示波器测电压的基本原理
示波器实现电压测量的基本原理
课程：电子测量技术
班级：电技11-1
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示波器实现电压测量的基本原理
电子技术在我们的生活中无所不在。每天都有上百万人使用
电子产品，例如手机、电视机和计算机。随着电子技术的进步，这些产品的工作速度也变得越来越快。如今，大多数电子产品都采用了高速数字技术。工程师需要可以精确设计和测试他们在高速数字产品中所使用的元器件的能力。他们在设计和测试元器件时所使用的仪器必须特别适合处理高速和高频的特性才行，而示波器正好是这样的一种仪器。
示波器是一种功能强大的工具，在设计和测试电子器件方面很有用。它们在您判定系统器件是否正常方面扮演极为重要的角色，而且还能帮助您确定新设计的元器件是否按照预想的方式进行工作。示波器的功能远比万用表更强大，因为它们可以让您观察电子信号的实际情况。
示波器的使用范围非常广泛，从汽车业到大学的研究实验室以及航空航天/ 国防产业等。许多公司都依赖示波器来发现瑕疵，以便制造出质量合格的产品。示波器在满足客户对更新颖和更优质的电子产品的需求方面，是绝对不可或缺的工具。
示波器的主要用途在于显示电子信号。通过观察示波器上显示的信号，您可以确定电子系统的某个元器件是否在正常工作。因此，要想了解示波器的工作方式，必须先要了解信号的基本原理。
示波器是一种综合性的电子图示测量仪器。它不但能测量电信号的幅度，而且能测量电信号的频率、周期和相位以及脉冲信号的上升时间、下降时间和脉宽等参数。通过各种传感器，示波
器还可用于测量温度、压力、光和声等方面的参数。示波器的种类很多，如通用示波器、取样示波器和逻辑示波器等。
1.示波管
通用模拟式示波器采用阴极射线示波管显示波形，示波管由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成。
1.1电子枪。电子枪的作用是产生和发射高速电子并形成很细的电子束，电子枪一般由灯丝F、阴极K、控制栅极G、第一阳极A1、第二阳极A2和后加速阳极A3等组成。阴极是一个表面涂有氧化物的金属圆筒，在灯丝的加热下，一部分电子脱离金属表面，变成自由电子，它在阳极电场的作用下形成电子流；控制栅极是顶端有孔的圆筒，套装在阴极外面，其电位比阴极电位低，调节栅极与阴极之间的电位差，可改变阴极射向荧光屏的电子密度，以控制荧光屏上光点的亮度。示波器面板上的辉度旋钮就是用来调节光点亮度的。
1.2X与Y偏转系统。为了显示出被测信号的波形，扫描电压和被测信号电压分别加在示波管X和Y偏转板上。扫描电压是与时间成正比的鋸齿波，即电子束在水平方向的偏转距离与时间成正比，它是示波器测量时间、周期等参数的原理依据。改变扫描电压的大小，可以调整显示波形的宽度。被测信号衰减后加在Y偏转板上，使电子束产生与信号电压成正比的偏移，这是示波器测量电压等参数的原理依据。改变Y偏转板上的信号电压大小，可以调整显示波形的幅度。电子束移过垂直方向上每个
分度对应的信号电压值称为垂直偏转因数。
1.3荧光屏。荧光屏是示波管的显示部分。荧光屏内壁涂有荧光物质，当荧光物质受到电子枪发射的高速电子束轰击时能发出光点，并维持一定的时间，该现象称为荧光物质的余辉现象。荧光粉材料决定了光迹的颜色及余辉时间。通用模拟式示波器一般采用中余辉（1～100ms）荧光粉，激发后的光迹颜色通常为人眼较为敏感的黄绿色。慢扫描示波器则常采用长余辉（100ms-1s）示波管。
2.波形显示原理
从上述示波管的工作原理分析可知，如果要求在荧光屏上显示正弦波，则正弦波信号经V放大器加到示波管的垂直偏转系统，使电子束的垂直偏转距离正比于正弦波信号的瞬时值，在示波管的水平偏转系统加一个随时间成线性变化的锯齿波电压信号，则电子束在水平方向偏移的距离正比于时间，因此在示波管的荧光屏上就会得到输入信号随时间变化的波形。
