1．4 水平偏轉

時(shí)基

為了描繪一幅圖形我們必須要有水平和垂直兩個(gè)方向的信息。示波器描繪軌跡表明信號隨時(shí)間的變化情況因此其水平偏轉必須和時(shí)間成正比。示波器中控制水平偏轉即X軸的系統稱(chēng)為時(shí)基。

在示波器里有一個(gè)精確的掃描發(fā)生器。它使得電子束以精確的、用戶(hù)可選擇的速度在屏幕上掃描。時(shí)基發(fā)生器的輸出示于圖6

掃描速度以每格的秒數（s/格）來(lái)度量。一臺典型示波器的掃描速度范圍可以從20ns/格到0。5s/格。掃描速度也和靈敏度控制一樣按1－2－5的序列變化。只要我們知道了每個(gè)標尺格所代表的時(shí)間值就可以測量出屏幕掃跡上任何兩點(diǎn)之間的時(shí)間。

例如圖7和圖8顯示的都是1kHz的正弦波（其周期為1ms）,而掃描速率分別為1ms/格和200ms/格。（us=微秒10-6）。

水平位置控制 水平或X軸位置控制機構X－POS可以在屏幕上沿水平方向移動(dòng)掃跡。這樣我們就可以把掃跡上的某一點(diǎn)和某一條垂直標尺線(xiàn)對齊以便為時(shí)間測量規定一個(gè)起始點(diǎn) 可變時(shí)基  我們可以選擇不同于標準的1－2－5序列設置值的掃描速度。這樣我們就能夠把任意一個(gè)波形的一個(gè)周期調整成模跨整個(gè)屏幕寬度。和在Y軸方向使用VAR控制機構的情況一樣,

圖 7 1kHz 的正弦波時(shí)基設置為1ms/格

多數示波器會(huì )給出指示說(shuō)明正在使用可變時(shí)基X軸處于未校準狀態(tài)。更先進(jìn)的示波器如我們用作示例的示波器可以工作在校準的連續可變時(shí)基模式。這時(shí)由于可以用整個(gè)屏幕來(lái)顯示信號中我們感興趣的部分所以能獲得更好的測量時(shí)間分辨率。同時(shí)也能大大減少發(fā)生操作錯誤的可能性。

圖8 1kHz的正弦波時(shí)基設置為200μs/格

時(shí)基放大

時(shí)基放大功能通常能將X軸偏轉掃描放大10倍。這樣在屏幕上看到的等效時(shí)基速度也變快10倍。所以一臺未經(jīng)時(shí)基放大的時(shí)掃描速度為20ns/格的示波器經(jīng)時(shí)基放大后可以以2ns/格的速度掃描。示波器屏幕現在就成了信號上的一個(gè)可移動(dòng)的觀(guān)察窗口。和簡(jiǎn)單的直接選擇更快的時(shí)基速度相比這種方法的好處是能夠在保持原信號不變的情況下更加詳細的觀(guān)察信號的細節。 


圖9說(shuō)明如何使用X軸位置控制來(lái)實(shí)現信號的滾動(dòng)顯示。

雙時(shí)基 在很多觀(guān)察復雜信號波形的應用場(chǎng)合中往往需要顯示一個(gè)波形的一小部分并使它占踞整個(gè)屏幕。這種情況的一個(gè)典型的例子是觀(guān)察研究全部電視信號中某一選定的行的波形。在這類(lèi)情況中使用標準時(shí)基通過(guò)正常觸發(fā)的方法是無(wú)能為力的。

圖9 時(shí)基放大和X軸位置控制

這就是在現代示波器上采用雙時(shí)基工作的原因。

在這個(gè)例子中示波器的主時(shí)基（MTB）可由波形中的主觸發(fā)事件即全電視信號中的垂直同步信號來(lái)觸發(fā)。MTB掃跡的一部分顯示得更亮一些這稱(chēng)為加亮部分。在此加亮部分的起始點(diǎn)時(shí)刻第二個(gè)時(shí)基稱(chēng)為延遲時(shí)基或DTB開(kāi)始掃描。這第二個(gè)時(shí)基可按自己的掃描速度來(lái)設置。并且掃描速度比主時(shí)基的掃描速度要快。主時(shí)基的起始點(diǎn)和加亮部分開(kāi)始點(diǎn)之間的延遲時(shí)間是可調的。

