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1、电子测量仪器,目 录,1,2,3,4,5,6,CRT主要由三部分组成,1.CRT简介,其工作原理是：由电子枪产生的高速电子束轰击荧光屏的相应部位产生荧光，而偏转系统则能使电子束产生偏转，从而改变荧光屏上光点的位置。,1.CRT简介,电子枪,偏转系统,荧光屏,电子枪的作用是发射电子并形成很细的高速电子束。它由灯丝F、阴极K、栅极G1和G2和阳极A1、A2组成。当电流流过灯丝后对阴极加热，阴极产生大量电子，并在后续电场作用下轰击荧光屏发光。,1.CRT简介,1.CRT简介,（图中，F灯丝，K阴极，G1、G2栅极，A1、A2阳极）,1.CRT简介,控制栅极G1呈圆筒状，包围着阴极，只在面向荧光屏的方
2、向开一个小孔，使电子束从小孔中穿过。通过调节G1对K的负电位可调节光点的亮度，即进行“辉度”控制。,1.CRT简介,第一阳极A1使电子汇聚；第二阳极A2使电子加速。A1和A2与G1对电子束进行聚焦并加速，使到达荧光屏的电子形成很细的一束并具有很高速度。调节A1的电位，即可调节G2与A1和A1与A2之间的电位，调节A1的电位器称为“聚焦”旋钮；调节A2电位的旋钮称为“辅助聚焦”。,1.CRT简介,G1、G2、A1、A2的电位关系为：VG1VG1、VA1VA1，因此，电子从G1至G2、A1至A2将得到汇聚并加速，而从G2至A1将发散。,1.CRT简介,图7-2 电子束的聚焦原理示意图,(a)电子穿
3、越电场时的加速与减速,(b)电子在电子枪中的运动轨迹,示波管的偏转系统由两对相互垂直的平行金属板组成，分别称为垂直（Y）偏转板和水平（X）偏转板，偏转板在外加电压信号的作用下使电子枪发出的电子束产生偏转。 当偏转板上没有外加电压时，电子束打向荧光屏的中心点；如果有外加电压，则在偏转电场作用下，电子束打向由X、Y偏转板共同决定的荧光屏上的某个坐标位置。通常，为了示波器有较高的测量灵敏度，Y偏转板置于靠近电子枪的部位，而X偏转板在Y的右边。,1.CRT简介,1.CRT简介,电子束在偏转电场作用下的偏转距离与外加偏转电压成正比。,如图7-3，电子在离开第二阳极A2（设电压为Va）时速度为V0，设电子
4、质量为m，则有：,1.CRT简介,图7-3 电子束的偏转,1.CRT简介,电子将以V0为初速度进入偏转板，电子经过偏转板后偏转距离,上式表明，偏转距离与偏转板上所加电压和偏转板结构的多个参数有关，其物理意义可解释如下：若外加电压Vy越大，则偏转电场越强，偏转距离就越大；若偏转板长度l越长，偏转电场的作用距离就越长，因而偏转距离越大；若偏转板到荧光屏的距离S越长，则电子在垂直方向上的速度作用下，使偏转距离增大；若偏转板间距b越大，偏转电场将减弱，使偏转距离减小；若阳极A2的电压Va越大，电子在轴线方向的速度越大，穿过偏转板到荧光屏的时间越小，因而偏转距离减小。,式（7-2）中,l为偏转板的长度；
5、 S为偏转板中心到屏幕中心的距离；b为偏转板间距； Va为阳极A2上的电压。,（7-2）,1.CRT简介,对于设计定型后的示波器偏转系统，l、S、b、Va可视为常数，设比例系数为示波管的Y轴偏转灵敏度（单位为cm/V），示波管的Y轴偏转因数（单位为V/cm）越大，示波管越灵敏：,cm/V,（7-3）,则式(7-2)可写为,（7-4）,1.CRT简介,上式表示，垂直偏转距离与外加垂直偏转电压成正比。同样的，对水平偏转系统，亦有。据此，当偏转板上施加的是被测电压时，可用荧光屏上的偏转距离来表示该被测电压的大小，因此，式(7-4)是示波管用于观测电压波形的理论基础。,1.CRT简介,上式表示，垂直偏
