電子測試儀器中不可或缺的示波器的測試原理
2012-02-06
示波器是電子測試儀器中不可或缺的基礎測量儀器，艾克賽普工程師給大家來解釋一下示波器的測試原理：
一、示波管的結構
示波器是依靠示波管直觀將被測信號顯示出來的，示波管又叫陰極射線管（CRT），其結構圖如下圖：
1.示波管各部分說明
（1）燈絲：它的功能是通電發熱，對陰極進行加熱，使陰極能夠發射電子。
（2）陰極K：它是一個表面涂有氧化物的金屬小圓筒，在燈絲加熱的情況下，陰極的氧化層會發射電子。
（3）控制柵極G：又稱調制柵極，簡稱柵極，它是一個前段開孔的金屬圓筒，該極上加有比陰極更低的電壓。電子自由運動方向是低點位向高電位運動，如果電子由高電位向低點位運動會受到阻礙，而陰極電位較柵極電位高，故陰極發射出來的電子通過柵極要受到一定的阻力，柵極電壓越低，電子受到的阻力越大，通過柵極的電子越少，到達熒光屏的電子越少，熒光屏光線越暗。
W1成為輝度電位器，調節它能夠改變柵極電壓，來控制到達熒光屏的電子數目，從而調節熒光屏的亮度。
（4）第一陽極A1和第二陽極A2：它們中間都開有小孔，電子從小孔中通過。這兩個陽極的作用是對陰極發射出來并通過柵極的電子進行加速，同時進行聚焦，將很粗的電子束聚焦成很細的電子束，這樣電子束在熒光屏上掃出來的波形更清晰。
W2稱為聚焦電位器，它可以調節第一陽極的電壓；W3稱為輔助聚焦電位器，它可以調節第二陽極的電壓。調節它們可以使顯示的波形更清晰。
（5）垂直偏轉板：又稱Y軸偏轉板，它是由垂直方向的上下兩塊金屬板組成，電子束從中間穿過，當給這兩個金屬板加有一定的電壓時，電子束就會在垂直方向做偏轉運動。
（6）水平偏轉板：又稱X軸偏轉板，它是由水平方向的左右兩塊金屬板組成，電子束從中間穿過，當給這兩個金屬板加有一定的電壓時，電子束就會在水平方向做偏轉運動。
（7）熒光屏：它是在熒光管正面的內層壁上涂上一層熒光粉而構成。當電子束轟擊熒光屏上的熒光粉時就會發光，電子數目越多，速度越快，熒光粉越亮。
2.示波管的工作過程
首先給燈絲通電，燈絲開始發熱，陰極因燈絲的加熱而發射大量的電子，由于受柵極電壓的阻礙，只有一部分電子能穿過柵極，穿過柵極的電子受到第一陽極和第二陽極高電壓的加速和聚焦后，形成密集、高速的電子束往熒光屏運動，電子束再經過垂直偏轉板和水平偏轉板，偏轉板產生的電場變化，電子束運動軌跡也發生變化，這種運動軌跡變化的電子束轟擊熒光屏，就會在熒光屏上顯示波形。
二、示波器的波形顯示原理
示波器是依靠示波管和電路配合來顯示各種信號波形的。示波管顯示信號波形的過程是：首先讓陰極發射電子，然后進行加速和聚焦，再給垂直和水平偏轉板加一定的電壓，讓電子束產生偏轉并對熒光屏進行掃描，這樣就會在熒光屏上顯示信號波形。下面從幾個方面來說明示波器的波形顯示原理。
1.X軸和Y軸偏轉板都不加電壓
如圖（a）所示，X軸和Y軸偏轉板都不加電壓時，陰極發射的電子束不會發生偏轉，而是做直線運動轟擊熒光屏中心。在屏幕中心會出現一個亮點。
2. X軸偏轉板加鋸齒波電壓，Y軸不加電壓
由于Y軸偏轉板不加電壓，所以電子束在垂直方向不受電場力，而X軸偏轉板加鋸齒波電壓，電子束在水平方向受到電場力作用而會產生偏轉，在屏幕上掃出水平一條亮線，如圖（b）所示。
具體過程說明如下：
當0~t1期間的鋸齒波電壓加到X軸偏轉板時，偏轉板產生電場，讓電子束由熒光屏的中心掃到熒光屏的左端。
當t1~t2期間的鋸齒波電壓加到X軸偏轉板時，偏轉板產生電場，讓電子束由熒光屏左端掃到中心。
當t2~t3期間的鋸齒波電壓加到X軸偏轉板時，偏轉板產生電場，讓電子束由熒光屏中心掃到右端。
當t3~t4期間的鋸齒波電壓加到X軸偏轉板時，偏轉板產生電場，讓電子束由熒光屏右端掃到中心。
t4是可以后，下一個周期的鋸齒波電壓到來，電子束又重復上述掃描過程，結果在熒光屏上出現一條亮線。
同樣的道理，如果Y軸偏轉板加鋸齒波電壓，X軸偏轉板不加電壓，電子束只受Y軸偏轉板產生的電場力作用，會在熒光屏上掃出垂直的一條亮線。
3.Y軸偏轉板加正弦波電壓，X軸偏轉板加鋸齒波電壓
當Y軸偏轉板加正弦波電壓，X軸偏轉板加鋸齒波電壓時，電子束在垂直和水平方向都受電場力作用，電子束就會在熒光屏上掃出正弦波。如圖（c）所示。
具體過程說明如下：
在0~t1期間，鋸齒波電壓加到X軸偏轉板，Y軸偏轉板無電壓，X軸偏轉板產生電場，讓電子束由熒光屏的中心點直接掃到左端。此期間為逆程，陰極不發射電子，故不會出現亮線。
在t1~t2期間，逐漸下降的鋸齒波電壓加到X軸偏轉板，先上升后下降的正弦波電壓加到Y軸偏轉板，電子束在這兩個電場力的作用下在熒光屏上掃出正弦波的正半周
在t2~t3期間，反方向逐漸增大的鋸齒波電壓加到X軸偏轉板，反方向先上升后下降的正弦波電壓加到Y軸偏轉板，電子束在這兩個電場力的作用下在熒光屏上掃出正弦波的負半周。
在t3~t4期間，反方向逐漸增大的鋸齒波電壓加到X軸偏轉板，Y軸偏轉板無電壓，X軸偏轉板產生電場，讓電子束由熒光屏的右端直接掃到中心點，此期間為逆程，陰極不發射電子，故不會產生亮線。
講過上述四個過程，電子束就在熒光屏上掃出一個周期的正弦波信號波形，如果正弦波頻率提高一倍，那么在熒光屏上就會出現兩個周期的正弦波信號波形。
從上面的分析可以得到結論：當給示波管的X軸偏轉板加鋸齒波電壓、Y軸偏轉板加某個信號電壓時，通過電子束的掃描，在屏幕上就會顯示出Y軸偏轉板上的信號波形。
示波器的波形顯示原理是這樣的：由示波器內部的掃描電路產生鋸齒波電壓送到X軸偏轉板，然后將被測信號送到Y軸偏轉板，在X、Y軸偏轉板產生的電場作用下，電子束就會在熒光屏上掃出被測信號的波形。
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