物理系200808088杨姝

1、示波器示波原理的研究目 录摘要1关键词1Abstract1Key words 1 引言11 示波管的结构21.1 电子枪21.2 偏转系统21.3 荧光屏32 示波管显示波形原理的简化33 示波器电子运动规律与波形显示关系53.1电子运动与示波器面板上相关旋钮的关系53.2示波管中的电子运动规律63.3示波管中电子的三维运动规律64 两种示波原理分析方法的比较74.1任意波形形成原理的分析84.2 显示任意两个变量之间的关系85 LCD液晶屏简介86 结语9参考文献9致谢9示波器示波原理的研究电子信息科学与技术专业学生 杨姝指导教师 马美娟摘要:本文详细地论述了示波管荧光屏上的显示波形与电子运

2、动规律、波形周期与扫描电压周期间的关系, 并将示波器显示波形的原理与单摆运动相类比，讨论了示波器中光电子运动的合成与单摆运动中沙漏与硬纸板运动的合成的相通之处，并对单摆产生不同波形情况的具体分析。利用简单易懂的知识对示波器的工作原理进行简化，这种类比简化的思维对理解示波器的示波原理具有重要的意义。又通过对两种示波器示波原理分析法的比较，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。关键词：示波器；沙漏实验；示波原理；电子运动规律；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1,2。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2。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。文献3中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

8、了正弦波电压的显示原理问题；文献4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1-1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

9、作画。11 电子枪电子枪由灯丝（h）、阴极(K)、栅极(G1)、前加速极(G2)、第一阳极(A1)和第二阳极(A2)组成。灯丝h用于对阴极K加热，加热后的阴极发射电子。栅极G1电位比阴极K低，对电子形成排斥力，使电子朝轴向运动，形成交叉点F1，并且只有初速度较高的电子能够穿过栅极奔向荧光屏，初速度较低的电子则返回阴极，被阴极吸收。因此，调节栅极G1的电位可控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变荧光屏亮点的辉度。+RW3RW1-ERW2F1KG1G2A1A2X2Y2X2Y1图1-1示波管及电子束控制电路12 偏转系统 偏转系统由水平偏转板X1、X2和垂直偏转板Y1、Y2这两对相互垂直的偏转板组成。

10、垂直偏转板Y在前，水平偏转板X在后，如果仅在Y1、Y2偏转板间加电压，则电子束将根据所形成的电场强弱与极性在垂直方向上运动。 如果Y1为正，Y2为负，则电子束向上运动，电场强，运动距离大，电场弱，运动距离小；若Y1为负，Y2为正，则电子束向下运动。同理，在X1、X2间加电压，电子束将根据电场的强弱与极性在水平方向上运动，电子束最终的运动情况取决于水平方向和垂直方向电压的合成作用，当X、Y偏转板加不同电压时，荧光屏上的亮点可以移动到平面上的任意位置。信号输入Y放大Y2Y1X2X1锯齿波扫描电压图1-2 偏转系统13 荧光屏 在荧光屏的玻壳内侧涂上荧光粉，就形成了荧光屏，它不是导电体。当电子束轰击

11、荧光粉时，激发产生荧光形成亮点。不同成分的荧光粉，发光的颜色不尽相同，一般示波器选用人眼最为敏感的黄绿色。荧光粉从电子激发停止时的瞬间亮度下降到该亮度的10%所经过的时间称为余辉时间。荧光粉的成分不同，余辉时间也不同，为适应不同需要，将余辉时间分为长余辉（100ms-1s）、中余辉（1-100ms）和短余辉（10us-10ms）等不同规格。普通示波器需采用中余辉示波管，而慢扫描示波器则采用长余辉示波管。2 示波管显示波形原理的简化两个偏转系统分别加上不同的电压后，在不同的电压频率下，显示出来的波形是不尽相同的。适当调节电压频率，屏幕上有时会显示出1个完整的正弦波形，有时会显示出几个完整的波形，

