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示波器基础(共2页,2页)

示波器基础

1.4 水平偏转
时基

  为了描绘一幅图形,我们必须要有水平和垂直两个方向的信息。示波器描绘轨迹表明信号随时间的变化情况,因此其水平偏转必须和时间成正比。示波器中控制水平偏转,即X轴的系统称为时基。
   在示波器里有一个**的扫描发生器。它使得电子束以**的、用户可选择的速度在屏幕上扫描。时基发生器的输出示于图6。

 

图6 时基发生器的输出波形。图中示出扫描时间、回扫时间和隔离停止(Hold-off)时间

  扫描速度以每格的秒数(s/格)来度量。一台典型示波器的扫描速度范围可以从20ns/格到0。5s/格。扫描速度也和灵敏度控制一样按1-2-5的序列变化。只要我们知道了每个标尺格所代表的时间值,就可以测量出屏幕扫迹上任何两点之间的时间
   例如,图7和图8显示的都是1kHz的正弦波(其周期为1ms),而扫描速率分别为1ms/格和200ms/格。(us=微秒10-6)。

图 7 1kHz 的正弦波,时基设置为1ms/格

 

图8 1kHz的正弦波,时基设置为200μs/格

水平位置控制

  水平或X轴位置控制机构X-POS可以在屏幕上沿水平方向移动扫迹。这样我们就可以把扫迹上的某一点和某一条垂直标尺线对齐,以便为时间测量规定一个起始点。

可变时基

  我们可以选择不同于标准的1-2-5序列设置值的扫描速度。这样我们就能够把任意一个波形的一个周期调整成模跨整个屏幕宽度。和在Y轴方向使用VAR控制机构的情况一样多数示波器会给出指示,说明正在使用可变时基,X轴处于未校准状态。更先进的示波器,如我们用作示例的示波器,可以工作在校准的连续可变时基模式。这时由于可以用整个屏幕来显示信号中我们感兴趣的部分,所以能获得更好的测量时间分辨率。同时也能大大减少发生操作错误的可能性。

时基放大

  时基放大功能通常能将X轴偏转扫描放大10倍。这样在屏幕上看到的等效时基速度也变快10倍。所以一台未经时基放大的时扫描速度为20ns/格的示波器经时基放大后可以以2ns/格的速度扫描。示波器屏幕现在就成了信号上的一个可移动的观察窗口。和简单的直接选择更快的时基速度相比,这种方法的好处是能够在保持原信号不变的情况下更加详细的观察信号的细节。
   图9说明如何使用X轴位置控制来实现信号的滚动显示。

 

图9 时基放大和X轴位置控制

双时基

  在很多观察复杂信号波形的应用场合中,往往需要显示一个波形的一小部分,并使它占踞整个屏幕。这种情况的一个典型的例子是观察研究全部电视信号中某一选定的行的波形。在这类情况中,使用标准时基通过正常触发的方法是无能为力的。
   这就是在现代示波器上采用双时基工作的原因。
   在这个例子中,示波器的主时基(MTB)可由波形中的主触发事件,即全电视信号中的垂直同步信号来触发。MTB扫迹的一部分显示得更亮一些,这称为加亮部分。在此加亮部分的起始点时刻,第二个时基,称为延迟时基或DTB开始扫描。这第二个时基可按自己的扫描速度来设置。并且扫描速度比主时基的扫描速度要快。主时基的起始点和加亮部分开始点之间的延迟时间是可调的。
   我们甚至可以作到在选定的延迟时间结束时不启动DTB扫描,而只是在该时刻为DTB时基的触发电路作好触发准备。如果过一会儿再发生新的触发事件,DTB扫描即将开始。
   所以,使用双时基时,电子束将以两个时基的两种不同的速度交替的在屏幕上扫描。
   让我们来看图10。首先主时基以500μs/格的速度运行,在屏幕上描绘出一个波形。在此扫描期间,过了2ms即等于4格的时间以后,扫迹被加亮。这段延迟时间由延迟1控制来设定。波形上加亮部分的时间长度则由DTB扫描时间控制机构来高定,在我们的例子中现在为50μs/格当经过2ms的延迟时间后延迟时基进行扫描时,它只显示原来主时基扫迹的十分之一。但是这段原来主进基扫迹十分之一的波形段则在整个屏幕上显示出来。

 

图10 双时基工作(500μs/格及50μs格,4格延迟)

