电子学中重要的测量仪器
2022-06-08
1 电子示波器的基本组成
示波器通常由示波管、扫描系统、垂直通道、水平通道和电源五个主要基本部分组成。
⑴示波管：是示波器中用以显示被测信号波形的器件，是示波器的重要核心部件，目前大多数示波器中的示波管都是采用静电偏转的阴极射线管（CRT）。它主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三大部分组成。
1）电子枪：它的作用是产生高速的汇聚电子束。由阴极发射出的电子经过控制栅极和加速阳极形成的第一重电子透镜前进到达由聚焦阳极和加速阳极所形成的第二重电子透镜，电子在这里被聚合成一束，然后经过偏转板投向荧光屏成为一个很小的亮点。
2）偏转系统：它的作用是使电子束随外加信号偏转。其工作原理是：电子束在偏转极板间通过时将受到二块偏转板（垂直和水平偏转板）间的电位差的影响，致使电子束的前进路径发生偏转，当电子束到达荧光屏时将形成一个偏离中心的亮点，其偏离大小和方向受二块偏转板间的电位差控制。
3）荧光屏：它是在玻壳圆平面的内层涂有荧光粉而制成的。由于采用荧光粉材料不同，产生的荧光颜色和余辉时间也就不同，一般示波管都选用人眼最敏感的黄、绿、蓝三色。所谓余辉时间，就是指电子束停止轰击后，光点在荧光屏上的残留时间。根据残留时间的长短，可分为长余辉（100毫秒～1秒）、中余辉（10毫秒～100毫秒）和短余辉（10微秒～10毫秒）三种。通常绿色大都为中余辉管，宜于肉眼观察。蓝色大都为短余辉管，宜用于摄影。而黄色大都为长余辉管，宜用于观察慢变化信号及一次性信号。高速电子束轰击荧光屏时，其动能的一部分转变为光能，而大部分却转变为热能，因此在使用示波器过程中，切忌在屏幕上出现一个不动的亮点，避免该点因荧光粉过热而逐渐失去发光性能，影响示波管的使用寿命。
⑵扫描系统：通常是由一个锯齿波电压发生器为主体再辅以必要的辅助电路组成。
锯齿波发生器的作用是使电子束在荧光屏上形成与时间成正比的水平位移，即形成所谓时间基线，以便把随时间变化的被测信号不失真地描绘显示于荧光屏上，故而又称之为扫描发生器。系统中含有其它辅助电路以确保扫描发生器能正常工作，产生稳定的扫描电压，使显示的图形稳定。
⑶垂直通道：是被测信号的重要通道，它主要由垂直放大器组成，其主要作用是放大"Y输入"端输入信号，使示波管的电子束产生足够的垂直偏移，使得荧光屏上不失真地显示出被测信号的波形。
一般要求垂直通道具有足够高的可调增益、足够宽的通频带（普通示波器的频率范围是DC～30MHz，宽显示波器为DC～750MHz）、非线性失真小（一般要求非线性失真系数小于10～3%）、足够大的输入电阻和足够小的输入电容（其目的是为了减小示波器接入被测电路进行测量时对被测电路的影响，一般示波器输入电阻为1MQ左右，输入电容为10～50pf左右）。
⑷水平通道：通常把扫描系统与水平放大器部分统称为水平通道。其主要作用是放大"X输入"端输入的信号，或由扫描发生器输出的锯齿波扫描电压，使示波管的电子束产生足够的水平偏移，控制电子束的水平扫描。
⑸电源：供给示波器各部件必要的各种工作电压。
通常示波器外接50Hz，220士10%V的交流电压。
2电子示波器的性能特点
电子示波器的种类繁多，按其用途和特点大体可分为：通用示波器；多线示波器；取样示波器；记忆、存贮示波器；特殊示波器等五类。示波器在测量中应用极为广泛，由于电子的惯性很小，光斑在荧光屏上的运动能准确地反映极板上电压的微小的或迅速的变化，这对于研究各种电信号电压的变化情况是很方便的。它几乎可以测量所有的电参量，而且可以通过适当的变换器测量各种非电量。
正因为电子示波器具有下述的几大优点，因而使得它获得了极为广泛的应用。⑴能直观地显示被测量的信号波形，现代的示波器甚至可以用数字显示出被测信号波形的各种参数。⑵工作频带宽。由于电子的荷质比很大，所以电子束的惯性小，速度快，测量的工作频率就很宽，一般可达几十兆赫至数百兆赫，如采用特殊的技术甚至可达数十千兆赫。⑶输入阻抗高。对被测系统几乎不吸收功率因而影响极小。⑷灵敏度高。由于采用了高增益放大器，灵敏度一般可达毫伏甚至微伏量级，且过载能力也强。⑸多功能。配以一定的辅助电路或变换器，可以测量各种电量或非电量。
示波器的应用极为广泛，它不但能观察电压和电流波形，还能测定各种基本电学量，如：电压、电流、时间、频率、相位（或相位差）、功率、阻抗以及已调波的参数等等。此外，配以必要的变换器还可以对各种非电量进行测量。其它的物理现象，如振动、声音、光和温度的变化，也可以把它们转化变为电压的变化，然后用示波器来研究。示波器已成了科学研究、检测和修理各种电子仪器的不可缺少的工具。
示波器测量具有快速、方便、直观的特点，其缺点是测量误差较大，但随着数字化与数据处理技术在示波器中的应用，测量误差已可大大下降。
