【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 、控制柵極、第一陽(yáng)極和第二陽(yáng)極共五部分組成。燈絲通電后加熱表面涂有氧化物的金屬圓筒（即陰極），使之發(fā)射電子。控制柵極是一個(gè)套在陰極外面的金屬圓筒，其頂端有一小孔，它的電位比陰極低，對(duì)陰極發(fā)射出來(lái)的電子起減速作用，只有初速度較大的電子才可能 8 穿過(guò)柵極頂端的小孔，進(jìn)入加速區(qū)的陽(yáng)極。因此控制柵極實(shí)際上起控制電子流密度的作用。調(diào)整示波器面板上 的“亮度”旋紐，其實(shí)就是調(diào)節(jié)柵極電位改變飛出柵極的電子數(shù)目，飛出的電子數(shù)目越多，熒光屏上亮斑就越亮。從柵極飛出來(lái)的電子再經(jīng)過(guò)第一陽(yáng)極和第二陽(yáng)極的加速與聚焦后打到熒光屏上形成一個(gè)明亮清晰的小圓點(diǎn)。偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)是由兩對(duì)相互垂直的電極板組成。電子束通過(guò)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)時(shí)，同時(shí)受到兩個(gè)相互垂直方向的電場(chǎng)的作用，熒光屏上小亮點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡就是電子束在這兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的疊加。 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng) Y X 燈絲 柵極 第一 第二 陽(yáng)極 陽(yáng)極 陰極 圖 22 示波管結(jié)構(gòu)圖 、 Y 軸電壓放大器和衰 減器 由于示波管本身的 X 及 Y 偏轉(zhuǎn)板的靈敏度不高（約 ~1mm/V），當(dāng)加在偏轉(zhuǎn)板上的信號(hào)電壓較小時(shí)，電子束不能發(fā)生足夠的偏轉(zhuǎn)，屏上的光點(diǎn)位移較小，不便觀測(cè)。這就需要預(yù)先將該小電壓通過(guò)電壓放大器進(jìn)行放大。衰減器的作用是使過(guò)大的電壓信號(hào)衰減變小，以適應(yīng)軸放大器的要求，否則放大器不能正常工作，甚至受損。 （掃描信號(hào)）發(fā)生器 鋸齒波信號(hào)發(fā)生器的作用就是產(chǎn)生周期性鋸齒波信號(hào)（圖 23）。將鋸齒波信號(hào)加在 X 偏轉(zhuǎn)板上，可以證明，此時(shí)電子束打在熒光屏上的亮點(diǎn)將向一個(gè)方向作勻速直線運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過(guò)一個(gè)周期后，熒光 屏上的亮點(diǎn)又回到左側(cè)，重復(fù)運(yùn)動(dòng)。如果鋸齒波的頻率較大，由于熒光材料具有一定的余輝時(shí)間，在熒光屏上能看到一條水平亮線。 圖 23 鋸齒波信號(hào) T 2 T 3 T 4 T t V x 9 示波器的掃描原理 將一正弦電壓信號(hào)加到 Y 軸偏轉(zhuǎn)板上，即 Uy≠ 0，若 X 軸偏轉(zhuǎn)板上為零電壓信號(hào)，則熒光屏上的光點(diǎn)將隨著正弦電壓信號(hào)作正弦振蕩。若 Y 軸上的電壓信號(hào)頻率較快，則屏上只出現(xiàn)一條亮線。要直觀地看到正弦波信號(hào)隨時(shí)間的變化波形，必須將屏上光點(diǎn)在 X 方向（即時(shí)間方向）上“拉開(kāi)”，這就要借助與鋸齒波信號(hào)的作 用。將鋸齒波信號(hào)加到 X 偏轉(zhuǎn)板上，此時(shí)示波器內(nèi)的電子束將既要在 y 方向按正弦電壓信號(hào)的規(guī)律作正弦振蕩，又要在 x 方向作勻速直線運(yùn)動(dòng)， y 方向的正弦振蕩被“展開(kāi)”，屏上光點(diǎn)留下的軌跡是一正弦曲線。鋸齒波信號(hào)完成一個(gè)周期變化后，屏上光點(diǎn)又回到屏幕的左側(cè)，又準(zhǔn)備重復(fù)以前的運(yùn)動(dòng)。這一過(guò)程稱(chēng)為掃描過(guò)程，圖24 是這一過(guò)程的圖解原理。圖中假設(shè)加在 Y 偏轉(zhuǎn)板上的電壓信號(hào)為待測(cè)正弦電壓信號(hào)，其頻率與加在 X 偏轉(zhuǎn)板上的鋸齒波信號(hào)的頻率相同，并將一個(gè)周期分為相同的四個(gè)時(shí)間間隔， Uy 和 Ux 的值分別對(duì)應(yīng)光點(diǎn)在 y 軸和x 軸偏離的位置。將 Uy 和 Ux 各自對(duì)應(yīng)的投影交匯點(diǎn)連接起來(lái)，即得被測(cè)電壓波形。完成一個(gè)波形后的瞬間，屏上光點(diǎn)立刻反跳回原點(diǎn)，并在熒光屏上留下一條“反跳線”，稱(chēng)為回歸線。