计量泵

波形显示道理

一.示波管

示波器基本采器具有静电偏转的阴极射线示波管(CRT),它的内部结构主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分构成,它是示波器观察电信号波形的关键器件。和电视机的显像管同样都是一种特殊的电子管,区别在于偏转方式,显像管是磁偏转,而示波管则是静电偏转方式。示波管基本道理图如图1-1-1所示。

1.电子枪

电子枪由灯丝F、阴极K、节制栅极G、第一阳极A一、第二阳极A2和后加速极A3所构成。其作用是发射电子并形成很细的高速电子束,轰击荧光屏而发光。灯丝用于加热阴极,阴极提供热电子发射所孕育发生的电子。节制栅极则用来节制射向荧光屏的电子流密度,从而改变荧光屏亮点的辉度。调节电位器RPl改变栅、阴极之间的电位差,即可达到此目的,故RPl在面板上的旋钮标以“辉度”。

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第一阳极和第二阳极对电子束有加速作用,同时和节制栅极构成一个对电子束的节制系统,起聚焦作用。调节RP2可改变第一阳极的电位,调节RP3可以改变第二阳极的电位。恰当调节RP2和RP3,可使电子束恰好在荧光屏上会聚成细小的点,保证显示波形的清晰度。因此把RP2和RP3分别称为“聚焦”和“辅助聚焦”电位器。

需要指出的是,在调节“辉度”时会使聚焦受到影响,因此,示波管的“辉度”与“聚焦”并非彼此独立,而是有关联的。在施用示波器时,这两者经常要共同调节。

后加速极A3位于荧光屏与偏转板之间,其作用是对电子束作进一步加速,增加光迹辉度。

2.偏转系统

从阴极发射的电子,可在荧光屏中心孕育发生一个静止的光点。若在电子束到达荧光屏前受到磁场或电场的作用,就会使电子束离开正道中心轴线,孕育发生位移。前者称为磁偏转,在显像管中采用;而示波管用的基本上是后一种,称为静电偏转。

示波管的偏转系统包孕垂直偏转板(Y一、Y2)和水平偏转板(X一、X2)。垂直偏转板在前(接近第二阳极),水平偏转板在后。在这两对偏转板上分别加电压信号,形成互相垂直的静电场,分别节制电子束在垂直标的目的和水平标的目的的偏转。电子束受到垂直偏转和水平偏转的共同作用,根据运动的合成规则,确定光点在荧光屏上的位置。如果在两对偏转板上各加一稳定的直流电压,光点会停留在荧光屏上的某一位置。如果都加交流电压,光点会随交流电压的节制,作上下左右的运动。

电子束在偏转电场作用下的起动规律可以用图1-1-2来分析,其在荧光屏上的垂直偏转距离y可用式(1-1-1)来表示。

Y=syuy(cm)(1-1-1)

式中 为示波管垂直偏转灵敏度;

为加于两垂直偏转板上的电压, 。

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sy的单位为cm/V,表示加在垂直偏转板上的每伏电压所能导致的偏转距离。对于确定的示波管sy是常数,以是电子束在荧幕上的偏转距离正比于加到偏转板上的电压。这是示波器测量方法的定见基础。

通常,称sy的倒数DY=1/SY为示波管垂直偏转因数,单位为V/cm,它表示光点在荧光屏垂直标的目的偏转1cm所需要在垂直偏转板上的电压值(峰-峰值)。

水平偏转规律与垂直偏转规律同理。但由于垂直偏转板接近电子枪,水平偏转板接近荧光屏,故垂直偏转板的偏转灵敏度比水平偏转板的灵敏度高,便于观测微弱信号。

3.荧光屏

示波管的荧幕是在它的管壁内侧涂上一层磷光物质来形成的。这种由磷光物质构成的荧光膜在受到高速电子轰击后,将电子的动能转化为光能,形成光点,并出现余辉时间(从电子束遏制作用到光点亮度下降到其原始值的10%所延续的时间称为余辉时间)。正是哄骗荧光屏的余辉,当电子束随信号电压偏转时,才气观察到由光点的移动轨迹而形成的整个信号波形。光波管按余辉时间可分为:短余辉(小于1ms)示波管,中余辉(1-100ms)示波,长余辉(大于100ms)示波管。

观察高速信号时,一般施用短余辉示波管,如施用长余辉示波管反而会恍惚不清。在医疗、生物及雷达方面,常施用长余辉管。一般通用的示波器上则采用中余辉示波管。长余辉示波管常被应用于超低频示波器上。示波管发出的荧光和磷光的色彩大体相同,通常是绿色或蓝色。

