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示波器的工作原理
2013-12-09
一、示波器的工作原理：
示波器利用狹窄的、由高速電子組成的電子束，打在涂有熒光物質(zhì)的屏面上，就可產(chǎn)生細(xì)小的光點(diǎn)。在被測信號的作用下，電子束就好像一支筆的筆尖，可以在屏面上描繪出被測信號的瞬時值的變化曲線。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(diào)幅度等等。
（一）示波器的組成普通示波器有五個基本組成部分：顯示電路、垂直（Y軸）放大電路、水平（X軸）放大電路、掃描與同步電路、電源供給電路。普通示波器的原理功能方框圖如圖5-1所示。
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(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏3個部分組成。
（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、第一陽極A1、第二陽極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；控制極相對陰極來說是負(fù)電位，改變電位可以改變通過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后加速電極A3。
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(yùn)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(diǎn)。適當(dāng)控制第一陽極和第二陽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)一個光亮細(xì)小的圓點(diǎn)。改變第一陽極和第二陽極之間的電位差，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，它有三個作用：①使穿過偏轉(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）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。當(dāng)電子在偏轉(zhuǎn)板之間運(yùn)動時，如果偏轉(zhuǎn)板上沒有加電壓，偏轉(zhuǎn)板之間無電場，離開第二陽極后進(jìn)入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的電子將沿軸向運(yùn)動，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，進(jìn)入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的電子會在偏轉(zhuǎn)電場的作用下射向熒光屏的指定位置。
如圖5-3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，那么通過偏轉(zhuǎn)板空間的，具有速度υ的電子束就會沿著原方向（設(shè)為軸線方向）運(yùn)動，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)板間就形成一個電場，這個電場與電子的運(yùn)動方向相垂直，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。最后，電子降落在熒光屏上的A點(diǎn)，這個A點(diǎn)距離熒光屏原點(diǎn)（0）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，也發(fā)生類似情況，只是光點(diǎn)在水平方向上偏轉(zhuǎn)。
（3）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，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，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，不宜讓很亮的光點(diǎn)固定出現(xiàn)在示波管熒光屏一個位置上，否則該點(diǎn)熒光物質(zhì)將因長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(fā)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(fā)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(fā)藍(lán)色的短余輝示波管。
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