示波器的基本工作原理

　　示波器是物理實驗室中非常常見的實驗測量儀器，利用示波器能觀察各種不同信號幅度隨時間變化的波形曲線，還可以用它測試各種不同的電量，如電壓、電流、頻率、相位差、調幅度等等。
 

　　一般示波器的結構組成大概分為五組：①顯示電路、②垂直(Y軸)放大電路、③水平(X軸)放大電路、④掃描與同步電路、⑤電源供給電路。
 

　　其方框圖大致如下圖：
 

圖1：示波器的原理功能示意圖
 

　　示波器工作原理：
 

　　以下針對圖1中所示的五個工作部分分別介紹。
 

　　1.顯示電路
 

　　顯示電路包括示波管及其控制電路兩個部分。示波管是一種特殊的電子管，是示波器一個重要組成部分。示波管的基本原理圖如圖5-2所示。由圖可見，示波管由電子槍、偏轉系統和熒光屏3個部分組成。
 

　　1.1電子槍
 

　　電子槍用于產生并形成高速、聚束的電子流，去轟擊熒光屏使之發光。它主要由燈絲F、陰極K、控制極G、第一陽極A1、第二陽極A2組成。除燈絲外，其余電極的結構都為金屬圓筒，且它們的軸心都保持在同一軸線上。陰極被加熱后，可沿軸向發射電子；控制極相對陰極來說是負電位，改變電位可以改變通過控制極小孔的電子數目，也就是控制熒光屏上光點的亮度。為了提高屏上光點亮度，又不降低對電子束偏轉的靈敏度，現代示波管中，在偏轉系統和熒光屏之間還加上一個后加速電極A3。
 

圖2：示波管內部示意圖
 

　　第一陽極對陰極而言加有約幾百伏的正電壓。在第二陽極上加有一個比第一陽極更高的正電壓。穿過控制極小孔的電子束，在第一陽極和第二陽極高電位的作用下，得到加速，向熒光屏方向作高速運動。由于電荷的同性相斥，電子束會逐漸散開。通過第一陽極、第二陽極之間電場的聚焦作用，使電子重新聚集起來并交匯于一點。適當控制第一陽極和第二陽極之間電位差的大小，便能使焦點剛好落在熒光屏上，顯現一個光亮細小的圓點。改變第一陽極和第二陽極之間的電位差，可起調節光點聚焦的作用，這就是示波器的“聚焦”和“輔助聚焦”調節的原理。第三陽極是示波管錐體內部涂上一層石墨形成的，通常加有很高的電壓，它有三個作用：①使穿過偏轉系統以后的電子進一步加速，使電子有足夠的能量去轟擊熒光屏，以獲得足夠的亮度；②石墨層涂在整個錐體上，能起到屏蔽作用；③電子束轟擊熒光屏會產生二次電子，處于高電位的A3可吸收這些電子。
 

　　2.2 偏轉系統
 

　　示波管的偏轉系統大都是靜電偏轉式，它由兩對相互垂直的平行金屬板組成，分別稱為水平偏轉板和垂直偏轉板。分別控制電子束在水平方向和垂直方向的運動。當電子在偏轉板之間運動時，如果偏轉板上沒有加電壓，偏轉板之間無電場，離開第二陽極后進入偏轉系統的電子將沿軸向運動，射向屏幕的中心。如果偏轉板上有電壓，偏轉板之間則有電場，進入偏轉系統的電子會在偏轉電場的作用下射向熒光屏的指定位置。
 

　　如圖3所示。如果兩塊偏轉板互相平行，并且它們的電位差等于零，那么通過偏轉板空間的，具有速度υ的電子束就會沿著原方向(設為軸線方向)運動，并打在熒光屏的坐標原點上。如果兩塊偏轉板之間存在著恒定的電位差，則偏轉板間就形成一個電場，這個電場與電子的運動方向相垂直，于是電子就朝著電位比較高的偏轉板偏轉。這樣，在兩偏轉板之間的空間，電子就沿著拋物線在這一點上做切線運動。最后，電子降落在熒光屏上的A點，這個A點距離熒光屏原點(即0點)有一段距離，這段距離稱為偏轉量，用y表示。偏轉量y與偏轉板上所加的電壓Vy成正比。同理，在水平偏轉板上加有直流電壓時，也發生類似情況，只是光點在水平方向上偏轉。
 

