为了控制电子束轰击荧光屏上的强度,也就是控制单位时间轰击荧光屏的电子数目,在阳极前面加一个零到几十伏特的调制极,其形状是一个开有小孔的金属罩,由于调制极电位比阴极要低,而且调制极的电位越低,穿过金属罩小孔的电子越少,亮度越弱。
调节调制极的电位,就能够改变荧光屏上光斑的亮度,这就是面板上“辉度”旋钮的作用。
(2)电聚焦
在两个第二阳极A2之间设有一个特殊形状的第一阳极,给第一阳极加上比第二阳极低的电位(例如第二阳极1200V,第一阳极255V),由于第一阳极和第二阳极之间有电位差,其特殊形状的电极构成电子透镜,如光学透镜能会聚光一样,电子透镜能会聚射向荧光屏的电子束。
电子透镜聚焦条件由第二阳极A2上的电位U2和第一阳极A1上的电位U1之比决定,调节聚焦U1和辅助聚焦U2就是调节两电位之比,这就是示波器的电聚焦原理。
(3)电偏转
由阴极热激发的电子经第二阳极加速后,在到达荧光屏之前,还要经过由水平偏转极板和垂直偏转极板所围成的空间。
在偏转极板上加上几十伏特的偏转电压。
当电子穿过偏转极中间时,由于受电场力的作用而使电子束偏离直线。
偏转电压越大,电场力越大,荧光屏上的亮点偏离荧光屏中心越远,这就是电偏转原理。
2.示波器的扫描原理
如果只在竖直偏转板(Y轴)上加一正弦波电压,则电子束将随电压的变化只在竖直方向上往复运动,由荧光屏上看到的是一条竖直亮线。
如图6-3所示。
要能显示波形,必须同时在水平偏转板加一扫描电压,使电子束的亮点沿水平方
向拉开。
这种扫描电压的特点应是:
电压随时间成线性关系增加到最大值,然后突然回到最小,此后再重复变化。
这种扫描电压随时间变化的关系曲线形同“锯齿”,故称为“锯齿波电压”,如图6-4所示。
如果只在水平偏转板上(X轴)加上这样的锯齿波电压,则电子束随电压的变化只在水平方向上往复运动,由荧光屏上看到的是一条水平亮线。
如图6-4所示为只在水平偏转板上加一锯齿波电压的情形。
如果在竖直偏转板上(Y轴)加正弦波电压,同时在水平偏转板上(X轴)加锯齿波电压,电子束同时受竖直和水平两个方向电场力的作用,电子的运动是两互相垂直运动的合成。
当锯齿波电压与正弦电压变化周期相等时,在荧光屏上能显示完整周期的正弦波电压的波形图,如图6-5所示为示波器显示正弦波形的原理图。
(1)连续扫描
如果正弦波和锯齿波电压的周期稍有不同,屏上出现的是移动着的不稳定图形。
这种情况可以用图6-6说明:
设X轴加的锯齿波电压的周期TX比Y偏转板上的正弦波电压周期TY稍小。
比如TX/TY=7/8,在第一扫描周期(第一个锯齿波)内,屏上显示正弦信号0-4点之间的曲线段;在第二周期(第二个锯齿波)内,显示4-8点之间的曲线段;在第三周期(第三个锯齿波)内,显示8-11点之间的曲线段。
其中第一个曲线段的结束和第二个曲线段的起点对应相同的Y偏转电压。
第二曲线段的尾部和第三曲线段的起点对应相同的Y偏转板电压。
这样,在屏上显示的波形不重迭,好象波形在向右移动。
如果TX和TY差别稍大一些,一个一个的波形由于荧光屏的余辉和人眼的视觉暂留,看到的是多个波形在屏上的迭加结果。
其原因是扫描电压的周期TX与被测信号的周期TY不相等或不成整数倍关系,以致于每次扫描的起点在Y轴上不相同。
为了获得稳定波形(单一波形),每次扫描在Y轴上应有相同的起点。
在连续扫描中,锯齿波的周期称为扫描周期,扫描周期TX和Y轴上被测信号周期TY之间应满足
