示波器的基本構(gòu)成和各構(gòu)成的作用如下:
【顯示電路】
顯示電路包括示波管及其控制電路兩個部分。示波管是一種特殊的電子管,是示波器一個重要組成部分。示波管由電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏3個部分組成。
?。?)電子槍
電子槍用于產(chǎn)生并形成高速、聚束的電子流,去轟擊熒光屏使之發(fā)光。它主要由燈絲F、陰極K、控制極G、第一陽極A1、第二陽極A2組成。除燈絲外,其余電極的結(jié)構(gòu)都為金屬圓筒,且它們的軸心都保持在同一軸線上。陰極被加熱后,可沿軸向發(fā)射電子;控制極相對陰極來說是負(fù)電位,改變電位可以改變通過控制極小孔的電子數(shù)目,也就是控制熒光屏上光點(diǎn)的亮度。為了提高屏上光點(diǎn)亮度,又不降低對電子束偏轉(zhuǎn)的靈敏度,現(xiàn)代示波管中,在偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏之間還加上一個后加速電極A3。
第一陽極對陰極而言加有約幾百伏的正電壓。在第二陽極上加有一個比第一陽極更高的正電壓。穿過控制極小孔的電子束,在第一陽極和第二陽*電位的作用下,得到加速,向熒光屏方向作高速運(yùn)動。由于電荷的同性相斥,電子束會逐漸散開。通過第一陽極、第二陽極之間電場的聚焦作用,使電子重新聚集起來并交匯于一點(diǎn)。適當(dāng)控制第一陽極和第二陽極之間電位差的大小,便能使焦點(diǎn)剛好落在熒光屏上,顯現(xiàn)一個光亮細(xì)小的圓點(diǎn)。改變第一陽極和第二陽極之間的電位差,可起調(diào)節(jié)光點(diǎn)聚焦的作用,這就是示波器的“聚焦”和“輔助聚焦”調(diào)節(jié)的原理。第三陽極是示波管錐體內(nèi)部涂上一層石墨形成的,通常加有很高的電壓,它有三個作用:①使穿過偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)以后的電子進(jìn)一步加速,使電子有足夠的能量去轟擊熒光屏,以獲得足夠的亮度;②石墨層涂在整個錐體上,能起到屏蔽作用;③電子束轟擊熒光屏?xí)a(chǎn)生二次電子,處于高電位的A3可吸收這些電子。
(2)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)
示波管的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)大都是靜電偏轉(zhuǎn)式,它由兩對相互垂直的平行金屬板組成,分別稱為水平偏轉(zhuǎn)板和垂直偏轉(zhuǎn)板。分別控制電子束在水平方向和垂直方向的運(yùn)動。當(dāng)電子在偏轉(zhuǎn)板之間運(yùn)動時(shí),如果偏轉(zhuǎn)板上沒有加電壓,偏轉(zhuǎn)板之間無電場,離開第二陽極后進(jìn)入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的電子將沿軸向運(yùn)動,射向屏幕的中心。如果偏轉(zhuǎn)板上有電壓,偏轉(zhuǎn)板之間則有電場,進(jìn)入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的電子會在偏轉(zhuǎn)電場的作用下射向熒光屏的位置。
如果兩塊偏轉(zhuǎn)板互相平行,并且它們的電位差等于零,那么通過偏轉(zhuǎn)板空間的,具有速度υ的電子束就會沿著原方向(設(shè)為軸線方向)運(yùn)動,并打在熒光屏的坐標(biāo)原點(diǎn)上。如果兩塊偏轉(zhuǎn)板之間存在著恒定的電位差,則偏轉(zhuǎn)板間就形成一個電場,這個電場與電子的運(yùn)動方向相垂直,于是電子就朝著電位比較高的偏轉(zhuǎn)板偏轉(zhuǎn)。這樣,在兩偏轉(zhuǎn)板之間的空間,電子就沿著拋物線在這一點(diǎn)上做切線運(yùn)動。最后,電子降落在熒光屏上的A點(diǎn),這個A點(diǎn)距離熒光屏原點(diǎn)(0)有一段距離,這段距離稱為偏轉(zhuǎn)量,用y表示。偏轉(zhuǎn)量y與偏轉(zhuǎn)板上所加的電壓Vy成正比。同理,在水平偏轉(zhuǎn)板上加有直流電壓時(shí),也發(fā)生類似情況,只是光點(diǎn)在水平方向上偏轉(zhuǎn)。
(3)熒光屏
