示波器波形顯示原理示波器使用

3.1波形顯示原理 示波器是電子示波器的簡稱，是一種用途極為廣泛的電子測量儀器。 它的基本原理是利 用電子束轟擊陰極射線管（CRT），并使它發(fā)光來產生肉眼可見的光點。我們知道，電子學 中的信號大都是時間的變量，信號隨時間的變化可用函數(shù) f（t）來描述。在示波器上，如果用 X軸代表時間，用 Y軸代表f（t），來描繪出被測信號隨時間的變化規(guī)律，就把我們肉眼看不 見的，非常抽象的電信號變化過程， 轉換為肉眼可以直接觀看的波形， 在熒光屏上顯示出來， 從而可以對電信號進行分析并測量其參數(shù)。示波器可以測量很多電參數(shù)，如電壓、電流、功 率、頻率、周期、相位、脈沖寬度、脈沖上升及下降時間等。如果配上相應的傳感器，還可 以用來測量溫度、壓力、振動、密度、聲、光、熱、磁效應等非電量。因而示波器在各個領 域中得到了越來越多的應用。 示波器對電信號的分析是按時域法進行的， 研究信號的瞬間幅度與時間的函數(shù)關系， 因 此有捕獲、顯示及分析時域波形的功能。 作為實驗室常用的電子測量儀器， 它具有下述特點： ① 具有良好的直觀性，能顯示波形，能測信號瞬時值。 ② 靈敏度高，顯示速度快，工作頻帶寬，可方便觀察瞬變信號細節(jié)。 ③ 輸入阻抗高（M Q級），對被測電路影響小，這對測量精度是很重要的。 ④ 是一種信號比較器，可顯示、分析任意兩個量之間的函數(shù)關系。 無論現(xiàn)在和將來，電子示波器都是一種不可缺少的電子測量儀器， 它正向自動化、智能 化方向發(fā)展。 3. 1. 1波形顯示原理 1 ?示波管工作原理： 電子示波器的心臟是示波管，又稱陰極射線管（ CRT）,它是一種特殊的電子管，是能 夠把電信號轉換為光信號的顯示器件， 因此是示波器能觀測電信號波形的關鍵器件。 示波管 主要由電子槍、偏轉系統(tǒng)和熒光屏三部分組成，它的基本結構如圖 2-1所示。 圖3-1 :示波管的基本原理圖 電子槍的作用是產生極細的高速電子束， 轟擊熒光屏產生光點。目前絕大多數(shù)示波管采 用無陽極電流型電子槍，它由燈絲（ F）、陰極（K）、控制柵極（G）、第一陽極（Ai）和第 二陽極（A2）組成。除燈絲電極外，其余電極的結構均為金屬圓筒形，且所有電極的軸心都 保持在同一條軸線上。從電子槍射出的電子束，若不受電場的作用，則將沿直線前進在熒光 屏上顯示出靜止光點； 如果電子束受到垂直方向的電場作用， 則其運動方向就會在垂直方向 偏離中心軸線，即光屏上的光點位置就會在垂直方向產生位移。 如電子束受到水平方向的電 場作用，則其運動方向就會在水平方向偏離中心軸線， 即熒光屏上的光點位置就會在水平方 向產生位移。示波管第二陽極和熒光屏之間由兩對互相垂直的偏轉板 X和Y組成靜電偏轉 系統(tǒng)，分別稱為水平偏轉板和垂直偏轉板； 在每對偏轉板上加上適當電壓， 分別控制電子束 在水平方向和垂直方向的位移， 根據運動的合成法則， 兩對偏轉板共同配合， 就決定了任一瞬間光點在屏上的坐標。如果都加上交流電壓，光點會在交流電壓的控制下，作上下左右運 動。 Vy的作用下，Y方向的偏轉距 圖3-2為偏轉系統(tǒng)對電子束的影響示意圖。在偏轉電壓 離為 丫二 2bVaVy （3-1-1） 式中L:偏轉板的長度 S:偏轉板中心到屏幕中心的距離 B:偏轉板之間的距離 Va：第二陽極電壓 從式（3-1-1）看出，Y偏轉板間的相對電壓 Vy越大，造成的偏轉電場越強；偏轉長度 L越長，偏轉電場作用的距離越長，這都會使偏轉距離越大。電子通過偏轉板后獲得了一定 的垂直方向速度，在脫離了偏轉板以后，也會有 Y方向的勻速運動分量，所以偏轉板到熒 光屏之間的距離 S越長，偏轉距離越大。