在電子工程領(lǐng)域，示波器是工程師和科研人員觀察和分析電信號(hào)的重要工具。當(dāng)我們使用示波器測(cè)量電路中的信號(hào)時(shí)，常常會(huì)發(fā)現(xiàn)屏幕上顯示的波形大多為矩形波或正弦波，這一現(xiàn)象背后蘊(yùn)含著豐富的電學(xué)原理和信號(hào)處理知識(shí)。

一、信號(hào)源：矩形波與正弦波的誕生之地

信號(hào)源是電路中電信號(hào)的初始提供者，其產(chǎn)生的信號(hào)類型在很大程度上決定了示波器顯示的波形。在眾多信號(hào)源中，函數(shù)發(fā)生器是常用的設(shè)備之一，它能夠直接生成正弦波、矩形波等標(biāo)準(zhǔn)波形。

正弦波的產(chǎn)生基于特定的電路結(jié)構(gòu)，例如 RC 振蕩電路和 LC 振蕩電路。以 LC 振蕩電路為例，它由電感和電容組成。當(dāng)電路接通電源后，電容開(kāi)始充電，儲(chǔ)存電場(chǎng)能;當(dāng)電容充電完畢后，會(huì)通過(guò)電感放電，電場(chǎng)能逐漸轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能;之后電感又會(huì)對(duì)電容反向充電，如此往復(fù)，形成電磁振蕩。根據(jù)電磁學(xué)原理，這種振蕩過(guò)程產(chǎn)生的電壓或電流信號(hào)遵循正弦函數(shù)規(guī)律變化，從而輸出正弦波信號(hào)。由于正弦波具有單一頻率、穩(wěn)定的周期性等特性，在通信、電力傳輸?shù)阮I(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，因此在電路中出現(xiàn)的頻率較高，自然也容易在示波器上被觀測(cè)到。

矩形波通常由多諧振蕩器產(chǎn)生。多諧振蕩器是一種能夠自動(dòng)產(chǎn)生方波或矩形波的自激振蕩電路。它沒(méi)有穩(wěn)態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間來(lái)回翻轉(zhuǎn)，從而輸出矩形波。其工作過(guò)程基于晶體管或運(yùn)算放大器的開(kāi)關(guān)特性，通過(guò)電容的充放電來(lái)控制電路狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。在數(shù)字電路中，矩形波作為時(shí)鐘信號(hào)，用于同步各個(gè)部件的工作，同時(shí)在信號(hào)調(diào)制、脈沖電路等方面也有廣泛應(yīng)用，這使得我們?cè)陔娐窚y(cè)量中經(jīng)常能捕捉到矩形波信號(hào)。

二、電路對(duì)信號(hào)的影響：復(fù)雜變換下的 “穩(wěn)定形態(tài)”

電路中的元件和系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)具有處理和變換作用，而矩形波和正弦波在這種變換過(guò)程中展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和穩(wěn)定性。

從傅里葉分析的角度來(lái)看，任何周期性的非正弦信號(hào)都可以分解為一系列不同頻率的正弦波的疊加。當(dāng)信號(hào)通過(guò)線性電路時(shí)，根據(jù)線性系統(tǒng)的疊加原理，電路對(duì)每個(gè)正弦分量的響應(yīng)是獨(dú)立的，并且可以通過(guò)電路的頻率響應(yīng)特性來(lái)確定。正弦波作為線性時(shí)不變系統(tǒng)的特征函數(shù)，經(jīng)過(guò)線性電路后，其頻率不會(huì)發(fā)生改變，只是幅度和相位可能會(huì)變化，依然保持正弦波的形態(tài)。因此，即使輸入的是復(fù)雜的非正弦信號(hào)，經(jīng)過(guò)線性電路的處理后，其各正弦分量依然以正弦波的形式存在，最終在示波器上顯示出相對(duì)穩(wěn)定的波形。