熒光屏位于示波管的終端,它的作用是將偏轉(zhuǎn)后的電子束顯示出來,以便觀察。在示波器的熒光屏內(nèi)壁涂有一層發(fā)光物質(zhì),因而,熒光屏上受到高速電子沖擊的地點(diǎn)就顯現(xiàn)出熒光。此時(shí)光點(diǎn)的亮度決定于電子束的數(shù)目、密度及其速度。改變控制極的電壓時(shí),電子束中電子的數(shù)目將隨之改變,光點(diǎn)亮度也就改變。在使用示波器時(shí),不宜讓很亮的光點(diǎn)固定出現(xiàn)在示波管熒光屏一個位置上,否則該點(diǎn)熒光物質(zhì)將因長期受電子沖擊而燒壞,從而失去發(fā)光能力。
涂有不同熒光物質(zhì)的熒光屏,在受電子沖擊時(shí)將顯示出不同的顏色和不同的余輝時(shí)間,通常供觀察一般信號波形用的是發(fā)綠光的,屬中余輝示波管,供觀察非周期性及低頻信號用的是發(fā)橙黃色光的,屬長余輝示波管;供照相用的示波器中,一般都采用發(fā)藍(lán)色的短余輝示波管。由于示波管的偏轉(zhuǎn)靈敏度甚低,例如常用的示波管13SJ38J型,其垂直偏轉(zhuǎn)靈敏度為0.86mm/V(約12V電壓產(chǎn)生1cm的偏轉(zhuǎn)量),所以一般的被測信號電壓都要先經(jīng)過垂直放大電路的放大,再加到示波管的垂直偏轉(zhuǎn)板上,以得到垂直方向的適當(dāng)大小的圖形。
【Y軸放大電路】
由于示波管水平方向的偏轉(zhuǎn)靈敏度也很低,所以接入示波管水平偏轉(zhuǎn)板的電壓(鋸齒波電壓或其它電壓)也要先經(jīng)過水平放大電路的放大以后,再加到示波管的水平偏轉(zhuǎn)板上,以得到水平方向適當(dāng)大小的圖形。
【掃描同步電路】
掃描電路產(chǎn)生一個鋸齒波電壓。該鋸齒波電壓的頻率能在一定的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。鋸齒波電壓的作用是使示波管陰極發(fā)出的電子束在熒光屏上形成周期性的、與時(shí)間成正比的水平位移,即形成時(shí)間基線。這樣,才能把加在垂直方向的被測信號按時(shí)間的變化波形展現(xiàn)在熒光屏上。
【電源供給電路】
電源供給電路:供給垂直與水平放大電路、掃描與同步電路以及示波管與控制電路所需的負(fù)高壓、燈絲電壓等。
由示波器的原理功能方框圖可見,被測信號電壓加到示波器的Y軸輸入端,經(jīng)垂直放大電路加于示波管的垂直偏轉(zhuǎn)板。示波管的水平偏轉(zhuǎn)電壓,雖然多數(shù)情況都采用鋸齒電壓(用于觀察波形時(shí)),但有時(shí)也采用其它的外加電壓(用于測量頻率、相位差等時(shí)),因此在水平放大電路輸入端有一個水平信號選擇開關(guān),以便按照需要選用示波器內(nèi)部的鋸齒波電壓,或選用外加在X軸輸入端上的其它電壓來作為水平偏轉(zhuǎn)電壓。
此外,為了使熒光屏上顯示的圖形保持穩(wěn)定,要求鋸齒波電壓信號的頻率和被測信號的頻率保持同步。這樣,不僅要求鋸齒波電壓的頻率能連續(xù)調(diào)節(jié),而且在產(chǎn)生鋸齒波的電路上還要輸入一個同步信號。這樣,對于只能產(chǎn)生連續(xù)掃描(即產(chǎn)生周而復(fù)始、連續(xù)不斷的鋸齒波)一種狀態(tài)的簡易示波器(如國產(chǎn)SB10型等示波器)而言,需要在其掃描電路上輸入一個與被觀察信號頻率相關(guān)的同步信號,以牽制鋸齒波的振蕩頻率。對于具有等待掃描功能(即平時(shí)不產(chǎn)生鋸齒波,當(dāng)被測信號來到時(shí)才產(chǎn)生一個鋸齒波,進(jìn)行一次掃描)的示波器(如國產(chǎn)ST-16型示波器、SR-8型雙蹤示波器等)為了適應(yīng)各種需要,同步(或觸發(fā))信號可通過同步或觸發(fā)信號選擇開關(guān)來選擇,通常來源有3個:①從垂直放大電路引來被測信號作為同步(或觸發(fā))信號,此信號稱為“內(nèi)同步”(或“內(nèi)觸發(fā)”)信號;②引入某種相關(guān)的外加信號為同步(或觸發(fā))信號,此信號稱為“外同步”(或“外觸發(fā)”)信號,該信號加在外同步(或外觸發(fā))輸入端;③有些示波器的同步信號選擇開關(guān)還有一檔“電源同步”,是由220V,50Hz電源電壓,通過變壓器次級降壓后作為同步信號。
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