描才達到其全掃描速度。這個(gè)非性區的時(shí)間寬度在納秒的數量級。對于帶寬不寬的示波器來(lái)說(shuō),這個(gè)非線(xiàn)性區的時(shí)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(lái)說(shuō),這個(gè)時(shí)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(fā)事件到達屏幕之前觸發(fā)時(shí)基開(kāi)始掃描。




這就是說(shuō),當信號的觸發(fā)信息到達偏轉板時(shí),電子束已經(jīng)提前開(kāi)始掃描了。這樣就可以觀(guān)察完整的波形上升沿或下降沿,并能觀(guān)察觸發(fā)前若干納秒的信號波形。觸發(fā)前的這個(gè)若干納秒的波形稱(chēng)為預觸發(fā)信息。這種預觸發(fā)功能是由在垂直偏轉系統中在觸發(fā)電路信號提取點(diǎn)和zui后的放大器之間插入一個(gè)信號延遲線(xiàn)來(lái)實(shí)現的。延遲線(xiàn)可以將信號貯存一段時(shí)間,其時(shí)間長(cháng)度和延遲線(xiàn)的長(cháng)度成正比。

圖17 延遲線(xiàn)對顯示快速上升的影響

這樣,當信號到達延遲線(xiàn)的末端時(shí),時(shí)基已經(jīng)啟動(dòng)并正在掃描之中。

小結

至此我們已經(jīng)通過(guò)系統方框圖說(shuō)明了一臺基本的模擬示波器是如何式作的。

我們已經(jīng)介紹了其各種基本控制功能。后面我們將會(huì )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。

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