12、有时还会出现波形的移动和重叠现象8。如此复杂的波形现象是如何形成的，为什么改变电压的频率波形会发生如此变化，两者之间有什么必然的联系?对于这个问题，如果按部就班的用静电场偏转原理和数学方法来解释，是很难理解的。因此，如何简化示波器显示波形的原理便成为学习示波器使用的重要环节。仔细观察示波器显示屏上显示的正弦波形，不难发现，它与沙漏在模拟单摆运动时，在硬纸板上所描绘出来的正弦曲线十分相像。沙漏作单摆运动时之所以会在硬纸板上形成正弦曲线，是下述两种互相垂直的运动合成的原因：一是沙漏作的简谐振动，即单摆运动；二是硬纸板在垂直于沙漏摆动方向上所作的匀速直线运动。这与电子束在荧光屏上形成正弦波形的原理相

13、同。因此，这两个实验无论在实验结果(波形)还是实验原理上，都是相通的8。对于沙漏作单摆运动形成波形的情况，可以很直观的从实验上观察到，由于其贴近现实，也很容易从空间角度去想象。因此这里把沙漏的单摆运动与示波器显示波形的原理相结合，进行类比，以期帮助理解示波器的工作原理。 电子束在荧光屏上形成的波形有下列5种情况，分别将之与单摆实验相类比如下。1)如果只在Y板上加周期为正的正弦电压，而X板上不加电压，则电子束只受到y方向正弦电压的作用，在竖直方向作简谐振动，由于视觉暂留效应和磷光材料的余辉效应，将在荧光屏上形成l条竖直的直线。这如同在沙漏单摆实验中，只是让沙漏在竖直方向作单摆运动，而下方的硬纸板

14、静止不动，此时在硬纸板上只会留下1条垂直于纸板轴线的直线，如图2-1所示。2)如果只在X板上加锯齿波电压，而Y板上不加电压，则电子束只受到x方向线性电压的作用，在水平方向作匀速直线运动，由于视觉暂留效应和磷光材料的余辉效应，将在荧光屏上形成1条水平的直线。这如同在沙漏单摆实验中，沙漏静止不动，只以均匀的速度拉动硬纸板，让硬纸板在水平方向上作匀速直线运动。此时，从沙漏中落下的细沙会随着纸板的抽动在纸板上形成1条沿纸板轴线的直线，如图2-2所示。图2-1 Y板加正弦电压X板不加电压时，荧光屏 图 2-2 Y板不加电压X板加锯齿波电压时，荧光屏上波形与单摆实验形成的波形的比较 上波形与单摆实验形成的

15、波形的比较3)如果在Y板接人周期为的正弦交流电压，在X板接人周期为的锯齿波电压，且时，则荧光屏上会显示1个完整周期的稳定正弦波形。与沙漏单摆实验类比，沙漏在竖直方向作周期为的单摆运动，同时垂直于摆动方向匀速拉动其下方的硬纸板，并保证每经过时间，将纸板放回起始位置以同样方式重新抽动。这样将纸板放回起始位置重新拉动时，纸板上已经有了1个完整的正弦图形，再拉动纸板时，落下的细沙会严格地堆积在上1次的正弦图形上，这样尽管多次抽拉硬纸板，细沙在纸板上留下的也只是1条完整的正弦曲线，如图2-3所示。图2-3 Y板加正弦电压X板加锯齿波电压，且时， 图2-4 Y板加正弦电压X板加锯齿波电压，且（为荧光屏上波