因這段時(shí)間很短，線條比較暗，有的示波器采用措施將其消除。 上面所討論的波形因 Uy 和 Ux 的周期相等，熒光屏上出現(xiàn)一個(gè)正弦波。當(dāng) fy = nfx， n=1,2,3,?時(shí)，熒光屏上將出現(xiàn) 1 個(gè)、 2 個(gè)、 3 個(gè)、?穩(wěn)定的波形。 圖 24 掃描過(guò)程 10 數(shù)字示波器 數(shù)字示波器是數(shù)據(jù)采集， A/D 轉(zhuǎn)換，軟件編程等一系列的技術(shù)制造出來(lái)的高性能示波器。數(shù)字示波器一般支持多級(jí)菜單，能提供給用戶多種 選擇，多種分析功能。還有一些示波器可以提供存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)波形的保存和處理 。 數(shù)字示波器的基本原理 數(shù)字示波器是由取樣儲(chǔ)存、讀出顯示和系統(tǒng)控制三大部分組成，它們之間通過(guò)數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線相互聯(lián)系和交換信息，以完成各種測(cè)量功能。 數(shù)字示波器的基本組成框圖如圖 25所示。 輸 入 通 道電 源 電 路觸 發(fā) 源 選 擇時(shí) 鐘 振 蕩 器S / H 電 路取 樣 脈 沖 形成 電 路觸 發(fā) 電 路X 放 大 器Y 放 大 器示 波 管C P UA / D 轉(zhuǎn) 換 器面 板 鍵 盤(pán)通 信 接 口掃 描 電 壓 發(fā)生 器D / A 轉(zhuǎn) 換 器工 作 程 序 R O M測(cè) 量 數(shù) 據(jù) R A M信 號(hào) 數(shù) 據(jù) R A M參 考 波 形 R A M顯 示 緩 沖 R A M字 符 庫(kù) R O M信 號(hào) 輸 入至 各 功 能 電路觸 發(fā) 信 號(hào) 圖 25 數(shù)字示波器的基本組成框 系統(tǒng)控制部分 系統(tǒng)控制部分由鍵盤(pán)、只讀儲(chǔ)存器 （ ROM）、 CPU 及 I/O 接口等組成。在 ROM 內(nèi)寫(xiě)有儀器的管理程序，在管理程序的控制下，對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行掃描產(chǎn)生掃描碼，接受使用者的操作，以便設(shè)定輸入靈敏度、掃描速度、讀寫(xiě)速度等參數(shù)和各種測(cè)試功能。 取樣儲(chǔ)存部分 取樣儲(chǔ)存部分主要由輸入通道、取樣保持電路、取樣脈沖形成電路、A/D 轉(zhuǎn)換器、信號(hào)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器等組成。取樣保持電路在取樣脈沖的控制 11 下，對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行取樣，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號(hào)，然后存入信號(hào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。取樣脈沖的形成受觸發(fā)信號(hào)的控制，同時(shí)也受到 CPU 控制。取樣和儲(chǔ)存過(guò)程如圖 26所示。 讀出顯示部分 讀出顯示部分由顯示緩沖存儲(chǔ)器、 D/A 轉(zhuǎn)換器、掃描發(fā)生器、 X 放大器、 Y 放大器和示波管電路組成。它在接到 讀命令后，先將儲(chǔ)存在顯示緩沖儲(chǔ)存器中的數(shù)字信號(hào)送 D/A 轉(zhuǎn)換器，將其重新恢復(fù)成模擬信號(hào)，然后經(jīng)放大后送示波管，同時(shí)掃描發(fā)生器產(chǎn)生的掃描階梯波電壓把被測(cè)信號(hào)在水平方向展開(kāi)，從而將信號(hào)波形顯示在屏幕上，讀出和顯示過(guò)程如圖 27 所示。 圖 26 取樣和儲(chǔ)存過(guò)程 圖 27 讀出和顯示過(guò)程 數(shù)字示波器的特點(diǎn) 一般可以將數(shù)字示波器分為數(shù)字存儲(chǔ)示波器（ DSO）、 數(shù)字熒光示波器（ DPO）和采 樣示波器。 數(shù)字示波器的特點(diǎn)大致歸納為以下 11點(diǎn)： 1 數(shù)字示波 器通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADC）把被測(cè)電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。它捕獲的是波形的一系列樣值，并對(duì)樣值進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)限度是判斷累計(jì)的樣值是否能描繪出波形為止。隨后，數(shù)字示波器重構(gòu)波形。 2 可以 穩(wěn)定、明亮和清晰地顯示任何頻率的波形。 