电子示波管的原理和使用

示波器的使用

示波器是一种用途广泛的电子测量仪器，用它能直接观察电信号的波形，也能测定电压信号的幅度、周期和频率等参数。用双踪示波器还可以测量两个信号之间的时间差或相位差。凡是能转化为电压信号的电学量和非电学量都可以用示波器来观测。借助示波器我们可以直观地“看到”电路各点的状态。示波器的扫描方式是一个可以看到波形的“电压表”；Ｘ－Ｙ方式可以观察两个电子信号的垂直方向的合成，因此示波器是电子工作者的重要工具。

一. 实验目的

1. 了解示波器的原理。

2. 学会使用示波器的扫描应用和Ｘ－Ｙ方式应用。 二. 实验仪器

示波器、信号源、甲电池等

三. 实验原理

电子示波器（简称示波器）是一种能将随时间变化的电压信号直观的显示在荧光屏上的仪器。示波器由示波管、Y 轴系统、X 轴系统等组成。图3-23-1是示波器的原理框图。 （１）示波器的聚焦和偏转原理

示波器中用于显示波形的真空玻璃管叫阴极射线管，简称示波管。如图3-23-2所示。示波管的正面是一个涂有荧光物质的园形屏，当管中的高速运动电子打上去时，就会发出荧光。一般的示波器都是热阴极：阴极由灯丝通电后加热后，阴极上的电子由于热运动而脱离出阴极，称为热激发。由于示波器中的第二阳极电压比阴极高上千伏特。因此，电子被加速后轰击到荧光屏上，使该处的荧光物质发光。

1. 辉度

设电子由阴极热激发时的速度为V 0 ,电子到达第二阴极的速度为V 2 ,阴极和阳极之间的电压为U 2 ,则有：

1212202mV mV eU -=

式中m 是电子的质量，且V 0<

图3-23-1示波器的原理框图

图3-23-2示波管结构示意

图

V 2为：

V eU m 22

2

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A 2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A 2上的电位U 2和第一阳极A 1上的电位U 1之比决定，调节聚焦U 1和辅助聚焦U 2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阴极加速后，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3-23-3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3-23-4所示。如果只在水平转板（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3-23-4所示为只在水平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。当锯齿波电压比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3-23-5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3-23-6说明：设X 轴加的锯齿波电压的周期T X比Y 偏转板上的正弦波电压周期

T Y稍小。比如T X/T Y=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

间的曲线断段。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。第二曲线断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T X和T Y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T X与被测信号的周期T Y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T X和Y轴上被测信号周期T Y之间应满足

（n是整数）

T nT

X Y

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T X，使之满足nT X=nT Y。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 U X和Y 轴待测电

压 U Y之间的关系如图3-23-7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U Y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U Y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。图3-23-8所示为 f X：f Y=2 ：1 的李萨如图形。频率比不同时，将形成不同的李萨如图形。图3-23-8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：f X：f Y=n X:：n Y ，其中n X为水平线与轨迹相切的切点数,n Y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