(n是整数)
在示波器上设有扫描范围和扫描微调以及整步调节,用来调节TX,使之满足
。
从而在示波器上得到完全重迭的波形,看到的是单一稳定的波形。
称之为同步扫描。
上面所述的X轴锯齿波是一个紧接一个产生的,称为连续扫描方式。
(2)触发扫描方式
为了获得稳定波形(单一波形),每次扫描在Y轴上应有相同的起点。
在示波器的扫描方式中,另一种称为触发扫描方式:
在触发扫描方式中,X轴所加的锯齿波电压UX和Y轴所加的待测电压UY之间的关系如图6-7所示。
在触发扫描中。
锯齿波的起点由被测信号的某一斜率和电平点触发产生,一个锯齿波显示一屏,一个锯齿波结束后,等候待测信号UY相同的斜率和电平点再次触发产生下一个锯齿波。
由于每屏波形起点对应待测信号UY相同的斜率和电平(每屏有相同的起点),所以波形自然稳定(各屏重迭)。
3.X-Y方式:
李萨如图形
如果示波器的X轴和Y轴输入是频率相同或成整数比的两个正弦电压,则屏上将呈现特殊形状的光点的轨迹,这种轨迹称为李萨如图形。
频率比不同时,将形成不同的李萨如图形。
图6-8所示的是频率比成简单整数比的几组李萨如图形。
从图形中可总结出如下规律:
,其中
为水平线与轨迹相切的切点数,
为竖直线与轨迹相切的切点数。
利用李萨如图形能方便准确地比较两交变信号的频率。
4.示波器的测量原理
示波器除了能直观地显示之外,其测量内容可归结为两类:
电压和时间的测量,而电压和时间的测量最后都归结为屏上波形长度的测量。
(1)电压的测量
示波器屏上光点Y轴偏转距离DY正比于输入电压UY,比例系数KY称为电压偏转因数,有DY=KYUY,Y轴电压偏转因数KY的单位为:
V/div。
例如:
测电压峰—峰值时,峰-峰值占了3.6div,V/div档用0.1V/div,输入端用了10:
l衰减探头,则Vp-p=0.1V/div×3.6div×10=3.6V。
(2)时间的测量
在触发扫描方式的示波器中,每个锯齿波的长度是确定的(在连续扫描方式中锯齿波的长度不确定),也就是说,在触发扫描方式的示波器中,每一屏的时间是确定的。
利用波形在X轴上的长度,可以测量屏上波形两点之间的时间间隔。
在触发扫描方式时,示波器屏上光点X轴偏转距离DX正比于时间t,比例系数KS称为时基因数,有DX=KSt,时基因数KS的单位为:
s/div。
例如:
波形在X轴上的长度是4div,t/div档为2ms/div,则波形的周期:
T=2ms/div×4div=8ms
在触发扫描方式的示波器中,一般在出厂时Y轴的电压偏转因数和X轴扫描的时基因数都已标定了。
实验步骤
1.熟悉示波器上各开关、旋钮的作用。
接通电源,打开“电源”开关,指示灯亮,等待电子管预热一分钟左右,荧光屏上出现亮点。
调亮度旋钮“*”,使亮度适中,注意不应使亮度过强,更不能使强亮斑集中于一点,以免灼毁荧光屏。
调节聚焦“
”和辅助聚焦“
”旋钮,使亮斑成为小圆点(在X轴和Y轴均无信号输入的情况下)。
调节Y轴位移“↑↓”和X轴位移“
”旋钮,使亮点上下左右适中。
2.观察波形
将“电平”旋钮旋到“自动”位置,亮点展成一条横线。
调节低频信号发生器的输出幅度,用晶体管毫伏表测量它的有效值,使为1.00伏(或从低频信号发生器面板上的电压表读出)。
然后接到示波器的“Y轴输入”。
