物理系200808088楊姝

1、示波器示波原理的研究目 錄摘要1關鍵詞1Abstract1Key words 1 引言11 示波管的結構21.1 電子槍21.2 偏轉系統(tǒng)21.3 熒光屏32 示波管顯示波形原理的簡化33 示波器電子運動規(guī)律與波形顯示關系53.1電子運動與示波器面板上相關旋鈕的關系53.2示波管中的電子運動規(guī)律63.3示波管中電子的三維運動規(guī)律64 兩種示波原理分析方法的比較74.1任意波形形成原理的分析84.2 顯示任意兩個變量之間的關系85 LCD液晶屏簡介86 結語9參考文獻9致謝9示波器示波原理的研究電子信息科學與技術專業(yè)學生 楊姝指導教師 馬美娟摘要:本文詳細地論述了示波管熒光屏上的顯示波形與電子運

2、動規(guī)律、波形周期與掃描電壓周期間的關系, 并將示波器顯示波形的原理與單擺運動相類比，討論了示波器中光電子運動的合成與單擺運動中沙漏與硬紙板運動的合成的相通之處，并對單擺產(chǎn)生不同波形情況的具體分析。利用簡單易懂的知識對示波器的工作原理進行簡化，這種類比簡化的思維對理解示波器的示波原理具有重要的意義。又通過對兩種示波器示波原理分析法的比較，在分別指出其不足之處的基礎上，總結出一種分析任意波形形成原理的方法，并舉實例證明該方法的可行性。關鍵詞：示波器；沙漏實驗；示波原理；電子運動規(guī)律；任意波形The Research Of The Wave Shape Showing Principles Abou

3、t OscilloscopeStudent majoring in Electronic information science and technology Yang Shu Tutor Ma Mei-juanAbstract: This paper discusses the relationship about the wave display and electronic movement rules, waveform cycle and scanning voltage weeks on the Oscilloscope's fluorescent screen. The

4、principle of waveform is similar with the principle of pendulum motion. And the paper discusses the similar both the synthesis of optoelectronic oscilloscope movement and the synthesis of pendulum and cardboard movement. And it analysises the different waveform of the specific situation. Use the sim

5、ple and understandable knowledge to simplify the work principle of oscilloscope. The analogy of the simplified thinking for the understanding of oscilloscope and wave shape principle has the vital significance .And through the comparison of the wave shape showing principles of two types of oscillosc

6、ope. On the basis of pointing out their respective shortcomings, a method for analyzing arbitrary waveform forming principle is concluded, and the feasibility of this method is proved by examples.Key words: oscilloscope; hourglass experiment; wave shape showing principle; electron movement rule; arb

7、itrary wave引言 示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器。它能把肉眼看不見的電信號變換成看得見的圖形，便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過程。利用示波器能觀察各種不同信號幅度隨時間變化的波形曲線，還可以用它測試各種不同的電量，如電壓、電流、頻率、相位差、調幅度等等1,2。更廣義地說，示波器是一種能夠反映任何兩個參數(shù)相互關聯(lián)的X-Y 坐標圖形的顯示儀器2。示波器不僅應用于實驗室，更成為信息時代不可缺少的輔助工具，利用示波器對電子產(chǎn)品的電路進行信號的檢測和分析，可以大大提高檢修效率。理解并掌握示波器的示波原理是解決這些問題的前提。文獻3中利用沙漏的單擺運動實驗對示波器示波原理進行類比簡化，解決

8、了正弦波電壓的顯示原理問題；文獻4論述了示波管熒光屏上的顯示波形與電子運動規(guī)律、波形周期與掃描電壓周期的關系，但這兩種方法都存在不足，需加以改進。1 示波管的結構 示波管是示波器的核心部件，其由電子槍、偏轉系統(tǒng)和熒光屏三部分組成如圖1-1所示。電子槍的作用是發(fā)射電子并形成很細的高速電子束；偏轉系統(tǒng)由水平( x ) 方向和垂直( y ) 方向兩對偏轉板組成，它的作用是決定電子束怎樣偏轉；熒光屏的作用則是顯示偏轉電信號的波形?？梢杂靡粋€形象的比喻來說明示波管的示波原理，即將電子槍比作畫圖的筆，筆尖就是高速電子束，將電子偏轉系統(tǒng)比作握筆的手，將熒光屏比作畫圖的紙，那么將示波原理可比作用手握著筆在紙上

