数字示波器的原理

1. 电子示波器的原理与应用

电子示波器是一种综合性的电信号测试仪器，它能把眼睛看不见的电信号转换成能直接观察的波形，显示于荧光屏上。电子示波器实际上是一种时域测量仪器，用来观察信号随时间的变化关系，可用来测量电信号波形的形状、幅度、频率和相位等等。示波器种类很多，有通用示波器、多踪示波器、数字示波器等等。

电子示波器的主要特点是：

（1）能显示电信号的波形，便于观察波形的变化规律。

（2）测量灵敏度高，可测量幅度较小的信号，且具有较强的过载承受能力。

（3）输入阻抗较高，对被测网络的影响较小。

（4）工作频率高，响应速度快，便于观察波形瞬变的细节。

（5）具有X－Y工作方式，可描绘出任何两个量之间的函数关系。

本节首先介绍电子示波器的组成和基本原理, 在2.2节中介绍SS7804/7810型双踪示波器的主要技术指标和使用方法。

1.1 示波器显示波形的基本原理

一、示波器的基本组成

图1.1所示是常用示波器的结构示意框图。它主要由垂直系统、水平系统和示波管等三大部分组成。

Y输入

X输入

图1.1 示波器结构示意图

被测信号由Y输入端送至垂直系统，经内部Y轴放大电路放大后加至示波管的垂直偏转板，控制光点在荧光屏垂直方向上移动。水平系统中扫描信号发生器产生锯齿波电压（亦称时基信号），经放大后加至示波管的水平偏转板，控制光点在荧光屏水平方向上匀速运动。示波管用来显示被测信号的波形。加至示波管垂直偏转板上被测电压使光点垂直运动，加至水平偏转板上的锯齿波电压使光点沿水平方向匀速运动，二者合成，光点便在荧光屏上描绘出被测电压随时间变化的规律，即是被测电压波形。

二、示波管的结构及工作原理

示波管是示波器的核心部分，它的功能是把电信号转变为光信号。

示波管主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成，如图1.2所示。电子枪具有 产生电子和使电子聚集成束并加速的作用。偏转系统使电子束按电信号大小而偏转。电子束打在荧光物质上使之发光，这样荧光屏就把电子束的运动转换为光迹。这三部分 均封装于真空玻壳中。

（1）电子枪

电子枪包括灯丝F 、阴极K 、控制栅极G 、第一阳极A 1、第二阳极A 2和第三阳极A 3等。其中灯丝用来加热圆筒形阴极，使阴极发射电子。电子在控制栅极G （中间有一小圆孔的圆筒形）和第一阳极A 1所形成的电场作用下沿轴向运动，形成电子束。该电子束在控制栅附近聚集到一点O ，如图1. 3所示。控制栅极的电位比阴极低，调节控制栅极的电位，可控制发射电子的多少，从而调节荧光屏上光点的亮度。示波器面板上的“辉度”旋钮就是调节栅极

电压的。电子过O 点后，若无外力作用，将按直线运动，也就是过O 点后已聚集的电子又要散开，打到荧光屏上，显示的是模糊不清的一片亮光。这就需要将散开的电子到达荧光屏处再聚集成为一点，使荧光屏上产生一个小而圆的亮点。这个作用称为聚焦，聚焦作用是由A 1、A 2和A 3三个阳极共同来完成的。三个阳极均为圆筒形，A 1和A 3的圆筒内还有隔板，用

图1.2 示波管内部结构剖面图

荧光屏

偏转板

偏转板

三阳极 A 3

阳极 A 2

阳极 A 1制栅极 G

丝 F

极 K

来截获偏离轴线过大的电子。三个阳极的电位（A 1和A 3等电位）均比阴极高得多，而A 1和A 3的电位又高于A 2的电位，在A 1∼A 3之间形成特殊的电场分布，对电子束有聚焦作用。电子束经聚焦后达到荧光屏上的O ＇点，形成小圆亮点（见图1.3）。这种作用如同光学系统中的聚焦透镜，故此聚焦系统可等效为一电子透镜。

三个阳极中，A 1和A 3等电位，调节A 2的电位可改变焦距，使聚焦点O ＇恰好落在荧光屏上。A 2上没有隔板，不能获得电子，因此无电流流过A 2，这样当改变控制栅极电位时，改变发射电子的数量不会影响A 2的电位，也就是说改变“亮度”不影响“聚焦”

。示波器面板上“聚焦”旋钮就是用来调节A 2电压的。另外，A 3的电位比阴极的电位高得多，对电子起加速的作用，使打在荧光屏上的电子具有很大的动能，提高荧光屏上的光迹亮度。电子枪内几个电极供电的情况如图1.4所示。

（2）偏转系统

负高压

电 源

图1.4 电子枪电原理图

正高压电 源

偏转系统包括一对Y 偏转板和一对

X 偏转板，每对偏转板的两板相互平行，两对偏转板之间相互垂直。Y 偏转板控制电子束沿Y 轴方向上下运动，X 偏转板控制电子束沿X 轴方向左右移动。

下面以Y 偏转板为例，介绍偏转系统的工作原理。参见图1.5。电子经第三阳极后以一定的轴向速度V o 进入偏转板区域。

当偏转板所加的电压v Y 为下正上负时，它在偏转板区域内

产生近似匀强的下正上负的电场。电子在此电场的作用下垂直向下运动，速度为V Y 。具有初速度V o 的电子在偏转板匀强电场作用下的运动与物体在重力场作用下的平抛运动类似。电子按平抛运动到A 点后，脱离了偏转板的电场作用，按匀速直线运动到达荧光屏上的P 点，光点在荧光屏垂直方向（即Y 方向）上偏离中心的距离为y 。偏转距离y 决定于Y 偏转板所加电压v Y 。通常将偏转距离y 与偏转板上所加电压v Y 的比值（常数）称为垂直偏转因数D Y （cm /V ），即

y = D Y ×v Y (1.1)

偏转因数D Y 的倒数称为灵敏度S Y ，即S Y ＝1/ D Y (V/cm) ，表示光点在荧光屏垂直方向上偏移单位距离（1cm ）Y 偏转板所需施加的电压大小。简单推导，可得偏转因数D Y 的表达式

A3K

Y 2=

dV lL

D (1.2)

式中l 是偏转板的长度，L 是偏转板中点到荧光屏的距离，d 是两偏转板之间的距离，是第三阳极A A3K V 3与阴极K 之间的电压。

由此可见，D Y 是由管子结构和第三阳极相对于阴极之间的电压A3K V 所决定的。当管子结构已定，并给出了后，偏转因数D A3K V Y 即为一常数。若要提高D Y ，就需增加l 和L ，减少d 和。前者会使示波管尺寸增加，不利于小型化；后者会使偏转板间的电容量增大，影响示波器的高频响应特性；减小会影响聚焦，一方面增加了电子在偏转板区域中的渡越时间，示波器的响应速度变慢，另一方面会使打到荧光屏上的电子动能变小，光点变暗。为了能够减小，以提高D A3K V A3K V A3K V Y ，但又不至于引起上述副作用，特研制出了后加速示波管。这种示波管是在偏转板以后的管内壁上涂上螺旋式石墨层，石墨层上加高电压，以提高电子速度。

X 偏转板的工作原理与Y 偏转板完全相同，不再重述。 （3）荧光屏

荧光屏的内表面涂有荧光物质，荧光物质在高速电子的轰击下发光，形成光点。特别值得指出，在使用示波器时，不能让光点长时间停留在一点上，以免烧坏该点的荧光物质，以后在该点上留下不能发光的暗点。同样道理，也不能使光点或扫描线过亮。