示波器是物理實(shí)驗(yàn)室中非常常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x器,，利用示波器能觀察各種不同信號(hào)幅度隨時(shí)間變化的波形曲線，還可以用它測(cè)試各種不同的電量,，如電壓,、電流、頻率,、相位差,、調(diào)幅度等等。
一般示波器的結(jié)構(gòu)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(duì)圖1中所示的五個(gè)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(gè)部分,。示波管是一種特殊的電子管,，是示波器一個(gè)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(jiàn),，示波管由電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏3個(gè)部分組成,。
1.1電子槍
電子槍用于產(chǎn)生并形成高速,、聚束的電子流，去轟擊熒光屏使之發(fā)光,。它主要由燈絲F,、陰極K、控制極G,、第一陽(yáng)極A1,、第二陽(yáng)極A2組成。除燈絲外,，其余電極的結(jié)構(gòu)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(fā)射電子,；控制極相對(duì)陰極來(lái)說(shuō)是負(fù)電位，改變電位可以改變通過(guò)控制極小孔的電子數(shù)目,，也就是控制熒光屏上光點(diǎn)的亮度,。為了提高屏上光點(diǎn)亮度,，又不降低對(duì)電子束偏轉(zhuǎn)的靈敏度，現(xiàn)代示波管中,，在偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏之間還加上一個(gè)后加速電極A3,。
圖2：示波管內(nèi)部示意圖
第一陽(yáng)極對(duì)陰極而言加有約幾百伏的正電壓。在第二陽(yáng)極上加有一個(gè)比第一陽(yáng)極更高的正電壓,。穿過(guò)控制極小孔的電子束,，在第一陽(yáng)極和第二陽(yáng)極高電位的作用下，得到加速,，向熒光屏方向作高速運(yùn)動(dòng),。由于電荷的同性相斥，電子束會(huì)逐漸散開(kāi),。通過(guò)第一陽(yáng)極,、第二陽(yáng)極之間電場(chǎng)的聚焦作用，使電子重新聚集起來(lái)并交匯于一點(diǎn),。適當(dāng)控制第一陽(yáng)極和第二陽(yáng)極之間電位差的大小,，便能使焦點(diǎn)剛好落在熒光屏上，顯現(xiàn)一個(gè)光亮細(xì)小的圓點(diǎn),。改變第一陽(yáng)極和第二陽(yáng)極之間的電位差,，可起調(diào)節(jié)光點(diǎn)聚焦的作用，這就是示波器的“聚焦”和“輔助聚焦”調(diào)節(jié)的原理,。第三陽(yáng)極是示波管錐體內(nèi)部涂上一層石墨形成的，通常加有很高的電壓,，它有三個(gè)作用：①使穿過(guò)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)以后的電子進(jìn)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(gè)錐體上,，能起到屏蔽作用；③電子束轟擊熒光屏?xí)a(chǎn)生二次電子,，處于高電位的A3可吸收這些電子,。
2.2 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)
示波管的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)大都是靜電偏轉(zhuǎn)式，它由兩對(duì)相互垂直的平行金屬板組成,，分別稱為水平偏轉(zhuǎn)板和垂直偏轉(zhuǎn)板,。分別控制電子束在水平方向和垂直方向的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電子在偏轉(zhuǎn)板之間運(yùn)動(dòng)時(shí),，如果偏轉(zhuǎn)板上沒(méi)有加電壓,，偏轉(zhuǎn)板之間無(wú)電場(chǎng)，離開(kāi)第二陽(yáng)極后進(jìn)入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的電子將沿軸向運(yùn)動(dòng),，射向屏幕的中心,。如果偏轉(zhuǎn)板上有電壓,，偏轉(zhuǎn)板之間則有電場(chǎng)，進(jìn)入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的電子會(huì)在偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)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(zhuǎn)板互相平行，并且它們的電位差等于零,，那么通過(guò)偏轉(zhuǎn)板空間的,，具有速度υ的電子束就會(huì)沿著原方向(設(shè)為軸線方向)運(yùn)動(dòng)，并打在熒光屏的坐標(biāo)原點(diǎn)上,。如果兩塊偏轉(zhuǎn)板之間存在著恒定的電位差,，則偏轉(zhuǎn)板間就形成一個(gè)電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)與電子的運(yùn)動(dòng)方向相垂直,，于是電子就朝著電位比較高的偏轉(zhuǎn)板偏轉(zhuǎn),。這樣，在兩偏轉(zhuǎn)板之間的空間,，電子就沿著拋物線在這一點(diǎn)上做切線運(yùn)動(dòng),。最后，電子降落在熒光屏上的A點(diǎn),，這個(gè)A點(diǎn)距離熒光屏原點(diǎn)(即0點(diǎn))有一段距離,，這段距離稱為偏轉(zhuǎn)量，用y表示,。偏轉(zhuǎn)量y與偏轉(zhuǎn)板上所加的電壓Vy成正比,。同理，在水平偏轉(zhuǎn)板上加有直流電壓時(shí),，也發(fā)生類似情況,，只是光點(diǎn)在水平方向上偏轉(zhuǎn)。
