1．4 水平偏轉(zhuǎn)

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(hào)隨時(shí)間的變化情況因此其水平偏轉(zhuǎn)必須和時(shí)間成正比。示波器中控制水平偏轉(zhuǎn)即X軸的系統(tǒng)稱為時(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(shù)（s/格）來度量。一臺(tái)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(biāo)尺格所代表的時(shí)間值就可以測(cè)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(jī)構(gòu)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(biāo)尺線對(duì)齊以便為時(shí)間測(cè)量規(guī)定一個(gè)起始點(diǎn) 可變時(shí)基  我們可以選擇不同于標(biāo)準(zhǔn)的1－2－5序列設(shè)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(diào)整成模跨整個(gè)屏幕寬度。和在Y軸方向使用VAR控制機(jī)構(gòu)的情況一樣,

圖 7 1kHz 的正弦波時(shí)基設(shè)置為1ms/格

多數(shù)示波器會(huì)給出指示說明正在使用可變時(shí)基X軸處于未校準(zhǔn)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(zhǔn)的連續(xù)可變時(shí)基模式。這時(shí)由于可以用整個(gè)屏幕來顯示信號(hào)中我們感興趣的部分所以能獲得更好的測(cè)量時(shí)間分辨率。同時(shí)也能大大減少發(fā)生操作錯(cuò)誤的可能性。

圖8 1kHz的正弦波時(shí)基設(shè)置為200μs/格

時(shí)基放大

時(shí)基放大功能通常能將X軸偏轉(zhuǎn)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(tái)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(xiàn)在就成了信號(hào)上的一個(gè)可移動(dòng)的觀察窗口。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(hào)不變的情況下更加詳細(xì)的觀察信號(hào)的細(xì)節(jié)。 


圖9說明如何使用X軸位置控制來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的滾動(dòng)顯示。

雙時(shí)基 在很多觀察復(fù)雜信號(hào)波形的應(yīng)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)典型的例子是觀察研究全部電視信號(hào)中某一選定的行的波形。在這類情況中使用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基通過正常觸發(fā)的方法是無能為力的。

圖9 時(shí)基放大和X軸位置控制

這就是在現(xiàn)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(hào)中的垂直同步信號(hào)來觸發(fā)。MTB掃跡的一部分顯示得更亮一些這稱為加亮部分。在此加亮部分的起始點(diǎn)時(shí)刻第二個(gè)時(shí)基稱為延遲時(shí)基或DTB開始掃描。這第二個(gè)時(shí)基可按自己的掃描速度來設(shè)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)和加亮部分開始點(diǎn)之間的延遲時(shí)間是可調(diào)的。

我們甚至可以作到在選定的延遲時(shí)間結(jié)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(zhǔn)備。如果過一會(huì)兒再發(fā)生新的觸發(fā)事件DTB掃描即將開始。

所以使用雙時(shí)基時(shí)電子束將以兩個(gè)時(shí)基的兩種不同的速度交替的在屏幕上掃描。

讓我們來看圖10。首先主時(shí)基以500μs/格的速度運(yùn)行在屏幕上描繪出一個(gè)波形。在此掃描期間過了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控制來設(shè)定。波形上加亮部分的時(shí)間長(zhǎng)度則由DTB掃描時(shí)間控制機(jī)構(gòu)來高定在我們的例子中現(xiàn)在為50μs/格

當(dāng)經(jīng)過2ms的延遲時(shí)間后延遲時(shí)基進(jìn)行掃描時(shí)它只顯示原來主時(shí)基掃跡的十分之一。但是這段原來主進(jìn)基掃跡十分之一的波形段則在整個(gè)屏幕上顯示出來。 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(dāng)掃跡的加亮部分在MTB上根據(jù)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(shù)相乘而計(jì)算出來。由此延遲控制一詞得名。

當(dāng)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?cè)谥鲿r(shí)其上顯示出來的波形段的長(zhǎng)度。

當(dāng)延遲時(shí)基已經(jīng)設(shè)置好并顯示出欲觀察的信號(hào)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 無觸發(fā)的信號(hào)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。

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

時(shí)基模式 時(shí)基電路有幾種工作。對(duì)普通模擬示波器來說工作模式有自動(dòng)、正�；蛴|發(fā)以及單次或單次捕捉等模式。

圖12 觸發(fā)電平設(shè)置對(duì)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(guī)律非常簡(jiǎn)單即"沒有信號(hào)就沒有掃描軌跡"。示波器在選定的觸發(fā)源通道上必須有輸入信號(hào)并且該信號(hào)必須大到足以觸發(fā)時(shí)基電路。如果沒有輸入信號(hào)屏幕上就不會(huì)有掃描軌跡。

－自動(dòng)模式 
如果能在沒有輸入信號(hào)時(shí)也能看到掃跡。這將會(huì)是很有用的。在沒有輸入信號(hào)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(yùn)行從而在屏幕上產(chǎn)生掃跡。這使得用戶可以設(shè)置掃跡的垂直位置即如果信號(hào)僅為一直流電位的情況。