第二周期又进行同样的移动，只要保持每次移动的起点一样，荧光屏上就可以显示一个稳定的波形，使光点在X方向上移动的作用称为扫描，加在X偏转板上的锯齿波电压称为扫描电压。因为X偏转板上的锯齿波电压与时间呈线性关系，所以又称锯齿波电压为时间基准信号。当正弦波电压的周期与扫描电压的周期完全相等时，正弦波电压变化一个周期，光点正好扫描一次，电子束在每个扫描周期内荧光屏上就显示一个正弦电压波形，且
每次的图形完全重合。
3.扫描方式
示波器中的扫描是为了获得线性的时间基线，以便把被测的信号波形在时间轴上展开，从而把信号电压的变化作为一个时间函数描绘出来。
目前在时域测量中绝大多数都采用线性时基扫描。线性时基扫描可分为连续扫描和触发扫描两类。
3.1连续扫描。所谓连续扫描就是扫描电压是周期性的锯齿波电压，光点在屏幕上作连续扫描，也就是说，即使没有外加信号，在屏幕上也能显示一条时间基线。前面介绍的扫描即为连续扫描。
3.2触发扫描。当研究脉冲信号时，连续扫描一般就不适用了。因为在脉冲的持续时间与重复周期比很小的情况下，TX=TY时，荧光屏出现的脉冲波形集中在时间基线的起始部分，即图形在水平方向被压缩，以致难以看清脉冲波形的细节，特别是上升时间。触发扫描只是在被测脉冲到来时才扫描一次，因此，利用触发扫描可以在屏幕上扫出一个展宽的脉冲波形，而不显示出时间基线。
触发扫描可以用被测信号触发扫描发生器，当被测信号出现时，扫描发生器就产生扫描电压，被测信号为零时，扫描电压也为零，即扫描电压与被测信号保持严格的同步，以达到显示波形的稳定。具有触发扫描功能的示波器也称为同步示波器。
4.信号通道
4.1Y通道。示波器Y通道主要由输入电路、Y放大器等组成。Y通道的主要作用是将被测信号通过衰减器变换成为合适的信号幅度，并将其加到Y偏转板上，使显示的波形适于观测；同时产生一个同步信号，为X通道提供内触发信号源，使X通道的锯齿波扫描信号与被测信号同步。
4.2X通道。X通道（水平通道）主要包括触发电路、扫描电路及X放大器等。它的主要任务是控制、形成和放大锯齿波电压，使荧光屏稳定准确地显示出被测信号的波形。触发电路用来选择触发源并产生稳定可靠的触发信号，以触发产生稳定的扫描电压。
5.同步触发
触发信号控制同步触发电路，产生同步触发脉冲，启动扫描电路产生锯齿波。触发信号可以在内部信号、外接信号和电源信号三者之间选择。通常，测量一路信号或两路相关信号时，取内部信号为触发源；在比较两个信号时间关系时，可取外接信号为触发源；在观测电源纹波或判断电源干扰时，可取电源信号为触发源。触发信号经放大后送入整形电路，此时可以根据需要选择触发极性和触发电平。
6.示波器的双踪显示
通常双踪示波器同时显示两个被测波形是通过电子开关控制电路实现的，用单束示波管双通道示波器实现双踪显示的
原理是两路被测信号从各自通道通过电子开关，交替地作用于垂直偏转板上，借助于视觉暂留和荧光屏的余辉，就可以在荧光屏上同时看到两个被测信号。电子开关有交替和断续两种工作方式。
6.1交替工作方式是将输入的两个信号波形轮流地显示在荧光屏上，当扫描电路第一次扫描时，示波器显示出第一个波形，第二次扫描时显示第二个波形。以后的各次扫描，只是轮流地重复显示这两个波形。由于交替速度很快，视觉所见的第一次扫描的波形还未消失时，已见第二次扫描的波形。
6.2断续工作方式是在一次扫描过程中的第一个瞬间显示第一个被测信号波形的第一段，第二个瞬间显示出第二个被测信号波形的某一段，以后各个瞬间，轮流地显示出这两个被测波形的其余各段。经过这样若干次断续转换过程，由于断续转换频率很高，显示光点靠得很近，因此人们看到的波形仍然是连续的。