9、作畫。11 電子槍電子槍由燈絲（h）、陰極(K)、柵極(G1)、前加速極(G2)、第一陽極(A1)和第二陽極(A2)組成。燈絲h用于對陰極K加熱，加熱后的陰極發(fā)射電子。柵極G1電位比陰極K低，對電子形成排斥力，使電子朝軸向運動，形成交叉點F1，并且只有初速度較高的電子能夠穿過柵極奔向熒光屏，初速度較低的電子則返回陰極，被陰極吸收。因此，調節(jié)柵極G1的電位可控制射向熒光屏的電子流密度，從而改變熒光屏亮點的輝度。+RW3RW1-ERW2F1KG1G2A1A2X2Y2X2Y1圖1-1示波管及電子束控制電路12 偏轉系統(tǒng) 偏轉系統(tǒng)由水平偏轉板X1、X2和垂直偏轉板Y1、Y2這兩對相互垂直的偏轉板組成。

10、垂直偏轉板Y在前，水平偏轉板X在后，如果僅在Y1、Y2偏轉板間加電壓，則電子束將根據(jù)所形成的電場強弱與極性在垂直方向上運動。 如果Y1為正，Y2為負，則電子束向上運動，電場強，運動距離大，電場弱，運動距離??；若Y1為負，Y2為正，則電子束向下運動。同理，在X1、X2間加電壓，電子束將根據(jù)電場的強弱與極性在水平方向上運動，電子束最終的運動情況取決于水平方向和垂直方向電壓的合成作用，當X、Y偏轉板加不同電壓時，熒光屏上的亮點可以移動到平面上的任意位置。信號輸入Y放大Y2Y1X2X1鋸齒波掃描電壓圖1-2 偏轉系統(tǒng)13 熒光屏 在熒光屏的玻殼內側涂上熒光粉，就形成了熒光屏，它不是導電體。當電子束轟擊

11、熒光粉時，激發(fā)產(chǎn)生熒光形成亮點。不同成分的熒光粉，發(fā)光的顏色不盡相同，一般示波器選用人眼最為敏感的黃綠色。熒光粉從電子激發(fā)停止時的瞬間亮度下降到該亮度的10%所經(jīng)過的時間稱為余輝時間。熒光粉的成分不同，余輝時間也不同，為適應不同需要，將余輝時間分為長余輝（100ms-1s）、中余輝（1-100ms）和短余輝（10us-10ms）等不同規(guī)格。普通示波器需采用中余輝示波管，而慢掃描示波器則采用長余輝示波管。2 示波管顯示波形原理的簡化兩個偏轉系統(tǒng)分別加上不同的電壓后，在不同的電壓頻率下，顯示出來的波形是不盡相同的。適當調節(jié)電壓頻率，屏幕上有時會顯示出1個完整的正弦波形，有時會顯示出幾個完整的波形，

12、有時還會出現(xiàn)波形的移動和重疊現(xiàn)象8。如此復雜的波形現(xiàn)象是如何形成的，為什么改變電壓的頻率波形會發(fā)生如此變化，兩者之間有什么必然的聯(lián)系?對于這個問題，如果按部就班的用靜電場偏轉原理和數(shù)學方法來解釋，是很難理解的。因此，如何簡化示波器顯示波形的原理便成為學習示波器使用的重要環(huán)節(jié)。仔細觀察示波器顯示屏上顯示的正弦波形，不難發(fā)現(xiàn)，它與沙漏在模擬單擺運動時，在硬紙板上所描繪出來的正弦曲線十分相像。沙漏作單擺運動時之所以會在硬紙板上形成正弦曲線，是下述兩種互相垂直的運動合成的原因：一是沙漏作的簡諧振動，即單擺運動；二是硬紙板在垂直于沙漏擺動方向上所作的勻速直線運動。這與電子束在熒光屏上形成正弦波形的原理相

13、同。因此，這兩個實驗無論在實驗結果(波形)還是實驗原理上，都是相通的8。對于沙漏作單擺運動形成波形的情況，可以很直觀的從實驗上觀察到，由于其貼近現(xiàn)實，也很容易從空間角度去想象。因此這里把沙漏的單擺運動與示波器顯示波形的原理相結合，進行類比，以期幫助理解示波器的工作原理。 電子束在熒光屏上形成的波形有下列5種情況，分別將之與單擺實驗相類比如下。1)如果只在Y板上加周期為正的正弦電壓，而X板上不加電壓，則電子束只受到y(tǒng)方向正弦電壓的作用，在豎直方向作簡諧振動，由于視覺暫留效應和磷光材料的余輝效應，將在熒光屏上形成l條豎直的直線。這如同在沙漏單擺實驗中，只是讓沙漏在豎直方向作單擺運動，而下方的硬紙板

