示波器的作用是什么_示波器簡單原理_示波器觸發方式

　　本篇講的是示波器的作用、結構圖、簡單原理及觸發方式，下篇要講到的是示波器基本使用方法和使用方法圖解，使用時應注意哪些事項及技巧。（示波器怎樣使用_示波器選用_示波器怎么測量）

　　示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器。它能把肉眼看不見的電信號變換成看得見的圖像，便于人們研究各種電現象的變化過程。示波器利用狹窄的、由高速電子組成的電子束，打在涂有熒光物質的屏面上，就可產生細小的光點（這是傳統的模擬示波器的工作原理）。在被測信號的作用下，電子束就好像一支筆的筆尖，可以在屏面上描繪出被測信號的瞬時值的變化曲線。利用示波器能觀察各種不同信號幅度隨時間變化的波形曲線，還可以用它測試各種不同的電量，如電壓、電流、頻率、相位差、調幅度等等。示波器是電氣工程師的基礎儀器，但我經常發現有些工程師不能有效地使用其觸發功能。觸發常被認為非常復雜，現在存在這樣一種趨勢，即如果有任何問題，直接到實驗室去求助專家來幫助設置觸發。本文的目的在于幫助工程師了解觸發的基本原理以及有效使用觸發的策略。

　　示波器的作用是什么

　　示波器的作用無可取代，它一直是工程師設計、調試產品的好幫手。但隨著計算機、半導體和通信技術的發展，示波器的種類、型號越來越多，從而使示波器的作用得到詳細的劃分。

　　1、廣泛的電子測量儀器;

　　2、測量電信號的波形（電壓與時間關系）;

　　3、測量幅度、周期、頻率和相位等參數;

　　4、配合傳感器，測量一切可以轉化為電壓的參量（如電流、電阻、溫度磁強等）

　　5、示波器的作用-測量電壓

　　利用示波器所做的任何測量，都是歸結為對電壓的測量。示波器可以測量各種波形的電壓幅度，既可以測量直流電壓和正弦電壓，又可以測量脈沖或非正弦電壓的幅度。更有用的是它可以測量一個脈沖電壓波形各部分的電壓幅值，如上沖量或頂部下降量等。這是其他任何電壓測量儀器都不能比擬的。

　　6、示波器的作用-測量時間

　　示波器時基能產生與時間呈線性關系的掃描線，因而可以用熒光屏的水平刻度來測量波形的時間參數，如周期性信號的重復周期、脈沖信號的寬度、時間間隔、上升時間（前沿）和下降時間（后沿）、兩個信號的時間差等等。

　　將示波器的掃速開關“t/div”的“微調”裝置轉至校準位置時，顯示的波形在水平方向刻度所代表的時間可按“t/div”開關的指示值直讀計算，從而較準確地求出被測信號的時間參數。

　　7、示波器的作用-測量相位

　　利用示波器測量兩個正弦電壓之間的相位差具有實用意義，用計數器可以測量頻率和時間，但不能直接測量正弦電壓之間的相位關系。利用示波器測量相位的方法很多。

　　示波器的工作原理

　　示波器是利用電子示波管的特性，將人眼無法直接觀測的交變電信號轉換成圖像，顯示在熒光屏上以便測量的電子測量儀器。它是觀察數字電路實驗現象、分析實驗中的問題、測量實驗結果必不可少的重要儀器。示波器由示波管和電源系統、同步系統、X軸偏轉系統、Y軸偏轉系統、延遲掃描系統、標準信號源組成。

　　1、示波管

　　陰極射線管（CRT）簡稱示波管，是示波器的核心。它將電信號轉換為光信號。正如圖1所示，電子槍、偏轉系統和熒光屏三部分密封在一個真空玻璃殼內，構成了一個完整的示波管。

　　圖1 示波管的內部結構和供電圖示

　　2、熒光屏

　　現在的示波管屏面通常是矩形平面，內表面沉積一層磷光材料構成熒光膜。在熒光膜上常又增加一層蒸發鋁膜。高速電子穿過鋁膜，撞擊熒光粉而發光形成亮點。鋁膜具有內反射作用，有利于提高亮點的輝度。鋁膜還有散熱等其他作用。

