双踪示波器中的“交替”和“继续”

在双踪示波器的面板上，工作状态选择开关一般都没有“交替”和“断续”这样两个档位。在实际使用中，常常因为这两个档位选择不合适或与其他开关配合不当而影响观测效果，甚至造成测量错误。为此，有必要弄清楚“交替”和“断续”的作用并正确地使用这两个档位。要想弄清这些问题，还需要从示波器两踪显示这个问题谈起。

在用示波器观察波形或测试电路时，常常需要对几个测试点的波形进行比较，例如比较两点信号幅度的高低、波形的变换、相位的差别、脉冲在时间上的相位关系等等。显然，用单踪示波器来完成这些任务是很困难的。这就需要采用一种能够在同一屏幕上同时显示出几个波形的示波器，目前应用最多的是能够同时显示出两个波形的双踪示波器。

如何来实现在同一屏幕上同时显示出两个波形呢？总的来说有两种方案。一种是采用结构特殊的双腔示波管，它有两套相互独立的电子枪和偏转系统，装在同一管壳内公用一个荧光屏。采用这种方案构造复杂价格昂贵，因而用得较少。另一种方案是采用一般的单腔示波管，并且只用一套扫描系统，而利用电子开关按“时间分割”的方法，将两个信号显示出来。这是目前应用最多的一种方案。

采用电子开关的双踪示波器简化方框图见图1。由图可以看出，它比一般的单踪示波器增加了一套Y通道前置放大器及电子开关和门电路。门电路是由晶体管组成的开关电路，当门电路A开门时，Y\(_{A}\)输入端的信号就可通过门电路A到达Y轴公共放大极；当门电路B开门时，YB输入端的信号可以通过门电路B到达Y轴公共放大级。而门电路A、B的开门与关门是受电子开关产生的信号控制的，通常电子开关由双稳态或无稳态脉冲电路组成，所以电子开关输出的控制信号总是“互非”的关系，即当对门电路A送出高电平使门电路A开门时，必然对门电路B送出低电平使门电路B关闭；反之，也可以使门电路A关闭时，门电路B开门。这样，通过电子开关的控制作用，就可使门电路A、B工作在轮流开门与关门的状态，从而将Y\(_{A}\)及YB两通道的信号按“时分”的方式混合起来，再经过Y轴的公共放大级在示波管上显示。

然而，问题并非这样简单。还有一个开关信号速率与被测信号频率之间的配合问题需要解决。根据开关信号速率的不同，有两种不同的时间分割方式，那就是“交替”方式与“断续”方式，下面分别加以研究。

“交替”显示方式的显示顺序及波形见图2。在图2中，上面的波形为Y\(_{A}\)输入端送入的信号电压uA的波形；下面的波形为Y\(_{B}\)输入端送入的信号电压uB的波形，且u\(_{A}\)、uB都是正弦波，但频率之比为2:1的关系。那么u\(_{A}\)与uB这两个信号波形是如何显示到屏幕上的呢？下面我们来分析显示的过程。先看上面的波形：当扫描开始光点在屏幕上由左至右进行扫描时，门电路A受电子开关信号的控制也恰好开门，u\(_{A}\)则通过整个Y轴通道加到示波管的垂直偏转板上，这就形成了图2上面的这个波形。当光点扫描至屏幕右端时，扫描正程结束，门电路A受电子开关控制也恰好关门，则uA显示过程停止。图中u\(_{A}\)的频率与扫描频率之比为5:1。uA是从负半周最大值开始经5周期后到负半周最大值结束。再来看下面的波形；当扫描正程结束，光点跳回到屏幕左端之后，便开始下一周期的扫描，与此同时受电子开关控制门电路A关门，门电路B开门，则u\(_{B}\)能够通过Y轴整个通道加到示波管偏转板上，形成图2下面的波形。当光点扫描至屏幕右端时，扫描正程结束。门电路B关闭，uB显示过程停止。图中u\(_{B}\)的频率与扫描频率之比为2.5:1。uB从负半周最大值开始经2.5周期之后到正半周最大值结束。这样，扫描两周期之中，u\(_{A}\)及uB各显示一次。接下去则是重复前面的过程，如此循环u\(_{A}\)与uB波形的显示由电子开关控制交替进行，每扫描一次开关转换一次。由于人眼的“视觉暂留”现象及示波管的余辉作用，在快速交替时屏幕上就能“同时”看到两个稳定的波形。谈到这里就已清楚，前面所说的“同时”实际上并不同时，只不过是主观感觉而已。

从前面的显示过程知道，这种“交替”显示方式的特点是扫描周期要比被测信号周期长，即扫描频率要比信号频率低才可以，否则就不可能观察到完整的一个周期的波形。而这种显示方式在采用低速扫描时，会产生明显的闪烁现象，甚至可以看出两个通道的转换过程。于是，观测时的“同时”感消失，影响使用效果。因此，“交替”显示方式不适用于观测频率低的信号，因为这种情况下需要采用更低的扫描频率。观测频率较低的信号应采用“断续”显示方式。