14、靜止不動，此時在硬紙板上只會留下1條垂直于紙板軸線的直線，如圖2-1所示。2)如果只在X板上加鋸齒波電壓，而Y板上不加電壓，則電子束只受到x方向線性電壓的作用，在水平方向作勻速直線運動，由于視覺暫留效應和磷光材料的余輝效應，將在熒光屏上形成1條水平的直線。這如同在沙漏單擺實驗中，沙漏靜止不動，只以均勻的速度拉動硬紙板，讓硬紙板在水平方向上作勻速直線運動。此時，從沙漏中落下的細沙會隨著紙板的抽動在紙板上形成1條沿紙板軸線的直線，如圖2-2所示。圖2-1 Y板加正弦電壓X板不加電壓時，熒光屏 圖 2-2 Y板不加電壓X板加鋸齒波電壓時，熒光屏上波形與單擺實驗形成的波形的比較 上波形與單擺實驗形成的

15、波形的比較3)如果在Y板接人周期為的正弦交流電壓，在X板接人周期為的鋸齒波電壓，且時，則熒光屏上會顯示1個完整周期的穩(wěn)定正弦波形。與沙漏單擺實驗類比，沙漏在豎直方向作周期為的單擺運動，同時垂直于擺動方向勻速拉動其下方的硬紙板，并保證每經(jīng)過時間，將紙板放回起始位置以同樣方式重新抽動。這樣將紙板放回起始位置重新拉動時，紙板上已經(jīng)有了1個完整的正弦圖形，再拉動紙板時，落下的細沙會嚴格地堆積在上1次的正弦圖形上，這樣盡管多次抽拉硬紙板，細沙在紙板上留下的也只是1條完整的正弦曲線，如圖2-3所示。圖2-3 Y板加正弦電壓X板加鋸齒波電壓，且時， 圖2-4 Y板加正弦電壓X板加鋸齒波電壓，且（為熒光屏上波

16、形與單擺實驗形成的波形的比較 整數(shù)）時，熒光屏上波形與單擺實驗形成的波形的比較 4)如果在Y板接入周期為的正弦交流電壓，在X板接人周期為的鋸齒波電壓，且(n為整數(shù))時，則熒光屏上會顯示出個完整周期的穩(wěn)定波形。與沙漏單擺實驗類比，沙漏在豎直方向作周期為的單擺運動，同時垂直于擺動方向勻速拉動其下方的硬紙板，并保證每經(jīng)過時間，將紙板放回起始位置以同樣方式重新抽動。這樣將紙板放回起始位置重新拉動時，紙板上已經(jīng)有了個完整的正弦圖形，再拉動紙板時，落下的細沙也會嚴格地堆積在上1次的圖形(個完整的正弦圖形)上，這樣細沙在紙板上留下的就是條完整的正弦曲線。如圖2-4所示，時，得到了2條正弦曲線。5) 如果在Y

17、板接入周期為的正弦交流電壓，在X板接入周期為的鋸齒波電壓，且 (不為整數(shù))時，則熒光屏上的波形將出現(xiàn)水平方向的移動和重疊現(xiàn)象。這如同在沙漏單擺實驗中，沙漏在豎直方向作周期為的單擺運動，同時垂直于擺動方向勻速拉動其下方的硬紙板，每經(jīng)過時間，將紙板放回起始位置以同樣方式重新抽動。這樣將紙板放回起始位置重新拉動時。紙板上最后1個正弦圖形不是完整的正弦圖形，再拉動紙板時，上方的漏斗仍繼續(xù)其未完成的周期運動，而落下的細沙也將從紙板的起始線與不完整正弦圖形的末點并平行于紙板軸線的直線的交點處繼續(xù)描繪其未完成的正弦圖形，因此重新拉動紙板時，新落下的細沙不再嚴格地堆積在上次的圖形上，新形成的圖形與上次的圖形發(fā)