我們甚至可以作到在選定的延遲時(shí)間結束時(shí)不啟動(dòng)DTB掃描而只是在該時(shí)刻為DTB時(shí)基的觸發(fā)電路作好觸發(fā)準備。如果過(guò)一會(huì )兒再發(fā)生新的觸發(fā)事件DTB掃描即將開(kāi)始。

所以使用雙時(shí)基時(shí)電子束將以?xún)蓚�(gè)時(shí)基的兩種不同的速度交替的在屏幕上掃描。

讓我們來(lái)看圖10。首先主時(shí)基以500μs/格的速度運行在屏幕上描繪出一個(gè)波形。在此掃描期間過(guò)了2ms即等于4格的時(shí)間以后掃跡被加亮。這段延遲時(shí)間由延遲1控制來(lái)設定。波形上加亮部分的時(shí)間長(cháng)度則由DTB掃描時(shí)間控制機構來(lái)高定在我們的例子中現在為50μs/格

當經(jīng)過(guò)2ms的延遲時(shí)間后延遲時(shí)基進(jìn)行掃描時(shí)它只顯示原來(lái)主時(shí)基掃跡的十分之一。但是這段原來(lái)主進(jìn)基掃跡十分之一的波形段則在整個(gè)屏幕上顯示出來(lái)。 在老式的示波器上延遲控制指的是延遲時(shí)間倍增器。邊是一個(gè)帶有刻度的多圈電位器。當掃跡的加亮部分在MTB上根據需要確定位置以后

圖10 雙時(shí)基工作（500μs/格及50μs格4格延遲）

其延遲即可由DTB時(shí)基速度和該電位器示出的刻度讀數相乘而計算出來(lái)。由此延遲控制一詞得名。

當我們改變延遲時(shí)間時(shí)就改變了延遲時(shí)基掃描的起始點(diǎn)在主時(shí)基上的位置。而改變延遲時(shí)基掃描速度則改變在主時(shí)其上顯示出來(lái)的波形段的長(cháng)度。

當延遲時(shí)基已經(jīng)設置好并顯示出欲觀(guān)察的信號段時(shí)我們可以把主時(shí)基關(guān)閉。這樣可以使得延遲掃跡變得更亮。

典型雙時(shí)基示波器的時(shí)基工作模式有： －MTBI＝只用主時(shí)基  只用MTB工作時(shí)示波器的性能和單時(shí)基示波器相同。 －MTB±＝主時(shí)基加亮  這時(shí)示波器只顯示主時(shí)基。但是掃跡上的一部分被加亮以表示出DTB的起始位置及其掃描速度。

圖11 無(wú)觸發(fā)的信號波形

－MTB加亮和DTB 
和MTBI相同但也同時(shí)顯示DTB掃描。

－DTB＝延遲時(shí)基。
只顯示DTB掃描。

在本書(shū)的觸發(fā)部分還會(huì )進(jìn)一步討論雙時(shí)基的問(wèn)題。

時(shí)基模式 時(shí)基電路有幾種工作。對普通模擬示波器來(lái)說(shuō)工作模式有自動(dòng)、正常或觸發(fā)以及單次或單次捕捉等模式。

圖12 觸發(fā)電平設置對顯示波形的影響

一正常模式 
時(shí)基必須受到觸發(fā)才能產(chǎn)生掃跡。其規律非常簡(jiǎn)單即"沒(méi)有信號就沒(méi)有掃描軌跡"。示波器在選定的觸發(fā)源通道上必須有輸入信號并且該信號必須大到足以觸發(fā)時(shí)基電路。如果沒(méi)有輸入信號屏幕上就不會(huì )有掃描軌跡。

－自動(dòng)模式 
如果能在沒(méi)有輸入信號時(shí)也能看到掃跡。這將會(huì )是很有用的。在沒(méi)有輸入信號以進(jìn)行觸發(fā)時(shí)自動(dòng)模式將使時(shí)基以低頻率自由運行從而在屏幕上產(chǎn)生掃跡。這使得用戶(hù)可以設置掃跡的垂直位置即如果信號僅為一直流電位的情況。

