【文章內(nèi)容簡介】 、控制柵極、第一陽極和第二陽極共五部分組成。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?？刂茤艠O是一個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，對陰極發(fā)射出來的電子起減速作用，只有初速度較大的電子才可能 8 穿過柵極頂端的小孔，進入加速區(qū)的陽極。因此控制柵極實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。從柵極飛出來的電子再經(jīng)過第一陽極和第二陽極的加速與聚焦后打到熒光屏上形成一個明亮清晰的小圓點。偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)是由兩對相互垂直的電極板組成。電子束通過偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)時，同時受到兩個相互垂直方向的電場的作用，熒光屏上小亮點的運動軌跡就是電子束在這兩個方向運動的疊加。 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng) Y X 燈絲 柵極 第一 第二 陽極 陽極 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)板上的信號電壓較小時，電子束不能發(fā)生足夠的偏轉(zhuǎn)，屏上的光點位移較小，不便觀測。這就需要預(yù)先將該小電壓通過電壓放大器進行放大。衰減器的作用是使過大的電壓信號衰減變小，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）發(fā)生器 鋸齒波信號發(fā)生器的作用就是產(chǎn)生周期性鋸齒波信號（圖 23）。將鋸齒波信號加在 X 偏轉(zhuǎn)板上，可以證明，此時電子束打在熒光屏上的亮點將向一個方向作勻速直線運動。經(jīng)過一個周期后，熒光 屏上的亮點又回到左側(cè)，重復(fù)運動。如果鋸齒波的頻率較大，由于熒光材料具有一定的余輝時間，在熒光屏上能看到一條水平亮線。 圖 23 鋸齒波信號 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，則熒光屏上的光點將隨著正弦電壓信號作正弦振蕩。若 Y 軸上的電壓信號頻率較快，則屏上只出現(xiàn)一條亮線。要直觀地看到正弦波信號隨時間的變化波形，必須將屏上光點在 X 方向（即時間方向）上“拉開”，這就要借助與鋸齒波信號的作 用。將鋸齒波信號加到 X 偏轉(zhuǎn)板上，此時示波器內(nèi)的電子束將既要在 y 方向按正弦電壓信號的規(guī)律作正弦振蕩，又要在 x 方向作勻速直線運動， y 方向的正弦振蕩被“展開”，屏上光點留下的軌跡是一正弦曲線。鋸齒波信號完成一個周期變化后，屏上光點又回到屏幕的左側(cè)，又準(zhǔn)備重復(fù)以前的運動。這一過程稱為掃描過程，圖24 是這一過程的圖解原理。圖中假設(shè)加在 Y 偏轉(zhuǎn)板上的電壓信號為待測正弦電壓信號，其頻率與加在 X 偏轉(zhuǎn)板上的鋸齒波信號的頻率相同，并將一個周期分為相同的四個時間間隔， Uy 和 Ux 的值分別對應(yīng)光點在 y 軸和x 軸偏離的位置。將 Uy 和 Ux 各自對應(yīng)的投影交匯點連接起來，即得被測電壓波形。完成一個波形后的瞬間，屏上光點立刻反跳回原點，并在熒光屏上留下一條“反跳線”，稱為回歸線。因這段時間很短，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)一個正弦波。當(dāng) fy = nfx， n=1,2,3,?時，熒光屏上將出現(xiàn) 1 個、 2 個、 3 個、?穩(wěn)定的波形。 圖 24 掃描過程 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)制造出來的高性能示波器。數(shù)字示波器一般支持多級菜單，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，實現(xiàn)對波形的保存和處理 。 數(shù)字示波器的基本原理 數(shù)字示波器是由取樣儲存、讀出顯示和系統(tǒng)控制三大部分組成，它們之間通過數(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 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 量 數(shù) 據(jù) R A M信 號 數(shù) 據(jù) R A M參 考 波 形 R A M顯 示 緩 沖 R A M字 符 庫 R O M信 號 輸 入至 各 功 能 電路觸 發(fā) 信 號 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、只讀儲存器 （ ROM）、 CPU 及 I/O 接口等組成。在 ROM 內(nèi)寫有儀器的管理程序，在管理程序的控制下，對鍵盤進行掃描產(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、讀寫速度等參數(shù)和各種測試功能。 取樣儲存部分 取樣儲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、信號數(shù)據(jù)儲存器等組成。取樣保持電路在取樣脈沖的控制 11 下，對被測信號進行取樣，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號，然后存入信號數(shù)據(jù)存儲器中。取樣脈沖的形成受觸發(fā)信號的控制，同時也受到 CPU 控制。取樣和儲存過程如圖 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，先將儲存在顯示緩沖儲存器中的數(shù)字信號送 D/A 轉(zhuǎn)換器，將其重新恢復(fù)成模擬信號，然后經(jīng)放大后送示波管，同時掃描發(fā)生器產(chǎn)生的掃描階梯波電壓把被測信號在水平方向展開，從而將信號波形顯示在屏幕上，讀出和顯示過程如圖 27 所示。 圖 26 取樣和儲存過程 圖 27 讀出和顯示過程 數(shù)字示波器的特點 一般可以將數(shù)字示波器分為數(shù)字存儲示波器（ DSO）、 數(shù)字熒光示波器（ DPO）和采 樣示波器。 