示波器夢想之了解示波器

一、模擬示波器原理：

物理學理論可以證明，一端通過細繩固定的重物在作擺動時，與中心垂線的距離滿足正弦波規(guī)律。沙漏實驗可以清晰地顯示這個隨時間變化的波形：用沙漏充當重物，并且在沙漏底下的桌面上平鋪一張紙，當沙漏開始擺動時，讓紙勻速移動。這樣，沙漏中流出的細沙，就在紙上留下了一個正弦波痕跡，如圖1所示。利用這種設(shè)計思想，可以完成波形在平面上（對應于時間的流動）的展開。這種設(shè)計思想在波形記錄、顯示中被廣泛采用，比如心電圖機，就是用原地擺動的電熱針，在勻速移動的記錄紙帶上描記出心電波形。

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

在一個封閉玻璃管顯示屏的內(nèi)壁涂上熒光粉，當熒光粉被大量電子形成的電子束轟擊時，會發(fā)出熒光。可以發(fā)出電子束的設(shè)備稱為電子*，它可以連續(xù)地發(fā)出集束性很強的電子。這些電子束在飛行過程中，如果遇到電場的作用，會因電場形成的力而改變運行方向，導致最終電子束落到熒光屏上的位置發(fā)生改變，也就是光點改變。根據(jù)這個原理制造的示波管，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)過兩個偏轉(zhuǎn)板的作用，會在X、Y兩個方向上發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

當在Y偏轉(zhuǎn)板上加入被測信號，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隨著被測電壓的變化而發(fā)生位置變化——電壓越大，光點位置越靠上方。

當在X偏轉(zhuǎn)板上加入一個鋸齒波，而在Y偏轉(zhuǎn)板上不加電壓，可以看到光點從熒光屏左邊出現(xiàn)，勻速移動到右邊，然后又迅速在左邊重復出現(xiàn)。

當在X偏轉(zhuǎn)板上加入一個鋸齒波，而在Y偏轉(zhuǎn)板上加入一個正弦波，則可以看到，光點在勻速左移的同時，其Y方向位置出現(xiàn)了正弦變化的規(guī)律，也就是說，光點的移動軌跡是一個正弦波。

圖2 模擬示波器的顯示屏

模擬示波器把需觀測的兩個電信號加至示波管的X、Y通道以控制電子束的偏移，從而獲得熒光屏上關(guān)于這兩個電信號關(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、價格貴，并且不太適合用于對非周期的、單次信號的測量。

二、數(shù)字示波器簡要原理

數(shù)字示波器的工作原理可以用圖3 來描述，當輸入被測信號從無源探頭進入到數(shù)字示波器，首先通過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)換器對其測量電壓有一個規(guī)定的量程范圍，所以，示波器的前置放大模塊就是負責對輸入信號的預先處理，放大或者衰減到一定合適的幅度，然后才進入ADC。A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器將輸入信號轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)據(jù)，傳送給存儲模塊。因為處理器的速度跟不上高速A/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高速緩存器。圖2.2.1中還有一個觸發(fā)電路，觸發(fā)電路用來設(shè)定觸發(fā)事件，只有當輸入信號滿足用戶設(shè)定的觸發(fā)事件時，示波器才會采集數(shù)據(jù)，這部分工作也可以在軟件上實現(xiàn)。