示波器通常由示波管、扫描系统、垂直通道、水平通道和电源五个主要基本部分组成。
⑴示波管：是示波器中用以显示被测信号波形的器件，是示波器的重要核心部件，目前大多数示波器中的示波管都是采用静电偏转的阴极射线管（CRT）。它主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三大部分组成。
1）电子枪：它的作用是产生高速的汇聚电子束。由阴极发射出的电子经过控制栅极和加速阳极形成的第一重电子透镜前进到达由聚焦阳极和加速阳极所形成的第二重电子透镜，电子在这里被聚合成一束，然后经过偏转板投向荧光屏成为一个很小的亮点。
2）偏转系统：它的作用是使电子束随外加信号偏转。其工作原理是：电子束在偏转极板间通过时将受到二块偏转板（垂直和水平偏转板）间的电位差的影响，致使电子束的前进路径发生偏转，当电子束到达荧光屏时将形成一个偏离中心的亮点，其偏离大小和方向受二块偏转板间的电位差控制。
3）荧光屏：它是在玻壳圆平面的内层涂有荧光粉而制成的。由于采用荧光粉材料不同，产生的荧光颜色和余辉时间也就不同，一般示波管都选用人眼最敏感的黄、绿、蓝三色。所谓余辉时间，就是指电子束停止轰击后，光点在荧光屏上的残留时间。根据残留时间的长短，可分为长余辉（100毫秒～1秒）、中余辉（10毫秒～100毫秒）和短余辉（10微秒～10毫秒）三种。通常绿色大都为中余辉管，宜于肉眼观察。蓝色大都为短余辉管，宜用于摄影。而黄色大都为长余辉管，宜用于观察慢变化信号及一次性信号。高速电子束轰击荧光屏时，其动能的一部分转变为光能，而大部分却转变为热能，因此在使用示波器过程中，切忌在屏幕上出现一个不动的亮点，避免该点因荧光粉过热而逐渐失去发光性能，影响示波管的使用寿命。
⑵扫描系统：通常是由一个锯齿波电压发生器为主体再辅以必要的辅助电路组成。
锯齿波发生器的作用是使电子束在荧光屏上形成与时间成正比的水平位移，即形成所谓时间基线，以便把随时间变化的被测信号不失真地描绘显示于荧光屏上，故而又称之为扫描发生器。系统中含有其它辅助电路以确保扫描发生器能正常工作，产生稳定的扫描电压，使显示的图形稳定。
⑶垂直通道：是被测信号的重要通道，它主要由垂直放大器组成，其主要作用是放大"Y输入"端输入信号，使示波管的电子束产生足够的垂直偏移，使得荧光屏上不失真地显示出被测信号的波形。
一般要求垂直通道具有足够高的可调增益、足够宽的通频带（普通示波器的频率范围是DC～30MHz，宽显示波器为DC～750MHz）、非线性失真小（一般要求非线性失真系数小于10～3%）、足够大的输入电阻和足够小的输入电容（其目的是为了减小示波器接入被测电路进行测量时对被测电路的影响，一般示波器输入电阻为1MQ左右，输入电容为10～50pf左右）。
⑷水平通道：通常把扫描系统与水平放大器部分统称为水平通道。其主要作用是放大"X输入"端输入的信号，或由扫描发生器输出的锯齿波扫描电压，使示波管的电子束产生足够的水平偏移，控制电子束的水平扫描。
⑸电源：供给示波器各部件必要的各种工作电压。
通常示波器外接50Hz，220士10%V的交流电压。
2电子示波器的性能特点
电子示波器的种类繁多，按其用途和特点大体可分为：通用示波器；多线示波器；取样示波器；记忆、存贮示波器；特殊示波器等五类。示波器在测量中应用极为广泛，由于电子的惯性很小，光斑在荧光屏上的运动能准确地反映极板上电压的微小的或迅速的变化，这对于研究各种电信号电压的变化情况是很方便的。它几乎可以测量所有的电参量，而且可以通过适当的变换器测量各种非电量。
正因为电子示波器具有下述的几大优点，因而使得它获得了极为广泛的应用。⑴能直观地显示被测量的信号波形，现代的示波器甚至可以用数字显示出被测信号波形的各种参数。⑵工作频带宽。由于电子的荷质比很大，所以电子束的惯性小，速度快，测量的工作频率就很宽，一般可达几十兆赫至数百兆赫，如采用特殊的技术甚至可达数十千兆赫。⑶输入阻抗高。对被测系统几乎不吸收功率因而影响极小。⑷灵敏度高。由于采用了高增益放大器，灵敏度一般可达毫伏甚至微伏量级，且过载能力也强。⑸多功能。配以一定的辅助电路或变换器，可以测量各种电量或非电量。
示波器的应用极为广泛，它不但能观察电压和电流波形，还能测定各种基本电学量，如：电压、电流、时间、频率、相位（或相位差）、功率、阻抗以及已调波的参数等等。此外，配以必要的变换器还可以对各种非电量进行测量。其它的物理现象，如振动、声音、光和温度的变化，也可以把它们转化变为电压的变化，然后用示波器来研究。示波器已成了科学研究、检测和修理各种电子仪器的不可缺少的工具。
示波器测量具有快速、方便、直观的特点，其缺点是测量误差较大，但随着数字化与数据处理技术在示波器中的应用，测量误差已可大大下降。