示波器工作原理

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,示波器基本原理及使用,概述,自然界存在着各种形式的波，比如海浪、地震、声波、爆破、空气中传播的声音，或者身体运转的自然节律。物理世界里，能量、振动粒子和不可见的力无处不在。即使是光（波粒二象物质）也有自己的频率，并因为频率的不同呈现出不同的颜色。,通过传感器，这些力可以转变为电信号，以便通过示波器能够进行观察和研究。有了示波器，我们就能够,“,观察,”,随时间变化的事件。,示波器是任何设计、制造或是维修电子设备的必备之物。当今世界瞬时万变，工程师们需要最好的工具，快速而精确地解决测量疑难。,示波器的用途不仅仅局限于电子领域。示波器利用信号变换器，适用于各种各样的物理现象。信号变换器能够响应各种物理激励源，使之转变为电信号，包括声音、机械应力、压力、光、热。麦克风属于信号变换器，它实现把声音转变为电信号。由示波器收集科学数据的例子如图,1,所示。,示波器,什么是示波器，它是如何工作的？,示波器是一种,形象地显示信号幅度随时间变化的波形显示仪器，是一种综合的信号特性测试仪，是基本的电子测量仪器,，它描绘电信号的图形曲线。在大多数应用中，呈现的图形能够表明信号随时间的变化过程：垂直（,Y,）轴表示电压，水平（,X,）轴表示时间。有时称亮度为,Z,轴。,(,参看图,2),这一简单的图形能够说明信号的许多特性，例如：,信号的时间和电压值,振荡信号的频率,信号所代表电路的,“,变化部分,”,信号的特定部分相对于其他部分的区别,是否存在故障部件使信号产生失真,信号的直流值,(DC),和交流值,(AC),信号的噪声值和噪声是否随时间变化,图,2.,显示波形的,X,、,Y,和,Z,分量,理解波形和波形的测量,通常把随时间重复的模式称为波，声波、脑电波、海浪、电压波形都具有重复的特点。示波器测量的是电压波形。波的周期是波动重复的部分。波形是波的图形表现形式。电压波形描述水平方向的时间和垂直方向的电压。,波形能够揭示信号的许多特性。当看到波形的高度变化，则表示电压值在变化。当看到的是平坦的水平线，则表示在一段时间内，信号没有变化。平直斜线表示线性变化，电压以恒定的斜率上升或下降。波形中的尖角指示的是突然的变更。图,3,提供出普通波形图，而图,4,展示出这些普通波形的来源。,波的类型,大多数波都属于如下类型,：,正弦波,方波和矩形波,三角波和锯齿波,阶跃波和脉冲波,周期和非周期信号,同步和异步信号,复杂波,正弦波,有几个原因说明正弦波是基本波形。它具有和谐的数学特性，与正弦函数曲线的形状一样。房间墙角的电源出口输出的电压值也如同正弦波那样变化。信号发生器振荡电路产生的测试信号通常就是正弦波。大多数,AC,电源产生的是正弦波。（,AC,表示的是交流，实际上电压值也在改变。,DC,表示的是直流，同时意味着稳定的电流和电压，电池产生的就是,DC,。）,衰减的正弦波是振荡电路产生的特殊实例，它随时间而衰减。图,5,是正弦波和衰减的正弦波的示例。,方波和矩形波,方波是另一种常见的波形。从本质上看，方波是以相同的时间间隔，不停开关的电压（或者不断为高低值）。它是测试放大器的标准波形，好的放大器在增加方波幅值的同时有最小的失真。电视、广播和计算机电路中经常使用方波作为定时信号。,矩形波与方波类似，不同之处在于高低电压值的间隔时间并不等长。在分析数字电路时，矩形波非常有用。图,6,是方波和矩形波的示例。,锯齿波和三角波,锯齿波和三角波来源于线性控制电压的电路。例如，模拟示波器的水平扫描，或者电视的光栅扫描。这类波形以恒定速率对电压电平值进行转换。这些渐增过程称为斜坡信号。图,7,是锯齿波和三波的示例。,阶跃波和脉冲波,阶跃波和脉冲波之类的信号很少发生，并且是非周期信号。这类信号被称为单脉冲或瞬时信号。阶跃波指示的是电压的突然变化，打开电源开关时电压的情况即是如此。