　　當電子停止轟擊后，亮點不能立即消失而要保留一段時間。亮點輝度下降到原始值的10％所經過的時間叫做“余輝時間”。余輝時間短于10μs為極短余輝， 10μs—1ms為短余輝，1ms—0．1s為中余輝，0．1s-1s為長余輝，大于1s為極長余輝。一般的示波器配備中余輝示波管，高頻示波器選用短余輝，低頻示波器選用長余輝。

　　由于所用磷光材料不同，熒光屏上能發出不同顏色的光。一般示波器多采用發綠光的示波管，以保護人的眼睛。

　　3、電子槍及聚焦

　　電子槍由燈絲（F）、陰極（K）、柵極（G1）、前加速極（G2）（或稱第二柵極）、第一陽極（A1）和第二陽極（A2）組成。它的作用是發射電子并形成很細的高速電子束。燈絲通電加熱陰極，陰極受熱發射電子。柵極是一個頂部有小孔的金屬園筒，套在陰極外面。由于柵極電位比陰極低，對陰極發射的電子起控制作用，一般只有運動初速度大的少量電子，在陽極電壓的作用下能穿過柵極小孔，奔向熒光屏。初速度小的電子仍返回陰極。如果柵極電位過低，則全部電子返回陰極，即管子截止。調節電路中的W1電位器，可以改變柵極電位，控制射向熒光屏的電子流密度，從而達到調節亮點的輝度。第一陽極、第二陽極和前加速極都是與陰極在同一條軸線上的三個金屬圓筒。前加速極G2與A2相連，所加電位比A1高。G2的正電位對陰極電子奔向熒光屏起加速作用。

　　電子束從陰極奔向熒光屏的過程中，經過兩次聚焦過程。第一次聚焦由K、G1、G2完成，K、K、G1、G2叫做示波管的第一電子透鏡。第二次聚焦發生在G2、A1、 A2區域，調節第二陽極A2的電位，能使電子束正好會聚于熒光屏上的一點，這是第二次聚焦。A1上的電壓叫做聚焦電壓，A1又被叫做聚焦極。有時調節A1 電壓仍不能滿足良好聚焦，需微調第二陽極A2的電壓，A2又叫做輔助聚焦極。

　　4、偏轉系統

　　偏轉系統控制電子射線方向，使熒光屏上的光點隨外加信號的變化描繪出被測信號的波形。圖8．1中，Y1、Y2和Xl、X2兩對互相垂直的偏轉板組成偏轉系統。Y軸偏轉板在前，X軸偏轉板在后，因此Y軸靈敏度高（被測信號經處理后加到Y軸）。兩對偏轉板分別加上電壓，使兩對偏轉板間各自形成電場，分別控制電子束在垂直方向和水平方向偏轉。

　　5、示波管的電源

　　為使示波管正常工作，對電源供給有一定要求。規定第二陽極與偏轉板之間電位相近，偏轉板的平均電位為零或接近為零。陰極必須工作在負電位上。柵極G1相對陰極為負電位（—30V~—100V），而且可調，以實現輝度調節。第一陽極為正電位（約+100V~+600V），也應可調，用作聚焦調節。第二陽極與前加速極相連，對陰極為正高壓（約+1000V），相對于地電位的可調范圍為±50V。由于示波管各電極電流很小，可以用公共高壓經電阻分壓器供電。

　　示波器基本組成框圖

　　圖2 示波器基本組成框圖

　　被測信號①接到“Y“輸入端，經Y軸衰減器適當衰減后送至Y1放大器（前置放大），推挽輸出信號②和③。經延遲級延遲Г1時間，到Y2放大器。放大后產生足夠大的信號④和⑤，加到示波管的Y軸偏轉板上。為了在屏幕上顯示出完整的穩定波形，將Y軸的被測信號③引入X軸系統的觸發電路，在引入信號的正（或者負）極性的某一電平值產生觸發脈沖⑥，啟動鋸齒波掃描電路（時基發生器），產生掃描電壓⑦。由于從觸發到啟動掃描有一時間延遲Г2，為保證Y軸信號到達熒光屏之前X軸開始掃描，Y軸的延遲時間Г1應稍大于X軸的延遲時間Г2。掃描電壓⑦經X軸放大器放大，產生推挽輸出⑨和⑩，加到示波管的X軸偏轉板上。z軸系統用于放大掃描電壓正程，并且變成正向矩形波，送到示波管柵極。這使得在掃描正程顯示的波形有某一固定輝度，而在掃描回程進行抹跡。