16、形与单摆实验形成的波形的比较 整数）时，荧光屏上波形与单摆实验形成的波形的比较 4)如果在Y板接入周期为的正弦交流电压，在X板接人周期为的锯齿波电压，且(n为整数)时，则荧光屏上会显示出个完整周期的稳定波形。与沙漏单摆实验类比，沙漏在竖直方向作周期为的单摆运动，同时垂直于摆动方向匀速拉动其下方的硬纸板，并保证每经过时间，将纸板放回起始位置以同样方式重新抽动。这样将纸板放回起始位置重新拉动时，纸板上已经有了个完整的正弦图形，再拉动纸板时，落下的细沙也会严格地堆积在上1次的图形(个完整的正弦图形)上，这样细沙在纸板上留下的就是条完整的正弦曲线。如图2-4所示，时，得到了2条正弦曲线。5) 如果在Y

17、板接入周期为的正弦交流电压，在X板接入周期为的锯齿波电压，且 (不为整数)时，则荧光屏上的波形将出现水平方向的移动和重叠现象。这如同在沙漏单摆实验中，沙漏在竖直方向作周期为的单摆运动，同时垂直于摆动方向匀速拉动其下方的硬纸板，每经过时间，将纸板放回起始位置以同样方式重新抽动。这样将纸板放回起始位置重新拉动时。纸板上最后1个正弦图形不是完整的正弦图形，再拉动纸板时，上方的漏斗仍继续其未完成的周期运动，而落下的细沙也将从纸板的起始线与不完整正弦图形的末点并平行于纸板轴线的直线的交点处继续描绘其未完成的正弦图形，因此重新拉动纸板时，新落下的细沙不再严格地堆积在上次的图形上，新形成的图形与上次的图形发

18、生交叠现象。如图2-5所示，图中灰线为第1次细沙在纸板上留下的图形，虚点线为第2次细沙在纸板上留下的图形，2个正弦图形不重合发生交叠现象。图2-5 Y板加正弦电压X板加锯齿波电压，且（不为整数）时，荧光屏上波形与单摆实验形成的波形的比较3 示波器电子运动规律与波形显示关系31 电子运动与示波器面板上相关旋钮的关系示波管灯丝发出的电子，打到荧光屏上电子个数多少是由控制栅极来控制的，源源不断的电子被阳极加速和电子透镜聚焦于一条直线上，当垂直、水平偏转板未加偏转电压时，电子将以速度打在荧光屏上的某一点，光点亮度与电子速密度成正比，调节辉度旋钮来改变控制栅极电压，以改变光点亮度。旋转聚焦旋钮改变电子透

19、镜电压，就可以确定电子束的聚焦程度，光点直径变小，信号波形就显得更加清晰7。当只在水平偏转板加上直流电压，电子束通过偏转板，受两板间电场力作用而发生偏移，于是光点就视所加电压的极性决定左移或右移，如图3-1、点。同理，在垂直偏转板加上直流电压时，光点就在竖直方向上上、下移动，如图3-1、点。如果两偏转板同时加电压，光点就按合成力的方向移动，电子束就围绕中心对称轴线图3-2来回摆动。偏移距离与所加电压大小成正比。因此，调节两偏转板上的电压，就能调节光点的位置。即调节面板上的“X轴位置”和“Y轴位置”。如果将被测的交流信号单独加在垂直或水平偏转板上，由于电场力的大小和方向随时间而变，因而电子束就围

20、绕中心对称轴线来回摆动，使之荧光屏上显示出一条垂直或水平直线。 D1P2H2D2P1H1AOBC图3-1 荧光屏上光点与偏转板上电压的关系 图3-2 某电子通过偏转板轨迹32 示波管中的电子运动规律若在Y轴上加一电压，垂直两极板间距，电子运动方向电场有效宽度，离开电场到荧光屏间若电子束进入Y极板间的初始时刻为坐标原点，则其间电子的加速度和速度分别为 (3.1) （） (3.2)则电子束离开Y极板偏离水平方向距离为 (3.3)随后，该电子将以合速度沿AB方向运动，打在荧光屏B点，距原电子运动方向位移，由于电子束在平行极板间加速度依据正弦规律 变化，如图3-1所示，打在荧光屏、亮线上的是试验信号不

