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。

利用心電圖機的結構，已經可以記錄電壓信號，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計中。

在一個封閉玻璃管顯示屏的內壁涂上熒光粉，當熒光粉被大量電子形成的電子束轟擊時，會發出熒光。可以發出電子束的設備稱為電子*，它可以連續地發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生改變，也就是光點改變。根據這個原理制造的示波管，其結構如圖2.1.2所示。圖中電子*發出的電子束，經過兩個偏轉板的作用，會在X、Y兩個方向上發生偏轉。

當在Y偏轉板上加入被測信號，而在X偏轉板上不加電壓，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生位置變化——電壓越大，光點位置越靠上方。

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

當在X偏轉板上加入一個鋸齒波，而在Y偏轉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方向位置出現了正弦變化的規律，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于這兩個電信號關系的顯示波形。

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、數字示波器簡要原理

數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字示波器，首先通過的是示波器的前置放大模塊，由于后續的A/D模數轉換器對其測量電壓有一個規定的量程范圍，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模數轉換器將輸入信號轉換為二進制數據，傳送給存儲模塊。因為處理器的速度跟不上高速A/D模數轉換器的轉換速度，所以在兩者之間需要添加一個高速緩存器。圖2.2.1中還有一個觸發電路，觸發電路用來設定觸發事件，只有當輸入信號滿足用戶設定的觸發事件時，示波器才會采集數據，這部分工作也可以在軟件上實現。