将耦合开关指向“AC”,触发信号开关(或整步选择)指向“内+”或“内-”,荧光屏上就出现规则不稳定的波形。
再调节“v/div”旋钮(或Y轴增幅和Y轴衰减),使波形幅度合适;调节“t/div”旋钮(或扫描范围),使波形宽度合适(有2至3个宽整波形)。
此时,波形可能走动,调节“电平”(或整步调节和扫描微调)使波形稳定。
改变几次低频信号发生器的输出幅度和频率,再调出n个稳定波形。
3.测量电压
测交流电压,调出待测电压的稳定波形,读出波形的波峰到波谷所占的分度和此时v/div档级的标称值,由此求得波形电压的峰----峰值。
换算为有效值。
4.测量频率
(1)先测出周期,然后得到频率。
调出待测周期信号的稳定波形,读出波形一个周期所占的分度和此时t/div档级的标称值,由此求得周期和频率。
并与低频信号发生器输出的频率相比较。
(2)利用李萨如图测量频率。
从X轴输入已知频率信号,从Y轴输入待测频率
,调节有关旋钮,并逐渐改变y轴的输入频率
,使
,算出
,并与低频信号发生器上的频率示值相比较。
5.测量两个正弦波的相位差
根据李萨如图形可以计算出相位差,如图6-9所示。
令
则y与x的相位差为
.假定波形在X轴线上的截距为2x0,则对X轴上的P点
图6-9相位差的计算
预习思考题
1.示波器有哪些主要部分组成,其主要作用是什么?
2.用示波器观察波形的主要步骤是什么?
3.怎样用示波器测电压、频率。
复习思考题
1.简要写出示波器面板上各旋钮的作用.
2.示波器能否精确测量电压、周期、频率和相位差?
为什么?
示波器的真正功能是什么?
附录ST-16型示波器简介
开,电源开关:
当此开关指向“开”时,指示灯灯亮,经预热一段时间后,仪器即可正常工作。
★,辉度调节装置:
它可以改变辉度的亮暗。
⊙,聚焦调节装置:
用以调节示波管中电子束的焦距,使其焦点恰好会聚在屏幕上,此时显现的光点应成为清晰的圆点。
○,辅助聚焦:
用以控制光点在有效工作面内的任何位置散焦最小,通常与聚焦调节装置同时配合协调使用。
↑↓,垂直位移:
用以调节屏幕上光点或信号波形在竖直方向上的位置。
,水平位移:
用以调节屏幕上光点或信号波形在水平方向上的位置。
Y:
垂直放大系统的输入插座。
垂直微调,用以连续改变垂直放大器增益。
V/div(垂直粗调),垂直输入灵敏度步进式选择开关:
可根据被测信号的电压幅度,选择适当的档级位置,以利观测。
当“微调”旋钮位于校准位置时,“V/div”档级的标称值即可视为示波器垂直输入的灵敏度。
第一档级的“
”为100mv的方波信号,供垂直输入灵敏度和水平时基扫速校准之用。
扫描微调,用以连续调节时基扫描速度。
t/div,时基扫速步进式选择开关:
可根据被测信号频率的高低,选择适当的档级以利观察。
当扫速“微调”旋针位于校准位置时,“t/div”档级的标称值即可视为时基扫描速度。
电平,用以调节触发信号波形上触发点的相应电平值,使在这一电平上启动扫描。
若将“电平”旋至满度到“自动”,此时扫描电路处于自激状态。
扫描电路在没有触发信号输入的情况下,也能自动进行扫描。
X
外触发,为水平信号或外触发信号的输入端。
DC
AC,垂直被测信号输入耦合方式转换开关“DC”输入端处于直流耦合状态;“AC”输入端处于交流耦合状态,此时被测信号中的直流分量被隔断,“
”输入端处于接地状态。
+-X外接,触发信号极性开关。
内电视场外,触发信号源选择开关。