示波器波形显示原理详解

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：示波器的工作原理主要体现在如何实现将输入信号的幅度随时间变化的过程显示出来，下面就以模拟式示波器的波形显示原理为例进行介绍。

示波器的工作原理主要体现在如何实现将输入信号的幅度随时间变化的过程显示出来，下面就以模拟式示波器的波形显示原理为例进行介绍。

1.示波管（CRT）

如图5-33所示，示波管主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成。其工作原理是：由电子枪产生的高速电子束轰击荧光屏的相应部位产生荧光，而偏转系统则能使电子束产生偏转，从而改变荧光屏上光点的位置。

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图5-33　示波管示意图

1）电子枪

电子枪的作用是发射电子并形成很细的高速电子束。它由灯丝F、阴极K、栅极G1和G2，以及阳极A1、A2组成。当电流流过灯丝后对阴极加热，阴极产生大量电子，并在后续电场作用下轰击荧光屏发光。

灯丝F用于对阴极K加热，加热后的阴极发射电子。

栅极G1电位比阴极K低，对电子形成排斥力，使电子朝轴向运动，并且只有初速较高的电子能够穿过栅极奔向荧光屏。

调节栅极G1的电位可控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变荧光屏亮点的辉度。这种工作方式称为“辉度调制”。这个外加电信号的控制形成了除X方向和Y方向之外的三维图形显示，称为Z轴控制。

G2、A1、A2构成一个对电子束的控制系统，因A1与G2、A1与A2形成的电子透镜的作用向轴线聚拢，形成很细的电子束。如果电压调节得适当，电子束恰好聚焦在荧光屏S的中心点处。图5-33中 “聚焦”和“辅助聚焦”旋钮所对应的是两个电位器，调节这两个旋钮使得电子束具有较细的截面射到荧光屏上，以便在荧光屏上显示出清晰的聚焦很好的波形曲线。

2）偏转系统

示波管的偏转系统由两对相互垂直的平行金属板组成，分别称为垂直（Y）偏转板和水平（X）偏转板，偏转板在外加电压信号的作用下使电子枪发出的电子束产生偏转。

当偏转板上没有外加电压时，电子束打向荧光屏的中心点；如果有外加电压，则在偏转电场作用下，电子束打向由X、Y偏转板共同决定的荧光屏上的某个坐标位置。也就是说，当X 、Y偏转板加不同电压时，荧光屏上的亮点可以移动到屏面上的任一位置。

对于设计定型后的示波器偏转系统，定义比例系数Sy为示波管的Y轴偏转灵敏度（单位符号为cm/V），Dy=1/Sy 为示波管的Y轴偏转因数（单位符号为V/cm或V/div）。垂直偏转距离与外加垂直偏转电压成正比：

3）荧光屏

在荧光屏的玻壳内侧涂上荧光粉，就形成了荧光屏。当电子束轰击荧光粉时，激发产生荧光形成亮点。不同成分的荧光粉，发光的颜色不尽相同，一般示波器选用人眼最为敏感的黄绿色。

荧光粉从电子激发停止时的瞬间亮度下降到该亮度的10% 所经过的时间称为余辉时间。将余辉时间分为长余辉（100 ms～1 s）、中余辉（1 ms～100 ms）和短余辉（10 μs～10 ms）的不同规格。普通示波器需采用中余辉示波管，而慢扫描示波器则采用长余辉示波管。

2.波形显示的基本原理

为了显示电信号的波形，通常在水平偏转板上加一线性锯齿波扫描电压ux，该扫描电压将Y方向所加信号电压uy作用的电子束在屏幕上按时间沿水平方向展开，形成一条“信号电压-时间”曲线，即信号波形。

如图5-34所示，Y偏转极板加正弦波电压，X偏转极板加锯齿波电压。“0—1”“1—2”“2—3”“3—4”时，光点在同时受到水平和垂直偏转板的作用下移动。当时间为“0”时（锯齿波电压的最大负值），光点出现在荧光屏上最左侧的“0”点；当时间为“1”时，光点出现在屏幕第Ⅱ象限的最高点“1”点；当时间为“2”时，此时锯齿波电压和正弦波电压均为0，光点将会出现在屏幕中央的“2”点；当时间为“3”时，正弦波的负半周与正半周类似，此时正弦波电压为负半周到负的最大值，光点出现在屏幕第Ⅳ象限的最低点“3”点；当时间为“4”时，锯齿波电压和正弦波电压均为零，光点将会出现在屏幕的第“4”点。

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