對于同樣的偏轉電壓 Vy,若板間距離b越大，則 電場強度和偏轉距離都變小。同時，第一陽極電壓 Va越高，電子在軸線方內上的變動速度 越高，穿過偏轉極所用的時間減少，電場對它的作用減小，偏轉距離也會減小。 實際上，當示波器制成以后， L、b、S均為常數(shù)，當亮點聚焦調整好之后，第二陽極電 壓Va基本不變，所以y方向的偏轉距離 Y正比于偏轉板上的電壓 Vy，即 Y=D xVy 比例系數(shù)Dx稱為示波管的偏轉因數(shù)， 單位為cm/V或div/V，它的倒數(shù)Sy=#y稱為示波管的 偏轉靈敏度，它表示光點在熒光屏上移動 1cm或1div （格）所需的電壓，單位為 V/cm或 V/div。偏轉靈敏度是示波管的重要參數(shù)，它越小，示波管越靈敏，觀察微弱信號的能力越 強。在一定范圍內，熒光屏上光點偏離的距離與偏轉板上所加的電壓成正比。 由于Y偏轉板靠近電子槍，X偏轉板靠近熒光屏，故 Y偏轉板（其長為I）的偏轉靈敏 度比X偏轉板的靈敏度高，便于觀測微弱信號。普通示波管 Y偏轉因數(shù)40V~10V/cm , X 偏轉因數(shù)60~20V/cm。要使示波器滿偏轉，大約需要幾十 ~幾百伏的偏轉電壓。 熒光屏是示波管的顯示部分， 其內壁涂有一層或幾層熒光粉， 被轟擊原子打出二次電子 并使原子處于激發(fā)狀態(tài)， 被激發(fā)原子轉到正常狀態(tài)時便發(fā)光， 這種光就是熒光。 熒光物質在 發(fā)光的同時還產生不少熱量， 它被示波管內壁面向電子槍的一側覆蓋的鋁膜散發(fā)， 此外，這 層鋁膜還能吸收熒光物質發(fā)出的二次電子和光束中的負離子， 還對熒光有反光作用， 使顯示 的波形更加清晰。 熒光屏的外形結構有圓形和矩形兩種， 為了提高表面積的利用率， 新型的 示波器常采用矩形。為了測量所顯示波形的高度和寬度，在熒光屏上還常有一定的刻度線， 刻度有外刻度和內刻度兩種方法， 前者是在熒光屏外壁放置透所的刻度板， 后者是在制作示 波器時，把刻度和熒光物質同時沉積在熒光屏的內壁制成的。 在測量時，常需要充分利用熒光屏的有效面積，并要求合理調節(jié)輝度；不使用時，應關 閉或調暗輝度，以保護熒光屏。 2 ?波形顯示原理 電子束進入偏轉系統(tǒng)后， 要受X、Y兩對偏轉板靜電場力的控制而產生偏轉。 這是示波 器用來顯示波形的基礎。 1) ?掃描一時間基準概念： 圖3-3電子束在偏轉電壓作用下的運動 若想觀測一個隨時間變化的信號，例如正弦波電壓，可將它加到示波管垂直偏轉板上。 若水平偏轉板不加電壓時， 則電子束在垂直方向按正弦規(guī)律上下運動， 任一瞬間偏轉的距離 正比于該瞬間垂直偏轉板上的電壓。在熒光屏上只能看到一條垂直的直線，如圖 3-3 (b) 所示。要將正弦波展開，水平方向需要加一個電壓以模擬時間。 由于時間是連續(xù)均勻變化的、， 所以加到水平偏轉板的應為線性電壓。 也就是說，如果在水平偏轉板上加上個隨時間而線性 變化的電壓，例如加一個鋸齒波電壓， 那么光點在水平方向的變化就反映了時間的變化。 若 在垂直方向不加電壓， 則光點在熒光屏水平方向上構成的這條反映時間變化的直線， 稱為時 間基線，如圖3-4 (a)所示。當水平偏轉板所加線性電壓達到最大值時，亮點偏移最大，然 后從該點迅速返回到起點，再重復前面的變化。光點在鋸齒波電壓下掃動的過程稱為掃描， 能實現(xiàn)掃描的鋸齒波電壓叫掃描電壓， 光點自左向右的連續(xù)掃動稱為掃描正程， 光點自屏的 右端迅速返回起掃點稱為掃描回程。兩次掃描之間的時間間隔稱為一個掃描周期。 當垂直偏轉板 Y軸加上被觀測的信號，水平偏轉板 X軸加上掃描電壓，如圖 3-4 (c) 所示。