电子示波器的基本原理

　　电子示波器是利用阴极射线管作为显示器所构成的一种电子测试仪器。它不但能定性地观察电信号的动态过程，还可以定量测量表征电信号特性的参数，如电压或电流的幅值、频率、相位和脉冲幅度等；根据需要可以同时观测两个或多个电信号的动态过程；借助一定的转换设各，可以观测温度、速度等非电物理量的变化情况。它作为一种测量仪器，在科学领域和生产实践中，得到了极为广泛的应用。它具有以下四个优点。

　　①显示被测信号的波形，并可测量其瞬时值。

　　②测量频带宽，波形失真小。

　　③灵敏度高，且有较强的过载能力。

　　④输人阻抗高，对被测电路的影响小。

　　为适应各种测试需要，电子示波器种类繁多。按其用途和结构特点可分为普通示波器、通用示波器、多线多踪示波器、记忆示波器及取样示波器等。随着微处理机的大量应用，电子示波器正在向自动化、智能化的方向发展，在测量领域中发挥更大的作用。

　　（1）电子示波器的基本方框图 电子示波器由示波管、垂直偏转系统、水平偏转系统和主机等部分组成，基本框图如图1所示。

　　图1 示波器的基本方框图

　　其中，垂直偏转系统包括垂直衰减器和垂直放大器。它将垂直输人信号衰减或放大到一定幅度，输出推挽信号，加到示波管的垂直偏转板，使电子射线的垂直偏转距离正比于被测信号的瞬时值。水平偏转系统从外触发输人端经触发电路、扫描电路、水平放大器到示波管的水平偏转板。触发电路将被测信号或外触发输人信号置换成触发脉冲启动扫描电路。扫描电路在触发脉冲作用下，产生随时间线性变化的锯齿波扫描电压，经水平放大器放大后，以推挽形式加到示波管的水平偏转板，使电子射线的水平偏转距离正比于时间。示波器作为显示器，在信号电压和锯齿波电压的联合作用下，其电子射线在作垂直运动的同时，又以等速度沿水平方向移动，因而在荧光屏上描绘出被测信号随时间变化的波形，即被测信号的瞬时值与时间在直角坐标系中的函数图像。

　　电源由高压电源和低压电源两部分组成，供给示波管及各组成部分所需要的直流电压和灯丝电压。消隐与增辉电路用来传送和放大增辉和消隐信号。示波器中除示波管、垂直偏转系统和水平偏转系统外，其余部分统称为主机。

　　（2）示波管 示波管是示波器的核心，示波器一般采用静电聚焦、静电偏转式示波管。它由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成，封装在抽成真空的玻璃壳内。它能把被测的信号转换为光信号，并在示波管的荧光屏上显示出来，其基本结构如图2所示。

　　图2 示波管基本结构图(T—灯丝；K—阴极；G—控制栅极；A1一第一阳极；A2一第二阳极；Y—Y轴偏转板；X一X轴偏转板，C—导电层)

　　示波管的外壳为一圆筒状的玻璃管，管颈前半部细长，后半部成漏斗状，最后形成圆形或矩形的荧光显示屏。玻璃管内抽成真空，并在其内安装了电子枪和偏转系统。

　　①电子枪。电子枪的作用是发射一束高速运动并聚焦成细束的电子射线。电子枪由阴极、控制栅极、第一阳极（A1）和第二阳极（A2）组成。

　　阴极是一个金属圆筒，外层涂有稀土氧化物，筒内装有灯丝，灯丝通电后阴极受热，向外发射电子。控制栅极是套在阴极外面的金属圆筒，顶部中心有一小孔，阴极发射的电子在阳极的高电压作用下，沿着控制栅极的小孔经阳极直冲荧光屏，形成光点。控制栅极的作用就是控制电子射线的强弱，它加有一个比阴极更低的负电压，改变这个负压的数值，就会改变穿过小孔的电子数目，也就改变了光点的亮度。示波器面板一般都设有“亮度”或“辉度”旋钮，用以改变控制栅极的负压而调节荧光屏上光点或波形的亮度。

