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[導讀]在數(shù)字電路實驗中,需要使用若干儀器、儀表觀察實驗現(xiàn)象和結(jié)果。常用的電子測量儀器有萬用表、邏輯筆、普通示波器、存儲示波器、邏輯分析儀等。萬用表和邏輯筆使用方法比較簡單,而邏輯分析儀和存儲示波器目前在數(shù)字

在數(shù)字電路實驗中,需要使用若干儀器、儀表觀察實驗現(xiàn)象和結(jié)果。常用的電子測量儀器有萬用表、邏輯筆、普通示波器、存儲示波器、邏輯分析儀等。萬用表和邏輯筆使用方法比較簡單,而邏輯分析儀和存儲示波器目前在數(shù)字電路教學實驗中應用還不十分普遍。示波器是一種使用非常廣泛,且使用相對復雜的儀器。本章從使用的角度介紹一下示波器的原理和使用方法。
    1 示波器工作原理
 

  示波器是利用電子示波管的特性,將人眼無法直接觀測的交變電信號轉(zhuǎn)換成圖像,顯示在熒光屏上以便測量的電子測量儀器。它是觀察數(shù)字電路實驗現(xiàn)象、分析實驗中的問題、測量實驗結(jié)果必不可少的重要儀器。示波器由示波管和電源系統(tǒng)、同步系統(tǒng)、X軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、Y軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、延遲掃描系統(tǒng)、標準信號源組成。
 

  1.1 示波管
  陰極射線管(CRT)簡稱示波管,是示波器的核心。它將電信號轉(zhuǎn)換為光信號。正如圖1所示,電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三部分密封在一個真空玻璃殼內(nèi),構(gòu)成了一個完整的示波管。

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                                圖1 示波管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和供電圖示
 

  1.熒光屏
  現(xiàn)在的示波管屏面通常是矩形平面,內(nèi)表面沉積一層磷光材料構(gòu)成熒光膜。在熒光膜上常又增加一層蒸發(fā)鋁膜。高速電子穿過鋁膜,撞擊熒光粉而發(fā)光形成亮點。鋁膜具有內(nèi)反射作用,有利于提高亮點的輝度。鋁膜還有散熱等其他作用。
  當電子停止轟擊后,亮點不能立即消失而要保留一段時間。亮點輝度下降到原始值的10%所經(jīng)過的時間叫做“余輝時間”。余輝時間短于10μs為極短余輝,10μs—1ms為短余輝,1ms—0.1s為中余輝,0.1s-1s為長余輝,大于1s為極長余輝。一般的示波器配備中余輝示波管,高頻示波器選用短余輝,低頻示波器選用長余輝。
  由于所用磷光材料不同,熒光屏上能發(fā)出不同顏色的光。一般示波器多采用發(fā)綠光的示波管,以保護人的眼睛。
 

  2.電子槍及聚焦
  電子槍由燈絲(F)、陰極(K)、柵極(G1)、前加速極(G2)(或稱第二柵極)、第一陽極(A1)和第二陽極(A2)組成。它的作用是發(fā)射電子并形成很細的高速電子束。燈絲通電加熱陰極,陰極受熱發(fā)射電子。柵極是一個頂部有小孔的金屬園筒,套在陰極外面。由于柵極電位比陰極低,對陰極發(fā)射的電子起控制作用,一般只有運動初速度大的少量電子,在陽極電壓的作用下能穿過柵極小孔,奔向熒光屏。初速度小的電子仍返回陰極。如果柵極電位過低,則全部電子返回陰極,即管子截止。調(diào)節(jié)電路中的W1電位器,可以改變柵極電位,控制射向熒光屏的電子流密度,從而達到調(diào)節(jié)亮點的輝度。第一陽極、第二陽極和前加速極都是與陰極在同一條軸線上的三個金屬圓筒。前加速極G2與A2相連,所加電位比A1高。G2的正電位對陰極電子奔向熒光屏起加速作用。
  電子束從陰極奔向熒光屏的過程中,經(jīng)過兩次聚焦過程。第一次聚焦由K、G1、G2完成,K、K、G1、G2叫做示波管的第一電子透鏡。第二次聚焦發(fā)生在G2、A1、A2區(qū)域,調(diào)節(jié)第二陽極A2的電位,能使電子束正好會聚于熒光屏上的一點,這是第二次聚焦。A1上的電壓叫做聚焦電壓,A1又被叫做聚焦極。有時調(diào)節(jié)A1電壓仍不能滿足良好聚焦,需微調(diào)第二陽極A2的電壓,A2又叫做輔助聚焦極。
 

