雙線、雙蹤示波的顯示原理

在電子實(shí)踐技術(shù)過程中，常常需要同時(shí)觀察兩種（或兩種以上）信號(hào)隨時(shí)間變化的過程。并對這些不同信號(hào)進(jìn)行電參量的測試和比較。為了達(dá)到這個(gè)目的，人們在應(yīng)用普通示波器原理的基礎(chǔ)上，采用了以下兩種同時(shí)顯示多個(gè)波形的方法：一種是雙線（或多線）示波法；另一種是雙蹤（或多蹤）示波法。應(yīng)用這兩種方法制造出來的示波器分別稱為雙線（或多線）示波器和雙蹤（或多蹤）示波器。

1、雙線（或多線）示波

雙線（或多線）示波器是采用雙槍（或多槍）示波管來實(shí)現(xiàn)的。下面以雙槍示波管為例加以簡單說明。雙槍示波管有兩個(gè)互相獨(dú)立的電子槍產(chǎn)生兩束電子。另有兩組互相獨(dú)立的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，它們各自控制一束電子作上下、左右的運(yùn)動(dòng)。熒光屏是共用的，因而屏上可以同時(shí)顯示出兩種不同的電信號(hào)波形，雙線示波也可以采用單槍雙線示波管來實(shí)現(xiàn)。這種示波管只有一個(gè)電子槍，在工作時(shí)是依靠特殊的電極把電子分成兩束。然后，由管內(nèi)的兩組互相獨(dú)立的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，分別控制兩束電子上下、左右運(yùn)動(dòng)。熒光屏是共用的，能同時(shí)顯示出兩種不同的電信號(hào)波形。由于雙線示波管的制造工藝要求高，成本也高，所以應(yīng)用并不十分普遍。

2、雙蹤（或多蹤）示波

雙蹤（或多蹤）示波是在單線示波器的基礎(chǔ)上，增設(shè)一個(gè)專用電子開關(guān)，用它來實(shí)現(xiàn)兩種（或多種）波形的分別顯示。由于實(shí)現(xiàn)雙蹤（或多蹤）示波比實(shí)現(xiàn)雙線（或多線）示波來得簡單，不需要使用結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴的“雙腔”或“多腔”示波管，所以雙蹤（或多蹤）示波獲得了普遍的應(yīng)用。

（1）雙蹤示波的顯示原理

下圖是雙蹤示波法基本原理的示意圖。圖中，電子開關(guān)K的作用是使加在示波管垂直偏轉(zhuǎn)板上的兩種信號(hào)電壓作周期性轉(zhuǎn)換。例如，在0～1這段時(shí)間里，電子開關(guān)K與信號(hào)通道A接通，這時(shí)在熒光屏上顯示出信號(hào)UA的一段波形；在1～2這段時(shí)間里，電子開關(guān)K與信號(hào)通道B接通，這時(shí)在熒光屏上顯現(xiàn)出信號(hào)UB的一段波形；在2～3這段時(shí)間里，熒光屏上再一次顯示出信號(hào)UA的一段波形；在3～4這段時(shí)間里，熒光屏上將再一次顯示出UB的一段波形……。這樣，兩個(gè)信號(hào)在熒光屏上雖然是交替顯示的，但由于人眼的視覺暫留現(xiàn)象和熒光屏的余輝（高速電子在停止沖擊熒光屏后，熒光屏上受沖擊處仍保留一段發(fā)光時(shí)間）現(xiàn)象，*可在熒光屏上同時(shí)看到兩個(gè)被測信號(hào)波形。

雙蹤示波器的基本原理

電子開關(guān)的工作方式有“交替”轉(zhuǎn)換和“斷續(xù)”轉(zhuǎn)換兩種。下圖是電子開關(guān)“交替”轉(zhuǎn)換工作方式的波形示意圖。在0～1時(shí)間內(nèi)，電子開關(guān)與通道A接通，加在X軸上的掃描信號(hào)開始進(jìn)行*個(gè)正程掃描，此時(shí)熒光屏上將顯現(xiàn)出信號(hào)UA的波形；在完成UA波形顯示后，掃描電壓迅速回掃；在1～2時(shí)間內(nèi)，電子開關(guān)K與通道B接通，X軸上的掃描信號(hào)開始進(jìn)行第二個(gè)正程掃描，熒光屏上將顯示出信號(hào)UB的波形；在2～3時(shí)間內(nèi)，熒光屏上再一次顯示出信號(hào)UA的波形；在3～4時(shí)間內(nèi)，熒光屏上再一次顯示出信號(hào)UB的波形……。由此可見，被測信號(hào)UA、UB的波形是依次、交替地出現(xiàn)在熒光屏上的，熒光屏上顯示的波形如下圖所示。顯然，此時(shí)電子開關(guān)的轉(zhuǎn)換與X軸的掃描始終保持著一致的步調(diào)，即電子開關(guān)的轉(zhuǎn)換頻率等于X軸掃描信號(hào)的頻率。圖中的虛線實(shí)際上是看不見的。