当高速电子束轰击荧光屏时,其动能除转变为光外,也将孕育发生热。以是,如过密的电子束长时间集中于荧幕同一点时,由于过热会减弱磷光物质的发光效率,严重时能把荧幕上的这一点烧成一个黑斑。以是在施用示波器时不应当使光点长时间停留于一个位置。

荧光屏中间平整部分称为有效面积。一般来说,长方形荧光屏较之圆形荧光屏平整,有效面积较大。施用示波器,应尽量使波形映现在有效面积内。

为了定量地进行电压大小和时间长短的测量,在荧光屏的外边加一块用有机玻璃制成的外刻度片,标有垂直和水平标的目的的刻度。近年来又将刻度做到荧光屏玻璃的内侧.称为内刻度片,它可以消除波形与刻度片不在同一平面上造成的视觉误差。

二.波形显示道理

1.电子束的运动

电子束沿垂直偏转电压和水平偏转电压共同作用的合成标的目的运动,如图1-1-3所示。仅在水平偏转板上加一任何时间间变化的周期性电压UX时,荧光屏显示一条水平亮线,如图1-1-3(a)所示;仅在垂直偏转板上加任何时间间变化的周期性电压UY时,荧光屏显示一条垂直亮线如图1-1-3(b)所示。在两对偏转板上加电压时,则荧光屏显示这两个电压的关系,按平行四边形规则合成光点,光点的轨迹反映UX和UY的关系,如图1-1-3(c)所示。

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被测电压是时间的函数,对应于每一时刻,它都有确定的值与之相对应。要在荧光屏上显示被测电压波形,就要把荧光屏看作为—个直角坐标。其垂直轴作为电压轴、水平轴作为时间轴,使电子束在垂直标的目的偏转距离正比于被测电压的瞬时值,沿水平标的目的的偏转距离与时间成正比,也就是使光点在水平标的目的做匀速运动。要达到此目的,就必须在示波管的水平偏转板上加任何时间间线性变化的电子扫描锯齿波电压,称之为电子扫描电压。

2.电子扫描

当电子扫描电压达到最大值时,亮点即达到最大偏转,然后从该点归回到起始点。若电子扫描电压反复变化,在荧幕上就显示一条亮线,这个过程称为“电子扫描”。亮点由左边起点到达右边终点的过程称为“电子扫描正程”,而迅速归回电子扫描起始点的过程称为“电子扫描回程”或“电子扫描逆程”。理想锯齿波的回归时间为零。

在水平偏转析有电子扫描电压作用的同时,在垂直偏转板上加被测信号电压,就能够将其波形显示在荧光屏上。如图1-1-4所示。被测电压UY的周期为TY,如果电子扫描电压的周期TX正好等于TY,则在UY与UX的共同作用下,亮点的光迹正好是一条与UY相同的曲线(在此为正弦曲线)。亮点从0点经一、二、3至4点的移动为正程。从4点迅速归回0点的移动为回程。回程的光迹为连接4点、0点的直线。为了使显示的波形清晰,需将回程形成的光边隐去。

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由于电子扫描电压UX任何时间间做线性变化,以是荧光屏的水平轴就成为时间轴。亮点在水平标的目的偏转的距离大小代表时间的长短,故称电子扫描线为时间基线。若电子扫描正程线性不佳将影响波形的疏密,扫得快时波形扩展,扫得慢时波形压缩。

3.同步

上面描述的是TX=TY的情况,如果是TX=2TY,则在荧光屏上显示如图1-1-5的波形。由于波形多次反复出现,而且重叠在一起,因此同样可观察到一个稳定的图象。

如果TX不是TY的整数倍,会孕育发生什么结果呢?若TX略大于TY,于是在—个TX时间内显示一个正弦波多一点,如图1-1-6所示。第2个 时,亮点从A跳到B,而出第2个正弦波后从C跳到D……如此,将看到波形向左移。反之若TX略小于TY,波形将向右移动。

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至此,可得到稳定显示一个波形的条件:

(1)待测信号UY为频率FY稳定的周期性信号。

(2)UX为频率FX稳定的锯齿波电压。

(3)FX=N*FY (n为正整数)。

满足上述这3个条件称为同步。它依靠同步电路进行自动调节。同步有三种方式,用待测信号去节制电子扫描频率称为内同步;用50Hz市电去节制电子扫描频率称为电源同步。显然,此时待测信号频率应与电源有关;而用与之相关的第3个信号去节制电子扫描频率称为外同步。

总之,电子束在被测电压与同步电子扫描电压的共同作用下,亮点在荧光屏上所描绘的图形反映了被测信号任何时间间的变化过程,当多次反复就构成稳定的图象。