6、转距离与外加垂直偏转电压成正比。同样的，对水平偏转系统，亦有。据此，当偏转板上施加的是被测电压时，可用荧光屏上的偏转距离来表示该被测电压的大小，因此，式(7-4)是示波管用于观测电压波形的理论基础。,为提高Y轴偏转灵敏度，可适当降低第二阳极电压，而在偏转板至荧光屏之间加一个后加速阳极A3，使穿过偏转板的电子束在轴向（Z方向）得到较大的速度。这种系统称为先偏转后加速（PDA，Post Deflection Acceleration）系统，可大大改善了偏转灵敏度。,荧光屏将电信号变为光信号，它是示波管的波形显示部分，通常制作成矩形平面。其内壁有一层荧光物质，面向电子枪的一侧还常覆盖一层极薄的透明铝
7、膜，高速电子可以穿透这层铝膜轰击屏上的荧光物质而发光，透明铝膜可保护荧光屏，且消除反光使显示图形更清晰。在使用示波器时，应避免电子束长时间的停留在荧光屏的一个位置，否则将使荧光屏受损，因此在示波器开启后不使用的时间内，可将“辉度”调暗。,1.CRT简介,当电子束停止轰击荧光屏时，光点仍能保持一定的时间，这种现象称为“余辉效应”。 从电子束移去到光点亮度下降为原始值的10所持续的时间称为余辉时间。 余辉时间与荧光材料有关，一般将小于10s的为极短余辉；10s1ms为短余辉；1ms0.1s为中余辉；0.11s为长余辉；大于1s为极长余辉。正是由于荧光物质的“余辉效应”以及人眼的“视觉残余”效应，尽
8、管电子束每一瞬间只能轰击荧光屏上一个点发光，但电子束在外加电压下连续改变荧光屏上的光点，我们就能看到光点在荧光屏上移动的轨迹，该光点的轨迹即描绘了外加电压的波形。,1.CRT简介,为便于使用者观测波形，需要对电子束的偏转距离进行定度，为此，有的示波管内侧即刻有垂直和水平的方格子（一般每格1cm，用div表示）；或者在靠近示波管的外侧加一层有机玻璃，在有机玻璃上标出刻度，但读数时应注意尽量保持视线与荧光屏垂直，避免视差。,1.CRT简介,电子束在荧光屏上产生的亮点在屏幕上移动的轨迹，是加到偏转板上的电压信号的波形。根据这个原理，示波器可显示随时间变化的信号波形和显示任意两个变量X与Y的关系图形。
9、,2.波形显示的基本原理,2.波形显示的基本原理,显示随时间变化的图形,2.1,电子束进入偏转系统后，要受到X、Y两对偏转板间电场的控制，它们对X、Y的控制作用有如下几种情况：,(1)Ux、Uy为固定电压的情况,1）设Ux=Uy=0，则光点在垂直和水平方向都不偏转，出现在荧光屏的中心位置，如图(7-4)a。,2.波形显示的基本原理,显示随时间变化的图形,2.1,电子束进入偏转系统后，要受到X、Y两对偏转板间电场的控制，它们对X、Y的控制作用有如下几种情况：,(1)Ux、Uy为固定电压的情况,2）设Ux=0、Uy=常量，光点在垂直方向偏移。设Uy为正电压，则光点从荧光屏的中心往垂直方向上移，若U
10、y为负电压，则光点从荧光屏的中心往垂直方向下移。,2.波形显示的基本原理,显示随时间变化的图形,2.1,电子束进入偏转系统后，要受到X、Y两对偏转板间电场的控制，它们对X、Y的控制作用有如下几种情况：,(1)Ux、Uy为固定电压的情况,3）设Ux=常量、Uy=0，则光点在水平方向偏移。若Ux为正电压，则光点从荧光屏的中心往水平方向右移，若Ux为负电压，则光点从荧光屏的中心往水平方向左移。,2.波形显示的基本原理,显示随时间变化的图形,2.1,电子束进入偏转系统后，要受到X、Y两对偏转板间电场的控制，它们对X、Y的控制作用有如下几种情况：,(1)Ux、Uy为固定电压的情况,4）设Ux=常量、Uy
11、=常量，当两对偏转板上同时加固定的正电压时，应为两电压的矢量合成。,2.波形显示的基本原理,显示随时间变化的图形,2.1,电子束进入偏转系统后，要受到X、Y两对偏转板间电场的控制，它们对X、Y的控制作用有如下几种情况：,(2)X、Y偏转板上分别加变化电压,1）设ux=0，uy=Umsint。由于X偏转板不加电压，光点在水平方向是不偏移的，则光点只在荧光屏的垂直方向来回移动，出现一条垂直线段，如图(7-5)a。,2.波形显示的基本原理,显示随时间变化的图形,2.1,电子束进入偏转系统后，要受到X、Y两对偏转板间电场的控制，它们对X、Y的控制作用有如下几种情况：,(2)X、Y偏转板上分别加变化电压