對(duì)于非線性電路，雖然信號(hào)會(huì)發(fā)生失真和畸變，但在實(shí)際應(yīng)用中，很多非線性電路的設(shè)計(jì)目的就是將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為特定的矩形波或正弦波。例如，整形電路可以將不規(guī)則的信號(hào)轉(zhuǎn)換為矩形波，以滿足數(shù)字電路對(duì)信號(hào)的要求;而鎖相環(huán)電路能夠從復(fù)雜的輸入信號(hào)中提取出穩(wěn)定的正弦波信號(hào)，用于頻率合成和信號(hào)同步等。此外，電路中的濾波元件也會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行篩選和處理。低通濾波器可以濾除高頻分量，使得含有豐富高頻成分的復(fù)雜信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波后，更接近正弦波;帶通濾波器則可以選擇特定頻率范圍的信號(hào)通過(guò)，當(dāng)輸入信號(hào)包含多種頻率成分時(shí)，經(jīng)過(guò)帶通濾波器后，可能只剩下特定頻率的正弦波或經(jīng)過(guò)調(diào)制的矩形波信號(hào)被保留下來(lái)，從而在示波器上顯示相應(yīng)的波形。

三、示波器的特性：觀測(cè)選擇的 “幕后推手”

示波器自身的特性也在一定程度上影響了我們觀測(cè)到的信號(hào)波形。示波器的帶寬是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它決定了示波器能夠準(zhǔn)確測(cè)量和顯示的信號(hào)頻率范圍。如果輸入信號(hào)的頻率超出了示波器的帶寬，信號(hào)的幅度和相位會(huì)發(fā)生失真，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確觀測(cè)。而矩形波和正弦波的頻率特性相對(duì)明確，在常見(jiàn)的電路應(yīng)用中，其頻率范圍大多處于示波器能夠有效測(cè)量的帶寬內(nèi)。

此外，示波器的觸發(fā)功能使得我們能夠穩(wěn)定地觀測(cè)到周期性的信號(hào)。對(duì)于正弦波和矩形波這類周期性信號(hào)，通過(guò)設(shè)置合適的觸發(fā)條件，如觸發(fā)源、觸發(fā)電平、觸發(fā)沿等，示波器可以在信號(hào)的特定位置開(kāi)始掃描，從而將信號(hào)穩(wěn)定地顯示在屏幕上。相比之下，一些隨機(jī)的、非周期性的信號(hào)由于缺乏穩(wěn)定的觸發(fā)點(diǎn)，很難在示波器上形成清晰、穩(wěn)定的波形，因此我們?cè)趯?shí)際測(cè)量中更多地關(guān)注和記錄矩形波與正弦波。

四、實(shí)際應(yīng)用需求：矩形波與正弦波的 “用武之地”

在實(shí)際的電子系統(tǒng)和電路設(shè)計(jì)中，矩形波和正弦波具有不可替代的重要作用，這也使得它們?cè)陔娐分蓄l繁出現(xiàn)并被觀測(cè)到。在通信領(lǐng)域，正弦波作為載波，用于傳輸信息。通過(guò)對(duì)正弦波的幅度、頻率或相位進(jìn)行調(diào)制，可以將聲音、圖像等信號(hào)加載到載波上進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。在接收端，再通過(guò)解調(diào)等電路將原始信號(hào)恢復(fù)出來(lái)。而矩形波在數(shù)字通信中作為數(shù)字信號(hào)的載體，代表二進(jìn)制的 “0” 和 “1”，用于數(shù)據(jù)的傳輸和處理。在電力系統(tǒng)中，正弦波作為交流電的標(biāo)準(zhǔn)波形，具有穩(wěn)定的頻率和相位特性，便于電能的產(chǎn)生、傳輸和分配。在電子設(shè)備的測(cè)試和調(diào)試過(guò)程中，工程師也常常使用矩形波和正弦波作為測(cè)試信號(hào)，來(lái)檢測(cè)電路的性能和功能，例如測(cè)量放大器的增益、帶寬，測(cè)試濾波器的頻率響應(yīng)等。

綜上所述，電路中用示波器測(cè)得的信號(hào)大多為矩形波或正弦波，是信號(hào)源特性、電路對(duì)信號(hào)的處理、示波器自身特性以及實(shí)際應(yīng)用需求等多種因素共同作用的結(jié)果。了解這些背后的原理，有助于我們更好地理解電路中的信號(hào)行為，掌握示波器的使用技巧，從而在電子工程實(shí)踐中更準(zhǔn)確地觀測(cè)和分析信號(hào)，解決實(shí)際問(wèn)題。