通用模拟示波器的工作原理简介

1.通用模拟示波器的基本组成和原理

示波器由示波管及电源系统、垂直扫描系统、水平扫描系统、延迟扫描系统、标准信号源组成。

(1)示波管及电源系统

示波器的核心是示波管,也就是阴极射线管(CRT),其作用是将电信号转换为光信号。示波管由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分密封在一个真空玻璃壳内构成。结构图如2.2.1所示。

图2.2.1　示波管的结构

(2)荧光屏及其特点

示波管末端的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,也有利于散热。

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%所经过的时间称为“余辉时间”。余辉时间短于10μs为极短余辉,10μs～1 ms为短余辉,1 ms～0.1 s为中余辉,0.1～1 s为长余辉,大于1 s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圆筒,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向荧光屏运动。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RW1电位器,可以改变栅极电位,控制射向荧光屏的电子流密度,从而可以调节亮点的“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向荧光屏的运动起加速作用。电子束从阴极向荧光屏运动的过程中,经过两次聚焦过程。第一次聚焦由K、G1、G2完成,K、G1、G2称为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上的电压称为聚焦电压,A1又被称为聚焦极。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又称为做辅助聚焦极。

(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2.2.1中Y1、Y2和X1、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。

图2.2.2　偏转系统工作原理

下面以Y偏转板为例,介绍偏转系统的工作原理。参见图2.2.2,电子经第三阳极后以一定的轴向速度Vo进入偏转板区域,当偏转板所加的电压UY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VY。具有初速度Vo的电子在偏转板匀强电场作用下的运动与物体在重力场中的平抛运动类似。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S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Uy。通常将偏转距离y与偏转板上所加电压UY的比值(常数)称为垂直灵敏度Sy,即

X偏转板的工作原理与Y偏转板完全相同。

(5)示波管的电源

为使示波管正常工作,示波管的电源供给需满足一定的要求: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(-30～-100 V),而且可调,以实现辉度调节;第一阳极为正电位(+100～+600 V)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+1 000 V),相对于地电位的可调范围为±50 V。

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。

2.示波器基本工作原理

图2.2.3给出示波器的基本组成框图。从图中可以看到被测信号①接到Y输入端,经Y轴衰减器得到适当衰减,然后送至Y1放大器(前置放大),得到推挽输出信号②和③,经延迟级延迟一定时间T1后,进入Y2放大器被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稳定的波形,将Y轴的信号③引入X轴系统的触发电路(触发方式选择“内”),在信号③的正极性或者负极性的某一电平值(触发电平)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T2,为保证Y轴信号到达Y偏转板之前X轴开始扫描,Y轴的延迟时间T1应稍大于X轴的延迟时间T2。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。

图2.2.3　示波器基本组成框图

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,使得在扫描正程显示的波形有某一固定辉度,而在扫描回程则进行抹迹。

示波器中还有一个精确稳定的方波信号发生器,用于产生校准信号,供校验示波器用。

以上是示波器的基本工作原理。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。

3.波形显示原理

通常示波器是观察被测电压信号的波形,即Vy=f(t)的图形。要求荧光屏上不失真地呈现VY=f(t),则要求垂直偏转距离y正比于VY,水平偏转距离x正比于时间t。由于y=Sy×VY,因此只要将被测电压直接加到Y偏转板上,就可以使y正比于VY。同样由于x=Sx·VX,只要水平偏转板上所加电压VX是随时间线性变化的波形,就可以使光点在荧光屏水平方向上匀速运动,即偏转距离x正比于时间T。VX的波形如图2.2.4所示,称为锯齿波电压或线性扫描电压。其中,Tf为扫描正程时间,Tb为扫描逆程时间,T为扫描周期,VXm为扫描电压幅度。产生扫描电压的电路称为锯齿波发生器或扫描电压发生器,波形显示原理如图2.2.5所示。

