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  • 示波器的原理及使用方法说明

    文/ 发布于2017-07-11 浏览次数:1530

      示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像,便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束,打在涂有荧光物质的屏面上,就可产生细小的光点(这是传统的模拟示波器的工作原理)。在被测信号的作用下,电子束就好像一支笔的笔尖,可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线,还可以用它测试各种不同的电量,如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。

      示波器由电子管放大器、扫描振荡器、阴极射线管等部件组成,常用来测量交流电或脉冲电流波的形状。除此之外,还可以测定频率、电压强度等。凡可以变为电效应的周期性物理过程都可以用示波器进行观测。

      示波器从设计原理上分为模拟示波器和数字示波器两种,这个想必大家都清楚。最早出现的示波器为模拟示波器,而今由于带宽等问题,模拟示波器已经渐渐被淘汰,但我们还是先从模拟示波器的工作原理开始分析。

      开始工作后,模拟示波器内部会产生周期性的锯齿波信号来控制银光平电子枪的水平偏转,被测的电压信号经过放大后控制荧光屏电子枪的垂直偏转。这样一来,光斑或者亮线(即波形)就清楚的显示在荧光屏上。

      是不是很简单?从设计理念上来分析,模拟示波器有许多不可比拟的好处,例如信号波形不会丢失、不存在死区时间等。而数字示波器虽然一开始会存在这些问题,但随着现在电子技术的大力发展,这种瑕疵已经变得越来越小。下面,让我们来了解一下数字示波器的工作原理。

      从上图中我们可以看到,在数字示波器开始工作后,波形首先要通过探头,经由前端的放大器进行放大,之后由模数转换单元进行转换,进而存储到采集内存中,然后显示到显示器上。

      在这一整个过程中,你不难发现,波形并不是实时呈现在屏幕上的,而是经过采集内存之后又呈现在波形上的。因此如果整个采样和转换时间较长的话,就会产生较大的死区时间,所以在死区时间内的波形就无法观察到了。这也就是为什么很多人至今仍然坚持认为数字示波器不如模拟示波器好的原因所在。

      简单分析了两类示波器的原理之后,现在我们开始通过示波器的结构分析其的工作原理。

      示波器由示波管和电源系统、同步系统、X轴偏转系统、Y轴偏转系统、延迟扫描系统、标准信号源组成。

      1 .示波管

      阴极射线管(CRT)简称示波管,是示波器的核心。它将电信号转换为光信号。正如下图所示,电子枪、偏转系统和荧光屏三部分密封在一个真空玻璃壳内,构成了一个完整的示波管。

      2.荧光屏

      现在的示波管屏面通常是矩形平面,内表面沉积一层磷光材料构成荧光膜。在荧光膜上常又增加一层蒸发铝膜。高速电子穿过铝膜,撞击荧光粉而发光形成亮点。铝膜具有内反射作用,有利于提高亮点的辉度。铝膜还有散热等其他作用。

      当电子停止轰击后,亮点不能立即消失而要保留一段时间。亮点辉度下降到原始值的10%所经过的时间叫做“余辉时间”。余辉时间短于10μs为极短余辉, 10μs—1ms为短余辉,1ms—0.1s为中余辉,0.1s-1s为长余辉,大于1s为极长余辉。一般的示波器配备中余辉示波管,高频示波器选用短余辉,低频示波器选用长余辉。

      由于所用磷光材料不同,荧光屏上能发出不同颜色的光。一般示波器多采用发绿光的示波管,以保护人的眼睛。

      3.电子枪及聚焦

      电子枪由灯丝(F)、阴极(K)、栅极(G1)、前加速极(G2)(或称第二栅极)、第一阳极(A1)和第二阳极(A2)组成。它的作用是发射电子并形成很细的高速电子束。灯丝通电加热阴极,阴极受热发射电子。栅极是一个顶部有小孔的金属园筒,套在阴极外面。由于栅极电位比阴极低,对阴极发射的电子起控制作用,一般只有运动初速度大的少量电子,在阳极电压的作用下能穿过栅极小孔,奔向荧光屏。初速度小的电子仍返回阴极。如果栅极电位过低,则全部电子返回阴极,即管子截止。调节电路中的W1电位器,可以改变栅极电位,控制射向荧光屏的电子流密度,从而达到调节亮点的辉度。第一阳极、第二阳极和前加速极都是与阴极在同一条轴线上的三个金属圆筒。前加速极G2与A2相连,所加电位比A1高。G2的正电位对阴极电子奔向荧光屏起加速作用。