圖3：偏轉(zhuǎn)板電場(chǎng)對(duì)電子書(shū)偏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)后的電子束顯示出來(lái),，以便觀察。在示波器的熒光屏內(nèi)壁涂有一層發(fā)光物質(zhì),，因而,，熒光屏上受到高速電子沖擊的地點(diǎn)就顯現(xiàn)出熒光。此時(shí)光點(diǎn)的亮度決定于電子束的數(shù)目,、密度及其速度,。改變控制極的電壓時(shí)，電子束中電子的數(shù)目將隨之改變,，光點(diǎn)亮度也就改變,。在使用示波器時(shí)，不宜讓很亮的光點(diǎn)固定出現(xiàn)在示波管熒光屏一個(gè)位置上,，否則該點(diǎn)熒光物質(zhì)將因長(zhǎng)期受電子沖擊而燒壞,，從而失去發(fā)光能力,。
涂有不同熒光物質(zhì)的熒光屏，在受電子沖擊時(shí)將顯示出不同的顏色和不同的余輝時(shí)間,，通常供觀察一般信號(hào)波形用的是發(fā)綠光的，屬中余輝示波管,，供觀察非周期性及低頻信號(hào)用的是發(fā)橙黃色光的,，屬長(zhǎng)余輝示波管,；供照相用的示波器中,，一般都采用發(fā)藍(lán)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(zhuǎn)靈敏度甚低,，所以一般的被測(cè)信號(hào)電壓都要先經(jīng)過(guò)垂直放大電路的放大,，再加到示波管的垂直偏轉(zhuǎn)板上，以得到垂直方向的適當(dāng)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(zhuǎn)靈敏度也很低,，所以接入示波管水平偏轉(zhuǎn)板的電壓(鋸齒波電壓或其它電壓)也要先經(jīng)過(guò)水平放大電路的放大以后,，再加到示波管的水平偏轉(zhuǎn)板上，以得到水平方向適當(dāng)大小的圖形,。
4.掃描與同步電路
掃描電路產(chǎn)生一個(gè)鋸齒波電壓,，該鋸齒波電壓的頻率能在一定的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào),，鋸齒波電壓的作用是使示波管陰極發(fā)出的電子束在熒光屏上形成周期性,、與時(shí)間成正比的水平位移,，即形成時(shí)間基線，這樣才能把加在垂直方向的被測(cè)信號(hào)按時(shí)間的變化波形展現(xiàn)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(fù)高壓、燈絲電壓等,。
由示波器的原理功能方框圖可見(jiàn)，被測(cè)信號(hào)電壓加到示波器的Y軸輸入端,，經(jīng)垂直放大電路加于示波管的垂直偏轉(zhuǎn)板,。示波管的水平偏轉(zhuǎn)電壓,，雖然多數(shù)情況都采用鋸齒電壓(用于觀察波形時(shí))，但有時(shí)也采用其它的外加電壓(用于測(cè)量頻率,、相位差等時(shí)),，因此在水平放大電路輸入端有一個(gè)水平信號(hào)選擇開(kāi)關(guān),，以便按照需要選用示波器內(nèi)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(lái)作為水平偏轉(zhuǎn)電壓,。
此外,，為了使熒光屏上顯示的圖形保持穩(wěn)定,，要求鋸齒波電壓信號(hào)的頻率和被測(cè)信號(hào)的頻率保持同步。這樣,，不僅要求鋸齒波電壓的頻率能連續(xù)調(diào)節(jié),，而且在產(chǎn)生鋸齒波的電路上還要輸入一個(gè)同步信號(hào),。這樣，對(duì)于只能產(chǎn)生連續(xù)掃描(即產(chǎn)生周而復(fù)始,、連續(xù)不斷的鋸齒波)一種狀態(tài)的簡(jiǎn)易示波器而言，需要在其掃描電路上輸入一個(gè)與被觀察信號(hào)頻率相關(guān)的同步信號(hào),，以牽制鋸齒波的振蕩頻率。對(duì)于具有等待掃描功能(即平時(shí)不產(chǎn)生鋸齒波,，當(dāng)被測(cè)信號(hào)來(lái)到時(shí)才產(chǎn)生一個(gè)鋸齒波,，進(jìn)行一次掃描)的示波器而言,，需要在其掃描電路上輸入一個(gè)與被測(cè)信號(hào)相關(guān)的觸發(fā)信號(hào),，使掃描過(guò)程與被測(cè)信號(hào)密切配合。為了適應(yīng)各種需要,，同步(或觸發(fā))信號(hào)可通過(guò)同步或觸發(fā)信號(hào)選擇開(kāi)關(guān)來(lái)選擇,，通常來(lái)源有3個(gè)：①?gòu)拇怪狈糯箅娐芬齺?lái)被測(cè)信號(hào)作為同步(或觸發(fā))信號(hào),，此信號(hào)稱為“內(nèi)同步”(或“內(nèi)觸發(fā)”)信號(hào)；②引入某種相關(guān)的外加信號(hào)為同步(或觸發(fā))信號(hào),，此信號(hào)稱為“外同步”(或“外觸發(fā)”)信號(hào)，該信號(hào)加在外同步(或外觸發(fā))輸入端,；③有些示波器的同步信號(hào)選擇開(kāi)關(guān)還有一檔“電源同步”,，是由220V,，50Hz電源電壓，通過(guò)變壓器次級(jí)降壓后作為同步信號(hào),。
根據(jù)示波器的內(nèi)部工作模塊和信號(hào)顯示過(guò)程,，結(jié)合示波器的五個(gè)工作模分別對(duì)其原理進(jìn)行分析。
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