采用“交替”轉(zhuǎn)換方式的波形示意圖             采用“斷續(xù)”轉(zhuǎn)換方式的波形示意圖

采用交替轉(zhuǎn)換工作方式的顯示的波形與雙線示波法所顯示的波形非常相似，它們都沒有間斷點(diǎn)。但由于被測信號(hào)UA、UB的波形是依次交替地出現(xiàn)在熒光屏上的，所以，如果交替的間隙時(shí)間超過了人眼的視覺暫留時(shí)間和熒光屏的余輝時(shí)間，則人們所看到的熒光屏上的波形*會(huì)有閃爍現(xiàn)象。為了避免這種情況的出現(xiàn)，*要求電子開關(guān)有足夠高的轉(zhuǎn)換頻率。這*是說當(dāng)被測信號(hào)的頻率較低時(shí)，不宜采用交替轉(zhuǎn)換工作方式，而應(yīng)采用斷續(xù)轉(zhuǎn)換工作方式。

當(dāng)電子開關(guān)用斷續(xù)轉(zhuǎn)換工作方式時(shí)，在X軸掃描的每一個(gè)過程中，電子開關(guān)都以足夠高的轉(zhuǎn)換頻率，分別對所顯示的每個(gè)被測信號(hào)進(jìn)行多次取樣。這樣，即使被測信號(hào)頻率較低，也可避免出現(xiàn)波形的閃爍現(xiàn)象。同時(shí)，由于在一次掃描的過程中，光點(diǎn)在兩個(gè)圖形上交換的次數(shù)極多，所以圖形上的細(xì)小斷裂痕跡不顯著，并不妨礙對波形細(xì)節(jié)的觀察。實(shí)際上，由于開關(guān)的轉(zhuǎn)換頻率選得遠(yuǎn)大于X軸掃描頻率，所以熒光屏上顯示的圖形不會(huì)是斷續(xù)圖形，而是連續(xù)的圖形。圖中垂直方向的細(xì)虛線表示了電子開關(guān)的轉(zhuǎn)換過程。因在轉(zhuǎn)換過程中示波器電路的設(shè)置使電子束截止，所以圖中所示的垂直細(xì)虛線實(shí)際上也是不可見的。

在了解上述用電子開關(guān)來實(shí)現(xiàn)雙蹤示波的原理后，*不難聯(lián)想到用環(huán)形計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)多蹤示波的原理。由于兩者的顯示原理相似，這里*不再贅述。

（2）雙蹤示波器的基本組成

下圖是雙蹤示波器的原理功能方框圖。由圖可見，它主要是由兩個(gè)通道的Y軸前置放大電路、門控電路、電子開關(guān)、混合電路、延遲電路、Y軸后置放大電路、觸發(fā)電路、掃描電路、X軸放大電路、Z軸放大電路、校準(zhǔn)信號(hào)電路、示波管和高低壓電源供給電路等組成。

觀察信號(hào)波形時(shí)，被測信號(hào)uA，uB通過YA，YB兩個(gè)輸入端輸入示波器，先分別送到Y(jié)軸前置放大電路YA和YB進(jìn)行放大。因通道YA和通道YB都受電子開關(guān)的控制，所以uA，uB兩信號(hào)輪換著輸送到后面的混合電路，加到示波管的垂直偏轉(zhuǎn)板上。

為了適應(yīng)各種不同的測試需要，電子開關(guān)可有五種不同的工作狀態(tài)，即交替、YA、YB、YA+YB、斷續(xù)等。這5種工作狀態(tài)由顯示方式開關(guān)來控制。

當(dāng)顯示方式開關(guān)置于交替位置時(shí)，電子開關(guān)為一雙穩(wěn)態(tài)電路。它受由掃描電路來的閘門信號(hào)控制，使得Y軸兩個(gè)前置通道隨著掃描電路門信號(hào)的變化而交替地工作。每秒鐘交替轉(zhuǎn)換次數(shù)與由掃描電路產(chǎn)生的掃描信號(hào)的重復(fù)頻率有關(guān)。交替工作狀態(tài)適用于觀察頻率不太低的被測信號(hào)。

雙蹤示波器的原理功能方框圖

當(dāng)顯示方式開關(guān)置于YA或YB位置時(shí)，電子開關(guān)為一單穩(wěn)態(tài)電路。前置放大電路YA或YB可單獨(dú)工作，此時(shí)，雙蹤示波器可作為普通單線示波器使用。

