示波器波形顯示原理示波器使用

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1、3.1波形顯示原理 示波器是電子示波器的簡(jiǎn)稱，是一種用途極為廣泛的電子測(cè)量?jī)x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(chǎn)生肉眼可見的光點(diǎn)。我們知道，電子學(xué) 中的信號(hào)大都是時(shí)間的變量，信號(hào)隨時(shí)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(shí)間，用 Y軸代表f（t），來描繪出被測(cè)信號(hào)隨時(shí)間的變化規(guī)律，就把我們?nèi)庋劭床?見的，非常抽象的電信號(hào)變化過程， 轉(zhuǎn)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(duì)電信號(hào)進(jìn)行分析并測(cè)量其參數(shù)。示波器可以測(cè)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(shí)間等。如果配上

2、相應(yīng)的傳感器，還可 以用來測(cè)量溫度、壓力、振動(dòng)、密度、聲、光、熱、磁效應(yīng)等非電量。因而示波器在各個(gè)領(lǐng) 域中得到了越來越多的應(yīng)用。 示波器對(duì)電信號(hào)的分析是按時(shí)域法進(jìn)行的， 研究信號(hào)的瞬間幅度與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系， 因 此有捕獲、顯示及分析時(shí)域波形的功能。 作為實(shí)驗(yàn)室常用的電子測(cè)量?jī)x器， 它具有下述特點(diǎn)： ① 具有良好的直觀性，能顯示波形，能測(cè)信號(hào)瞬時(shí)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(hào)細(xì)節(jié)。 ③ 輸入阻抗高（M Q級(jí)），對(duì)被測(cè)電路影響小，這對(duì)測(cè)量精度是很重要的。 ④ 是一種信號(hào)比較器，可顯示、分析任意兩個(gè)量之間的函數(shù)關(guān)系。 無論現(xiàn)在和將來，電子示波器都是一種不

3、可缺少的電子測(cè)量?jī)x器， 它正向自動(dòng)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(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的顯示器件， 因此是示波器能觀測(cè)電信號(hào)波形的關(guān)鍵器件。 示波管 主要由電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三部分組成，它的基本結(jié)構(gòu)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(chǎn)生極細(xì)的高速電子束， 轟擊熒光屏產(chǎn)生光點(diǎn)。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

4、。除燈絲電極外，其余電極的結(jié)構(gòu)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(chǎng)的作用，則將沿直線前進(jìn)在熒光 屏上顯示出靜止光點(diǎn)； 如果電子束受到垂直方向的電場(chǎng)作用， 則其運(yùn)動(dòng)方向就會(huì)在垂直方向 偏離中心軸線，即光屏上的光點(diǎn)位置就會(huì)在垂直方向產(chǎn)生位移。 如電子束受到水平方向的電 場(chǎng)作用，則其運(yùn)動(dòng)方向就會(huì)在水平方向偏離中心軸線， 即熒光屏上的光點(diǎn)位置就會(huì)在水平方 向產(chǎn)生位移。示波管第二陽極和熒光屏之間由兩對(duì)互相垂直的偏轉(zhuǎn)板 X和Y組成靜電偏轉(zhuǎn) 系統(tǒng)，分別稱為水平偏轉(zhuǎn)板和垂直偏轉(zhuǎn)板； 在每對(duì)偏轉(zhuǎn)板上加上適當(dāng)電壓， 分別控制電子束 在水平方向和垂直方向

5、的位移， 根據(jù)運(yùn)動(dòng)的合成法則， 兩對(duì)偏轉(zhuǎn)板共同配合， 就決定了任一瞬間光點(diǎn)在屏上的坐標(biāo)。如果都加上交流電壓，光點(diǎn)會(huì)在交流電壓的控制下，作上下左右運(yùn) 動(dòng)。 Vy的作用下，Y方向的偏轉(zhuǎn)距 圖3-2為偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)對(duì)電子束的影響示意圖。在偏轉(zhuǎn)電壓 離為 丫二 2bVaVy （3-1-1） 式中L:偏轉(zhuǎn)板的長(zhǎng)度 S:偏轉(zhuǎn)板中心到屏幕中心的距離 B:偏轉(zhuǎn)板之間的距離 Va：第二陽極電壓 從式（3-1-1）看出，Y偏轉(zhuǎn)板間的相對(duì)電壓 Vy越大，造成的偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)越強(qiáng)；偏轉(zhuǎn)長(zhǎng)度 L越長(zhǎng)，偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)作用的距離越長(zhǎng)，這都會(huì)使偏轉(zhuǎn)距離越大。電子通過偏轉(zhuǎn)板后獲得了一定 的垂直方向速度，在脫離了偏轉(zhuǎn)板以后，也

