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(多图) 两种示波器示波原理分析法的比较

山西电子技术 马美娟?? 2011年08月01日 ?? 收藏0

  摘要:通过对两种示波器示波原理分析的比较,在分别指出其不足之处的基础上,总结出一种分析任意波形形成原理的方法,并举实例证明该方法的可行性。

  0 引言

  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形,便于人们研究各种电现象的变化过程。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。更广义地说,示波器是一种能够反映任何两个参数相互关联的X-Y坐标图形的显示仪器。示波器不仅应用于实验室,更成为信息时代不可缺少的辅助工具,利用示波器对电子产品的电路进行信号的检测和分析,可以大大提高检修效率。理解并掌握示波器的示波原理是解决这些问题的前提,但大多数同学对此难以理解。文献利用沙漏的单摆运动实验对示波器示波原理进行类比简化,解决了正弦波电压的显示原理问题;文献论述了示波管荧光屏上的显示波形与电子运动规律、波形周期与扫描电压周期的关系,但这两种方法都存在不足,需加以改进。

  1 示波管的结构

  示波管是示波器的核心部件,其由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成(如图1所示)。电子枪的作用是发射电子并形成很细的高速电子束;偏转系统由水平(x)方向和垂直(y)方向两对偏转板组成,它的作用是决定电子束怎样偏转;荧光屏的作用则是显示偏转电信号的波形。可以用一个形象的比喻来说明示波管的示波原理,即将电子枪比作画图的笔,笔尖就是高速电子束,将电子偏转系统比作握笔的手,将荧光屏比作画图的纸,那么将示波原理可比作用手握着笔在纸上作画。

示波管

  2 两种示波原理分析法的比较

  文献利用沙漏的单摆运动实验对示波器的示波原理进行类比简化,当示波管荧光屏上显示正弦波形时,电子束轰击荧光屏上的荧光粉而形成正弦波;沙漏在模拟单摆运动时,在硬纸板上也能描绘出正弦曲线。这两种情况无论在波形还是原理上,都是相通的。这种分析法对于分析用示波器显示正弦波原理时有效,并且易于让学生理解,但对于分析显示非正弦波形时无效,而实际上用示波器显示的不仅是正弦波,故还需要有其他的分析方法。

  文献论述了示波管荧光屏上的显示波形与电子运动规律、波形周期与扫描电压周期的关系,应用物理上力与运动的知识来分析示波原理。这种方法虽然较难理解,但它能分析所有波形的示波原理。但是,文献中没有指出该种方法的关键之处,即电子的数目很多,不同的时刻所研究的电子(实际上是电子束)是不同的;再就是电子的速度很快,穿过偏转系统的时间很短,每个电子穿过偏转系统的瞬间可将偏转电压看作恒定。只有指出这两点,当选用电子运动规律来分析显示波形时,学生才不会只对某一个电子分析其运动轨迹。这样,更易于理解电子的运动规律:电子束中电子偏离轴的距离

电子束中电子偏离轴的距离

  其中KE是一个与偏转系统的几何尺寸有关的常数,U偏转板两端的电压,UA为电子枪中加速极的加速电压。因此,UA一定时,偏转电压越大,电子的偏转距离与偏转电压成正比;也更易于理解由电子运动规律得出的示波管示波原理。

  3 任意波形形成原理的分析法

  示波管中的电子有着三维运动,即由水平偏转板上的电压而引起的水平方向上的运动(x方向),由垂直偏转板上的电压而引起的垂直方向上的运动(y方向),垂直于荧光屏的运动(z方向)。事实上,打在荧光屏上的电子是由三个分运动合成的结果。由于分析的是荧光屏上图形,即平面上的图形,则沿着z方向的运动可不分析。又由于不同的时刻所研究的电子是不同的,并且每个电子穿过偏转系统的瞬间可将偏转电压看作恒定,再由公式(1),可得到任意波形形成原理的分析法如下:

(1)调节示波器旋钮,使y偏转板及x偏转板上的电压均为零时,光点在荧光屏中心位置;
(2)依据y偏转板上的电压波形特点,将y偏转板及x偏转板上的电压波形按时间取多个特殊点;
(3)确定在某时刻y偏转板及x偏转板上的电压;
(4)由公式公式(UA为定值)确定y方向及x方向的偏转距离,并合成得到此刻光点在荧光屏上的位置;
(5)按同样的方法确定各个特殊点所对应的时刻光点在荧光屏的位置;
(6)用描点(光点)法把波形画出。

  4 任意波形形成原理分析法的应用

  4.1 显示随时间变化的波形

  例如:如果在y偏转板上加周期为Ty的正弦波电压,在x偏转板上加周期为Tx的锯齿波电压,且Tx=Ty(如图2所示)。 根据文献中的方法可以分析该正弦波的形成原理。

正弦波电压


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示波器? 示波原理? 电子枪? 偏转系统?

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