一單次模式

當(dāng)接收到觸發(fā)信號(hào)時(shí)進(jìn)基將進(jìn)行掃描并且將只掃描一次。對(duì)于每次觸發(fā)事件都必須使時(shí)基電路作好觸發(fā)準(zhǔn)備（atm）。不然的話下面來的觸發(fā)事件將不能啟動(dòng)時(shí)基掃描。對(duì)于不同的示波器按動(dòng)標(biāo)有單次或復(fù)位的按鈕就使得觸發(fā)電路重新作好觸發(fā)準(zhǔn)備。為了避免在單次掃描工作時(shí)盲目猜測(cè)現(xiàn)代示波器上可以用屏幕上顯示出伏特?cái)?shù)值或顯示水平線的方式來顯示出其觸發(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(hào)如何提供垂直偏轉(zhuǎn)時(shí)基如何給出水平偏轉(zhuǎn)。但是我們?nèi)绾伪ＷC在電子束掃過屏幕時(shí)每次都準(zhǔn)確地掃過相同的路徑呢？解決這個(gè)問題的關(guān)鍵在于觸發(fā)電路。如果沒有觸發(fā)電路你在屏幕上看到的將會(huì)是具有隨機(jī)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(hào)上的一上精確確定的點(diǎn)開始。這個(gè)精確的掃描起始點(diǎn)則由下述控制因素來決定。

圖-13視頻行信號(hào)

觸發(fā)源

它決定觸發(fā)信號(hào)從哪里獲得。在多數(shù)情況下觸發(fā)信號(hào)來自輸入信號(hào)本身。所以如果只使用一個(gè)通道那么觸發(fā)源就設(shè)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(fù)合觸發(fā)（Composite triggering）則是在顯示不同的通道時(shí)輪流使用相應(yīng)的通道觸發(fā)。這對(duì)于顯示頻率不相關(guān)的信號(hào)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(hào)則可驅(qū)動(dòng)觸發(fā)電路使示波器觸發(fā)。 


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

觸發(fā)電平

觸發(fā)電平控制機(jī)構(gòu)設(shè)置選定觸發(fā)源的信號(hào)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(jī)構(gòu)決定觸發(fā)發(fā)生于觸發(fā)源信號(hào)的上升沿（"正斜率"）或者下降沿（"負(fù)斜率"）

觸發(fā)耦合

用以決定選定的觸發(fā)源信號(hào)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(jī)構(gòu)的控制范圍設(shè)置成略小于觸發(fā)源信號(hào)的峰（－）峰值。在這種模式下不可能將觸發(fā)電平設(shè)置為超出輸入信號(hào)的值所以只要有信號(hào)示波器總能觸發(fā)。

－HF抑制 使觸發(fā)源信號(hào)通過低通濾波器以抑制其高頻分量。這意味著既使一個(gè)低頻信號(hào)中包含很多高頻噪音我們?nèi)阅苁蛊浒吹皖l信號(hào)觸發(fā)。 －LF抑制 使觸發(fā)源信號(hào)通過一個(gè)高通濾波器以抑制其低頻成分。這對(duì)于顯示包含很多電源交流聲的信號(hào)等情況是很有用的。

圖14 復(fù)殺脈沖的觸發(fā)隔離應(yīng)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(hào)中的同步脈沖作為觸發(fā)信號(hào)。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(gòu)成一個(gè)完整的幀所需行數(shù)的一半。在電視屏幕上兩場(chǎng)信號(hào)交錯(cuò)顯示以構(gòu)成一幀的畫面。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面的閃爍。在每一個(gè)場(chǎng)開始的時(shí)候都有一個(gè)特別的脈沖序列稱為幀同步脈沖。在TVF同步模式下示波器就由幀同步脈沖來觸發(fā)。現(xiàn)代示波器的觸發(fā)控制可以區(qū)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(hào)開始。示波器可以由每一個(gè)行同步脈沖來觸發(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為視頻行選擇器的特殊的附件PM8917來觀察某一特定的行。使用本書中用作示例的組合示波器時(shí)我們可以使用示波器不內(nèi)裝的視頻行計(jì)數(shù)器直接選定所需的行號(hào)（ 僅即于PM3394A系列示波器）。 觸發(fā)隔離（Trigger Hold-off）

有些信號(hào)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(shù)這信號(hào)。該信號(hào)雖然在較長(zhǎng)的時(shí)間周期內(nèi)是重復(fù)的但是在短時(shí)間內(nèi)情況則不然。為了更詳細(xì)的觀察少數(shù)個(gè)別脈沖，必須便使用快速的掃描時(shí)基。但是這樣一來每次掃描時(shí)顯示出來的信號(hào)波形段就是變化不一的。為了解決這個(gè)問題我們采用了觸發(fā)隔離功能，時(shí)代覆層測(cè)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(hào)沿開始。

延遲時(shí)基觸發(fā)