一單次模式

當接收到觸發(fā)信號時(shí)進(jìn)基將進(jìn)行掃描并且將只掃描一次。對于每次觸發(fā)事件都必須使時(shí)基電路作好觸發(fā)準備（atm）。不然的話(huà)下面來(lái)的觸發(fā)事件將不能啟動(dòng)時(shí)基掃描。對于不同的示波器按動(dòng)標有單次或復位的按鈕就使得觸發(fā)電路重新作好觸發(fā)準備。為了避免在單次掃描工作時(shí)盲目猜測現代示波器上可以用屏幕上顯示出伏特數值或顯示水平線(xiàn)的方式來(lái)顯示出其觸發(fā)電平值。

1．5 觸 發(fā)

我們已經(jīng)看到在示波管上輸入信號如何提供垂直偏轉時(shí)基如何給出水平偏轉。但是我們如何保證在電子束掃過(guò)屏幕時(shí)每次都準確地掃過(guò)相同的路徑呢？解決這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵在于觸發(fā)電路。如果沒(méi)有觸發(fā)電路你在屏幕上看到的將會(huì )是具有隨機起始點(diǎn)的很多波形雜亂重疊的圖象。而觸發(fā)電路的作用就在于保證每次時(shí)基在屏幕的掃描的時(shí)候時(shí)基掃描都從輸入信號上的一上精確確定的點(diǎn)開(kāi)始。這個(gè)精確的掃描起始點(diǎn)則由下述控制因素來(lái)決定。

圖-13視頻行信號

觸發(fā)源

它決定觸發(fā)信號從哪里獲得。在多數情況下觸發(fā)信號來(lái)自輸入信號本身。所以如果只使用一個(gè)通道那么觸發(fā)源就設置為該通道。如果使用多個(gè)通道那么觸發(fā)源可以從這些通道中選取。

復合觸發(fā)（Composite triggering）則是在顯示不同的通道時(shí)輪流使用相應的通道觸發(fā)。這對于顯示頻率不相關(guān)的信號時(shí)是非常有用的。

如果示波器具有外部觸發(fā)輸入端（Ext）那么它上面連接的信號則可驅動(dòng)觸發(fā)電路使示波器觸發(fā)。 


如果要觀(guān)測在電源頻率或者源于電源頻率系統的信號那么電源觸發(fā)功能可以提供電源觸發(fā)的能力。這是觀(guān)察與電源有關(guān)的干擾信號的好方法。

觸發(fā)電平

觸發(fā)電平控制機構設置選定觸發(fā)源的信號欲使觸發(fā)電路啟動(dòng)時(shí)基掃描所必須跨越的電壓電平值。

觸發(fā)斜率

觸發(fā)斜率控制機構決定觸發(fā)發(fā)生于觸發(fā)源信號的上升沿（"正斜率"）或者下降沿（"負斜率"）

觸發(fā)耦合

用以決定選定的觸發(fā)源信號送往觸發(fā)電路的耦合方式

－DC耦合

觸發(fā)源直接連到觸發(fā)電路。

－AC耦合

觸發(fā)源通過(guò)一個(gè)串聯(lián)的電容連到觸發(fā)電路。

－峰（－）峰值電平－(Level p（－）p)

將觸發(fā)電平控制機構的控制范圍設置成略小于觸發(fā)源信號的峰（－）峰值。在這種模式下不可能將觸發(fā)電平設置為超出輸入信號的值所以只要有信號示波器總能觸發(fā)。

－HF抑制 使觸發(fā)源信號通過(guò)低通濾波器以抑制其高頻分量。這意味著(zhù)既使一個(gè)低頻信號中包含很多高頻噪音我們仍能使其按低頻信號觸發(fā)。 －LF抑制 使觸發(fā)源信號通過(guò)一個(gè)高通濾波器以抑制其低頻成分。這對于顯示包含很多電源交流聲的信號等情況是很有用的。

圖14 復殺脈沖的觸發(fā)隔離應用

－TV觸發(fā)