  1)在老式的示波器上,延迟控制指的是延迟时间倍增器。边是一个带有刻度的多圈电位器。当扫迹的加亮部分在MTB上根据需要确定位置以后,其延迟即可由DTB时基速度和该电位器示出的刻度读数相乘而计算出来。由此延迟控制一词得名。
   当我们改变延迟时间时,就改变了延迟时基扫描的起始点在主时基上的位置。而改变延迟时基扫描速度则改变在主时其上显示出来的波形段的长度。
   当延迟时基已经设置好,并显示出欲观察的信号段时,我们可以把主时基关闭。这样可以使得延迟扫迹变得更亮。
   典型双时基示波器的时基工作模式有:
   —MTBI=只用主时基
   只用MTB工作时,示波器的性能和单时基示波器相同。
   —MTB±=主时基加亮
   这时示波器只显示主时基。但是扫迹上的一部分被加亮,以表示出DTB的起始位置及其扫描速度。
   —MTB加亮和DTB
   和MTBI相同,但也同时显示DTB扫描。
   —DTB=延迟时基。
   只显示DTB扫描。
   在本书的触发部分还会进一步讨论双时基的问题。

时基模式

  时基电路有几种工作。对普通模拟示波器来说,工作模式有自动、正常或触发以及单次或单次捕捉等模式。

—正常模式

  时基必须受到触发才能产生扫迹。其规律非常简单,即"没有信号就没有扫描轨迹"。示波器在选定的触发源通道上必须有输入信号,并且该信号必须大到足以触发时基电路。如果没有输入信号,屏幕上就不会有扫描轨迹。

—自动模式

  如果能在没有输入信号时也能看到扫迹。这将会是很有用的。在没有输入信号以进行触发时,自动模式将使时基以低频率自由运行,从而在屏幕上产生扫迹。这使得用户可以设置扫迹的垂直位置,即如果信号仅为一直流电位的情况。

—单次模式

  当接收到触发信号时进基将进行扫描,并且将只扫描一次。对于每次触发事件都必须使时基电路作好触发准备(atm)。不然的话,下面来的触发事件将不能启动时基扫描。对于不同的示波器,按动标有单次或复位的按钮就使得触发电路重新作好触发准备。为了避免在单次扫描工作时盲目猜测,现代示波器上可以用屏幕上显示出伏特数值或显示水平线的方式来显示出其触发电平值。

1.5 触 发

  我们已经看到在示波管上输入信号如何提供垂直偏转,时基如何给出水平偏转。但是我们如何保证在电子束扫过屏幕时每次都准确地扫过相同的路径呢?解决这个问题的关键在于触发电路。如果没有触发电路,你在屏幕上看到的将会是具有随机起始点的很多波形杂乱重叠的图象。而触发电路的作用就在于保证每次时基在屏幕的扫描的时候,时基扫描都从输入信号上的一上**确定的点开始。这个**的扫描起始点则由下述控制因素来决定。

图11 无触发的信号波形

触发源

  它决定触发信号从哪里获得。在多数情况下,触发信号来自输入信号本身。所以如果只使用一个通道,那么触发源就设置为该通道。如果使用多个通道,那么触发源可以从这些通道中选取。
   复合触发(Composite triggering)则是在显示不同的通道时轮流使用相应的通道触发。这对于显示频率不相关的信号时是非常有用的。
   如果示波器具有外部触发输入端(Ext),那么它上面连接的信号则可驱动触发电路使示波器触发。
   如果要观测在电源频率或者源于电源频率系统的信号,那么电源触发功能可以提供电源触发的能力。这是观察与电源有关的干扰信号的好方法。

触发电平

  触发电平控制机构设置选定触发源的信号欲使触发电路启动时基扫描所必须跨越的电压电平值。

图12 触发电平设置对显示波形的影响。

图13 视频行信号

触发斜率

  触发斜率控制机构决定触发发生于触发源信号的上升沿("正斜率")或者下降沿("负斜率")

触发耦合

  用以决定选定的触发源信号送往触发电路的耦合方式

—DC耦合

  触发源直接连到触发电路。

—AC耦合

  触发源通过一个串联的电容连到触发电路。

—峰(-)峰值电平-(Level p(-)p)

  将触发电平控制机构的控制范围设置成略小于触发源信号的峰(-)峰值。在这种模式下不可能将触发电平设置为超出输入信号的值,所以只要有信号示波器总能触发。

—HF抑制

  使触发源信号通过低通滤波器以抑制其高频分量。这意味着既使一个低频信号中包含很多高频噪音,我们仍能使其按低频信号触发。

—LF抑制

  使触发源信号通过一个高通滤波器以抑制其低频成分。这对于显示包含很多电源交流声的信号等情况是很有用的。

—TV触发

  在这种模式下触发电平控制不起作用。这时示波器使用视频信号中的同步脉冲作为触发信号。TV触发有两种模式:帧触发TVF和行触发TVL

—TVF

  每一帧电视图象由两场组成。每一场则包含构成一个完整的帧所需行数的一半。在电视屏幕上两场信号交错显示以构成一帧的画面。采用这种技术减少了传送一个频道所需要的带宽并减小了画面的闪烁。在每一个场开始的时候都有一个特别的脉冲序列,称为帧同步脉冲。在TVF同步模式下,示波器就由帧同步脉冲来触发。现代示波器的触发控制可以区分**场和第二场。

