示波器夢(mèng)想之了解示波器

一、模擬示波器原理：

物理學(xué)理論可以證明，一端通過(guò)細(xì)繩固定的重物在作擺動(dòng)時(shí)，與中心垂線(xiàn)的距離滿(mǎn)足正弦波規(guī)律。沙漏實(shí)驗(yàn)可以清晰地顯示這個(gè)隨時(shí)間變化的波形：用沙漏充當(dāng)重物，并且在沙漏底下的桌面上平鋪一張紙，當(dāng)沙漏開(kāi)始擺動(dòng)時(shí)，讓紙勻速移動(dòng)。這樣，沙漏中流出的細(xì)沙，就在紙上留下了一個(gè)正弦波痕跡，如圖1所示。利用這種設(shè)計(jì)思想，可以完成波形在平面上（對(duì)應(yīng)于時(shí)間的流動(dòng)）的展開(kāi)。這種設(shè)計(jì)思想在波形記錄、顯示中被廣泛采用，比如心電圖機(jī)，就是用原地?cái)[動(dòng)的電熱針，在勻速移動(dòng)的記錄紙帶上描記出心電波形。

利用心電圖機(jī)的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)可以記錄電壓信號(hào)，但是，示波器在大量的應(yīng)用中，并不需要通過(guò)消耗紙張來(lái)記錄波形，而僅僅是觀察波形。因此，可以重復(fù)使用的熒光屏，被應(yīng)用到示波器的設(shè)計(jì)中。

在一個(gè)封閉玻璃管顯示屏的內(nèi)壁涂上熒光粉，當(dāng)熒光粉被大量電子形成的電子束轟擊時(shí)，會(huì)發(fā)出熒光?？梢园l(fā)出電子束的設(shè)備稱(chēng)為電子*，它可以連續(xù)地發(fā)出集束性很強(qiáng)的電子。這些電子束在飛行過(guò)程中，如果遇到電場(chǎng)的作用，會(huì)因電場(chǎng)形成的力而改變運(yùn)行方向，導(dǎo)致最終電子束落到熒光屏上的位置發(fā)生改變，也就是光點(diǎn)改變。根據(jù)這個(gè)原理制造的示波管，其結(jié)構(gòu)如圖2.1.2所示。圖中電子*發(fā)出的電子束，經(jīng)過(guò)兩個(gè)偏轉(zhuǎn)板的作用，會(huì)在X、Y兩個(gè)方向上發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

當(dāng)在Y偏轉(zhuǎn)板上加入被測(cè)信號(hào)，而在X偏轉(zhuǎn)板上不加電壓，可以在示波管的熒光屏上看到光點(diǎn)隨著被測(cè)電壓的變化而發(fā)生位置變化——電壓越大，光點(diǎn)位置越靠上方。

當(dāng)在X偏轉(zhuǎn)板上加入一個(gè)鋸齒波，而在Y偏轉(zhuǎn)板上不加電壓，可以看到光點(diǎn)從熒光屏左邊出現(xiàn)，勻速移動(dòng)到右邊，然后又迅速在左邊重復(fù)出現(xiàn)。

當(dāng)在X偏轉(zhuǎn)板上加入一個(gè)鋸齒波，而在Y偏轉(zhuǎn)板上加入一個(gè)正弦波，則可以看到，光點(diǎn)在勻速左移的同時(shí)，其Y方向位置出現(xiàn)了正弦變化的規(guī)律，也就是說(shuō)，光點(diǎn)的移動(dòng)軌跡是一個(gè)正弦波。

圖2 模擬示波器的顯示屏

模擬示波器把需觀測(cè)的兩個(gè)電信號(hào)加至示波管的X、Y通道以控制電子束的偏移，從而獲得熒光屏上關(guān)于這兩個(gè)電信號(hào)關(guān)系的顯示波形。

顯然，這種模擬示波器體積大、重量重、成本高、價(jià)格貴，并且不太適合用于對(duì)非周期的、單次信號(hào)的測(cè)量。

二、數(shù)字示波器簡(jiǎn)要原理

數(shù)字示波器的工作原理可以用圖3 來(lái)描述，當(dāng)輸入被測(cè)信號(hào)從無(wú)源探頭進(jìn)入到數(shù)字示波器，首先通過(guò)的是示波器的前置放大模塊，由于后續(xù)的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)其測(cè)量電壓有一個(gè)規(guī)定的量程范圍，所以，示波器的前置放大模塊就是負(fù)責(zé)對(duì)輸入信號(hào)的預(yù)先處理，放大或者衰減到一定合適的幅度，然后才進(jìn)入ADC。A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，傳送給存儲(chǔ)模塊。因?yàn)樘幚砥鞯乃俣雀簧细咚貯/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度，所以在兩者之間需要添加一個(gè)高速緩存器。圖2.2.1中還有一個(gè)觸發(fā)電路，觸發(fā)電路用來(lái)設(shè)定觸發(fā)事件，只有當(dāng)輸入信號(hào)滿(mǎn)足用戶(hù)設(shè)定的觸發(fā)事件時(shí)，示波器才會(huì)采集數(shù)據(jù)，這部分工作也可以在軟件上實(shí)現(xiàn)。