下面以VY为正弦波的情况为例,解释示波器是如何在荧光屏上形成图形的,参见图2.2.6的示意图。

设VX的周期T等于正弦信号VY的周期TY。当t=0时,VY=0,VX=0,光点在荧光屏的上0点。t=t1时,VY=VYm,VX=VX1,这两个电压同时作用,使光点在垂直方向上移动距离y=Y1,在水平方向移动距离x=X1,光点落在荧光屏的1点。同理,在t2、t3和t4时刻,光点落在荧光屏的2点、3点和4点,t从t4变到t5时,VY从VY4变到0,而VX从最大值VXm变到0,使光屏上的光点从4点运动到5点(也是下一个0点),即又回到原点位置。下一个周期重复上述过程,如此循环下去,光点运动反复多次,荧光屏上便显示出明亮而稳定的正弦波形。

图2.2.4　扫描电压波形

图2.2.5　波形显示原理

图2.2.6　荧光屏成图原理(www.xing528.com)

当被测电信号的周期确定后,可改变扫描电压的周期T,来改变荧光屏上显示图形的周期数。例如,T=2TY时,荧光屏上显示两个周期的图形,如图2.2.7所示。同理,当T=n TY时荧光屏上会显示出n个周期的图形(n为整数)。

以上分析表明,扫描电压的幅度VXm决定了荧光屏上显示图形在水平方向上的宽度,而扫描电压的周期T决定了显示波形的周期数。

还需要指出,扫描电压在扫描正程时间内的线性是一项十分重要的技术指标。在扫描正程时间内,若扫描电压随时间严格按线性规律变化,则电子束在水平方向上的运动是匀速的,电子束从左到右的扫描速度均相等,显示的波形不会失真。如果扫描电压不是随时间线性变化,电子束在水平方向上的运动不是匀速的,从左到右的扫描速度不等,扫描速度快的地方,波形在水平方向上变疏,扫描速度慢的地方,波形则变密。因此,对扫描信号发生器的基本要求是能输出频率、幅度均可调节,且具有良好线性的锯齿波信号。

图2.2.7　当T=2TY时的显示

4.示波器探头

(1)示波器探头的结构与原理

示波器垂直输入端的输入阻抗是有限的,可以等效于输入电阻Ri(如1 MΩ)和输入电容Ci(如几十p F)的并联。将示波器的垂直输入端通过电缆接于被测电路中,示波器的输入阻抗和电缆的分布电容(可达几十或几百p F)就成了被测电路的负载,并联接在测试点上就会对被测电路产生影响。

例如,用示波器测量放大电路的幅频特性时,可能使测得的fH比实际的要小;用示波器测量脉冲波形时,示波器的输入电容Ci就会影响脉冲波形的上升时间和下降时间。为了减小示波器输入阻抗的不良影响,专门设计了示波器探头。

示波器探头是示波器的重要附件之一,其结构如图2.2.8(a)所示。

图2.2.8　示波器探头的结构及其等效电路

由图可见,电阻R1、电容C1和开关三者形成并联电路,装在有金属屏蔽作用的外壳里。该并联电路一端接探针,另一端经电缆接电缆插头,以便连接到示波器的Y轴输入端。其等效电路如图2.2.8(b)所示。图中Ri是示波器的输入电阻,Ci是示波器的输入电容,Co是包括电缆电容在内的分布电容,Cx为调整补偿的可变电容。当开关S断开时,电路构成一个衰减器。若令C2=Ci+Co+Cx,则当满足R1C1=Ri C2时,分压比为

可见分压比k的大小决定于电阻R1、Ri,与频率无关。这时从探针处看入的输入电阻为R=R1+Ri=k Ri,输入电容为C=C2/k。即接入探头后其输入电阻将增大k倍,而输入电容减小到原来的1/k,所以对被测电路的影响就要小得多。

一般情况下,将探头的衰减选择开关拨到“×10”位置(开关S断开)时,分压比k设为10∶1,若示波器的输入电阻为1 MΩ,输入电容(包括电缆的分布电容等)约为200 p F,接入探头后的输入电阻增大至10 MΩ,输入电容减少至约20 p F。