—TVL

  每一场包括若干行。每一行都由一个行同步脉冲即行同步信号开始。示波器可以由每一个行同步脉冲来触发,这样描绘出的各个行的波形将会重叠在一起。便用帧触发和双时基我们可以观察某一特定行的波形。我们还可以使用如象Fluke公司的示波器所具有的称为视频行选择器的特殊的附件PM8917来观察某一特定的行。使用本书中用作示例的组合示波器时,我们可以使用示波器中内装的视频行计数器直接选定所需的行号(**于PM3394A系列示波器)。

触发隔离(Trigger Hold-off)

  有些信号具有多个可能的触发点。这种情况的一个很好的例子是图14中的数字信号。该信号虽然在较长的时间周期内是重复的,但是在短时间内情况则不然。为了更详细的观察少数个别脉冲,必须使用快速的扫描时基。但是这样一来每次扫描时显示出来的信号波形段就是变化不一的。为了解决这个问题,我们采用了触发隔离功能,即在各次扫描之间加入延迟时间,使得扫描的每次触发总是从相同的信号沿开始。

图14 复杀脉冲的触发隔离应用

延迟时基触发

  从本书前面的时基部分我们已经知道,在MTB扫描时基开始后经过一段延迟,DTB开始扫描,即受到触发。此延迟时间从MTB触发点开始计算。经过这段时间延迟后,DTB实际上是由延迟系统启动的。这种模式称为DTB启动。
   和MTB类似,DTB也可以按触发模式工作,示波器上设有相应的控制机构以设置DTB触发源、触发电平、触发率及耦合方式。这些控制机构与MTBN无关,自己独立工作。选择了这种设置方式后,当上述的延迟时间结束以后,DTB就作好触发准备。而当输入信号上探测到新的触发事件时DTB才被触发开始扫描。

 

1.6 附加功能

X-Y偏转

  X-Y偏转或X-Y模式是示波器的另一种显示方法。这种示波器将时基关闭,而用另一个与产生垂直偏转的信号不同的信号来使电子束在水平方向偏转。这就是说用两个信号在X、Y方向同时作用于电子束而描绘出波形,以便观察这两个信号的关系。
   这种方法*常见的用处是观察两信号间的相位关系。图15的图形称为李萨育图。这些图形是当使用互相成谐波频率关系的两个信号分别作X和Y偏转信号时产生的。如果所使用的两个信号没有相关的频率关系,则不会获得稳定的图形显示。对于使用具有固定频率关系的两个信号的情况来说,从显示的图形中还可以得两个信号间的相位关系。作为一个例子,图16给出了由具有相同频率而相位差分别为0°、45°、90°的两个信号所形成的图形。

图15 李萨育图,垂直偏转信号的频率为水平偏转信号频率的整倍数

 

图16 李萨育图。 相同频率的两个信号加到垂直和水平偏转系统的情况。

  X-Y用适当的传感器把物理量变换成示波器能显示的信号,就可显示两个物理量,例如位移和压力之间的关系。X-Y显示模式还可以在电子学实验室用来进行元件测试工作,例如描绘二极管的特性曲线等。事实上,在任何涉及两个相互关联的物理量的场合都可以使用X-Y显示模式。

延迟线

  虽然延迟线是示波器垂直偏转系统的一部分,但是我们将在这里讨论它,因为触发和水平偏转系统是对其有影响的因素。
   无论触发和时基电路的速度有多快,要对一个有效的触发条件作出响应都需要一定时间。同时,时基电路在其扫描起始点也有一个小的非线性区。过了这个非线性区以后时基扫描才达到其全扫描速度。这个非性区的时间宽度在纳秒的数量级。对于带宽不宽的示波器来说,这个非线性区的时间和示波器所能显示的*快的信号相比是可以忽略的。而对于扫描速度可达2ns/格的宽带示波器来说,这个时间对波形的显示有很大的影响。为了能够显示纳秒级的波形事件,就必须在信号波形中的触发事件到达屏幕之前触发时基开始扫描。
   这就是说,当信号的触发信息到达偏转板时,电子束已经提前开始扫描了。这样就可以观察完整的波形上升沿或下降沿,并能观察触发前若干纳秒的信号波形。触发前的这个若干纳秒的波形称为预触发信息。这种预触发功能是由在垂直偏转系统中在触发电路信号提取点和*后的放大器之间插入一个信号延迟线来实现的。延迟线可以将信号贮存一段时间,其时间长度和延迟线的长度成正比。这样,当信号到达延迟线的末端时,时基已经启动并正在扫描之中。

 

图17 延迟线对显示快速上升的影响

小结

  至此我们已经通过系统方框图说明了一台基本的模拟示波器是如何式作的。
   我们已经介绍了其各种基本控制功能。后面我们将会看到,多数这些控制功能不仅出现在模拟示波器上,也出在数字存储示波器上。

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