當t=0時，X , Y偏轉板上電壓均為零，則光點停在熒光屏刻度的零點；當 t=1時， X偏轉板加上如圖2-1-4 ( C)所示的鋸齒波電壓(右板為正)，Y板加上正弦電壓(上板為 正)，結果是光點向右上了運動，并到這“ 1”位置；其余可依次類推，當光點移到“ 4”位 置時，Y軸電壓變化一周，X軸電壓立即回零，一個周期結束。第二個周期又可進行同樣的 過程，只要確保每次移動起始點相同，熒光屏上就可顯示出一個穩(wěn)定的波形。 2) ?同步的概念 為了使波形穩(wěn)定地顯示在熒光屏上， 必須使掃描電壓周期 Tx與被測信號周期Ty的比值 為整數(shù)倍。即 n=T x / Ty 若n不是整數(shù)，相對于被測信號來說， 每次掃描的起始點就不同， 其結果造成波形不斷 的水平移動而不穩(wěn)定。保證 n為整數(shù)倍的過程就稱為同步。 圖3-5掃描與信號同步 圖3-5為掃描電壓與被測信號同步時的情況。 圖中Tx=2Ty?，在時間8掃描電壓由最大 值回到零，這時被測電壓恰好經歷了兩個周期，光點沿 8t10移動時，重復上一掃描周 期光點沿Otlt2的移動軌跡，得到穩(wěn)定的波形。如果沒有這種同步關系，則后一掃描周期 描繪的圖形與前一掃描周期的不重合，如圖 3-6所示。 圖3-6掃描與信號不同步 5 在圖2-1-6中，Tx， Ty,第一周期開始光點沿 0宀I f 2f 3宀4 f 5軌跡移動。當掃描結束， 4 光點迅速從5回到0接著第二周期掃描開始，這時光點沿 6f 7f 8f 9f 10軌跡移動，即 與第一周期掃描軌跡不重合。顯示的波形不再是穩(wěn)定的了。 實際上，在示波器中常利用被測信號產生一個同步觸發(fā)信號去控制掃描發(fā)生器， 迫使掃 描信號與被測信號同步。這稱“內”同步。也可以用一外加信號去產生觸發(fā)同步信號，但這 個外加信號與被測信號周期有一定的關系。這稱為“外”同步。 圖3-7任意兩個周期信號之間的關系 3.顯示任意兩個變量之間的關系。 前面討論的是在示波器上觀測一個隨時間變化的信號時， 垂直偏轉板Y上加被測信號， 水平偏轉板X上加一個模擬時間的電壓。倘若在 X , Y板上分別加任意信號時，示波管熒 光屏上光點軌跡將由這兩個信號共同決定。 利用這個特點就可以把示波器變?yōu)橐粋€ X-Y圖 示儀，使示波器的功能得到擴展。 圖3-5表示在示波器的 X,Y偏轉板上同時加入兩個正弦信 號時的情況。此時，屏幕上顯示的顯示的圖形就是李沙育圖形。 李沙育圖形的形狀與輸入的 兩個正弦信號的頻率和相位有關， 因此我們可以通過對圖形的分析來確定信號的頻率及兩者 的相位差。 圖3-7( a)為兩正弦信號同頻、同相、同幅度時，熒光屏上畫出一條與水平軸呈 45” 的直線。 圖3-7 (b)為兩正弦信號同頻率但相位差為 90，幅度相等時；熒光屏畫出一個圓。 顯然，如果要觀測兩個變量之間的關系， 只要把兩個變量轉換成與之成比例的兩個電壓， 分別加到示波器 X、Y偏轉板上，從屏上看到的曲線，就是它們之間的關系。 4.掃描正程的增輝： 實際上，掃描回程需要一定的時間，但不需要顯示光跡，如圖 3-8所示。為使回程期間 產生的波形不顯示，可以設法在正程期間使電子槍發(fā)射更多的電子，回程期間不發(fā)射電子， 即給示波管增輝。在掃描正程期間向示波管的控制柵極 G送正脈沖或給陰極 K加負脈沖， 就可以實現(xiàn)這個要求。 圖3-8掃描正程的增輝 在觸發(fā)掃描時，增輝的作用更為必要。因為在觸發(fā)掃描時，回掃期往往有較長的等待時間, 采用正程增輝可使整個回掃期不發(fā)光，有利于顯示清晰的波形和保護熒光屏