当探头的衰减开关拨到“×1”位置时,探头内部的开关S闭合,信号直通送到示波器的输入端,此时由探头的探针处看入的输入电阻即为示波器的输入电阻(如1 MΩ),输入电容即为示波器的输入电容和电缆的分布电容的等效电容,可达几百p F。可见用“×1”挡测量时对测量结果产生的影响更大。

(2)探头补偿的调整

在使用示波器探头进行测量前,或者更换示波器探头时,必须对探头的补偿进行检查和调整,使之处于最佳补偿状态。一般是以示波器的校准信号〔如图2.2.9(a)所示〕作为标准信号。

将探头的衰减开关拨到“×10”挡,探头接到示波器的校准信号“CAL”上,调节探头的补偿电容Cx,使所显示的波形与图2.2.9(a)所示波形相同,即达到了最佳补偿状态。如果电路元件参数为R1C1<Ri C2,探头处于欠补偿状态,显示的波形则如图2.2.9(b)所示,波形边缘变圆滑,表明到达示波器输入端的信号的高频分量遭到损失。如果元件参数为R1C1>Ri C2,到达示波器输入端的信号的高频分量过大,显示波形如图2.2.9(c)所示,波形的跳变边沿出现过冲,探头处于过补偿状态。欠补偿和过补偿均会对测量结果产生影响。

图2.2.9　示波器的探头补偿效果

5.示波器的多波形显示

在实际应用中,常常需要同时观察几个信号的波形。为实现这个目的,目前普遍使用多踪示波器。多踪示波器是在单踪示波器的基础上,利用一个专用电子开关快速切换多个通道的输入信号,从而实现多个波形的同时显示。

典型的双踪示波器工作原理如图2.2.10所示。电子开关轮流选通1通道和2通道,其输入信号v1,v2按一定的时间分割,被轮流送到垂直偏转板,在荧光屏上显示出它们的波形。电子开关的工作方式有“交替”和“断续”两种。

图2.2.10　双踪显示示意图

(1)“交替”显示

如图2.2.11所示,在第一个扫描周期,切换控制信号使电子开关接通1通道的信号,荧光屏显示该时间内1通道的输入信号的波形。第二个扫描周期,切换控制信号使电子开关接通2通道的信号,荧光屏上显示2通道的输入信号的波形,如此重复。如果被测信号频率比较高,利用荧光屏的余辉与人眼的视觉暂留效应,就会看到荧光屏上同时显示出两个波形。

图2.2.11　“交替”显示

显然,电子开关处于“交替”工作方式时,电子开关的转换频率与扫描信号的频率相等,即开关信号与扫描信号同步。所以,当被测信号频率较低(如低于25 Hz)时,由于交替显示的速率很慢,图形将出现闪烁。这种情况下可以采用“断续”方式工作,改善显示闪烁的状况。

(2)“断续”显示

“断续”显示原理如图2.2.12所示,此时电子开关将一个扫描正程分成许多小的时间间隔,依次使1通道和2通道轮流接通,即对两路被测信号波形轮流进行实时采样显示。这样就在荧光屏上得到两条由若干个取样光点构成的“断续”的波形。由于电子开关转换速率很高,实际上在荧光屏上已经看不到波形的“断续”现象,看到的信号波形已经是连续的了。

图2.2.12　“断续”显示

为确保显示波形稳定,无论是“交替”方式还是“断续”方式,都要求被测信号频率、扫描信号频率与电子开关转换频率三者之间必须满足一定的关系。

首先,两个被测信号的频率与扫描信号的频率应该成整数倍的关系,即必须“同步”,这一点与单踪示波器相同,只是现在被测信号是两个而扫描信号是一个。在实际应用时,扫描信号是由两通道中的一个信号产生同步的,所以同步信号必须从周期长的信号通道来提取。

其次,“交替”显示方式时,为使屏幕不产生闪烁,交替转换频率必须高于100 Hz,而处于“断续”转换方式时,电子开关的转换频率要远高于扫描信号的频率。