從本書前面的時(shí)基部分我們已經(jīng)知道在MTB掃描時(shí)基開始后經(jīng)過一段延遲DTB開始掃描即愛到觸發(fā)。此延遲時(shí)間從MTB觸發(fā)點(diǎn)開始計(jì)算。經(jīng)過這段時(shí)間延遲后DTB實(shí)際上是由延遲系統(tǒng)啟動(dòng)的。這種模式稱為DTB啟動(dòng)。

和MTB類似DTB也可以按觸發(fā)模式工作。示波器上設(shè)有相應(yīng)的控制機(jī)構(gòu)以設(shè)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(jī)構(gòu)與MTB無關(guān)自己獨(dú)立工作。選擇了這種設(shè)置方式后當(dāng)上述的延遲時(shí)間結(jié)束以后DTB就作好觸發(fā)準(zhǔn)備。而當(dāng)輸入信號(hào)上探測(cè)到新的觸發(fā)事件時(shí)DTB才被角發(fā)開始掃描。這種工作模式稱為觸發(fā)工DTB。我們將在本書后面的練習(xí)中介紹如何使用觸發(fā)式DTB。

1．6 附加功能

X－Y偏轉(zhuǎn)

X－Y偏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的信號(hào)不同的信號(hào)來使電子束在水平方向偏轉(zhuǎn)。這就是說用兩個(gè)信號(hào)在X、Y方向同時(shí)作用于電子束而描繪出波形以便觀察這兩個(gè)信號(hào)的關(guān)系。

這種方法最常見的用處是觀察兩信號(hào)間的相位關(guān)系。圖15的圖形稱為李薩育圖。這些圖形是當(dāng)使用互相成諧波頻率關(guān)系的兩個(gè)信號(hào)分別作X和Y偏轉(zhuǎn)信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的。如果所使用的兩個(gè)信號(hào)沒有相關(guān)的頻率關(guān)系則不會(huì)獲得穩(wěn)定的圖形顯示。對(duì)于使用具有固定頻率關(guān)系的兩個(gè)信號(hào)的情況來說從顯示的圖形中還可以得兩個(gè)信號(hào)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(hào)所形成的圖形。

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

圖15 李薩育圖,垂直偏轉(zhuǎn)信號(hào)的頻率為水平偏轉(zhuǎn)信號(hào)頻率的整倍數(shù)

用適當(dāng)?shù)膫鞲衅靼盐锢砹孔儞Q成示波器能顯示的信號(hào)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(yàn)室用來進(jìn)行元件測(cè)試工作例如描繪二極管的特性曲線等。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(hào)加到垂直和水平偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的情況。

延遲線

雖然延遲線是示波器垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的一部分但是我們將在這里討論它因?yàn)橛|發(fā)和水平偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)是對(duì)其有影響的因素。

無論觸發(fā)和時(shí)基電路的速度有多快要對(duì)一個(gè)有效的觸發(fā)條件作出響應(yīng)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)小的非線性區(qū)。過了這個(gè)非線性區(qū)以后時(shí)基掃描才達(dá)到其全掃描速度。這個(gè)非性區(qū)的時(shí)間寬度在納秒的數(shù)量級(jí)。對(duì)于帶寬不寬的示波器來說這個(gè)非線性區(qū)的時(shí)間和示波器所能顯示的最快的信號(hào)相比是可以忽略的。而對(duì)于掃描速度可達(dá)2ns/格的寬帶示波器來說這個(gè)時(shí)間對(duì)波形的顯示有很大的影響。為了能夠顯示納秒級(jí)的波形事件就必須在信號(hào)波形中的觸發(fā)事件到達(dá)屏幕之前觸發(fā)時(shí)基開始掃描。

這就是說當(dāng)信號(hào)的觸發(fā)信息到達(dá)偏轉(zhuǎn)板時(shí)電子束已經(jīng)提前開始掃描了。這樣就可以觀察完整的波形上升沿或下降沿并能觀察觸發(fā)前若干納秒的信號(hào)波形。觸發(fā)前的這個(gè)若干納秒的波形稱為預(yù)觸發(fā)信息。這種預(yù)觸發(fā)功能是由在垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)中在觸發(fā)電路信號(hào)提取點(diǎn)和最后的放大器之間插入一個(gè)信號(hào)延遲線來實(shí)現(xiàn)的。延遲線可以將信號(hào)貯存一段時(shí)間其時(shí)間長(zhǎng)度和延遲線的長(zhǎng)度成正比。

圖17 延遲線對(duì)顯示快速上升的影響

這樣當(dāng)信號(hào)到達(dá)延遲線的末端時(shí)時(shí)基已經(jīng)啟動(dòng)并正在掃描之中。

小結(jié)

至此我們已經(jīng)通過系統(tǒng)方框圖說明了一臺(tái)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(shù)這些控制功能不僅出現(xiàn)在模擬示波器上也出在數(shù)字存儲(chǔ)示波器上。