3 對(duì)重復(fù)的信號(hào)而言，數(shù)字示波器的帶寬是指示波器的前端部件的模擬帶寬，一般稱(chēng)之為 3dB 點(diǎn)。 對(duì)于單脈沖和瞬態(tài)事件，例如脈沖和階躍 12 波，帶寬局限于示波器采樣率之內(nèi)。 4 數(shù)字存儲(chǔ)示波器能夠持久地保留信號(hào)，可以擴(kuò)展波形處理方式。 5 信 號(hào)實(shí)時(shí)在離散點(diǎn)采樣，采樣位置的信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，這些數(shù)字值 稱(chēng)為采樣點(diǎn)。樣值每秒（ S/s)。 6 DSO 使用串行 處理的體協(xié)結(jié)構(gòu)來(lái)捕獲、顯示和分析信號(hào)；相對(duì)而言， DPO 為完成這些功能采納的是并行的體系結(jié)構(gòu)，提供了高速率的波形采集率，它增加了證明數(shù)字系統(tǒng)中的瞬態(tài)事件的可能性。 7 DSO 顯示部分更多基于光柵屏幕而不是基于熒光。模擬示波器依靠化學(xué)熒光物質(zhì)。 DPO 使用完全的 電子數(shù)字熒光，其實(shí)質(zhì)是不斷更新的數(shù)據(jù)庫(kù)。 8 如果需要正確采集 頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于示波器采樣頻率的信號(hào)，那么數(shù)字采樣示波器是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。這種示波器采集測(cè)量信號(hào)的能力要比其他類(lèi)型的示波器高一個(gè)數(shù)量級(jí)。 9 采 樣示波器在采樣門(mén)電路之前沒(méi)有衰減器 / 放大器，所以不能 對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行縮放。所有時(shí)刻的輸入信號(hào)都不能超過(guò)采樣橋滿動(dòng)態(tài)范圍。因此，大多數(shù)采樣示波器的動(dòng)態(tài)范圍都限制在 1V 的峰 值 峰 值。而數(shù)字存儲(chǔ)和數(shù)字熒光示波器卻能夠處理 50 到 100 伏特的 輸入。 10 采 樣示波器的安全輸入電壓大約只有 3V，相 對(duì)而言，其他示波器可以高達(dá) 500V 錄 。 虛擬示波器 模擬信號(hào)經(jīng)同軸電纜進(jìn)入采集卡的輸入通道，經(jīng)過(guò)前置濾波電路、衰減電路、可變?cè)鲆娴姆糯箅娐罚瑢⑿盘?hào)處理成 A/D 轉(zhuǎn)換器可以處理的標(biāo)準(zhǔn)電平，經(jīng)過(guò) A/D 采樣量化轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)可以 處理的數(shù)字信號(hào)并緩存到卡上的存儲(chǔ)器。其支持軟件通過(guò) PC 機(jī)的 PCI 總線接口控制模擬通道的阻抗匹配、放大器的增益選擇、啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)換結(jié)束的識(shí)別，并將采集數(shù)據(jù)以 DMA 的方式傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)存，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行分析處理、顯示、存儲(chǔ)及打印傳輸?shù)取? 聲卡數(shù)據(jù)采集流程如圖 28所示： 。 13 圖 28 聲卡數(shù)據(jù)采集流程圖 該實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的虛擬示波器是基于美國(guó)國(guó)家儀器公司（ NI）生產(chǎn)的labVIEW 軟件，在 PC 機(jī)上，將聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡，利用 LabVIEW 中的聲音處理函數(shù)和信號(hào)處理和分析函數(shù)，對(duì)聲卡中的輸入信號(hào)進(jìn)行采 集，波形顯示，參數(shù)測(cè)量和頻譜分析，實(shí)現(xiàn)示波器的基本功能。 14 第 3章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 聲卡 該儀器設(shè)計(jì)中，我選用 PC 機(jī)上的聲卡（ sound card） 作為數(shù)據(jù)采集卡，聲卡也叫音頻卡 ,PC 機(jī)上的聲卡具有 A/D 轉(zhuǎn)換和 D/A 轉(zhuǎn)換功能，多數(shù)為 16 位的量化精度、數(shù)據(jù)采集頻率是 ，完全可以滿足特定應(yīng)用范圍內(nèi)數(shù)據(jù)采集的需要，而且價(jià)格便宜，對(duì)該虛擬示波器的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，性?xún)r(jià)比高 聲卡的工作原理 麥克風(fēng)和喇叭所用的都是模擬信號(hào)，而電腦所能處理的都是數(shù)字信號(hào)，兩者不能混用，聲卡的作用就是實(shí)現(xiàn)兩者的轉(zhuǎn)換。