“断续”显示方式是采用快速的电子开关控制信号，将扫描正程分割成许多小段，相间地对u\(_{A}\)与uB进行显示的方式。在断续显示方式时屏幕上的波形见图3，上面为u\(_{A}\)的波形，下面为uB的波形。在扫描开始时，光点自屏幕左端向右扫描，这时门电路A受电子开关控制处在开门状态，门电路B在关门状态，于是u\(_{A}\)通过Y轴通道在屏幕上显示出波形，uB则不能显示。当u\(_{A}\)显示一小段波形后，在电子开关的控制下，门电路状态转换成A关门，B开门，则uA显示停止，u\(_{B}\)开始显示。当uB显示一小段波形后，在电子开关的控制下，门电路的状态又转回门电路B关门、A开门，这时又继续显示u\(_{A}\)而uB显示停止……如此不断进行下去，直到扫描正程结束。这样，在扫描正程时间内，依靠电子开关的快速转换，就在屏幕上同时显示出u\(_{A}\)及uB两个波形。从图3可以看出，“断续”显示的波形与“交替”显示的波形有所不同，它是由许多明暗相间的短线组成的，对每个波形而言，扫描都是断断续续进行的。然而，在一般情况下，使用断续显示方式时，并不能看见这种断续的波形，这是由于开关频率比信号频率高很多，显示的光段十分密集的结果。此外，在采用断续显示方式时，开关信号与被测信号之间不存在同步关系，因而每一次明暗点在波形上的位置也就不固定。由于视觉暂留现象及余辉作用，看到多次扫描所形成的波形就变得亮度均匀而连续了。

从上面的显示过程可以看到，断续显示方式具有这样的特点，即电子开关的控制信号频率要比扫描频率高得多。否则，当二者频率相近时，波形将产生明显的间断现象。因此断续显示方式不适于用来观测频率较高的信号。至于频率既不高又不低的信号，无论采用哪种显示方式，都可以获得满意的效果。

用双踪示波器观测信号的波形，尤其是要求显示信号之间的相位或时间关系时，除了正确地选择“交替”与“断续”显示方式之外，还有触发的问题需要解决。

由前面的分析可以看出，在双踪显示时无论采用“交替”还是“断续”的显示方式，所显示的波形都是多次扫描所形成的结果。因此必须作到每次扫描的起点一致（例如图2及图3中所显示的波形都是从负半周最大值开始），才能保证所显示的波形是稳定的。为此，需将被测信号从公共放大器引出，经放大整形后作为触发信号来触发扫描电路，这就是所谓“内触发”状态。这与单踪显示触发扫描的道理是相同的，只不过在双踪显示时，触发信号是经过时间分割之后的信号而已。

对于两个信号作一般的比较时，采用上述的内触发是不存在问题的。例如图2、图3中，可以清楚地比较出u\(_{A}\)与uB之间的频率、幅度、波形失真等。但是，当涉及到这两个信号之间的相位关系及时间关系时，就又有问题了。为了说明这个问题，现举一个用双踪示波器测量与非门功能的例子。如所周知，图4（a）所示与非门的输入脉冲信号源u\(_{i}\)与输出脉冲信号u0之间的相位关系为反相关系，见图4（b）。然而，当采用上述内触发方案测试时，却得到如图4（c）所示的波形，即u\(_{i}\)与u0为同相关系。是否由此可以得出该与非门已失去“非”的功能这样的结论呢？不能，这是测试中造成的谬误。

为什么会出现这种现象呢？这个问题需要从触发信号的极性谈起。原来，在脉冲示波器里无论被观测的信号波形如何，最后都要加工成脉冲信号才能作为触发信号来触发扫描发生器工作。在示波器的面板上，一般都没有“触发极性”选择开关。“＋”表示采用正极性信号（上升沿）触发，使扫描启动；“-”表示用负极性信号（下降沿）触发，使扫描启动。一般情况下使用者可以随意选择触发极性。但是，触发极性一旦选定，对双踪显示来说，无论哪一踪信号到来的时刻是正极性还是负极性，都一律要等到符合既定的极性时才能启动扫描。仍以图4（b）显示的波形为例，如采用“交替”显示方式，“＋”触发极性。对u\(_{i}\)这一踪来说，当ui第一个正脉冲上升沿到来时扫描启动；而对u\(_{0}\)这一踪来说，也是当u0第一个正脉冲上升沿到来时刻扫描启动，扫描电路不管u\(_{0}\)与ui的相位关系如何，它只能按同一种极性来触发。这样一来，就等于在显示的过程中，将u\(_{0}\)的相位提前了180°，使得u0与u\(_{i}\)由反相关系变为同相关系，得到一个完全颠倒的结论。

如何解决这个问题呢？方法非常简单，就是只采用其中一个通道的信号作为触发信号。例如在图4（b）中可用u\(_{i}\)作触发信号。这样无论在显示哪一路的信号时，都由同一信号触发，在时间上有一个统一的比较标准，这样相位关系就能如实地显示出来了。不难想象，在这种情况下，只要这两个通道的信号频率之间成整数倍关系，所显示的波形也一定是稳定的。

为了使用方便，示波器上设有触发信号选择开关，可以任选某一通道的信号作为触发信号。在SR8型示波器上，设有一个“拉Y\(_{B}\)”拉动开关，当开关拉出时，扫描的触发信号只取自于YB通道的输入信号。两个输入信号中，选哪个信号作为触发信号，则应把哪个信号从Y\(_{B}\)输入端接入。至于选哪个信号好要依具体情况而定。一般来说，如果两信号周期相同或相差不多，选哪个都可以，但为了观测方便，可选其中在时间上超前的信号，如图5（a）中的ui。若两信号的周期差别很大，则应选其中周期大者作为触发信号，如图5（b）中的u\(_{2}\)。此外，还要注意在观测脉冲信号时，应选在触发扫描状态，在SR8示波器中，触发方式开关应置“常态”位置。（刘铁夫）