示波器的工作原理

       在数字电路实验中，需要使用多种仪器来观察实验现象和结果。常用的电子测量仪器有万用表、逻辑笔、普通示波器、存储示波器、逻辑分析仪等。万用表和逻辑笔使用简单，而逻辑分析仪和存储示波器在数字电路教学实验中使用不多。示波器是一种应用广泛且相对复杂的仪器。本章从使用的角度介绍示波器的原理和用法。

　　一、示波器的工作原理

　　示波器是利用电子示波管的特性，将人眼不能直接观察到的交流电信号转换成图像，并显示在荧光屏上进行测量的电子测量仪器。是观察数字电路实验现象、分析实验问题、测量实验结果不可缺少的重要仪器。示波器由示波管、电源系统、同步系统、X轴偏转系统、Y轴偏转系统、延迟扫描系统和标准信号源组成。

　　1.1、示波管

　　阴极射线管是示波器的核心。它将电信号转换成光信号。如图1所示，电子枪、偏转线圈和荧光屏密封在一个真实的空玻璃外壳中，形成一个完整的示波管。

　　1.荧光屏

　　目前示波管的屏幕通常为矩形平面，内表面沉积一层磷光材料，形成荧光膜。荧光膜上常加一层蒸镀铝膜。电子高速穿过铝膜，撞击荧光粉发光形成亮点。铝膜有内反射，有利于提高亮点亮度。铝膜还有散热等其他功能。

　　当电子停止轰击时，亮点不可能马上消失，应该会保持一段时间。亮度降至初始值10%后的时间称为“余辉时间”。余辉短于10μs为极短余辉，10μ s-1ms为短余辉，1ms—0.1s为中等余辉，0.1s-1s为长余辉，1s以上为极长余辉。一般示波器都配有中余辉示波管，高频示波器使用短余辉，低频示波器使用长余辉。

　　由于使用了不同的磷光材料，在荧光屏上可以发出不同颜色的光。示波器一般使用发出绿光的示波管来保护人的眼睛。

　　2.电子枪和聚焦

　　电子枪由灯丝(F)、阴极(K)、栅极(G1)、前加速电极(G2)(或第二栅极)、第一阳极(A1)和第二阳极(A2)组成。它的作用是发射电子，形成精细的高速电子束。灯丝加热阴极，阴极受热放出电子。栅极是顶部有小孔的金属圆柱体，套在阴极外面。因为栅极电位低于阴极电位，所以可以控制阴极发射的电子。一般只有少量初速度高的电子能在阳极电压的作用下穿过栅孔冲到荧光屏上。初速度低的电子仍然返回阴极。如果栅极电位太低，所有的电子都会回到阴极，也就是管会被切断。通过调节电路中的W1电位器，可以改变栅极电位，控制发射到荧光屏上的电子流密度，从而调节亮点的亮度。第一阳极、第二阳极和前加速电极都是与阴极同轴的三个金属圆柱体。前加速电极G2连接到A2，并且施加的电势高于A1。G2的正电势加速阴极电子到荧光屏。

　　当电子束从阴极射向荧光屏时，它经历了两次聚焦过程。第一次聚焦是由K、G1和G2完成的，它们被称为示波管的第一电子透镜。第二次聚焦发生在区域G2、A1和A2。调节第二阳极A2的电位可以使电子束会聚在屏幕上的一点，这就是第二次聚焦。A1上的电压称为聚焦电压，A1也称为聚焦极。有时，调节节点A1的电压仍然不能满足良好聚焦的要求，因此需要微调第二阳极A2的电压，第二阳极A2也称为辅助聚焦电极。

　　3.偏转系统

　　偏转系统控制电子射线的方向，使荧光屏上的光点描绘出被测信号随外加信号变化的波形。在图8.1中，两对互相垂直的偏转板Y1、Y2、x1和X2构成一个偏转系统。Y轴偏转板在前，X轴偏转板在后，所以Y轴灵敏度高(测量信号经过处理后加到Y轴上)。两对偏转板分别加电压，使两对偏转板之间形成电场，分别控制电子束在垂直方向和水平方向的偏转。

　　4.示波管电源

　　为了使示波管正常工作，对电源有一定的要求。规定第二阳极与偏转板之间的电位相近，偏转板的平均电位为零或接近零。阴极必须在负电位下工作。栅极G1相对于阴极为负电位(-30V ~-100v)，可以通过调节来实现亮度调节。第一个阳极处于正电位(大约+100V~+600V)，这个电位应该也是可调的，用于调焦。第二阳极与前加速电极相连，阴极为正高压(约+1000V)，相对于地电位的可调范围为50V V，由于示波管各电极电流很小，所以可以通过电阻分压器由普通高压供电。