6、會(huì)有 Y方向的勻速運(yùn)動(dòng)分量，所以偏轉(zhuǎn)板到熒 光屏之間的距離 S越長(zhǎng)，偏轉(zhuǎn)距離越大。對(duì)于同樣的偏轉(zhuǎn)電壓 Vy,若板間距離b越大，則 電場(chǎng)強(qiáng)度和偏轉(zhuǎn)距離都變小。同時(shí)，第一陽極電壓 Va越高，電子在軸線方內(nèi)上的變動(dòng)速度 越高，穿過偏轉(zhuǎn)極所用的時(shí)間減少，電場(chǎng)對(duì)它的作用減小，偏轉(zhuǎn)距離也會(huì)減小。 實(shí)際上，當(dāng)示波器制成以后， L、b、S均為常數(shù)，當(dāng)亮點(diǎn)聚焦調(diào)整好之后，第二陽極電 壓Va基本不變，所以y方向的偏轉(zhuǎn)距離 Y正比于偏轉(zhuǎn)板上的電壓 Vy，即 Y=D xVy 比例系數(shù)Dx稱為示波管的偏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)靈敏度，它表示光點(diǎn)在熒光屏上

7、移動(dòng) 1cm或1div （格）所需的電壓，單位為 V/cm或 V/div。偏轉(zhuǎn)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(hào)的能力越 強(qiáng)。在一定范圍內(nèi)，熒光屏上光點(diǎn)偏離的距離與偏轉(zhuǎn)板上所加的電壓成正比。 由于Y偏轉(zhuǎn)板靠近電子槍，X偏轉(zhuǎn)板靠近熒光屏，故 Y偏轉(zhuǎn)板（其長(zhǎng)為I）的偏轉(zhuǎn)靈敏 度比X偏轉(zhuǎn)板的靈敏度高，便于觀測(cè)微弱信號(hào)。普通示波管 Y偏轉(zhuǎn)因數(shù)40V~10V/cm , X 偏轉(zhuǎn)因數(shù)60~20V/cm。要使示波器滿偏轉(zhuǎn)，大約需要幾十 ~幾百伏的偏轉(zhuǎn)電壓。 熒光屏是示波管的顯示部分， 其內(nèi)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

8、轉(zhuǎn)到正常狀態(tài)時(shí)便發(fā)光， 這種光就是熒光。 熒光物質(zhì)在 發(fā)光的同時(shí)還產(chǎn)生不少熱量， 它被示波管內(nèi)壁面向電子槍的一側(cè)覆蓋的鋁膜散發(fā)， 此外，這 層鋁膜還能吸收熒光物質(zhì)發(fā)出的二次電子和光束中的負(fù)離子， 還對(duì)熒光有反光作用， 使顯示 的波形更加清晰。 熒光屏的外形結(jié)構(gòu)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(cè)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(nèi)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(shí)，把刻度和熒光物質(zhì)同時(shí)沉積在熒光屏的內(nèi)壁制成的。 在測(cè)量時(shí)，常需要充分利用熒光屏的有效面積，并要求合

9、理調(diào)節(jié)輝度；不使用時(shí)，應(yīng)關(guān) 閉或調(diào)暗輝度，以保護(hù)熒光屏。 2 ?波形顯示原理 電子束進(jìn)入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)后， 要受X、Y兩對(duì)偏轉(zhuǎn)板靜電場(chǎng)力的控制而產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。 這是示波 器用來顯示波形的基礎(chǔ)。 1) ?掃描一時(shí)間基準(zhǔn)概念： 圖3-3電子束在偏轉(zhuǎn)電壓作用下的運(yùn)動(dòng) 若想觀測(cè)一個(gè)隨時(shí)間變化的信號(hào)，例如正弦波電壓，可將它加到示波管垂直偏轉(zhuǎn)板上。 若水平偏轉(zhuǎn)板不加電壓時(shí)， 則電子束在垂直方向按正弦規(guī)律上下運(yùn)動(dòng)， 任一瞬間偏轉(zhuǎn)的距離 正比于該瞬間垂直偏轉(zhuǎn)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(gè)電壓以模擬時(shí)間。 由于時(shí)間是

10、連續(xù)均勻變化的、， 所以加到水平偏轉(zhuǎn)板的應(yīng)為線性電壓。 也就是說，如果在水平偏轉(zhuǎn)板上加上個(gè)隨時(shí)間而線性 變化的電壓，例如加一個(gè)鋸齒波電壓， 那么光點(diǎn)在水平方向的變化就反映了時(shí)間的變化。 若 在垂直方向不加電壓， 則光點(diǎn)在熒光屏水平方向上構(gòu)成的這條反映時(shí)間變化的直線， 稱為時(shí) 間基線，如圖3-4 (a)所示。當(dāng)水平偏轉(zhuǎn)板所加線性電壓達(dá)到最大值時(shí)，亮點(diǎn)偏移最大，然 后從該點(diǎn)迅速返回到起點(diǎn)，再重復(fù)前面的變化。光點(diǎn)在鋸齒波電壓下掃動(dòng)的過程稱為掃描， 能實(shí)現(xiàn)掃描的鋸齒波電壓叫掃描電壓， 光點(diǎn)自左向右的連續(xù)掃動(dòng)稱為掃描正程， 光點(diǎn)自屏的 右端迅速返回起掃點(diǎn)稱為掃描回程。兩次掃描之間的時(shí)間間隔稱為

