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的重要工具。當(dāng)我們使用示波器測量電路中的信號時，常常會發(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)象背后蘊含著豐富的電學(xué)原理和信號處理知識。

一、信號源：矩形波與正弦波的誕生之地

信號源是電路中電信號的初始提供者，其產(chǎn)生的信號類型在很大程度上決定了示波器顯示的波形。在眾多信號源中，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，電容開始充電，儲存電場能;當(dāng)電容充電完畢后，會通過電感放電，電場能逐漸轉(zhuǎn)化為磁場能;之后電感又會對電容反向充電，如此往復(fù)，形成電磁振蕩。根據(jù)電磁學(xué)原理，這種振蕩過程產(chǎn)生的電壓或電流信號遵循正弦函數(shù)規(guī)律變化，從而輸出正弦波信號。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產(chǎn)生方波或矩形波的自激振蕩電路。它沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)，在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間來回翻轉(zhuǎn)，從而輸出矩形波。其工作過程基于晶體管或運算放大器的開關(guān)特性，通過電容的充放電來控制電路狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。在數(shù)字電路中，矩形波作為時鐘信號，用于同步各個部件的工作，同時在信號調(diào)制、脈沖電路等方面也有廣泛應(yīng)用，這使得我們在電路測量中經(jīng)常能捕捉到矩形波信號。

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

電路中的元件和系統(tǒng)對輸入信號具有處理和變換作用，而矩形波和正弦波在這種變換過程中展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢和穩(wěn)定性。

從傅里葉分析的角度來看，任何周期性的非正弦信號都可以分解為一系列不同頻率的正弦波的疊加。當(dāng)信號通過線性電路時，根據(jù)線性系統(tǒng)的疊加原理，電路對每個正弦分量的響應(yīng)是獨立的，并且可以通過電路的頻率響應(yīng)特性來確定。正弦波作為線性時不變系統(tǒng)的特征函數(shù)，經(jīng)過線性電路后，其頻率不會發(fā)生改變，只是幅度和相位可能會變化，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，經(jīng)過線性電路的處理后，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穩(wěn)定的波形。

對于非線性電路，雖然信號會發(fā)生失真和畸變，但在實際應(yīng)用中，很多非線性電路的設(shè)計目的就是將輸入信號轉(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)則的信號轉(zhuǎn)換為矩形波，以滿足數(shù)字電路對信號的要求;而鎖相環(huán)電路能夠從復(fù)雜的輸入信號中提取出穩(wěn)定的正弦波信號，用于頻率合成和信號同步等。此外，電路中的濾波元件也會對信號進(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)雜信號經(jīng)過濾波后，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通過，當(dāng)輸入信號包含多種頻率成分時，經(jīng)過帶通濾波器后，可能只剩下特定頻率的正弦波或經(jīng)過調(diào)制的矩形波信號被保留下來，從而在示波器上顯示相應(yīng)的波形。

三、示波器的特性：觀測選擇的 “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到的信號波形。示波器的帶寬是一個關(guān)鍵參數(shù)，它決定了示波器能夠準(zhǔn)確測量和顯示的信號頻率范圍。如果輸入信號的頻率超出了示波器的帶寬，信號的幅度和相位會發(fā)生失真，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確觀測。而矩形波和正弦波的頻率特性相對明確，在常見的電路應(yīng)用中，其頻率范圍大多處于示波器能夠有效測量的帶寬內(nèi)。

此外，示波器的觸發(fā)功能使得我們能夠穩(wěn)定地觀測到周期性的信號。對于正弦波和矩形波這類周期性信號，通過設(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，示波器可以在信號的特定位置開始掃描，從而將信號穩(wěn)定地顯示在屏幕上。相比之下，一些隨機的、非周期性的信號由于缺乏穩(wěn)定的觸發(fā)點，很難在示波器上形成清晰、穩(wěn)定的波形，因此我們在實際測量中更多地關(guān)注和記錄矩形波與正弦波。

四、實際應(yīng)用需求：矩形波與正弦波的 “用武之地”

在實際的電子系統(tǒng)和電路設(shè)計中，矩形波和正弦波具有不可替代的重要作用，這也使得它們在電路中頻繁出現(xiàn)并被觀測到。在通信領(lǐng)域，正弦波作為載波，用于傳輸信息。通過對正弦波的幅度、頻率或相位進(jìn)行調(diào)制，可以將聲音、圖像等信號加載到載波上進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。在接收端，再通過解調(diào)等電路將原始信號恢復(fù)出來。而矩形波在數(shù)字通信中作為數(shù)字信號的載體，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)備的測試和調(diào)試過程中，工程師也常常使用矩形波和正弦波作為測試信號，來檢測電路的性能和功能，例如測量放大器的增益、帶寬，測試濾波器的頻率響應(yīng)等。

綜上所述，電路中用示波器測得的信號大多為矩形波或正弦波，是信號源特性、電路對信號的處理、示波器自身特性以及實際應(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行為，掌握示波器的使用技巧，從而在電子工程實踐中更準(zhǔn)確地觀測和分析信號，解決實際問題。