示波测量原理

示波器是利用示波管的电子枪发射的电子射线轰击荧光屏，产生肉眼可见的光点来显示波形。我们知道，电子学中的信号大都是时间的变量，信号随时间的变化可用函数f(t)来描述。在示波器上，如果用X轴代表时间，用Y轴代表f(t)来描绘出被测信号随时间的变化规律，就把我们肉眼看不见的、非常抽象的电信号变化过程，转换为肉眼可以直接观看的波形，在荧光屏上显示出来，从而可以对电信号进行分析并测量其参数。示波器可以测量很多电参数，如电压、电流、功率、频率、周期、相位、脉冲宽度、脉冲上升及下降时间等。如果配上相应的传感器，还可以用来测量温度、压力、振动、密度、声、光、热、磁效应等非电量。

电子枪被灯丝加热后发射电子。聚焦极将电子枪发射的电子聚焦为极细的电子束，可使波形显示清晰。加速极上加有较高的正电压，吸引电子脱离电子枪高速运动; 显示屏上加有极高的正电压，吸引电子撞击在显示屏面上，使显示屏面涂的荧光材料发光。垂直偏转板和水平偏转板上加有偏转电压，偏转电压的极性和幅值控制电子束撞击显示屏面的位置。当偏转电压跟随输入信号变化时，就可以使电子束在屏面上“画”出信号波形。

1．示波管工作原理

电子示波器的心脏是示波管，又称阴极射线管(CRT)，它是一种特殊的电子管，是能够把电信号转换为光信号的显示器件，因此是示波器能观测电信号波形的关键器件。示波管主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成，它的基本结构如图6－1所示。

图6－1 示波管的基本原理图

电子枪的作用是产生极细的高速电子束，轰击荧光屏产生光点。目前绝大多数示波管采用无阳极电流型电子枪，它由灯丝(F)、阴极(K)、控制栅极(G)、第一阳极(A1)和第二阳极(A2)组成。除灯丝电极外，其余电极的结构均为金属圆筒形，且所有电极的轴心都保持在同一条轴线上。从电子枪射出的电子束，若不受电场的作用，则将沿直线前进在荧光屏上显示出静止光点; 如果电子束受到垂直方向的电场作用，则其运动方向就会在垂直方向偏离中心轴线，即光屏上的光点位置就会在垂直方向产生位移。如电子束受到水平方向的电场作用，则其运动方向就会在水平方向偏离中心轴线，即荧光屏上的光点位置就会在水平方向产生位移。示波管第二阳极和荧光屏之间由两对互相垂直的偏转板X和Y组成静电偏转系统，分别称为水平偏转板和垂直偏转板; 在每对偏转板上加上适当电压，分别控制电子束在水平方向和垂直方向的位移，根据运动的合成法则，两对偏转板共同配合，就决定了任一瞬间光点在屏上的坐标。如果都加上交流电压，光点会在交流电压的控制下，作上下左右运动。

下面以Y板为例讨论光点在荧光屏上的位移与什么因素有关。

图6－2 电子束的偏转

图6－2为偏转系统对电子束的影响示意图。在偏转电压VY的作用下，Y方向的偏转距离为

式中: L——偏转板的长度;

S——偏转板中心到屏幕中心的距离;

b——偏转板之间的距离;

Va——第二阳极电压。

从式(6－1)看出，Y偏转板间的相对电压VY越大，造成的偏转电场越强; 偏转长度L越长，偏转电场作用的距离越长，这都会使偏转距离越大。电子通过偏转板后获得了一定的垂直方向速度，在脱离了偏转板以后，也会有Y方向的匀速运动分量，所以偏转板到荧光屏之间的距离S越长，偏转距离越大。对于同样的偏转电压VY，若板间距离b越大，则电场强度和偏转距离都变小。同时，第一阳极电压Va越高，电子在轴线方向上的变动速度越高，穿过偏转极所用的时间减少，电场对它的作用减小，偏转距离也会减小。

实际上，当示波器制成以后，L、b、S均为常数，当亮点聚焦调整好之后，第二阳极电压Va基本不变，所以Y方向的偏转距离Y正比于偏转板上的电压VY，即

Y=DXVY

比例系数DX称为示波管的偏转因数，单位为cm/V或div/V，它的倒数SY(1/DX)称为示波管的偏转灵敏度，它表示光点在荧光屏上移动1cm或1div(格)所需的电压，单位为V/cm或V/div。偏转灵敏度是示波管的重要参数，它越小，示波管越灵敏，观察微弱信号的能力越强。在一定范围内，荧光屏上光点偏离的距离与偏转板上所加的电压成正比。

由于Y偏转板靠近电子枪，X偏转板靠近荧光屏，故Y偏转板的偏转灵敏度比X偏转板的灵敏度高，便于观测微弱信号。普通示波管Y偏转因数10～40V/cm，X偏转因数20～60 V/cm。要使示波器满偏转，大约需要几十至几百伏的偏转电压。

荧光屏是示波管的显示部分，其内壁涂有一层或几层荧光粉，被轰击原子打出二次电子并使原子处于激发状态，被激发原子转到正常状态时便发光，这种光就是荧光。荧光物质在发光的同时还产生不少热量，它被示波管内壁面向电子枪的一侧覆盖的铝膜散发，此外，这层铝膜还能吸收荧光物质发出的二次电子和光束中的负离子，还对荧光有反光作用，使显示的波形更加清晰。荧光屏的外形结构有圆形和矩形两种，为了提高表面积的利用率，新型的示波器常采用矩形。为了测量所显示波形的高度和宽度，在荧光屏上还常有一定的刻度线，刻度有外刻度和内刻度两种方法，前者是在荧光屏外壁放置透明的刻度板，后者是在制作示波器时，把刻度和荧光物质同时沉积在荧光屏的内壁制成的。

