【中華百科全書●工學●示波器】
近代科技研究,使用最廣之工具,當數示波器;
蓋示波器能使我們直接觀察到換成電信號的一切物理現象,從而分析、駕駁。
基本示波器通分為以下幾部分:一、陰極射線管(CRT),俗稱螢光管;
二、垂直放大器;
三、觸發、掃描電路;
四、水平放大電路,如圖1所示。
先談螢光管,電子擊打在螢光幕上時,由於螢光之發光時間長,且眼睛視覺暫留,所以電子經過軌跡乃能明顯地描繪。
螢光管包含四大部分:(一)電子槍:有陰極、柵極和加速陽極、聚焦陽極等,可產生電子,並控制其強度及聚焦。
(二)偏向板:分為水平偏向和垂直偏向,以控制電子在螢光幕上、下、左、右偏轉;
由於上、下、左、右之作用,電子能擊打整個螢光幕各區,充分發揮示波功能。
(三)加速區:使電子有足移能量,以便撞擊螢光粒子,發出可見光。
(四)螢光幕。
次談垂直放大器:參考圖一方塊圖,圖中以虛線連接部分,為示波器之基本面板控制鈕,和其連結之方塊即為其控制之相關電路。
在方塊圖中,垂直放大器分為兩大部分:(一)衰減器,(二)垂直放大。
信號由Y輸入進入,先經衰減器,此衰減器由二部分構成:甲、1:1,10:1,100:1,1000:1衰減器,用以控制輸入信號;
因垂直放大器之輸入電路,基於靈敏度問題,不能處理大於某定值以上之信號,故大於此值之信號依例衰減。
乙、1,2,5衰減器,配合甲衰減器,使面板上控制V/DIV(伏/每格)之鈕分為0.2、0.5、1、2、5…等各檔。
信號至此已衰減至適當大小,再經由垂直放大器予以放大,此並未和前述衝突,蓋衰減為提高靈敏度,而此處之放大則為了和偏向板匹配。
放大後之信號送至垂直偏向板控制顯示。
此處有兩相關電路,虛線速結之垂直位置控制鈕,此鈕控制在螢光幕顯示之上下位置,因垂直放大器之電路皆為差動放大,只要控制差動電晶體之直流偏壓,就可得到信號在螢光幕上下位置之變換。
另在垂直放大電路中將一部分信號拉至觸發電路。
設想若示波器只加垂直信號,則一正弦波信號,將只能在螢光幕上作上下直線簡諧動作。
為適切表達此正弦信號,就要加水平信號。
水平信號為一鋸齒波,此信號又稱時基(TimeBase)。
時基之意,乃為在鋸齒波起始點A時。
見圖2。
電壓大小為O,電子打在螢光幕最左側,若在B點,電子打在中間,到達C點時,水平偏向最大,電子打在最右側,這樣就能將原本以上下運動的垂直信號拉開,詳細研究圖3,就可完全明瞭其原理。
當電子打到最右邊時,應於最短時間內回到最左邊,以應付下一信號,故由C到D幾乎為垂直。
此鋸齒波信號由觸發電路和掃描電路產生,而加到偏向板之時間應配合垂直信號,這就牽涉到同步的問題。
信號加到示波器上,原本就應穩定顯示,以利觀察分析。
若信號已傳至垂直偏向板,而水平時基未同步地加到水平偏向板,其結果將使信號顯示不規則,讓人混淆目眩。
為使水平和垂直同步,最直接了當之法即水平時基由垂直信號取出一部分來觸發;
故前述方塊圖中將垂直信號引入觸發電路觸發一脈波,並用來觸發掃描時基電路以產生一鋸齒波時基,加到水平偏向板,進而穩定地將信號顯示。
準位控制鈕之目的為:當垂直信號太弱,而觸發準位太高,結果勢必令垂直信號無法觸動觸發電路,致不能產生水平時基,故附此鈕,以便調整觸發準位。
但由此處,亦可推論一事實,即當垂直未加信號,則亦無觸發水平時基,螢光幕不可能有顯示,我們將懷疑示波器是否故障。
為釋此慮,有三種解決方法:一、Line:即按下此鈕,觸發信號由示波器內,6OHZ變壓器工作頻率來觸發:此鈕在研究由市電引起之雜訊特別有用。
二、External:外加觸發信號,在特殊信號量度上使用。
三、Auto:自動觸發,按下此鈕,若垂直有信號,則由垂直信號控制觸發;
若無垂直信號,則觸發電路本身會自生一信號來自己觸發,使得螢光幕仍打出一條水平線。
一般示波器都有此鈕,但有時為求量度準確或特殊用途,我們不用Auto來觸發,而靠Trig,此時觸發係由垂直信號負責的。
若面板上有Slope這個控制鈕,它的功能是決定觸發係由正向脈沖或負向脈沖執行。
TIM/DIV這個選擇開關是決定顯示在示波器上波形之疏密度,亦即控制水平時基之頻率。
最後談水平放大電路:它和垂直放大電路完全相同,但有二功用:(一)XMode控制,按下此鈕,則由External輸入之信號,將和垂直Y輸入信號作相平面圖形顯示,即一般熟悉之李賽交圖形(DissajousPattern),(二)放開此鈕,則作時基信號放大電路,使時基加至水平偏向板。
尚有雙跡示波器(DualTrace),即可同時觀察兩信號之示波器,具一水平時基,卻有二垂直電路Y1、Y2。
如圖4。
但只有一電子槍。
電子槍同時受Y1、Y2交互控制,這交互控制動作由加於垂直放大輸出和偏向板間之電子開關負責。
電子開關向Y1時,Y1顯示;
換向Y2時,Y2顯示。
雖是如此交互動作,但因速度快且眼睛視覺暫留,我們仍能完整看出兩個信號。
電子開關控制電子槍交互掃描之法有二,一、Chop:適於低頻,二、Alternate:適於高頻。
兩者切勿混淆,否則顯示會不全或閃爍。
另有雙束示波器(DualBeam),則有二垂直、二水平、二電子束,和雙跡不同。
近因微電腦技術發達,故有數位示波器出現,因複雜且限於篇幅,此不詳述,原理圖如圖5。
其優點為解析度較佳。
圖6係一實際中級雙跡示波器面板圖,1為雙跡電子開關控制方式,其中Chop和ALT已介紹,A為只使用單跡,ADD即A和B加起來;
2係垂直位置控制鈕;
3為垂直衰減開關;
4、5係延遲式示波器,使用於研究一方波之上升時間或下降時間,其中Level及Slope已介紹過;
8為水平位置鈕;
9為水平時基頻率控制鈕;
10為External外加水平觸發加入端配合其上EXT鈕使用;
11為保持顯示波形鈕;
12、13用於延遲式示波器;
14為對顯示波形在晦暗環境下之照明;
15為電源開關;
16為校準標準波輸出端。
(薛貴隆)
引用:http://ap6.pccu.edu.tw/Encyclopedia/data.asp?id=4461
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