在這種模式下觸發(fā)電平控制不起作用。這時(shí)示波器使用視頻信號中的同步脈沖作為觸發(fā)信號。TV觸發(fā)有兩種模式：幀觸發(fā)TVF和行觸發(fā)TVL

－TVF

每一幀電視圖象由兩場(chǎng)組成。每一場(chǎng)則包含構成一個(gè)完整的幀所需行數的一半。在電視屏幕上兩場(chǎng)信號交錯顯示以構成一幀的畫(huà)面。采用這種技術(shù)減少了傳送一個(gè)頻道所需要的帶寬并減小了畫(huà)面的閃爍。在每一個(gè)場(chǎng)開(kāi)始的時(shí)候都有一個(gè)特別的脈沖序列稱(chēng)為幀同步脈沖。在TVF同步模式下示波器就由幀同步脈沖來(lái)觸發(fā)。現代示波器的觸發(fā)控制可以區分第一場(chǎng)和第二場(chǎng)。

－TVL

每一場(chǎng)包括若干行。每一行都由一個(gè)行同步脈沖即行同步信號開(kāi)始。示波器可以由每一個(gè)行同步脈沖來(lái)觸發(fā)這樣描繪出的各個(gè)行的波形將會(huì )重疊在一起。使用幀觸發(fā)和雙時(shí)基我們可以觀(guān)察某一特定行的波形。我們還可以使用如象Fluke公司的示波器所具有的稱(chēng)為視頻行選擇器的特殊的附件PM8917來(lái)觀(guān)察某一特定的行。使用本書(shū)中用作示例的組合示波器時(shí)我們可以使用示波器不內裝的視頻行計數器直接選定所需的行號（ 僅即于PM3394A系列示波器）。 觸發(fā)隔離（Trigger Hold-off）

有些信號具有多個(gè)可能的觸發(fā)點(diǎn)。這種情況的一個(gè)很好的例子是圖14中的數這信號。該信號雖然在較長(cháng)的時(shí)間周期內是重復的但是在短時(shí)間內情況則不然。為了更詳細的觀(guān)察少數個(gè)別脈沖，必須便使用快速的掃描時(shí)基。但是這樣一來(lái)每次掃描時(shí)顯示出來(lái)的信號波形段就是變化不一的。為了解決這個(gè)問(wèn)題我們采用了觸發(fā)隔離功能，時(shí)代覆層測厚儀即在各次掃描之間加入延遲時(shí)間使得發(fā)描的每次觸發(fā)總是從相同的信號沿開(kāi)始。

延遲時(shí)基觸發(fā)

從本書(shū)前面的時(shí)基部分我們已經(jīng)知道在MTB掃描時(shí)基開(kāi)始后經(jīng)過(guò)一段延遲DTB開(kāi)始掃描即愛(ài)到觸發(fā)。此延遲時(shí)間從MTB觸發(fā)點(diǎn)開(kāi)始計算。經(jīng)過(guò)這段時(shí)間延遲后DTB實(shí)際上是由延遲系統啟動(dòng)的。這種模式稱(chēng)為DTB啟動(dòng)。

和MTB類(lèi)似DTB也可以按觸發(fā)模式工作。示波器上設有相應的控制機構以設置DTB觸發(fā)源、觸發(fā)電平、觸發(fā)率及耦合方式。這些控制機構與MTB無(wú)關(guān)自己獨立工作。選擇了這種設置方式后當上述的延遲時(shí)間結束以后DTB就作好觸發(fā)準備。而當輸入信號上探測到新的觸發(fā)事件時(shí)DTB才被角發(fā)開(kāi)始掃描。這種工作模式稱(chēng)為觸發(fā)工DTB。我們將在本書(shū)后面的練習中介紹如何使用觸發(fā)式DTB。

1．6 附加功能

X－Y偏轉

X－Y偏轉或X－Y模式是示波器的另一種顯示方法。這時(shí)示波器將時(shí)基關(guān)閉而用另一個(gè)與產(chǎn)生垂直偏轉的信號不同的信號來(lái)使電子束在水平方向偏轉。這就是說(shuō)用兩個(gè)信號在X、Y方向同時(shí)作用于電子束而描繪出波形以便觀(guān)察這兩個(gè)信號的關(guān)系。

