示波器原理

示波器原理
在數字電路實驗中，需要使用若干儀器、儀表觀察實驗現象和結果。常用的電子測量儀器有萬用表、邏輯筆、普通示波器、存儲示波器、邏輯分析儀等。萬用表和邏輯筆使用方法比較簡單，而邏輯分析儀和存儲示波器目前在數字電路教學實驗中應用還不十分普遍。示波器是一種使用非常廣泛，且使用相對復雜的儀器。本章從使用的角度介紹一下示波器的原理和使用方法。
    1 示波器的工作原理
 

　　示波器是利用電子示波管的特性，將人眼無法直接觀測的交變電信號轉換成圖像，顯示在熒光屏上以便測量的電子測量儀器。它是觀察數字電路實驗現象、分析實驗中的問題、測量實驗結果*的重要儀器。示波器由示波管和電源系統、同步系統、X軸偏轉系統、Y軸偏轉系統、延遲掃描系統、標準信號源組成。
 

　　1．1 示波管
　　陰極射線管（CRT）簡稱示波管，是示波器的核心。它將電信號轉換為光信號。正如圖1所示，電子槍、偏轉系統和熒光屏三部分密封在一個真空玻璃殼內，構成了一個完整的示波管。

                               圖1 示波管的內部結構和供電圖示
 

　　1．熒光屏
　　現在的示波管屏面通常是矩形平面，內表面沉積一層磷光材料構成熒光膜。在熒光膜上常又增加一層蒸發鋁膜。高速電子穿過鋁膜，撞擊熒光粉而發光形成亮點。鋁膜具有內反射作用，有利于提高亮點的輝度。鋁膜還有散熱等其他作用。
　　當電子停止轟擊后，亮點不能立即消失而要保留一段時間。亮點輝度下降到原始值的10％所經過的時間叫做“余輝時間”。余輝時間短于10μs為極短余輝，10μs—1ms為短余輝，1ms—0．1s為中余輝，0．1s-1s為長余輝，大于1s為極長余輝。一般的示波器配備中余輝示波管，高頻示波器選用短余輝，低頻示波器選用長余輝。
　　由于所用磷光材料不同，熒光屏上能發出不同顏色的光。一般示波器多采用發綠光的示波管，以保護人的眼睛。
 

　　2．電子槍及聚焦
　　電子槍由燈絲（F）、陰極（K）、柵極（G1）、前加速極（G2）（或稱第二柵極）、*陽極（A1）和第二陽極（A2）組成。它的作用是發射電子并形成很細的高速電子束。燈絲通電加熱陰極，陰極受熱發射電子。柵極是一個頂部有小孔的金屬園筒，套在陰極外面。由于柵極電位比陰極低，對陰極發射的電子起控制作用，一般只有運動初速度大的少量電子，在陽極電壓的作用下能穿過柵極小孔，奔向熒光屏。初速度小的電子仍返回陰極。如果柵極電位過低，則全部電子返回陰極，即管子截止。調節電路中的W1電位器，可以改變柵極電位，控制射向熒光屏的電子流密度，從而達到調節亮點的輝度。*陽極、第二陽極和前加速極都是與陰極在同一條軸線上的三個金屬圓筒。前加速極G2與A2相連，所加電位比A1高。G2的正電位對陰極電子奔向熒光屏起加速作用。
　　電子束從陰極奔向熒光屏的過程中，經過兩次聚焦過程。*次聚焦由K、G1、G2完成，K、K、G1、G2叫做示波管的*電子透鏡。第二次聚焦發生在G2、A1、A2區域，調節第二陽極A2的電位，能使電子束正好會聚于熒光屏上的一點，這是第二次聚焦。A1上的電壓叫做聚焦電壓，A1又被叫做聚焦極。有時調節A1電壓仍不能滿足良好聚焦，需微調第二陽極A2的電壓，A2又叫做輔助聚焦極。
 

　　3．偏轉系統
　　偏轉系統控制電子射線方向，使熒光屏上的光點隨外加信號的變化描繪出被測信號的波形。圖8．1中，Y1、Y2和Xl、X2兩對互相垂直的偏轉板組成偏轉系統。Y軸偏轉板在前，X軸偏轉板在后，因此Y軸靈敏度高（被測信號經處理后加到Y軸）。兩對偏轉板分別加上電壓，使兩對偏轉板間各自形成電場，分別控制電子束在垂直方向和水平方向偏轉。
 

　　4．示波管的電源
　　為使示波管正常工作，對電源供給有一定要求。規定第二陽極與偏轉板之間電位相近，偏轉板的平均電位為零或接近為零。陰極必須工作在負電位上。柵極G1相對陰極為負電位（—30V~—100V），而且可調，以實現輝度調節。*陽極為正電位（約+100V~+600V），也應可調，用作聚焦調節。第二陽極與前加速極相連，對陰極為正高壓（約+1000V），相對于地電位的可調范圍為±50V。由于示波管各電極電流很小，可以用公共高壓經電阻分壓器供電。
 

　　1.2 示波器的基本組成
 

　　從上一小節可以看出，只要控制X軸偏轉板和Y軸偏轉板上的電壓，就能控制示波管顯示的圖形形狀。我們知道，一個電子信號是時間的函數f（t），它隨時間的變化而變化。因此，只要在示波管的X軸偏轉板上加一個與時間變量成正比的電壓，在y軸加上被測信號（經過比例放大或者縮小），示波管屏幕上就會顯示出被測信號隨時間變化的圖形。電信號中，在一段時間內與時間變量成正比的信號是鋸齒波。
　　示波器的基本組成框圖如圖2所示。它由示波管、Y軸系統、X軸系統、Z軸系統和電源等五部分組成。 

圖2 示波器基本組成框圖

　　被測信號①接到“Y"輸入端，經Y軸衰減器適當衰減后送至Y1放大器（前置放大），推挽輸出信號②和③。經延遲級延遲Г1時間，到Y2放大器。放大后產生足夠大的信號④和⑤，加到示波管的Y軸偏轉板上。為了在屏幕上顯示出完整的穩定波形，將Y軸的被測信號③引入X軸系統的觸發電路，在引入信號的正（或者負）極性的某一電平值產生觸發脈沖⑥，啟動鋸齒波掃描電路（時基發生器），產生掃描電壓⑦。由于從觸發到啟動掃描有一時間延遲Г2，為保證Y軸信號到達熒光屏之前X軸開始掃描，Y軸的延遲時間Г1應稍大于X軸的延遲時間Г2。掃描電壓⑦經X軸放大器放大，產生推挽輸出⑨和⑩，加到示波管的X軸偏轉板上。z軸系統用于放大掃描電壓正程，并且變成正向矩形波，送到示波管柵極。這使得在掃描正程顯示的波形有某一固定輝度，而在掃描回程進行抹跡。
　　以上是示波器的基本工作原理。雙蹤顯示則是利用電子開關將Y軸輸入的兩個不同的被測信號分別顯示在熒光屏上。由于人眼的視覺暫留作用，當轉換頻率高到一定程度后，看到的是兩個穩定的、清晰的信號波形。
　　示波器中往往有一個穩定的方波信號發生器，供校驗示波器用。