當(dāng)顯示方式開關(guān)置于YA+YB位置時(shí)，電子開關(guān)處于不工作狀態(tài)。此時(shí)，YA、YB兩通道同時(shí)工作，因而可得到兩信號(hào)相加或兩信號(hào)相減的顯示。然而，兩信號(hào)究竟是相加還是相減，這要通過YA通道的極性作用開關(guān)來選擇。這個(gè)開關(guān)有兩個(gè)位置，在*個(gè)位置時(shí)，熒光屏上的圖形為兩信號(hào)之和；在第二個(gè)位置（-YA）時(shí)，熒光屏上的圖形為兩信號(hào)之差。

為了觀察被測信號(hào)隨時(shí)間變化的波形，示波管的水平偏轉(zhuǎn)板上必須加以線性掃描電壓（鋸齒波電壓）。這個(gè)掃描電壓是由掃描電路產(chǎn)生的。當(dāng)觸發(fā)信號(hào)加到觸發(fā)電路時(shí)，觸發(fā)了掃描電路，掃描電路*產(chǎn)生相應(yīng)的掃描信號(hào)；當(dāng)不加觸發(fā)信號(hào)時(shí)，掃描電路*不產(chǎn)生掃描信號(hào)。

觸發(fā)有內(nèi)觸發(fā)、外觸發(fā)兩種，由觸發(fā)選擇開關(guān)來選擇。當(dāng)該開關(guān)置于內(nèi)的位置時(shí)，觸發(fā)信號(hào)來自經(jīng)Y軸通道送入的被測信號(hào)。當(dāng)該開關(guān)置于外的位置時(shí)，觸發(fā)信號(hào)是由外部送入的。這個(gè)信號(hào)應(yīng)與被測信號(hào)的頻率成整數(shù)比的關(guān)系。示波器在使用中，多數(shù)采用內(nèi)觸發(fā)工作方式。

所謂內(nèi)觸發(fā)也分為兩種情況，并由內(nèi)觸發(fā)選擇開關(guān)控制。當(dāng)開關(guān)置于常態(tài)的位置時(shí)，觸發(fā)電路的觸發(fā)信號(hào)來自YA，YB通道。此時(shí)，兩個(gè)通道即可同時(shí)穩(wěn)定地顯示出各自的被測信號(hào)。當(dāng)用雙蹤顯示來作時(shí)間比較分析時(shí)，*應(yīng)該將內(nèi)觸發(fā)選擇開關(guān)置于YB的位置。在這個(gè)位置時(shí)，觸發(fā)電路的觸發(fā)信號(hào)只取自YB通道的輸入信號(hào)。此時(shí)只有當(dāng)uA，uB的頻率成整數(shù)比時(shí)，熒光屏上才能同時(shí)穩(wěn)定地顯示兩個(gè)波形。

掃描電路產(chǎn)生的掃描信號(hào)（鋸齒波信號(hào)），通過X軸選擇開關(guān)接到X軸放大電路，經(jīng)放大后送到示波管的X軸偏轉(zhuǎn)板。這*是通常在觀察信號(hào)隨時(shí)間變化的波形時(shí)，開關(guān)選掃描檔的情況。除上述情況外，用示波器進(jìn)行其它測試（比如觀察李薩如圖形）時(shí)，開關(guān)置X外接檔，此時(shí)可將X軸輸入端輸入的信號(hào)，加到X軸放大電路進(jìn)行放大，隨后再送至X軸偏轉(zhuǎn)板。

Z軸放大電路對熒光屏上光點(diǎn)輝度起著調(diào)節(jié)的作用，抹去不必要顯示的光點(diǎn)軌跡。當(dāng)掃描電路閘門信號(hào)來到Z軸放大電路，Z軸放大電路便輸出正向的增輝脈沖信號(hào)，加至示波管的控制極。這*是說，在掃描信號(hào)的過程中，熒光屏上的光點(diǎn)得以增輝；在電子開關(guān)的轉(zhuǎn)換過程中，電子開關(guān)電路將輸出脈沖信號(hào)也加至Z軸放大電路，此時(shí)Z軸放大電路便輸出負(fù)向脈沖信號(hào)，加至示波管的控制極。這樣，在電子開關(guān)的轉(zhuǎn)換過程中，*消去了兩個(gè)通道交替工作時(shí)的過渡光點(diǎn)，以提高顯示波形的清晰度。

校正信號(hào)電路產(chǎn)生一個(gè)一定頻率、一定幅度的矩形信號(hào)。它是作校正Y軸放大電路的靈敏度和X軸的掃描速度之用的。

 高、低壓電源供給電路中的低壓是供給示波器各級(jí)所需的低壓電源的，高壓是供給示波管顯示系統(tǒng)電源的。