在测量时，常需要充分利用荧光屏的有效面积，并要求合理调节辉度; 不使用时，应关闭或调暗辉度，以保护荧光屏。

2．波形显示原理

电子束进入偏转系统后，要受X、Y两对偏转板静电场力的控制而产生偏转。这是示波器用来显示波形的基础。

1)扫描―时间基准概念

若想观测一个随时间变化的信号，例如正弦波电压，可将它加到示波管垂直偏转板上。若水平偏转板不加电压时，则电子束在垂直方向按正弦规律上下运动，任一瞬间偏转的距离正比于该瞬间垂直偏转板上的电压。在荧光屏上只能看到一条垂直的直线，如图6－3(b)所示。要将正弦波展开，水平方向需要加一个电压来模拟时间。由于时间是连续均匀变化的，所以加到水平偏转板的应为线性电压。也就是说，如果在水平偏转板上加上一个随时间而线性变化的电压，例如加一个锯齿波电压，那么光点在水平方向的变化就反映了时间的变化。若在垂直方向不加电压，则光点在荧光屏水平方向上构成的这条反映时间变化的直线，称为时间基线，如图6－3(a)所示。当水平偏转板所加线性电压达到最大值时，亮点偏移最大，然后从该点迅速返回到起点，再重复前面的变化。光点在锯齿波电压下扫动的过程称为扫描，能实现扫描的锯齿波电压叫扫描电压，光点自左向右的连续扫动称为扫描正程，光点自屏的右端迅速返回起扫点称为扫描回程。两次扫描之间的时间间隔称为一个扫描周期。

图6－3 电子束在偏转电压作用下的运动

当垂直偏转板Y轴加上被观测的信号，水平偏转板X轴加上扫描电压，如图6－4所示。

(1)当t=0时，X，Y偏转板上电压均为零，则光点停在荧光屏刻度的零点;

图6－4 波形的扫描和形成

(2)当t=1时，X偏转板加上如图6－4所示的锯齿波电压(右板为正)，Y板加上正弦电压(上板为正)，结果是光点向右上运动，并到达“1”位置; 其余可依次类推，当光点移到“4”位置时，Y轴电压变化一周，X轴电压立即回零，一个周期结束。第二个周期又可进行同样的过程，只要确保每次移动起始点相同，荧光屏上就可显示出一个稳定的波形。

2)同步的概念

为了使波形稳定地显示在荧光屏上，必须使扫描电压周期TX与被测信号周期TY的比值为整数倍。即:

n=TX/TY

若n不是整数，相对于被测信号来说，每次扫描的起始点就不同，其结果造成波形不断地水平移动而不稳定。保证n为整数倍的过程就称为同步。

图6－5为扫描电压与被测信号同步时的情况。图中TX=2TY，在时间8扫描电压由最大值回到零，这时被测电压恰好经历了两个周期，光点沿8→9→10移动时，重复上一扫描周期光点沿0→1→2的移动轨迹，得到稳定的波形。

图6－5 扫描与信号同步

如果没有这种同步关系，则后一扫描周期描绘的图形与前一扫描周期的不重合，如图6－6所示。

在图6－6中，第一周期开始光点沿0→1→2→3→4→5轨迹移动。当扫描结束，光点迅速从5回到0'，接着第二周期扫描开始，这时光点沿6→7→8→9→10轨迹移动，即与第一周期扫描轨迹不重合。显示的波形不再是稳定的了。

实际上，在示波器中常利用被测信号产生一个同步触发信号去控制扫描发生器，迫使扫描信号与被测信号同步，这称“内”同步。也可以用一外加信号去产生触发同步信号，但这个外加信号与被测信号周期有一定的关系，这称为“外”同步。

图6－6 扫描与信号不同步

3．显示任意两个变量之间的关系

前面讨论的是在示波器上观测一个随时间变化的信号时，垂直偏转板Y上加被测信号，水平偏转板X上加一个模拟时间的电压。倘若在X，Y板上分别加任意信号时，示波管荧光屏上光点轨迹将由这两个信号共同决定。利用这个特点就可以把示波器变为一个X－Y图示仪，使示波器的功能得到扩展。图6－7表示在示波器的X，Y偏转板上同时加入两个正弦信号时的情况。此时，屏幕上显示的图形就是李萨如图形。李萨如图形的形状与输入的两个正弦信号的频率和相位有关，因此我们可以通过对图形的分析来确定信号的频率及两者的相位差。

图6－7 任意两个周期信号之间的关系

图6－7(a)为两正弦信号同频、同相、同幅度时，荧光屏上画出一条与水平轴呈45°的直线。

图6－7(b)为两正弦信号同频率但相位差为90°、幅度相等时，荧光屏画出的一个圆。

显然，如果要观测两个变量之间的关系，只要把两个变量转换成与之成比例的两个电压，分别加到示波器X、Y偏转板上，从屏上看到的曲线，就是它们之间的关系。

4．扫描正程的增辉

实际上，扫描回程需要一定的时间，但不需要显示光迹，如图6－8所示。为使回程期间产生的波形不显示，可以设法在正程期间使电子枪发射更多的电子，回程期间不发射电子，即给示波管增辉。在扫描正程期间向示波管的控制栅极G送正脉冲或给阴极K加负脉冲，就可以实现这个要求。

在触发扫描时，增辉的作用更为必要。因为在触发扫描时，回扫期往往有较长的等待时间，采用正程增辉可使整个回扫期不发光，有利于显示清晰的波形和保护荧光屏。

图6－8 扫描正程的增辉