信號發(fā)生器和示波器的原理和使用

示波器是一種常用的電子測量儀器，可以把肉眼無法看見的電信號轉(zhuǎn)換為圖像便于人們的觀察。示波器在使用的過程中用戶對于示波器的工作原理和組成是必須要掌握的，這對于用戶的使用是很重要的。今天小編就來具體為大家介紹一下示波器的工作原理和組成吧，希望可以幫助到大家。

函數(shù)信號發(fā)生器的原理和使用

1． 基本要求：

設(shè)計制作一個方波-三角波-正弦波信號發(fā)生器，供電電源為±12V。

1）輸出頻率能在1-10KHZ范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)；

2）方波輸出電壓Uopp=12V（誤差《20%），上升、下降沿小于10us；

3）三角波輸出信號電壓Uopp=8V（誤差《20%）；

4）正弦波信號輸出電壓Uopp≥1V，無明顯失真。

2． 提高要求：

1）正弦波、三角波和方波的輸出信號的峰峰值Uopp均在1~10V范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)；

2）將輸出方波改為占空比可調(diào)的矩形波，占空比可調(diào)范圍30%--70%

3. 結(jié)構(gòu)框圖

實驗設(shè)計函數(shù)發(fā)生器實現(xiàn)方波、三角波和正弦波的輸出，其可采用電路圖有多種。此次實驗采用遲滯比較器生成方波，RC積分器生成三角波，差分放大器生成正弦波。除保證良好波形輸出外，還須實現(xiàn)頻率、幅度、占空比的調(diào)節(jié)，即須在基本電路基礎(chǔ)上進(jìn)行改良。

由比較器與積分器組成的方波三角波發(fā)生器，比較器輸出的方波信號經(jīng)積分器生成三角波，再經(jīng)由差分放大器生成正弦波信號。其中方波三角波生成電路為基本電路，添加電位器調(diào)節(jié)使其頻率幅度改變；正弦波生成電路采用差分放大器，由于差分放大電路具有工作點穩(wěn)定、輸入阻抗高、抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點，特別是作為直流放大器時，可以有效地抑制零點漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。

4．系統(tǒng)的組成框圖

5．方波—三角波產(chǎn)生電路

如圖所示為方波—三角波產(chǎn)生電路，由于采用了運(yùn)算放大器組成的積分電路，可得到比較理想的方波和三角波。該電路振蕩頻率和幅度便于調(diào)節(jié)，輸出方波幅度的大小由穩(wěn)壓管

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(biāo)準(zhǔn)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。

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(dāng)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(hù)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(xì)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(yùn)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(dá)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(fù)電位上。柵極G1相對陰極為負(fù)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(yīng)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?。静ü芷聊簧暇蜁@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。

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(dāng)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(fù)）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(dá)熒光屏之前X軸開始掃描，Y軸的延遲時間Г1應(yīng)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(jìn)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(dāng)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。