阴极射线示波器。工作和操作细节

在这篇文章中，我们将详细讨论阴极射线示波器(CRO)的工作原理及其内部结构。我们还将学习如何使用各种控件来使用CRO，并理解在示波器的显示屏上各种输入信号的图形表示。

阴极射线示波器(CRO)的重要性

我们知道，大多数电子电路严格地涉及和使用电子波形或数字波形，这通常是作为一个频率产生的。这些信号以音频信息、计算机数据、电视信号、振荡器和定时发生器(如用于雷达)等形式在此类电路中起着重要作用。因此，在测试和故障排除这些类型的电路时，准确、准确地测量这些参数变得非常重要

一般可用的表，如数字万用表或模拟万用表，设备有限，只能测量直流或交流电压、电流或阻抗。一些先进的仪表能够测量交流信号，但只有在信号是高度精炼的，并以特定的未失真的正弦信号的形式。因此，当涉及到分析波形和计时周期的电路时，这些仪表无法达到目的。

相比之下，示波器是一种用于准确地接收和测量波形的装置，使用户能够直观地看到脉冲或波形的形状。

CRO是一种高级示波器，它允许用户看到应用波形的可视化表示。

它使用一个阴极射线管(CRT)来产生与应用在输入端的信号波形相对应的视觉显示。

阴极射线管(CRT)内部的电子束响应输入信号，通过偏转运动(扫过)电子管(屏幕)的表面，在屏幕上创建一个视觉痕迹，代表波形形状。这些连续的轨迹允许用户检查波形并测试其特性。

与只能提供波形数值的数字万用表相比，示波器产生波形实际图像的特性变得非常有用。

众所周知，阴极射线示波器使用电子束在示波器屏幕上显示各种读数。为了使光束水平偏转或处理，一种操作叫做扫描电压，而垂直处理是由被测量的输入电压完成的。

阴极射线管-理论与内部结构

在阴极射线示波器(CRO)内部，阴极射线管(CRT)成为该设备的主要部件。CRT负责在示波器的屏幕上产生复杂的波形成像。

对照表主要由四部分组成:

1.电子枪用于产生电子束的电子枪
2.聚焦和加速元件，以产生精确的电子束。
3.用于操纵电子束角度的水平和垂直偏转板。
4.荧光屏一种真空玻璃外壳，涂有荧光屏，当电子束撞击其表面时产生所需的可见光

下图是CRT的基本结构细节

现在我们来了解CRT的基本功能。

阴极射线示波器(CRO)如何工作

阴极射线管内部的热灯丝用于加热管的阴极(K)侧，该阴极(K)侧由氧化层组成。这导致电子瞬间从阴极表面释放出来。

一种叫做控制网格(G)的元件控制着能在电子管长度上通过得更远的电子数量。施加在栅极上的电压水平决定了从加热的阴极中释放出的电子数量，以及有多少电子被允许向前移动到电子管的表面。

一旦电子超越了控制栅极，它们就会通过随后的聚焦形成锐利的光束，并在阳极加速的帮助下实现高速加速。

这一高度加速的电子束在下一阶段通过两组偏转板之间。第一块板的角度或方向以这样一种方式保持，它使电子束垂直向上或向下偏转。这反过来是由施加在这些板上的电压极性所控制的。

另外，梁上允许的挠度是由施加在板上的电压决定的。

这种受控制的偏转光束通过施加在电子管上的极高电压，经过更大的加速度，最终使光束击中电子管内表面的磷光层涂层。

这立即使荧光粉发光响应的打击电子束产生的可见辉光在屏幕上为用户处理范围。

阴极射线管是一种独立的完整装置，具有适当的端子通过后部底座突出到特定的针出。

不同形式的crt在市场上有许多不同的尺寸，具有不同的磷涂层管和偏转电极定位。

现在让我们考虑一下CRT在示波器中的使用方法。

我们对给定样本信号可视化的波形模式是这样执行的:

当扫描电压使电子束在阴极射线管屏幕的内表面水平移动时，同时被测量的输入信号迫使电子束垂直偏转，在屏幕图形上产生我们分析所需的图案。

什么是单扫

电子束在阴极射线管(CRT)屏幕上的每扫一次，后面都跟着一个分数“空白”时间间隔。在这个空白阶段，光束被短暂地关闭，直到它到达起始点或屏幕的前一个极端的一面。每次扫描的循环被称为“光束的一扫”

