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电子测试仪器中不可或缺的示波器的测试原理

2012年02月06日

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示波器是电子测试仪器中不可或缺的基础测量仪器艾克赛普工程师给大家来解释一下示波器的测试原理
一、示波管的结构
示波器是依靠示波管直观将被测信号显示出来的,示波管又叫阴极射线管(CRT),其结构图如下图:

示波器测试原理

示波器测试原理
1.示波管各部分说明
(1)灯丝:它的功能是通电发热,对阴极进行加热,使阴极能够发射电子。
(2)阴极K:它是一个表面涂有氧化物的金属小圆筒,在灯丝加热的情况下,阴极的氧化层会发射电子。
(3)控制栅极G:又称调制栅极,简称栅极,它是一个前段开孔的金属圆筒,该极上加有比阴极更低的电压。电子自由运动方向是低点位向高电位运动,如果电子由高电位向低点位运动会受到阻碍,而阴极电位较栅极电位高,故阴极发射出来的电子通过栅极要受到一定的阻力,栅极电压越低,电子受到的阻力越大,通过栅极的电子越少,到达荧光屏的电子越少,荧光屏光线越暗。
W1成为辉度电位器,调节它能够改变栅极电压,来控制到达荧光屏的电子数目,从而调节荧光屏的亮度。
(4)第一阳极A1和第二阳极A2:它们中间都开有小孔,电子从小孔中通过。这两个阳极的作用是对阴极发射出来并通过栅极的电子进行加速,同时进行聚焦,将很粗的电子束聚焦成很细的电子束,这样电子束在荧光屏上扫出来的波形更清晰。
W2称为聚焦电位器,它可以调节第一阳极的电压;W3称为辅助聚焦电位器,它可以调节第二阳极的电压。调节它们可以使显示的波形更清晰。
(5)垂直偏转板:又称Y轴偏转板,它是由垂直方向的上下两块金属板组成,电子束从中间穿过,当给这两个金属板加有一定的电压时,电子束就会在垂直方向做偏转运动。
(6)水平偏转板:又称X轴偏转板,它是由水平方向的左右两块金属板组成,电子束从中间穿过,当给这两个金属板加有一定的电压时,电子束就会在水平方向做偏转运动。
(7)荧光屏:它是在荧光管正面的内层壁上涂上一层荧光粉而构成。当电子束轰击荧光屏上的荧光粉时就会发光,电子数目越多,速度越快,荧光粉越亮。
2.示波管的工作过程
首先给灯丝通电,灯丝开始发热,阴极因灯丝的加热而发射大量的电子,由于受栅极电压的阻碍,只有一部分电子能穿过栅极,穿过栅极的电子受到第一阳极和第二阳极高电压的加速和聚焦后,形成密集、高速的电子束往荧光屏运动,电子束再经过垂直偏转板和水平偏转板,偏转板产生的电场变化,电子束运动轨迹也发生变化,这种运动轨迹变化的电子束轰击荧光屏,就会在荧光屏上显示波形。
二、示波器的波形显示原理
示波器是依靠示波管和电路配合来显示各种信号波形的。示波管显示信号波形的过程是:首先让阴极发射电子,然后进行加速和聚焦,再给垂直和水平偏转板加一定的电压,让电子束产生偏转并对荧光屏进行扫描,这样就会在荧光屏上显示信号波形。下面从几个方面来说明示波器的波形显示原理。
1.X轴和Y轴偏转板都不加电压
如图(a)所示,X轴和Y轴偏转板都不加电压时,阴极发射的电子束不会发生偏转,而是做直线运动轰击荧光屏中心。在屏幕中心会出现一个亮点。

示波器测试原理

示波器测试原理
2. X轴偏转板加锯齿波电压,Y轴不加电压
由于Y轴偏转板不加电压,所以电子束在垂直方向不受电场力,而X轴偏转板加锯齿波电压,电子束在水平方向受到电场力作用而会产生偏转,在屏幕上扫出水平一条亮线,如图(b)所示。
具体过程说明如下:
当0~t1期间的锯齿波电压加到X轴偏转板时,偏转板产生电场,让电子束由荧光屏的中心扫到荧光屏的左端。
当t1~t2期间的锯齿波电压加到X轴偏转板时,偏转板产生电场,让电子束由荧光屏左端扫到中心。
当t2~t3期间的锯齿波电压加到X轴偏转板时,偏转板产生电场,让电子束由荧光屏中心扫到右端。
当t3~t4期间的锯齿波电压加到X轴偏转板时,偏转板产生电场,让电子束由荧光屏右端扫到中心。
t4是可以后,下一个周期的锯齿波电压到来,电子束又重复上述扫描过程,结果在荧光屏上出现一条亮线。
同样的道理,如果Y轴偏转板加锯齿波电压,X轴偏转板不加电压,电子束只受Y轴偏转板产生的电场力作用,会在荧光屏上扫出垂直的一条亮线。
3.Y轴偏转板加正弦波电压,X轴偏转板加锯齿波电压
当Y轴偏转板加正弦波电压,X轴偏转板加锯齿波电压时,电子束在垂直和水平方向都受电场力作用,电子束就会在荧光屏上扫出正弦波。如图(c)所示。
具体过程说明如下:
在0~t1期间,锯齿波电压加到X轴偏转板,Y轴偏转板无电压,X轴偏转板产生电场,让电子束由荧光屏的中心点直接扫到左端。此期间为逆程,阴极不发射电子,故不会出现亮线。
在t1~t2期间,逐渐下降的锯齿波电压加到X轴偏转板,先上升后下降的正弦波电压加到Y轴偏转板,电子束在这两个电场力的作用下在荧光屏上扫出正弦波的正半周
在t2~t3期间,反方向逐渐增大的锯齿波电压加到X轴偏转板,反方向先上升后下降的正弦波电压加到Y轴偏转板,电子束在这两个电场力的作用下在荧光屏上扫出正弦波的负半周。
在t3~t4期间,反方向逐渐增大的锯齿波电压加到X轴偏转板,Y轴偏转板无电压,X轴偏转板产生电场,让电子束由荧光屏的右端直接扫到中心点,此期间为逆程,阴极不发射电子,故不会产生亮线。
讲过上述四个过程,电子束就在荧光屏上扫出一个周期的正弦波信号波形,如果正弦波频率提高一倍,那么在荧光屏上就会出现两个周期的正弦波信号波形。
从上面的分析可以得到结论:当给示波管的X轴偏转板加锯齿波电压、Y轴偏转板加某个信号电压时,通过电子束的扫描,在屏幕上就会显示出Y轴偏转板上的信号波形。
示波器的波形显示原理是这样的:由示波器内部的扫描电路产生锯齿波电压送到X轴偏转板,然后将被测信号送到Y轴偏转板,在X、Y轴偏转板产生的电场作用下,电子束就会在荧光屏上扫出被测信号的波形。


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