　　第一阳极A1和第二阳极A2是两个圆形的金属筒，加有对阴极为正的电压（A2为800V～3kV，A1为A2的0．2～0．5倍），它们对阴极发射的电子具有吸引力，使电子通过控制栅极后开始向荧光屏方向加速，而在两个阳极之间形成的电场，对电子具有聚焦的作用，使电子聚合在一起形成很细的一束，电子束被轰击后在荧光屏上形成一清晰的光点。改变两阳极间的电压，可以影响光点的位置。在示波器面板上用来改变第一阳极电压的电位器叫“聚焦”，改变第二阳极电压的电位器叫“辅助聚焦”，两者配合恰当，可使光点正好落在荧光屏上，获得清晰图像。

　　为了增加电子束的能量，常在荧光屏附近增加一石墨涂层作为第三阳极，其上加几千伏的高压，可使电子束进一步加速而获得足够的能量，以提高光点的亮度。

　　②荧光屏。示波器的荧光屏是电－光转换的关键部分。在示波管玻璃屏面的内壁涂有一层荧光物质，这种物质在电子束轰击下能发出可见光。光的强弱与电子束的数量和能量有关，能量越高，电子束电流越大，光点亮度越高。荧光屏的发光颜色及余辉时间（电子束停止轰击后荧光屏继续发光的时间）由荧光物质的种类决定。常见的荧光屏有绿色、蓝色和白色。余辉时间有短余辉、中余辉和长余辉。

　　③偏转部分。示波管的偏转部分通常采用静电偏转方式，即在示波管内安装相互垂直的两对平行金属板Y、X（称为偏转板）。上下平行安装的偏转板（Y轴偏转板）加压后可使电子束上下偏移，称为垂直偏转板；左右平行安装的偏转板（X轴偏转板）加压后可使电子束左右偏移，称为水平偏转板。在两对偏转板电场力的共同作用下，电子束能上下左右移动，借助余辉和视觉残留效应，可在荧光屏上显示出光点运动所描绘出的各种波形。如要光点处于荧光屏上的某一位置，只要使垂直和水平偏转板上加有适当数值和极性的电压，就可以达到目的。示波器的面板上设有“水平位移”和“垂直位移”的旋钮，用来分别调节水平和垂直偏转板上的直流电压，以控制荧光屏上光点的位置。

　　（3）波形显示原理

　　①垂直偏转板上加芷弦电压。如果把一个周期性变化的正弦电压加到垂直偏转板上，电子束经过偏转板时，作上下偏移，光点在荧光屏上作垂直方向的移动，由于荧光屏的余辉作用和视觉残留效应，看到的是光点运动的轨迹，即一条垂直亮线，如图3所示。

　　图3 只在垂直偏转板上加正弦电压所显示的波形

　　②水平偏转板上加锯齿波电压。如果把一个周期性变化的锯齿波电压加到水平偏转板时，则两极板间的光点就会产生左右方向的移动，形成了一束水平扫描线，如图4所示。由于锯齿波电压是随时间均匀增加的线性电压，即模拟时间的电压，故将水平扫描线称为时基线。

　　图4 只在水平偏转板上加锯齿波电压所显示的波形

　　③波形的合成。如果把被测信号的正弦电压加到垂直偏转板上，同时将锯齿波电压加到水平偏转板上，而且两个信号的频率和相位都相同，则在两对偏转板电场的控制作用下，荧光屏上的光点就会沿着1、2、3、4、5的轨迹运动。当一个信号周期结束，锯齿波电压由最大值急剧变化到零，光点则立即返回到原点1位，于是又重复以上变化，这样在荧光屏上就能显示出被测信号的完整波形，如图5所示，返回的过程称为回扫，回扫不需要有专门的电路将它“抹迹”。

　　图5 波形合成原理

　　④扫描与同步。波形显示的原理和在）X-Y坐标纸上画图一样，用横轴表示时间，纵轴表示电压幅值，所描绘出的信号波形与画图是一样的。波形的显示过程称为扫描，扫描电路产生的锯齿波电压也称为扫描电压或时基信号电压。当扫描周期与被测信号电压周期相等或为整数倍数时，每个周期光点运动的轨迹才能完全重合，从而能稳定地显示出完整的信号波形，这个过程称为同步。

　　示波器中常用被测信号电压来控制锯齿波电压的周期，使它们之间发生一定的内在联系，达到经常保持同步的目的，这种方法称为内同步，此外还有外同步或电源同步等方式。