從結(jié)構(gòu)上分，聲卡可分為模數(shù)轉(zhuǎn) 換電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路兩部分，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將麥克風(fēng)等聲音 輸入設(shè)備 采到的模擬聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電腦能處理的數(shù)字信號(hào)；而數(shù)模轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將電腦使用的數(shù)字聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為喇叭等設(shè)備能使用的模擬信號(hào) 。 聲卡的基本結(jié)構(gòu) 現(xiàn)將聲卡主要部分介紹如下： 1. 線路板 線路板是聲卡的基礎(chǔ)，線路板質(zhì)量的好壞一定程度上影響聲卡的品質(zhì)。聲卡的線路板多為四層板也有少數(shù)六層板的。而在設(shè)計(jì)方面，很多中低檔聲卡普遍采 用芯片廠家提供的公版 PCB 結(jié)構(gòu)。另外在線路板上我們可以看見(jiàn)聲卡的 “ 金手指 ” ， 它為聲卡和主板連接提供了總線接口，如今主流的聲卡接口為 PCI 接口，另外市面上還可見(jiàn)少量的 ISA 接口或 AMR等接口的聲卡。 聲卡上都有一塊主音效處理芯片，它主要用來(lái)完成 WAVE 波形的采樣與合成， MIDI 音樂(lè)的合成，同時(shí)混音器 /效果器也在其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。 常見(jiàn)的主芯片有 CREATIVE 創(chuàng)新 137X 系列（ ES137X）， CT2518/CT5507 和 CT5880 及 EMU 10K1 系列； ESS MAESTROI （ 1948 ），ESS MAESTROII（ 1968 ）， ESS Canyon3D（ MAESTRO2E 197OS） 系列； YMF724 和 YMF740/YMF744 系列； Aureal 的 Vortex AU8820，Vortex2 AU8830 系列； S3 Sonic Vibes 系列； CMI8338/8738 系列； 15 Trident 4D Wave DX/NX 系列； VLSI Qsound Thunderbird 128 系列；Fortemedia FM801AS 系列等等。 聲卡上還有很 多集成電路塊，主要有穩(wěn)壓電路塊及主芯片外圍控制芯片等。另外常見(jiàn)的芯片還有運(yùn)算放大器（運(yùn)放），運(yùn)放的作用是將低電平做適當(dāng)放大來(lái)相關(guān)設(shè)備使用，常見(jiàn)的運(yùn)放芯片主要有 PHILIPS 的 TDA 系列和國(guó)家半導(dǎo)體的 LM 系列。 電容是聲卡上的重要部件，而且電容質(zhì)量的優(yōu)劣也會(huì)直接關(guān)系到整塊聲卡品質(zhì)的優(yōu)劣。特別是直流電源輸出端的耦合電容，其做用與品質(zhì)都非常重要。耦合電容容量過(guò)小，電腦開(kāi)機(jī)時(shí)音箱中常會(huì)有爆破聲出現(xiàn)，而且一些耐壓系統(tǒng)低的耦合電容還可能自身出現(xiàn)爆裂造成聲卡的損壞。 另外，聲卡上還 有電阻及晶振等必不可少的元器件。 聲卡上有很多接口，下面我們就對(duì)其進(jìn)行一下簡(jiǎn)單介紹。 /MIDI 插口：用于連接游戲桿 /手柄 /方向盤(pán)等外界游戲控制器或 MIDI 鍵盤(pán) /電子琴，你也可先購(gòu)買(mǎi)一個(gè)光纖 MIDI 套件再來(lái)插入上述設(shè)備。 ：將音頻信號(hào)輸出到有源音箱或功率放大器。 （ LINE OUT）： 將音頻信號(hào)輸出到有源音箱 /耳機(jī)或功率放大器。 （ MIC IN）： 用于連接話筒，主要用來(lái)語(yǔ)音輸入。 （ LINE IN）： 用于將隨身聽(tīng)或影碟機(jī)等外部設(shè)備的聲音信號(hào)輸入電腦。 （ TAD， Telephone Answering Device）： 用來(lái)提供標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)音 MODEM 的連接并向 MODEM 傳送話筒信號(hào)，所以配合MODEM 卡和軟件，可使電腦具備電話自動(dòng)應(yīng)答功能。 CD 音頻輸入接口（ CD－ IN）： 使用 CD 音源線將來(lái)自CD/DVD 光驅(qū)的模擬音頻信號(hào)接入。 （ AUX－ IN）： 用于將電視卡，解壓卡等設(shè)備的聲音信號(hào)輸入