      电子束从阴极奔向荧光屏的过程中,经过两次聚焦过程。第一次聚焦由K、G1、G2完成,K、K、G1、G2叫做示波管的第一电子透镜。第二次聚焦发生在G2、A1、 A2区域,调节第二阳极A2的电位,能使电子束正好会聚于荧光屏上的一点,这是第二次聚焦。A1上的电压叫做聚焦电压,A1又被叫做聚焦极。有时调节A1 电压仍不能满足良好聚焦,需微调第二阳极A2的电压,A2又叫做辅助聚焦极。

      4.偏转系统

      偏转系统控制电子射线方向,使荧光屏上的光点随外加信号的变化描绘出被测信号的波形。图8.1中,Y1、Y2和Xl、X2两对互相垂直的偏转板组成偏转系统。Y轴偏转板在前,X轴偏转板在后,因此Y轴灵敏度高(被测信号经处理后加到Y轴)。两对偏转板分别加上电压,使两对偏转板间各自形成电场,分别控制电子束在垂直方向和水平方向偏转。

      5.示波管的电源

      为使示波管正常工作,对电源供给有一定要求。规定第二阳极与偏转板之间电位相近,偏转板的平均电位为零或接近为零。阴极必须工作在负电位上。栅极G1相对阴极为负电位(—30V~—100V),而且可调,以实现辉度调节。第一阳极为正电位(约+100V~+600V),也应可调,用作聚焦调节。第二阳极与前加速极相连,对阴极为正高压(约+1000V),相对于地电位的可调范围为±50V。由于示波管各电极电流很小,可以用公共高压经电阻分压器供电。

      被测信号①接到“Y"输入端,经Y轴衰减器适当衰减后送至Y1放大器(前置放大),推挽输出信号②和③。经延迟级延迟Г1时间,到Y2放大器。放大后产生足够大的信号④和⑤,加到示波管的Y轴偏转板上。为了在屏幕上显示出完整的稳定波形,将Y轴的被测信号③引入X轴系统的触发电路,在引入信号的正(或者负)极性的某一电平值产生触发脉冲⑥,启动锯齿波扫描电路(时基发生器),产生扫描电压⑦。由于从触发到启动扫描有一时间延迟Г2,为保证Y轴信号到达荧光屏之前X轴开始扫描,Y轴的延迟时间Г1应稍大于X轴的延迟时间Г2。扫描电压⑦经X轴放大器放大,产生推挽输出⑨和⑩,加到示波管的X轴偏转板上。z轴系统用于放大扫描电压正程,并且变成正向矩形波,送到示波管栅极。这使得在扫描正程显示的波形有某一固定辉度,而在扫描回程进行抹迹。

      双踪显示则是利用电子开关将Y轴输入的两个不同的被测信号分别显示在荧光屏上。由于人眼的视觉暂留作用,当转换频率高到一定程度后,看到的是两个稳定的、清晰的信号波形。

      示波器中往往有一个精确稳定的方波信号发生器,供校验示波器用。

      分析完了示波器的结构,下面我们再从示波器的功能来分析一下其的原理。

      ①波形显示原理

      示波器波形显示的原理是利用显示在示波器上的波形幅度的相对大小来反映加在示波器Y偏转极板上的电压最大值的相对大小,从而反映出电磁感应中所产生的交变电动势的最大值的大小。当一个直流电压加到一对偏转板上时,将使光点在荧光屏上产生一个固定位移,该位移的大小与所加直流电压成正比。如果分别将两个直流电压同时加到垂直和水平两对偏转板上,则荧光屏上的光点位置就由两个方向的位移所共同决定。

      为了使荧光屏上的形稳定,被测信号电压的频率应与锯齿波电压的频率保持整数比的关系,即同步关系。为了实现这一点,就要求锯齿波电压的频率连续可调,以便适应观察各种不同频率的周期信号。

      ②双线示波原理

      在电子实践技术过程中,常常需要同时观察两种信号随时间变化的过程。并对这些不同信号进行电参量的测试和比较。为了达到这个目的,人们在应用普通示波器原理的基础上,采用了以下两种同时显示多个波形的方法:一种是双线示波法;另一种是双踪示波法。

      双线示波器是采用双枪示波管来实现的。双枪示波管有两个互相独立的电子枪产生两束电子。另有两组互相独立的偏转系统,它们各自控制一束电子作上下、左右的运动。荧光屏是共用的,因而屏上可以同时显示出两种不同的电信号波形,双线示波也可以采用单枪双线示波管来实现。

      ③双踪示波原理

      双踪示波是在单线示波器的基础上,增设一个专用电子开关,用它来实现两种波形的分别显示。由于实现双踪示波比实现双线示波来得简单,不需要使用结构复杂、价格昂贵的“双腔”或“多腔”示波管,所以双踪示波获得了普遍的应用。