　　以上是示波器的基本工作原理。雙蹤顯示則是利用電子開關將Y軸輸入的兩個不同的被測信號分別顯示在熒光屏上。由于人眼的視覺暫留作用，當轉換頻率高到一定程度后，看到的是兩個穩定的、清晰的信號波形。示波器中往往有一個精確穩定的方波信號發生器，供校驗示波器用。

　　什么是觸發？

　　任何示波器的存儲器都是有限的，因此所有示波器都必須使用觸發。觸發是示波器應該發現的用戶感興趣的事件。換句話說，它是用戶想要在波形中尋找的東西。觸發可以是一個事件（即波形中的問題），但不是所有的觸發都是事件。觸發實例包括邊沿觸發、毛刺信號觸發和數字碼型觸發。

　　示波器必須使用觸發的原因在于其存儲器的容量有限。例如，Agilent 90000 系列示波器具有 20 億采樣的存儲器深度。但是，即便擁有如此大容量的存儲器，示波器仍需要一些事件來區分哪 20 億個采樣需要顯示給用戶。盡管 20 億的采樣聽起來似乎非常龐大，但這仍不足以確保示波器存儲器能夠捕獲到感興趣的事件。

　　示波器的存儲器可視為一個傳送帶。無論什么時候進行新的采樣，采樣都會存儲到存儲器中。存儲器存滿時，最舊的采樣就會被刪除，以便保存最新采樣。當觸發事件發生時，示波器就會捕獲足夠的采樣，以將觸發事件存儲在存儲器要求的位置（通常是在中間），然后將這些數據顯示給用戶。

　　第一節指出，被測信號從Y軸輸入后，一部分送到示波管的Y軸偏轉板上，驅動光點在熒光屏上按比例沿垂直方向移動；另一部分分流到x軸偏轉系統產生觸發脈沖，觸發掃描發生器，產生重復的鋸齒波電壓加到示波管的X偏轉板上，使光點沿水平方向移動，兩者合一，光點在熒光屏上描繪出的圖形就是被測信號圖形。由此可知，正確的觸發方式直接影響到示波器的有效操作。為了在熒光屏上得到穩定的、清晰的信號波形，掌握基本的觸發功能及其操作方法是十分重要的。

　　自動模式與觸發模式

　　如果沒有發生觸發事件，將會出現什么情況呢？這一個非常好的問題。在這種情況下，屏幕上的波形將不會更新。這不是我們想要的情況，因為用戶可能不知道如何改變觸發來獲得屏幕上的波形。例如，如果探頭滑落，示波器將可能停止觸發。不過，如果屏幕不能更新，信號丟失將很不明顯。

　　為了解決這個問題，示波器擁有一個稱為“自動（Auto）”觸發的模式。在此模式下，如果在一段時間內無法找到觸發，示波器將自動觸發以更新屏幕。通常，示波器上有一些指示器（例如前面板上的 LED）來指示上一個觸發是真實觸發還是自動觸發。這樣，如果用戶看到“自動（Auto）”指示器，他們就會知道所設置的觸發沒有發生。例如，如果用戶設置的觸發為毛刺信號，他們將會知道示波器沒有檢測出毛刺信號。

　　然而，當您回顧上一段的內容時就會發現，當自動觸發發生時，它就意味著每次觸發之后，示波器進行重新準備時具有掛起時間。為了完全避免這一時間，示波器應改為“觸發（triggered）”模式。（這在某些示波器中稱為“正?！蹦Ｊ剑?。在“觸發（triggered）”模式中，除非發現觸發事件，否則示波器將不會進行觸發。因此，如果用戶將觸發模式設置為毛刺信號并且示波器一直沒有進行觸發，那么用戶就可以確信毛刺信號沒有發生（至少示波器能夠檢測出）。

　　1、觸發源（Source）選擇

　　要使屏幕上顯示穩定的波形，則需將被測信號本身或者與被測信號有一定時間關系的觸發信號加到觸發電路。觸發源選擇確定觸發信號由何處供給。通常有三種觸發源：內觸發（INT）、電源觸發（LINE）、外觸發EXT）。