18、生交疊現(xiàn)象。如圖2-5所示，圖中灰線為第1次細沙在紙板上留下的圖形，虛點線為第2次細沙在紙板上留下的圖形，2個正弦圖形不重合發(fā)生交疊現(xiàn)象。圖2-5 Y板加正弦電壓X板加鋸齒波電壓，且（不為整數(shù)）時，熒光屏上波形與單擺實驗形成的波形的比較3 示波器電子運動規(guī)律與波形顯示關系31 電子運動與示波器面板上相關旋鈕的關系示波管燈絲發(fā)出的電子，打到熒光屏上電子個數(shù)多少是由控制柵極來控制的，源源不斷的電子被陽極加速和電子透鏡聚焦于一條直線上，當垂直、水平偏轉板未加偏轉電壓時，電子將以速度打在熒光屏上的某一點，光點亮度與電子速密度成正比，調節(jié)輝度旋鈕來改變控制柵極電壓，以改變光點亮度。旋轉聚焦旋鈕改變電子透

19、鏡電壓，就可以確定電子束的聚焦程度，光點直徑變小，信號波形就顯得更加清晰7。當只在水平偏轉板加上直流電壓，電子束通過偏轉板，受兩板間電場力作用而發(fā)生偏移，于是光點就視所加電壓的極性決定左移或右移，如圖3-1、點。同理，在垂直偏轉板加上直流電壓時，光點就在豎直方向上上、下移動，如圖3-1、點。如果兩偏轉板同時加電壓，光點就按合成力的方向移動，電子束就圍繞中心對稱軸線圖3-2來回擺動。偏移距離與所加電壓大小成正比。因此，調節(jié)兩偏轉板上的電壓，就能調節(jié)光點的位置。即調節(jié)面板上的“X軸位置”和“Y軸位置”。如果將被測的交流信號單獨加在垂直或水平偏轉板上，由于電場力的大小和方向隨時間而變，因而電子束就圍

20、繞中心對稱軸線來回擺動，使之熒光屏上顯示出一條垂直或水平直線。 D1P2H2D2P1H1AOBC圖3-1 熒光屏上光點與偏轉板上電壓的關系 圖3-2 某電子通過偏轉板軌跡32 示波管中的電子運動規(guī)律若在Y軸上加一電壓，垂直兩極板間距，電子運動方向電場有效寬度，離開電場到熒光屏間若電子束進入Y極板間的初始時刻為坐標原點，則其間電子的加速度和速度分別為 (3.1) （） (3.2)則電子束離開Y極板偏離水平方向距離為 (3.3)隨后，該電子將以合速度沿AB方向運動，打在熒光屏B點，距原電子運動方向位移，由于電子束在平行極板間加速度依據(jù)正弦規(guī)律 變化，如圖3-1所示，打在熒光屏、亮線上的是試驗信號不

21、同電壓對應的電子。33 示波管中電子的三維運動規(guī)律 若僅在水平極板上加鋸齒波電壓，電子束通過偏轉板，在熒光屏上僅能觀察到幅度最大的，亮線，電子束依次沿水平方向位移增大，這就需要在水平極板上施加鋸齒波信號電壓，可表示為 （） (3.4) （） (3.5)為水平極板間距，由此，可以看出各電子所受到的電場力依次增大，水平方向的加速度為 （） (3.6)電子離開電場的運動速度 （） (3.7)為通過x產(chǎn)生電場各處的時間，即，電子在離開水平方向電場時，電子偏離原運動方向的距離為 （） (3.8)其中,為與x極板垂直的分速度,為通過x極板至熒光屏電子的運動速度。事實上，打在熒光屏上的電子是由三個分運動的合

22、成結果，其合速度為對應相互垂直電子運動速度的合成。即 (3.9)要在示波器熒光屏上顯示信號電壓波形，就應該在水平方向極板施加鋸齒波掃描電壓，掃描電壓分別采用(2T)、(T)、(12T)鋸齒波電壓掃描周期時，就可在熒光屏上分別觀察到兩個、一個和半個周期的正弦信號電壓波形。4 兩種示波原理分析方法的比較 文獻3利用沙漏的單擺運動實驗對示波器的示波原理進行類比簡化，當示波管熒光屏上顯示正弦波形時，電子束轟擊熒光屏上的熒光粉而形成正弦波；沙漏在模擬單擺運動時，在硬紙板上也能描繪出正弦曲線。這兩種情況無論在波形還是原理上，都是相通的。這種分析法對于分析用示波器顯示正弦波原理時有效，并且易于理解，但對于分