为了在屏幕上获得稳定的波形显示，电子束应该从左到右反复“扫描”，反之亦然，每次扫描使用相同的成像。

为了实现这一点，需要进行同步操作，以确保波束从屏幕上完全相同的点返回并重复每次扫描。

当正确同步时，屏幕上的波形模式显示稳定和恒定。然而，如果不进行同步，波形就会从屏幕的一端缓慢地水平漂移到另一端。

阴极射线示波器的基本组件

CRO的基本要素见下图22.2。我们将主要分析这个基本框图的CRO的操作细节。

为了使光束通过至少一厘米到几厘米的有意义和可识别的偏转，偏转板上使用的典型电压水平必须最小为几十甚至几百伏特。

由于通过CRO评估的脉冲通常只有几伏特的量级，或至多几毫伏，因此需要适当的放大器电路将输入信号提升到运行管所需的最佳电压水平。

实际上，放大器级是用来帮助光束在水平面和垂直线上偏转的。

为了能够适应正在分析的输入信号电平，每个输入脉冲必须通过一个衰减电路级，该电路级旨在增强显示的振幅。

电压扫描操作

电压扫描操作的实现方式如下:

在垂直输入保持在0V的情况下，电子束应该在屏幕的垂直中心看到。如果将0V同样应用于水平输入，则横梁将定位在屏幕的中心，看起来像一个固体和文具点的中心。

现在，这个“点”可以移动到屏幕上的任何地方，只需操纵示波器的水平和垂直控制按钮。

点的位置也可以通过在示波器的输入端引入一个特定的直流电压来改变。

下图显示了在阴极射线管屏幕上，通过正向的水平电压(向右)和负的垂直输入电压(从中心向下)，如何精确地控制点的位置。

水平扫描信号

为了使信号在CRT显示器上可见，必须通过水平扫过屏幕使光束偏转，这样任何相应的垂直信号输入都能使变化反映在屏幕上。

从下面的图22.4中，我们可以看到显示器上的直线，这是由于垂直输入通过线性(锯齿)扫描信号施加到水平通道上的正电压馈电而得到的。

当电子束保持在选定的固定垂直距离上时，水平电压被迫从负到零再到正，导致电子束从屏幕左侧移动到中心，再到屏幕右侧。电子束的这种运动产生一条高于中心垂直参考线的直线，以星光线的形式显示适当的直流电压。

不是产生一个单一的扫描，扫描电压被实现像一个连续的波形。这本质上是为了确保屏幕上的显示是一致的。如果只扫一次，效果不会持久，会立即褪色。

这就是为什么阴极射线管内每秒会产生重复扫描，由于我们的视觉持久性，屏幕上会呈现出连续的波形。

如果我们根据示波器上提供的时间尺度降低上述扫描速率，就可以在屏幕上看到光束的真实移动印象。如果只将正弦信号应用到垂直输入而不存在水平扫描，我们将看到如图22.5所示的垂直直线。

如果这个正弦垂直输入的速度足够降低，我们就能看到电子束沿着直线向上移动。

使用线性锯齿扫描显示垂直输入

如果你有兴趣检查正弦波信号，你将必须利用水平通道上的扫描信号。这将允许应用在垂直通道上的信号在CRO的屏幕上变得可见。

在图22.6中可以看到一个实际的例子，它显示了通过垂直通道利用水平线性扫描和正弦或正弦输入生成的波形。

为了获得应用输入在屏幕上的单个周期，输入信号和线性扫描频率的同步变得至关重要。即使有一分钟的差异或不正确的同步显示可能无法显示任何运动。

如果降低扫描频率，则可以在CRO屏幕上看到更多的正弦输入信号的周期数。

另一方面，如果我们增加扫描的频率，将允许更少的垂直输入正弦信号周期在显示屏上可见。这实际上会导致在CRO屏幕上产生应用的输入信号的放大部分。

解决了实际的例子:

在图22.7中，我们可以看到示波器屏幕显示一个脉冲信号，响应于垂直输入的脉冲状波形，并进行水平扫描

每个波形的编号使显示器能够跟踪每个周期的输入信号和扫描电压的变化。

同步和触发

阴极射线示波器的调整是通过根据频率调整速度来执行的，用于产生脉冲的单个周期，许多周期，或波形周期的一部分，这一特性成为CRO的一个CRO是任何CRO的关键特性。

在图22.8中，我们可以看到CRO屏幕显示扫描信号的几个周期的响应。

对于通过线性扫描周期(从最大负极限0到最大正极限)执行的水平锯齿形扫描电压的每一次执行，都会导致电子束水平穿过CRO屏幕区域，从屏幕的左边开始，到中心，然后到右边。

在此之后，锯齿形电压迅速返回到开始的负电压限制，电子束相应地移动到屏幕的左侧。在这段时间内，当扫描电压迅速回到负极(回描)时，电子经过一个空白阶段(其中栅极电压抑制电子撞击电子管表面)。