數(shù)字示波器的特點大致歸納為以下 11點： 1 數(shù)字示波 器通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADC）把被測電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。它捕獲的是波形的一系列樣值，并對樣值進行存儲，存儲限度是判斷累計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 對重復(fù)的信號而言，數(shù)字示波器的帶寬是指示波器的前端部件的模擬帶寬，一般稱之為 3dB 點。 對于單脈沖和瞬態(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)字存儲示波器能夠持久地保留信號，可以擴展波形處理方式。 5 信 號實時在離散點采樣，采樣位置的信號電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，這些數(shù)字值 稱為采樣點。樣值每秒（ S/s)。 6 DSO 使用串行 處理的體協(xié)結(jié)構(gòu)來捕獲、顯示和分析信號；相對而言， 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，其實質(zhì)是不斷更新的數(shù)據(jù)庫。 8 如果需要正確采集 頻率遠遠高于示波器采樣頻率的信號，那么數(shù)字采樣示波器是一個不錯的選擇。這種示波器采集測量信號的能力要比其他類型的示波器高一個數(shù)量級。 9 采 樣示波器在采樣門電路之前沒有衰減器 / 放大器，所以不能 對輸入信號進行縮放。所有時刻的輸入信號都不能超過采樣橋滿動態(tài)范圍。因此，大多數(shù)采樣示波器的動態(tài)范圍都限制在 1V 的峰 值 峰 值。而數(shù)字存儲和數(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 對而言，其他示波器可以高達 500V 錄 。 虛擬示波器 模擬信號經(jīng)同軸電纜進入采集卡的輸入通道，經(jīng)過前置濾波電路、衰減電路、可變增益的放大電路，將信號處理成 A/D 轉(zhuǎn)換器可以處理的標(biāo)準(zhǔn)電平，經(jīng)過 A/D 采樣量化轉(zhuǎn)化成計算機可以 處理的數(shù)字信號并緩存到卡上的存儲器。其支持軟件通過 PC 機的 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 A/D 轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)換結(jié)束的識別，并將采集數(shù)據(jù)以 DMA 的方式傳輸?shù)接嬎銠C內(nèi)存，同時對數(shù)據(jù)信號進行分析處理、顯示、存儲及打印傳輸?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 該實驗中設(shè)計的虛擬示波器是基于美國國家儀器公司（ NI）生產(chǎn)的labVIEW 軟件，在 PC 機上，將聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡，利用 LabVIEW 中的聲音處理函數(shù)和信號處理和分析函數(shù)，對聲卡中的輸入信號進行采 集，波形顯示，參數(shù)測量和頻譜分析，實現(xiàn)示波器的基本功能。 14 第 3章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 聲卡 該儀器設(shè)計中，我選用 PC 機上的聲卡（ sound card） 作為數(shù)據(jù)采集卡，聲卡也叫音頻卡 ,PC 機上的聲卡具有 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，而且價格便宜，對該虛擬示波器的設(shè)計來說，性價比高 聲卡的工作原理 麥克風(fēng)和喇叭所用的都是模擬信號，而電腦所能處理的都是數(shù)字信號，兩者不能混用，聲卡的作用就是實現(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)換電路負責(zé)將麥克風(fēng)等聲音 輸入設(shè)備 采到的模擬聲音信號轉(zhuǎn)換為電腦能處理的數(shù)字信號；而數(shù)模轉(zhuǎn)換電路負責(zé)將電腦使用的數(shù)字聲音信號轉(zhuǎn)換為喇叭等設(shè)備能使用的模擬信號 。 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，它主要用來完成 WAVE 波形的采樣與合成， MIDI 音樂的合成，同時混音器 /效果器也在其內(nèi)部實現(xiàn)。 常見的主芯片有 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。另外常見的芯片還有運算放大器（運放），運放的作用是將低電平做適當(dāng)放大來相關(guān)設(shè)備使用，常見的運放芯片主要有 PHILIPS 的 TDA 系列和國家半導(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。耦合電容容量過小，電腦開機時音箱中常會有爆破聲出現(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，下面我們就對其進行一下簡單介紹。 /MIDI 插口：用于連接游戲桿 /手柄 /方向盤等外界游戲控制器或 MIDI 鍵盤 /電子琴，你也可先購買一個光纖 MIDI 套件再來插入上述設(shè)備。 ：將音頻信號輸出到有源音箱或功率放大器。 （ LINE OUT）： 將音頻信號輸出到有源音箱 /耳機或功率放大器。 （ MIC IN）： 用于連接話筒，主要用來語音輸入。 （ LINE IN）： 用于將隨身聽或影碟機等外部設(shè)備的聲音信號輸入電腦。 （ TAD， Telephone Answering Device）： 用來提供標(biāo)準(zhǔn)語音 MODEM 的連接并向 MODEM 傳送話筒信號，所以配合MODEM 卡和軟件，可使電腦具備電話自動應(yīng)答功能。 CD 音頻輸入接口（ CD－ IN）： 使用 CD 音源線將來自CD/DVD 光驅(qū)的模擬音頻信號接入。 （ AUX－ IN）： 用于將電視卡，解壓卡等設(shè)備的聲音信號輸入