23、析顯示非正弦波形時無效，而實際上用示波器顯示的不僅是正弦波，故還需要有其他的分析方法。文獻4論述了示波管熒光屏上的顯示波形與電子運動規(guī)律、波形周期與掃描電壓周期的關系，應用物理上力與運動的知識來分析示波原理。這種方法雖然較難理解，但它能分析所有波形的示波原理。但是，文中沒有指出該種方法的關鍵之處，即電子的數(shù)目很多，不同的時刻所研究的電子(實際上是電子束)是不同的；再就是電子的速度很快，穿過偏轉系統(tǒng)的時間很短，每個電子穿過偏轉系統(tǒng)的瞬間可將偏轉電壓看作恒定。只有指出這兩點，當選用電子運動規(guī)律來分析顯示波形時，才不會只對某一個電子分析其運動軌跡。這樣，更易于理解電子的運動規(guī)律：電子束中電子偏離軸的

24、距離 (4.1) 其中是一個與偏轉系統(tǒng)的幾何尺寸有關的常數(shù)，為偏轉板兩端的電壓，為電子槍中加速極的加速電壓。因此，一定時，偏轉電壓越大，電子的偏轉距離與偏轉電壓成正比6；也更易于理解由電子運動規(guī)律得出的示波管示波原理。41 任意波形形成原理的分析 示波管中的電子有著三維運動，即由水平偏轉板上的電壓而引起的水平方向上的運動(x方向)，由垂直偏轉板上的電壓而引起的垂直方向上的運動(y方向)，垂直于熒光屏的運動(z方向)。事實上，打在熒光屏上的電子是由三個分運動合成的結果。由于分析的是熒光屏上圖形，即平面上的圖形，則沿著z方向的運動可不分析。又由于不同的時刻所研究的電子是不同的，并且每個電子穿過偏轉

25、系統(tǒng)的瞬間可將偏轉電壓看作恒定，再由公式(4.1)，可得到任意波形形成原理的分析法如下： (1)調節(jié)示波器旋鈕，使Y偏轉板及X偏轉板上的電壓均為零時，光點在熒光屏中心位置； (2)依據(jù)Y偏轉板上的電壓波形特點，將Y偏轉板及X偏轉板上的電壓波形按時間取多個特殊點； (3)確定在某時刻Y偏轉板及X偏轉板上的電壓； (4)由公式 (為定值)確定Y方向及X方向的偏轉距離，并合成得到此刻光點在熒光屏上的位置； (5)按同樣的方法確定各個特殊點所對應的時刻光點在熒光屏的位置； (6)用描點(光點)法把波形畫出。42 波形形成原理的應用：李沙育圖形 示波器兩個偏轉板上都加正弦波電壓時顯示的圖形稱為李沙育(L

26、issajous )圖形，這種圖形的形狀取決于不同的頻率比和初始相位差1。例如，若兩正弦信號的頻率比為1，初相相同，且在x、y方向的偏轉距離相同，在熒光屏上畫出一條與水平軸呈45°角的直線；若初相相差90°，且在x 、y方向的偏轉距離相同，在熒光屏上畫出的圖形為圓1。同樣，根據(jù)文獻4中的方法可以分析李沙育圖形中任意一個波形的形成原理。5 LCD液晶屏簡介 TD、STN、DSTN這三種液晶屏都屬于無源矩陣LCD，它們的原理基本相同，不同之處只是各個液晶分子的扭曲角度略有差異，其中DSTN（Dual-Scan Twisted Nematic）LCD，即雙掃描液晶顯示屏（俗稱“偽

27、彩”），必須借用外界光源來顯像，這些反射性單色或彩色沒有背光設計的LCD可以做得更薄、更輕和更省電。固緯的GDS-800系列示波器就是單色和彩色LCD顯示器。TFT（Thin Film Transistor）LCD，又稱為主動式點晶薄膜晶體管液晶顯示屏，是目前液晶顯示器的應用主流，它具有屏幕反應速度快、對比度好、亮度高、可視角度大、色彩豐富等優(yōu)點。固緯的GDS-2000系列，1000系列，1000A系列數(shù)字示波器都是TFT LCD。將涂有透明導電層的兩片玻璃基板間夾上一層正介電異向性液晶，液晶分子沿玻璃表面平行排列，排列方向在上下玻璃之間連續(xù)扭轉90°。然后上下各加一偏光片，底面加上反光片，基本就構成了TN型液晶。將非偏極光（一般光線）過濾成偏振光。當非偏極光通過a方向的偏光片時，光線被過濾成與a方向平行的線性偏極光。偏振方向相同，線性偏極光繼續(xù)前進，通過第二片偏光片時，光線通過。偏振方向不同，通過第二片時，光線被完全阻擋。TFT上下各有一片偏振方向垂直的偏光片，背光板發(fā)出的光經(jīng)背光模組散射后，先通過下層偏光片形成偏振光之后通過液晶分子，并由液晶