圖3：偏轉板電場對電子書偏轉示意圖
 

　　1.2熒光屏
 

　　熒光屏位于示波管的終端，它的作用是將偏轉后的電子束顯示出來，以便觀察。在示波器的熒光屏內壁涂有一層發光物質，因而，熒光屏上受到高速電子沖擊的地點就顯現出熒光。此時光點的亮度決定于電子束的數目、密度及其速度。改變控制極的電壓時，電子束中電子的數目將隨之改變，光點亮度也就改變。在使用示波器時，不宜讓很亮的光點固定出現在示波管熒光屏一個位置上，否則該點熒光物質將因長期受電子沖擊而燒壞，從而失去發光能力。
 

　　涂有不同熒光物質的熒光屏，在受電子沖擊時將顯示出不同的顏色和不同的余輝時間，通常供觀察一般信號波形用的是發綠光的，屬中余輝示波管，供觀察非周期性及低頻信號用的是發橙黃色光的，屬長余輝示波管；供照相用的示波器中，一般都采用發藍色的短余輝示波管。
 

　　2.垂直(Y軸)放大電路
 

　　由于示波管的偏轉靈敏度甚低，所以一般的被測信號電壓都要先經過垂直放大電路的放大，再加到示波管的垂直偏轉板上，以得到垂直方向的適當大小的圖形。
 

　　3.水平(X軸)放大電路
 

　　由于示波管水平方向的偏轉靈敏度也很低，所以接入示波管水平偏轉板的電壓(鋸齒波電壓或其它電壓)也要先經過水平放大電路的放大以后，再加到示波管的水平偏轉板上，以得到水平方向適當大小的圖形。
 

　　4.掃描與同步電路
 

　　掃描電路產生一個鋸齒波電壓，該鋸齒波電壓的頻率能在一定的范圍內連續可調，鋸齒波電壓的作用是使示波管陰極發出的電子束在熒光屏上形成周期性、與時間成正比的水平位移，即形成時間基線，這樣才能把加在垂直方向的被測信號按時間的變化波形展現在熒光屏上。
 

　　5.電源供給電路
 

　　電源供給電路供給垂直與水平放大電路、掃描與同步電路以及示波管與控制電路所需的負高壓、燈絲電壓等。
 

　　由示波器的原理功能方框圖可見，被測信號電壓加到示波器的Y軸輸入端，經垂直放大電路加于示波管的垂直偏轉板。示波管的水平偏轉電壓，雖然多數情況都采用鋸齒電壓(用于觀察波形時)，但有時也采用其它的外加電壓(用于測量頻率、相位差等時)，因此在水平放大電路輸入端有一個水平信號選擇開關，以便按照需要選用示波器內部的鋸齒波電壓，或選用外加在X軸輸入端上的其它電壓來作為水平偏轉電壓。
 

　　此外，為了使熒光屏上顯示的圖形保持穩定，要求鋸齒波電壓信號的頻率和被測信號的頻率保持同步。這樣，不僅要求鋸齒波電壓的頻率能連續調節，而且在產生鋸齒波的電路上還要輸入一個同步信號。這樣，對于只能產生連續掃描(即產生周而復始、連續不斷的鋸齒波)一種狀態的簡易示波器而言，需要在其掃描電路上輸入一個與被觀察信號頻率相關的同步信號，以牽制鋸齒波的振蕩頻率。對于具有等待掃描功能(即平時不產生鋸齒波，當被測信號來到時才產生一個鋸齒波，進行一次掃描)的示波器而言，需要在其掃描電路上輸入一個與被測信號相關的觸發信號，使掃描過程與被測信號密切配合。為了適應各種需要，同步(或觸發)信號可通過同步或觸發信號選擇開關來選擇，通常來源有3個：①從垂直放大電路引來被測信號作為同步(或觸發)信號，此信號稱為“內同步”(或“內觸發”)信號；②引入某種相關的外加信號為同步(或觸發)信號，此信號稱為“外同步”(或“外觸發”)信號，該信號加在外同步(或外觸發)輸入端；③有些示波器的同步信號選擇開關還有一檔“電源同步”，是由220V，50Hz電源電壓，通過變壓器次級降壓后作為同步信號。
 

　　根據示波器的內部工作模塊和信號顯示過程，結合示波器的五個工作模分別對其原理進行分析。