12、,2）设ux=kt，uy=0，由于Y偏转板不加电压，光点在垂直方向是不移动的，则光点在荧光屏的水平方向上来回移动，出现的也是一条水平线段，如图(7-5)b。,2.波形显示的基本原理,显示随时间变化的图形,2.1,电子束进入偏转系统后，要受到X、Y两对偏转板间电场的控制，它们对X、Y的控制作用有如下几种情况：,(3)Y偏转板加正弦波信号电压uy=Umsint，X偏转板加锯齿波电压ux=kt,1）当时间t=t0时，ux=-Uxm，uy=0（锯齿波电压的最大负值）。光点出现在荧光屏上最左侧的“0”点，偏离屏幕中心的距离正比于Uxm。,2.波形显示的基本原理,显示随时间变化的图形,2.1,电子束进入偏
13、转系统后，要受到X、Y两对偏转板间电场的控制，它们对X、Y的控制作用有如下几种情况：,(3)Y偏转板加正弦波信号电压uy=Umsint，X偏转板加锯齿波电压ux=kt,2）当时间t=t1时，Uy=Uy1、Ux=-Ux1，光点同时受到水平和垂直偏转板的作用；光点出现在屏幕第象限的最高点“1”点。,2.波形显示的基本原理,显示随时间变化的图形,2.1,电子束进入偏转系统后，要受到X、Y两对偏转板间电场的控制，它们对X、Y的控制作用有如下几种情况：,(3)Y偏转板加正弦波信号电压uy=Umsint，X偏转板加锯齿波电压ux=kt,3）当时间t=t2时，Uy=Uy2、Ux=-Ux2，此时锯齿波电压和正
14、弦波电压均为0，光点将会出现在屏幕中央的“2”点。,2.波形显示的基本原理,显示随时间变化的图形,2.1,电子束进入偏转系统后，要受到X、Y两对偏转板间电场的控制，它们对X、Y的控制作用有如下几种情况：,(3)Y偏转板加正弦波信号电压uy=Umsint，X偏转板加锯齿波电压ux=kt,4）当时间t=t3时，Uy=Uy3、Ux=Ux3，正弦波的负半周与正半周类似，此时正弦波电压为负半周到负的最大值，Uy3=-Uym、光点出现在屏幕第象限的最低点，如图中“3”点所示。,2.波形显示的基本原理,显示随时间变化的图形,2.1,电子束进入偏转系统后，要受到X、Y两对偏转板间电场的控制，它们对X、Y的控制
15、作用有如下几种情况：,(3)Y偏转板加正弦波信号电压uy=Umsint，X偏转板加锯齿波电压ux=kt,5）当时间t=t4时，Uy=Uy4、Ux=Ux4，此时锯齿波电压和正弦波电压均为零，光点将会出现在屏幕的第“4”点。,2.波形显示的基本原理,显示随时间变化的图形,2.1,电子束进入偏转系统后，要受到X、Y两对偏转板间电场的控制，它们对X、Y的控制作用有如下几种情况：,(3)Y偏转板加正弦波信号电压uy=Umsint，X偏转板加锯齿波电压ux=kt,5）当时间t=t4时，Uy=Uy4、Ux=Ux4，此时锯齿波电压和正弦波电压均为零，光点将会出现在屏幕的第“4”点。,以后，在被测信号的第二个周
16、期、第三个周期等都将重复第一个周期的情形，光点在荧光屏上描出的轨迹也将重叠在第一次描出的轨迹上，因此，荧光屏显示的是被测信号随时间变化的稳定波形。,2.波形显示的基本原理,显示任意两个变量之间的关系,2.2,示波器两个偏转板上都加正弦电压时显示的图形称为李沙育（Lissajous）图形，这种图形在相位和频率测量中常会用到。利用这种特点就可以把示波器变为一个X-Y图示仪。,2.波形显示的基本原理,显示任意两个变量之间的关系,2.2,若两信号的初相相同，则可在荧光屏上画出一条直线，若两信号在X、Y方向的偏转距离相同，这条直线与水平轴呈45角，如图(7-7a)所示；,2.波形显示的基本原理,显示任意两个变量之间的关系,2.2,如果这两个信号初相位相差90，则在荧光屏上画出一个正椭圆； 若X、Y方向的偏转距离相同，则荧光屏上画出的图形为圆，如图(7-7b)所示。,2.波形显示的基本原理,显示任意两个变量之间的关系,2.2,如果