21、同电压对应的电子。33 示波管中电子的三维运动规律 若仅在水平极板上加锯齿波电压，电子束通过偏转板，在荧光屏上仅能观察到幅度最大的，亮线，电子束依次沿水平方向位移增大，这就需要在水平极板上施加锯齿波信号电压，可表示为 （） (3.4) （） (3.5)为水平极板间距，由此，可以看出各电子所受到的电场力依次增大，水平方向的加速度为 （） (3.6)电子离开电场的运动速度 （） (3.7)为通过x产生电场各处的时间，即，电子在离开水平方向电场时，电子偏离原运动方向的距离为 （） (3.8)其中,为与x极板垂直的分速度,为通过x极板至荧光屏电子的运动速度。事实上，打在荧光屏上的电子是由三个分运动的合

22、成结果，其合速度为对应相互垂直电子运动速度的合成。即 (3.9)要在示波器荧光屏上显示信号电压波形，就应该在水平方向极板施加锯齿波扫描电压，扫描电压分别采用(2T)、(T)、(12T)锯齿波电压扫描周期时，就可在荧光屏上分别观察到两个、一个和半个周期的正弦信号电压波形。4 两种示波原理分析方法的比较 文献3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，并且易于理解，但对于分

23、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4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，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

24、距离 (4.1) 其中是一个与偏转系统的几何尺寸有关的常数，为偏转板两端的电压，为电子枪中加速极的加速电压。因此，一定时，偏转电压越大，电子的偏转距离与偏转电压成正比6；也更易于理解由电子运动规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

25、系统的瞬间可将偏转电压看作恒定，再由公式(4.1)，可得到任意波形形成原理的分析法如下： (1)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 (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。42 波形形成原理的应用：李沙育图形 示波器两个偏转板上都加正弦波电压时显示的图形称为李沙育(L

26、issajous )图形，这种图形的形状取决于不同的频率比和初始相位差1。例如，若两正弦信号的频率比为1，初相相同，且在x、y方向的偏转距离相同，在荧光屏上画出一条与水平轴呈45°角的直线；若初相相差90°，且在x 、y方向的偏转距离相同，在荧光屏上画出的图形为圆1。同样，根据文献4中的方法可以分析李沙育图形中任意一个波形的形成原理。5 LCD液晶屏简介 TD、STN、DSTN这三种液晶屏都属于无源矩阵LCD，它们的原理基本相同，不同之处只是各个液晶分子的扭曲角度略有差异，其中DSTN（Dual-Scan Twisted Nematic）LCD，即双扫描液晶显示屏（俗称“伪

27、彩”），必须借用外界光源来显像，这些反射性单色或彩色没有背光设计的LCD可以做得更薄、更轻和更省电。固纬的GDS-800系列示波器就是单色和彩色LCD显示器。TFT（Thin Film Transistor）LCD，又称为主动式点晶薄膜晶体管液晶显示屏，是目前液晶显示器的应用主流，它具有屏幕反应速度快、对比度好、亮度高、可视角度大、色彩丰富等优点。固纬的GDS-2000系列，1000系列，1000A系列数字示波器都是TFT LCD。将涂有透明导电层的两片玻璃基板间夹上一层正介电异向性液晶，液晶分子沿玻璃表面平行排列，排列方向在上下玻璃之间连续扭转90°。然后上下各加一偏光片，底面加上反光片，基本就构成了TN型液晶。将非偏极光（一般光线）过滤成偏振光。当非偏极光通过a方向的偏光片时，光线被过滤成与a方向平行的线性偏极光。偏振方向相同，线性偏极光继续前进，通过第二片偏光片时，光线通过。偏振方向不同，通过第二片时，光线被完全阻挡。TFT上下各有一片偏振方向垂直的偏光片，背光板发出的光经背光模组散射后，先通过下层偏光片形成偏振光之后通过液晶分子，并由液晶