這種方法最常見(jiàn)的用處是觀(guān)察兩信號間的相位關(guān)系。圖15的圖形稱(chēng)為李薩育圖。這些圖形是當使用互相成諧波頻率關(guān)系的兩個(gè)信號分別作X和Y偏轉信號時(shí)產(chǎn)生的。如果所使用的兩個(gè)信號沒(méi)有相關(guān)的頻率關(guān)系則不會(huì )獲得穩定的圖形顯示。對于使用具有固定頻率關(guān)系的兩個(gè)信號的情況來(lái)說(shuō)從顯示的圖形中還可以得兩個(gè)信號間的相位關(guān)系。作為一個(gè)例子圖16給出了由具有相同頻率而相位差分別為0°、45°、90°的兩個(gè)信號所形成的圖形。

X－Y顯示模式還可以在很多其它應用場(chǎng)合使用。其中很多是在電－機環(huán)境下的應用。

圖15 李薩育圖,垂直偏轉信號的頻率為水平偏轉信號頻率的整倍數

用適當的傳感器把物理量變換成示波器能顯示的信號就可顯示兩個(gè)物理量例如位移和壓力之間的關(guān)系。X－Y顯示模式還可以在電子學(xué)實(shí)驗室用來(lái)進(jìn)行元件測試工作例如描繪二極管的特性曲線(xiàn)等。事實(shí)上，在任何涉及兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的物理量的場(chǎng)合都可以使用X－Y顯示模式。

圖16 李薩育圖。 相同頻率的兩個(gè)信號加到垂直和水平偏轉系統的情況。

延遲線(xiàn)

雖然延遲線(xiàn)是示波器垂直偏轉系統的一部分但是我們將在這里討論它因為觸發(fā)和水平偏轉系統是對其有影響的因素。

無(wú)論觸發(fā)和時(shí)基電路的速度有多快要對一個(gè)有效的觸發(fā)條件作出響應都需要一定時(shí)間。同時(shí)時(shí)基電路在其掃描起始點(diǎn)也有一個(gè)小的非線(xiàn)性區。過(guò)了這個(gè)非線(xiàn)性區以后時(shí)基掃描才達到其全掃描速度。這個(gè)非性區的時(shí)間寬度在納秒的數量級。對于帶寬不寬的示波器來(lái)說(shuō)這個(gè)非線(xiàn)性區的時(shí)間和示波器所能顯示的最快的信號相比是可以忽略的。而對于掃描速度可達2ns/格的寬帶示波器來(lái)說(shuō)這個(gè)時(shí)間對波形的顯示有很大的影響。為了能夠顯示納秒級的波形事件就必須在信號波形中的觸發(fā)事件到達屏幕之前觸發(fā)時(shí)基開(kāi)始掃描。

這就是說(shuō)當信號的觸發(fā)信息到達偏轉板時(shí)電子束已經(jīng)提前開(kāi)始掃描了。這樣就可以觀(guān)察完整的波形上升沿或下降沿并能觀(guān)察觸發(fā)前若干納秒的信號波形。觸發(fā)前的這個(gè)若干納秒的波形稱(chēng)為預觸發(fā)信息。這種預觸發(fā)功能是由在垂直偏轉系統中在觸發(fā)電路信號提取點(diǎn)和最后的放大器之間插入一個(gè)信號延遲線(xiàn)來(lái)實(shí)現的。延遲線(xiàn)可以將信號貯存一段時(shí)間其時(shí)間長(cháng)度和延遲線(xiàn)的長(cháng)度成正比。

圖17 延遲線(xiàn)對顯示快速上升的影響

這樣當信號到達延遲線(xiàn)的末端時(shí)時(shí)基已經(jīng)啟動(dòng)并正在掃描之中。

小結

至此我們已經(jīng)通過(guò)系統方框圖說(shuō)明了一臺基本的模擬示波器是如何式作的。

我們已經(jīng)介紹了其各種基本控制功能。后面我們將會(huì )看到多數這些控制功能不僅出現在模擬示波器上也出在數字存儲示波器上。