　　內觸發使用被測信號作為觸發信號，是經常使用的一種觸發方式。由于觸發信號本身是被測信號的一部分，在屏幕上可以顯示出非常穩定的波形。雙蹤示波器中通道1或者通道2都可以選作觸發信號。

　　電源觸發使用交流電源頻率信號作為觸發信號。這種方法在測量與交流電源頻率有關的信號時是有效的。特別在測量音頻電路、閘流管的低電平交流噪音時更為有效。

　　外觸發使用外加信號作為觸發信號，外加信號從外觸發輸入端輸入。外觸發信號與被測信號間應具有周期性的關系。由于被測信號沒有用作觸發信號，所以何時開始掃描與被測信號無關。

　　正確選擇觸發信號對波形顯示的穩定、清晰有很大關系。例如在數字電路的測量中，對一個簡單的周期信號而言，選擇內觸發可能好一些，而對于一個具有復雜周期的信號，且存在一個與它有周期關系的信號時，選用外觸發可能更好。

　?。?）觸發耦合（Coupling）方式選擇

　　觸發信號到觸發電路的耦合方式有多種，目的是為了觸發信號的穩定、可靠。這里介紹常用的幾種。

　　AC耦合又稱電容耦合。它只允許用觸發信號的交流分量觸發，觸發信號的直流分量被隔斷。通常在不考慮DC分量時使用這種耦合方式，以形成穩定觸發。但是如果觸發信號的頻率小于10Hz，會造成觸發困難。

　　直流耦合（DC）不隔斷觸發信號的直流分量。當觸發信號的頻率較低或者觸發信號的占空比很大時，使用直流耦合較好。

　　低頻抑制（LFR）觸發時觸發信號經過高通濾波器加到觸發電路，觸發信號的低頻成分被抑制；高頻抑制（HFR）觸發時，觸發信號通過低通濾波器加到觸發電路，觸發信號的高頻成分被抑制。此外還有用于電視維修的電視同步（TV）觸發。這些觸發耦合方式各有自己的適用范圍，需在使用中去體會。

　?。?）觸發電平（Level）和觸發極性（Slope）

　　觸發電平調節又叫同步調節，它使得掃描與被測信號同步。電平調節旋鈕調節觸發信號的觸發電平。一旦觸發信號超過由旋鈕設定的觸發電平時，掃描即被觸發。順時針旋轉旋鈕，觸發電平上升；逆時針旋轉旋鈕，觸發電平下降。當電平旋鈕調到電平鎖定位置時，觸發電平自動保持在觸發信號的幅度之內，不需要電平調節就能產生一個穩定的觸發。當信號波形復雜，用電平旋鈕不能穩定觸發時，用釋抑（Hold Off）旋鈕調節波形的釋抑時間（掃描暫停時間），能使掃描與波形穩定同步。

　　極性開關用來選擇觸發信號的極性。撥在“+”位置上時，在信號增加的方向上，當觸發信號超過觸發電平時就產生觸發。撥在“-”位置上時，在信號減少的方向上，當觸發信號超過觸發電平時就產生觸發。觸發極性和觸發電平共同決定觸發信號的觸發點。

　　掃描方式（SweepMode）：掃描有自動（Auto）、常態（Norm）和單次（Single）三種掃描方式。

　　自動：當無觸發信號輸入，或者觸發信號頻率低于50Hz時，掃描為自激方式。

　　常態：當無觸發信號輸入時，掃描處于準備狀態，沒有掃描線。觸發信號到來后，觸發掃描。

　　單次：單次按鈕類似復位開關。單次掃描方式下，按單次按鈕時掃描電路復位，此時準備好（Ready）燈亮。觸發信號到來后產生一次掃描。單次掃描結束后，準備燈滅。單次掃描用于觀測非周期信號或者單次瞬變信號，往往需要對波形拍照。

　　上面扼要介紹了示波器的基本功能及操作。示波器還有一些更復雜的功能，如延遲掃描、觸發延遲、X-Y工作方式等，這里就不介紹了。示波器入門操作是容易的，真正熟練則要在應用中掌握。值得指出的是，示波器雖然功能較多，但許多情況下用其他儀器、儀表更好。例如，在數字電路實驗中，判斷一個脈寬較窄的單脈沖是否發生時，用邏輯筆就簡單的多；測量單脈沖脈寬時，用邏輯分析儀更好一些。