,脉冲指的是电压的突然的两次变化，打开电源开关马上又关闭时，产生的电压波形就是脉冲。在计算机电路进行传输时，一个脉冲可以表示信息的一位。一系列传输脉冲的集合成为脉冲序列。计算机的数字部件通过脉冲进行相互通信。图,8,是阶跃波、脉冲波和脉冲序列的示例。,周期信号和非周期信号,不断重复的信号称为周期信号，而不断变化的信号称为非周期信号。静止图象与周期信号相似，而移动图象则与非周期信号等同。,同步信号和异步信号,如果二信号之间具备定时关系，则称它们是同步的。举例来说，计算机中的时钟、数据和地址信号就是同步信号。,异步用来说明信号之间没有定时关系。比如说，接触计算机键盘的行为和计算机内部的时钟之间没有时间的关联，两者可被认为是异步的。,复杂波,一些波形组合正弦波、方波、阶跃波和脉冲的特性，形成新的波形，信号的信息可以置入幅值、相位中，可能还置入频率变量当中。例如，图,9,表示的是平常的复合视频信号，但是在低频包络里也置入了许多高频波形周期。对于这个例子，理解各处的相对电平和定时关系是非常重要的。为了观察这样的信号，需要用示波器来捕获低频包络，并以一定的亮度级表示复杂高频波形。如此一来，就可以观察到整个混合图象，方便直观地进行解释说明。对于如图,9,所示的视频信号，模拟和数字的荧光示波器非常适合观察这样的复杂波形。,波形测量,使用示波器时有许多测量参数。下面对一些常见的测量参数进行说明。,频率和周期,不断重复的信号具有频率特性。频率的单位是赫兹（,Hz,），表示一秒时间内信号重复的次数。称为周期每秒。重复信号也具有周期特性，即信号完成一个循环所需要的时间量。周期和频率互为倒数关系，即,(1/,周期,),等于频率，同理,(1/,频率,),等于周期。例如，如图,10,所示，该正弦信号的频率是,3Hz,，而周期是,1/3,秒。,电压,电压是电路两点间的电势能或信号强度。有时把地线或零电压作为参考点。如果测量的是波形从最高峰值到最低峰值的电压值，则称为电压的峰值,-,峰值。,幅度,幅度是指电路两点间电压量。幅度通常指被测信号以地或零电压为参考时的最大电压。图,11,所示的波形的幅度为,1V,，而电压的峰值,-,峰值为,2V,。,相位,参照正弦波很容易理解相位。正弦波的电压值是基于圆形运动的。参照图,11,，一个圆的度数是,360,而正弦波的一个周期也是,360,。为描述经过的周期数，可以参照正弦波的相位的角度。,相移用来描述两个不同相似信号在时间上的差值。图,12,中，标号为,“,电压,”,的波形比标号为,“,电流,”,的波形超前,90,，因为两者到达同一点刚好相差,1/4,周（,360,/4=90,）。在电子学中，相移比较普遍。,利用数字示波器对波形进行测量,现代的数字示波器使波形测量变得更为容易。通过前面板按钮，以及基于屏幕的菜单，可方便选择全自动的测量参数。包括幅值、周期、上升,/,下降时间，等等。许多数字仪器也能提供均值和均方值的计算、占空比和其他数学运算。自动化测量通过屏幕读取数值。一般来说，读取的数值可能比直接利用指针式工具的测量更为准确。,一些数字荧光示波器用到的全自动波形测量参数有：,周期,频率,宽度,宽度,上升时间,下降时间,幅度,消光率,平均光功率,占空比,占空比,延迟,相位,突发宽度,峰值,-,峰值,均值,周期均值,周期区,高,低,最小值,最大值,过冲,过冲,均方值,周期均方值,示波器的类型,电子设备可以划分为两类：模拟设备和数字设备。模拟设备的电压变化连续，而数字设备处理的是代表电压采样的离散二元码。传统的电唱机是模拟设备，而,CD,播放器是属于数字设备。,同样，示波器也能分为模拟和数字类型。模拟和数字示波器都能够胜任大多数的应用。但是，对于一些特定应用，由于两者具备的不同特性，每种类型都有适合和不适合的地方。作进一步划分，数字示波器可以分为数字存储示波器（,DSO,）、数字荧光示波器（,DPO,）和采样示波器。,模拟示波器,在本质上，模拟示波器工作方式是直接测量信号电压，并通过从左到右穿过示波器屏幕的电子束在垂直方向描绘电压。