  3.偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)
  偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制電子射線方向,使熒光屏上的光點隨外加信號的變化描繪出被測信號的波形。圖8.1中,Y1、Y2和Xl、X2兩對互相垂直的偏轉(zhuǎn)板組成偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。Y軸偏轉(zhuǎn)板在前,X軸偏轉(zhuǎn)板在后,因此Y軸靈敏度高(被測信號經(jīng)處理后加到Y(jié)軸)。兩對偏轉(zhuǎn)板分別加上電壓,使兩對偏轉(zhuǎn)板間各自形成電場,分別控制電子束在垂直方向和水平方向偏轉(zhuǎn)。
 

  4.示波管的電源
  為使示波管正常工作,對電源供給有一定要求。規(guī)定第二陽極與偏轉(zhuǎn)板之間電位相近,偏轉(zhuǎn)板的平均電位為零或接近為零。陰極必須工作在負電位上。柵極G1相對陰極為負電位(—30V~—100V),而且可調(diào),以實現(xiàn)輝度調(diào)節(jié)。第一陽極為正電位(約+100V~+600V),也應可調(diào),用作聚焦調(diào)節(jié)。第二陽極與前加速極相連,對陰極為正高壓(約+1000V),相對于地電位的可調(diào)范圍為±50V。由于示波管各電極電流很小,可以用公共高壓經(jīng)電阻分壓器供電。
 

  1.2 示波器的基本組成
 

  從上一小節(jié)可以看出,只要控制X軸偏轉(zhuǎn)板和Y軸偏轉(zhuǎn)板上的電壓,就能控制示波管顯示的圖形形狀。我們知道,一個電子信號是時間的函數(shù)f(t),它隨時間的變化而變化。因此,只要在示波管的X軸偏轉(zhuǎn)板上加一個與時間變量成正比的電壓,在y軸加上被測信號(經(jīng)過比例放大或者縮小),示波管屏幕上就會顯示出被測信號隨時間變化的圖形。電信號中,在一段時間內(nèi)與時間變量成正比的信號是鋸齒波。
  示波器的基本組成框圖如圖2所示。它由示波管、Y軸系統(tǒng)、X軸系統(tǒng)、Z軸系統(tǒng)和電源等五部分組成。 

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圖2 示波器基本組成框圖


  被測信號①接到“Y"輸入端,經(jīng)Y軸衰減器適當衰減后送至Y1放大器(前置放大),推挽輸出信號②和③。經(jīng)延遲級延遲Г1時間,到Y(jié)2放大器。放大后產(chǎn)生足夠大的信號④和⑤,加到示波管的Y軸偏轉(zhuǎn)板上。為了在屏幕上顯示出完整的穩(wěn)定波形,將Y軸的被測信號③引入X軸系統(tǒng)的觸發(fā)電路,在引入信號的正(或者負)極性的某一電平值產(chǎn)生觸發(fā)脈沖⑥,啟動鋸齒波掃描電路(時基發(fā)生器),產(chǎn)生掃描電壓⑦。由于從觸發(fā)到啟動掃描有一時間延遲Г2,為保證Y軸信號到達熒光屏之前X軸開始掃描,Y軸的延遲時間Г1應稍大于X軸的延遲時間Г2。掃描電壓⑦經(jīng)X軸放大器放大,產(chǎn)生推挽輸出⑨和⑩,加到示波管的X軸偏轉(zhuǎn)板上。z軸系統(tǒng)用于放大掃描電壓正程,并且變成正向矩形波,送到示波管柵極。這使得在掃描正程顯示的波形有某一固定輝度,而在掃描回程進行抹跡。
  以上是示波器的基本工作原理。雙蹤顯示則是利用電子開關(guān)將Y軸輸入的兩個不同的被測信號分別顯示在熒光屏上。由于人眼的視覺暫留作用,當轉(zhuǎn)換頻率高到一定程度后,看到的是兩個穩(wěn)定的、清晰的信號波形。
  示波器中往往有一個精確穩(wěn)定的方波信號發(fā)生器,供校驗示波器用。

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