      为了保持荧光屏显示出来的两种信号波形稳定,则要求被测信号频率、扫描信号频率与电子开关的转换频率三者之间必须满足一定的关系。首先,两个被测信号频率与扫描信号频率之间应该是成整数比的关系,也就是要求“同步”。此外,还必须合理地选择电子开关的转换频率,使得在示波器上所显示的波形个数合适,以便于观察。

      看完了上面的文章,是不是对示波器已经有了一定的了解了呢。

      示波器的使用方法:

      电压的测量

      利用示波器所做的任何测量,都是归结为对电压的测量。示波器可以测量各种波形的电压幅度,既可以测量直流电压和正弦电压,又可以测量脉冲或非正弦电压的幅度。更有用的是它可以测量一个脉冲电压波形各部分的电压幅值,如上冲量或顶部下降量等。这是其他任何电压测量仪器都不能比拟的。

      1.直接测量法

      所谓直接测量法,就是直接从屏幕上量出被测电压波形的高度,然后换算成电压值。定量测试电压时,一般把Y轴灵敏度开关的微调旋钮转至“校准”位置上,这样,就可以从“V/div”的指示值和被测信号占取的纵轴坐标值直接计算被测电压值。所以,直接测量法又称为标尺法。

      (1)交流电压的测量

      将Y轴输入耦合开关置于“AC”位置,显示出输入波形的交流成分。如交流信号的频率很低时,则应将Y轴输入耦合开关置于“DC”位置。

      将被测波形移至示波管屏幕的中心位置,用“V/div”开关将被测波形控制在屏幕有效工作面积的范围内,按坐标刻度片的分度读取整个波形所占Y轴方向的度数H,则被测电压的峰-峰值VP-P可等于“V/div”开关指示值与H的乘积。如果使用探头测量时,应把探头的衰减量计算在内,即把上述计算数值乘10。

      例如示波器的Y轴灵敏度开关“V/div”位于0.2档级,被测波形占Y轴的坐标幅度H为5div,则此信号电压的峰-峰值为1V。如是经探头测量,仍指示上述数值,则被测信号电压的峰-峰值就为10V。

      (2)直流电压的测量

      将Y轴输入耦合开关置于“地”位置,触发方式开关置“自动”位置,使屏幕显示一水平扫描线,此扫描线便为零电平线。

      将Y轴输入耦合开关置“DC”位置,加入被测电压,此时,扫描线在Y轴方向产生跳变位移H,被测电压即为“V/div”开关指示值与H的乘积。

      直接测量法简单易行,但误差较大。产生误差的因素有读数误差、视差和示波器的系统误差(衰减器、偏转系统、示波管边缘效应)等。

      2.比较测量法

      比较测量法就是用一已知的标准电压波形与被测电压波形进行比较求得被测电压值。

      将被测电压Vx输入示波器的Y轴通道,调节Y轴灵敏度选择开关“V/div”及其微调旋钮,使荧光屏显示出便于测量的高度Hx并做好记录,且“V/div”开关及微调旋钮位置保持不变。去掉被测电压,把一个已知的可调标准电压Vs输入Y轴,调节标准电压的输出幅度,使它显示与被测电压相同的幅度。此时,标准电压的输出幅度等于被测电压的幅度。比较法测量电压可避免垂直系统引起和误差,因而提高了测量精度。

      时间的测量

      示波器时基能产生与时间呈线性关系的扫描线,因而可以用荧光屏的水平刻度来测量波形的时间参数,如周期性信号的重复周期、脉冲信号的宽度、时间间隔、上升时间(前沿)和下降时间(后沿)、两个信号的时间差等等。

      将示波器的扫速开关“t/div”的“微调”装置转至校准位置时,显示的波形在水平方向刻度所代表的时间可按“t/div”开关的指示值直读计算,从而较准确地求出被测信号的时间参数。

      相位的测量

      利用示波器测量两个正弦电压之间的相位差具有实用意义,用计数器可以测量频率和时间,但不能直接测量正弦电压之间的相位关系。利用示波器测量相位的方法很多,下面,仅介绍几种常用的简单方法。

      双踪法

      双踪法是用双踪示波器在荧光屏上直接比较两个被测电压的波形来测量其相位关系。测量时,将相位超前的信号接入YB通道,另一个信号接入YA通道。选用YB触发。调节“t/div”开关,使被测波形的一个周期在水平标尺上准确地占满8div,这样,一个周期的相角360°被8等分,每1div相当于45°。读出超前波与滞后波在水平轴的差距T,按下式计算相位差φ:

      φ=45°/div×T(div)

      如T==1.5div ,则φ=45°/div×1.5div=67.5°

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