11、一個(gè)掃描周期。 當(dāng)垂直偏轉(zhuǎn)板 Y軸加上被觀測(cè)的信號(hào)，水平偏轉(zhuǎn)板 X軸加上掃描電壓，如圖 3-4 (c) 所示。當(dāng)t=0時(shí)，X , Y偏轉(zhuǎn)板上電壓均為零，則光點(diǎn)停在熒光屏刻度的零點(diǎn)；當(dāng) t=1時(shí)， X偏轉(zhuǎn)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(jié)果是光點(diǎn)向右上了運(yùn)動(dòng)，并到這“ 1”位置；其余可依次類推，當(dāng)光點(diǎn)移到“ 4”位 置時(shí)，Y軸電壓變化一周，X軸電壓立即回零，一個(gè)周期結(jié)束。第二個(gè)周期又可進(jìn)行同樣的 過程，只要確保每次移動(dòng)起始點(diǎn)相同，熒光屏上就可顯示出一個(gè)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

12、掃描電壓周期 Tx與被測(cè)信號(hào)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(duì)于被測(cè)信號(hào)來說， 每次掃描的起始點(diǎn)就不同， 其結(jié)果造成波形不斷 的水平移動(dòng)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(hào)同步 圖3-5為掃描電壓與被測(cè)信號(hào)同步時(shí)的情況。 圖中Tx=2Ty?，在時(shí)間8掃描電壓由最大 值回到零，這時(shí)被測(cè)電壓恰好經(jīng)歷了兩個(gè)周期，光點(diǎn)沿 8t10移動(dòng)時(shí)，重復(fù)上一掃描周 期光點(diǎn)沿Otlt2的移動(dòng)軌跡，得到穩(wěn)定的波形。如果沒有這種同步關(guān)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(hào)

13、不同步 5 在圖2-1-6中，Tx， Ty,第一周期開始光點(diǎn)沿 0宀I f 2f 3宀4 f 5軌跡移動(dòng)。當(dāng)掃描結(jié)束， 4 光點(diǎn)迅速從5回到0接著第二周期掃描開始，這時(shí)光點(diǎn)沿 6f 7f 8f 9f 10軌跡移動(dòng)，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(shí)際上，在示波器中常利用被測(cè)信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)同步觸發(fā)信號(hào)去控制掃描發(fā)生器， 迫使掃 描信號(hào)與被測(cè)信號(hào)同步。這稱“內(nèi)”同步。也可以用一外加信號(hào)去產(chǎn)生觸發(fā)同步信號(hào)，但這 個(gè)外加信號(hào)與被測(cè)信號(hào)周期有一定的關(guān)系。這稱為“外”同步。 圖3-7任意兩個(gè)周期信號(hào)之間的關(guān)系 3.顯示任意兩個(gè)變量之間的關(guān)系。 前面討論的是在示

14、波器上觀測(cè)一個(gè)隨時(shí)間變化的信號(hào)時(shí)， 垂直偏轉(zhuǎn)板Y上加被測(cè)信號(hào)， 水平偏轉(zhuǎn)板X上加一個(gè)模擬時(shí)間的電壓。倘若在 X , Y板上分別加任意信號(hào)時(shí)，示波管熒 光屏上光點(diǎn)軌跡將由這兩個(gè)信號(hào)共同決定。 利用這個(gè)特點(diǎn)就可以把示波器變?yōu)橐粋€(gè) X-Y圖 示儀，使示波器的功能得到擴(kuò)展。 圖3-5表示在示波器的 X,Y偏轉(zhuǎn)板上同時(shí)加入兩個(gè)正弦信 號(hào)時(shí)的情況。此時(shí)，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(gè)正弦信號(hào)的頻率和相位有關(guān)， 因此我們可以通過對(duì)圖形的分析來確定信號(hào)的頻率及兩者 的相位差。 圖3-7( a)為兩正弦信號(hào)同頻、同相、同幅度時(shí)，熒光屏上畫出一條與水平軸呈 45

15、” 的直線。 圖3-7 (b)為兩正弦信號(hào)同頻率但相位差為 90，幅度相等時(shí)；熒光屏畫出一個(gè)圓。 顯然，如果要觀測(cè)兩個(gè)變量之間的關(guān)系， 只要把兩個(gè)變量轉(zhuǎn)換成與之成比例的兩個(gè)電壓， 分別加到示波器 X、Y偏轉(zhuǎn)板上，從屏上看到的曲線，就是它們之間的關(guān)系。 4.掃描正程的增輝： 實(shí)際上，掃描回程需要一定的時(shí)間，但不需要顯示光跡，如圖 3-8所示。為使回程期間 產(chǎn)生的波形不顯示，可以設(shè)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(fù)脈沖， 就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)要求。 圖3-8掃描正程的增輝 在觸發(fā)掃描時(shí)，增輝的作用更為必要。因?yàn)樵谟|發(fā)掃描時(shí)，回掃期往往有較長(zhǎng)的等待時(shí)間, 采用正程增輝可使整個(gè)回掃期不發(fā)光，有利于顯示清晰的波形和保護(hù)熒光屏