示波器屏幕通常是阴极射线管（,CRT,）。电子束投到荧幕的某处，屏幕后面总会有明亮的荧光物质。当电子束水平扫过显示器时，信号的电压是电子束发生上下偏转，跟踪波形直接反映到屏幕上。在屏幕同一位置电子束投射的频度越大，显示得也越亮。,CRT,限制着模拟示波器显示的频率范围。在频率非常低的地方，信号呈现出明亮而缓慢移动的点，而很难分辨出波形。在高频处，起局限作用的是,CRT,的写速度。当信号频率超过,CRT,的写速度时，显示出来的过于暗淡，难于观察。模拟示波器的极限频率约为,1GHz,。,当把示波器探头和电路连接到一起后，电压信号通过探头到达示波器的垂直系统。图,13,描述模拟示波器是如何显示被测信号。设置垂直标度（对伏特,/,格进行控制）后，衰减器能够减小信号的电压，而放大器可以增加信号电压。随后，信号直接到达,CRT,的垂直偏转板。电压作用于这些垂直偏转板，引起亮点在屏幕中移动。亮点是由打在,CRT,内部荧光物质上的电子束产生的。正电压引起点向上运动，而负电压引起点向下运动。,模拟示波器波形显示原理,只在竖直偏转板上加正弦电压的情形,只在水平偏转板上加一锯齿波电压的情形,示波器显示正弦波原理图,被测信号需经过触发系统，启动或触发水平扫描。水平扫描产生亮点在屏幕中水平移动的行为。触发水平扫描后，亮点以水平时基为基准，依照特定的时间间隔从左到右移动。许多快速移动的亮点融合到一起，形成实心的线条。,水平扫描和垂直偏转共同作用，形成显示在屏幕上的信号图象。触发器能够实现稳定重复的信号，它确保扫描总是从重复信号的同一点开始，目的就是使呈现的图象清晰。参照图,14,。,另外，模拟示波器有对聚焦和亮度的控制，可调节出锐利和清晰的显示结果。,为显示,“,实时,”,条件下或突发条件下快速变化的信号，人们经常推荐使用模拟示波器。模拟示波器的显示部分基于化学荧光物质，它具有亮度级这一特性。在信号出现越多的地方，轨迹就越亮。通过亮度级，仅观察轨迹的亮度就能区别信号的细节。,数字示波器,与模拟示波器不同，数字示波器通过模数转换器（,ADC,）把被测电压转换为数字信息。它捕获的是波形的一系列样值，并对样值进行存储，存储限度是判断累计的样值是否能描绘出波形为止。随后，数字示波器重构波形。（参看图,15,。）,数字示波器分为数字存储示波器（,DSO,）、数字荧光示波器（,DPO,）和采样示波器。,数字的手段则意味着，在示波器的显示范围内，可以稳定、明亮和清晰地显示任何频率的波形。对重复的信号而言，数字示波器的带宽是指示波器的前端部件的模拟带宽，一般称之为,-3dB,点。对于单脉冲和瞬态事件，例如脉冲和阶跃波，带宽局限于示波器采样率之内。,数字存储示波器,常规的数字示波器是数字存储示波器（,DSO,）。它的显示部分更多基于光栅屏幕而不是基于荧光。,数字存储示波器（,DSO,）便于捕获和显示那些可能只发生一次的事件，通常称为瞬态现象。以数字形式表示波形信息，实际存储的是二进制序列。这样，利用示波器本身或外部计算机，方便进行分析、存档、打印和其他的处理。波形没有必要是连续的；即使信号已经消失，仍能够显示出来。与模拟示波器不同的是，数字存储示波器能够持久地保留信号，可以扩展波形处理方式。然而，,DSO,没有实时的亮度级；因此，他们不能表示实际信号中不同的亮度等级。,组成,DSO,的一些子系统与模拟示波器的一些部分相似。但是，,DSO,包含更多的数据处理子系统，因此它能够收集显示整个波形的数据。从捕获信号到在屏幕上显示波形，,DSO,采用串行的处理体系结构，如图,16,所示。随后将对串行处理体系作讲解。,串行处理体系结构,与模拟示波器一样，,DSO,第一部分（输入）是垂直放大器。在这一阶段，垂直控制系统方便调整幅度和位置范围。紧接着，在水平系统的模数转换器（,ADC,）部分，信号实时在离散点采样，采样位置的信号电压转换为数字值，这些数字值称为采样点。该处理过程称为信号数字化。水平系统的采样时钟决定,ADC,采样的