为了使显示器对光束的每次扫描产生稳定的信号图像，必须从输入信号周期的完全相同的点开始扫描。

在图22.9中，我们可以看到，一个相当低的扫描频率导致显示器产生波束左侧漂移的现象。

当设置为如图22.10所示的高扫描频率时，显示器会在屏幕上产生波束右侧漂移的现象。

不用说，为了在屏幕上实现稳定或恒定的扫描，将扫描信号的频率精确地调整为与输入信号的频率相等是非常困难或不切实际的。

一个看起来更可行的解决方案是等待信号返回到一个周期内跟踪的起点。这种类型的触发包括一些好的特性，我们将在下面的段落中讨论。

触发

同步的标准方法是使用一小部分输入信号来切换扫描发生器，迫使扫描信号与输入信号锁存或锁定，这一过程将两个信号同步在一起。

在图22.11中，我们可以看到方框图，说明了在a中提取输入信号的一部分单通道示波器。

此触发信号从市电交流线路频率(50或60Hz)中提取，用于分析可能与市电有关或与市电有关的任何外部信号，或可能作为CRO的垂直输入的相关信号。

当选择开关被拨向“内部”时，触发发生器电路可以使用一部分输入信号。然后，输出触发发生器输出用于启动或启动CRO的主扫描，该扫描在范围的时间/cm控制设置的一段时间内保持可见。

在一个信号周期的几个不同点上的触发初始化可以在图22.12中可视化。触发器扫描的功能也可以通过由此产生的波形图进行分析。

作为输入的信号用于产生扫描信号的触发波形。如图22.13所示，扫描始于输入信号周期，并持续一段由扫描长度控制设置决定的时间。随后，CRO操作等待直到输入信号在其周期内达到相同的点，然后开始一个新的扫描操作。

上述解释的触发方法可以实现同步过程，而在显示器上可以看到的周期数是由扫描信号的长度决定的。

多道函数

许多先进的CROs便于同时在显示屏上查看多个或多个轨迹，这允许用户轻松地比较多个波形的特殊或其他特定特征。

这一功能通常使用来自多个电子枪的多束电子束来实现，在CRO屏幕上产生单个电子束，但有时也通过单个电子束来实现。

有两种技术可用于生成多个跟踪:ALTERNATE和剁碎。在交替模式下，输入端可用的两个信号通过电子开关交替连接到偏转电路级。在这种模式下，无论要显示多少道，光束都要扫过CRO屏幕。在此之后，电子开关交替地选择第二个信号，并对这个信号做同样的事情。

这种操作方式可以在图22.14a中看到。

图22.14b显示了斩波工作模式，其中光束通过重复切换来选择每个扫频信号的两个输入信号。这种切换或截断动作在相对较低频率的信号中是无法被检测到的，在CRO屏幕上显然可以看到两个单独的痕迹。

如何通过校准的CRO刻度测量波形

你可能已经看到CRO显示器的屏幕由清晰标记的刻度组成。这是提供了一个应用波形的振幅和时间因子的测量。

被标记的单位是可见的盒子，盒子的两边被分为4厘米(厘米)。每个盒子被额外分成0.2厘米的间隔。

测量振幅:

RO屏幕上的垂直刻度可以看到以伏特/厘米(V/厘米)或毫伏/厘米(mV/厘米)校准。

通过对示波器控制按钮的设置和显示在显示器表面的标记，用户可以测量或分析波形信号或典型交流信号的峰-峰幅值。

下面是一个实际解决的例子，以理解如何在CRO的屏幕上测量振幅:

注意:这是示波器相对于万用表的优势，因为万用表只提供交流信号的均方根值，而示波器可以提供信号的均方根值和峰值之间的值。

用示波器测量交流周期的时间(周期)

示波器屏幕上的水平刻度可以帮助我们以秒、毫秒、微秒甚至纳秒来确定输入周期的时间。

一个脉冲从开始到结束完成一个周期所消耗的时间间隔称为脉冲周期。当这个脉冲以重复波形的形式出现时，它的周期称为波形的一个周期。

下面是一个实际解决的例子，展示了如何使用CRO屏幕校准确定波形的周期:

测量脉冲宽度

每个波形都由最大和最小电压峰组成，称为脉冲的高和低状态。脉冲保持在高或低状态的时间间隔称为脉冲宽度。

对于边缘急剧上升和下降的脉冲，这种脉冲的宽度从被称为前缘的脉冲开始到被称为后缘的脉冲结束，如图22.19a所示。

对于具有较慢或缓慢上升和下降周期(指数型)的脉冲，它们的脉冲宽度在周期的50%水平上测量，如图22.19b所示。

下面的解决示例有助于更好地理解上述过程:

了解脉冲延迟

在一个脉冲周期内，脉冲之间的时间间隔称为脉冲延迟。一个脉冲延迟的例子可以在下面的图22.21中看到，我们可以看到这里的延迟是在中点或50%水平和脉冲的起点之间测量的。

图22.21

实际解决的例子说明如何测量脉冲延迟在CRO

结论:

我试图包括关于阴极射线示波器(CRO)如何工作的大多数基本细节，并试图解释如何使用这个设备通过其校准屏幕测量各种基于频率的信号。然而，我在这里可能还遗漏了许多方面，尽管如此，我还是会时不时地查看并更新更多信息，只要有可能。

参考:https://en.wikipedia.org/wiki/Oscilloscope