示波管

示波管是電子示波器的心臟。示波管的主要部件有：電子槍，偏轉板，後加速級，螢光屏，刻度格子。(注:某些型號的示波管無刻度格)

基本介紹

• 中文名：示波管
• 外文名：oscilloscope tube
• 組成：電子槍、偏轉系統和螢光屏
• 用途：顯示和觀測電信號波形
• 特點：信號頻率範圍很寬
• 套用：示波器、雷達

工作原理

電子槍產生了一個聚集很細的電子束，並把它加速到很高的速度。這個電子束以足夠的能量撞擊螢光屏上的一個小點，並使該點發光。電子束一離開電子槍，就在兩副靜電偏轉板間通過。偏轉板上的電壓使電子束偏轉，一副偏轉板的電壓使電子束上下運動；另一副偏轉板的電壓使電子左右運動。而這些運動都是彼此無關的。因此，在水平輸入端和垂直輸入端加上適當的電壓，就可以把電子束定位到螢光屏的任何地方。

組成

螢光屏

示波管屏面通常是矩形平面，內表面沉積一層磷光材料構成螢光膜。在螢光膜上常又增加一層蒸發鋁膜。高速電子穿過鋁膜，撞擊螢光粉而發光形成亮點。鋁膜具有內反射作用，有利於提高亮點的輝度。鋁膜還有散熱等其他作用。

當電子停止轟擊後，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%所經過的時間叫做“餘輝時間”。餘輝時間短於10μs為極短餘輝，10μs—1ms為短餘輝，1ms—0．1s為中餘輝，0．1s-1s為長餘輝，大於1s為極長餘輝。一般的示波器配備中餘輝示波管，高頻示波器選用短餘輝，低頻示波器選用長餘輝。

由於所用磷光材料不同，螢光屏上能發出不同顏色的光。一般示波器多採用發綠光的示波管，以保護人的眼睛。

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。它的作用是發射電子並形成很細的高速電子束。燈絲通電加熱陰極，陰極受熱發射電子。柵極是一個頂部有小孔的金屬圓筒，套在陰極外面。由於柵極電位比陰極低，對陰極發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，奔向螢光屏。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。調節電路中的W1電位器，可以改變柵極電位，控制射向螢光屏的電子流密度，從而達到調節亮點的輝度。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螢光屏起加速作用。

電子束從陰極奔向螢光屏的過程中，經過兩次聚焦過程。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。第二次聚焦發生在G2、A1、A2區域，調節第二陽極A2的電位，能使電子束正好會聚於螢光屏上的一點，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。有時調節A1電壓仍不能滿足良好聚焦，需微調第二陽極A2的電壓，A2又叫做輔助聚焦極。

偏轉系統

偏轉系統控制電子射線方向，使螢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板組成偏轉系統。Y軸偏轉板在前，X軸偏轉板在後，因此Y軸靈敏度高(被測信號經處理後加到Y軸)。兩對偏轉板分別加上電壓，使兩對偏轉板間各自形成電場，分別控制電子束在垂直方向和水平方向偏轉。

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。規定第二陽極與偏轉板之間電位相近，偏轉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，以實現輝度調節。第一陽極為正電位(約+100V~+600V)，也應可調，用作聚焦調節。第二陽極與前加速極相連，對陰極為正高壓(約+1000V)，相對於地電位的可調範圍為±50V。由於示波管各電極電流很小，可以用公共高壓經電阻分壓器供電。

原理分析

<1.>YY'作用：被電子槍加速的電子在YY'電場中做勻變速曲線運動，出電場後做勻速直線運動打到螢光屏上，由幾何知識 ，可以導出偏移 。

若信號電壓U=Umax*sinωt，

y’=max*sin ωt=ymax*sinωt.

y’隨信號電壓同步調變化,但由於視覺暫留及螢光物質的殘光特性看到一條豎直亮線.

加掃描電壓可使這一豎直亮線轉化成正弦圖形。

<2.>XX’的作用:與上同理,如果只在偏轉電極XX’上加電壓,亮斑就在水平方向發生偏移,加上掃描電壓,一周期內,信號電壓也變化一周期,螢光屏將出現一完整的正弦圖形.

多色示波管

七十年代中，、八十年代初，在示波管領域物起升了一顆超新星一一多色示波管。直至現在它已有三種類型的結構。

液晶型多色示波管

在普通示波管前加一液晶彩色光閘(Shutter)。在一組紅-綠偏振光片和線性偏振光片之間嵌置一層儘可能薄的、能儘量擴大視角、並能滿足整半波光程差的以及可變光程半波長液晶光學延遲元件。其軸線與偏振光片軸線呈45“傾斜角。

光閘由兩塊塗有錮錫氧化物作透明導體的玻璃板、作絕緣用的氧化矽薄層以及能導致液晶主軸方向與兩表面方向相傾斜的特殊“校正”層所組成。採用可變光程液晶元件的原因是其中心分子流扭矩為O，而沒有光學反衝效應，且偏振態轉換時間較短(1~2毫秒)。

液晶型多色示波管原理可簡述為:示波管處於額定工作狀態時，螢光粉受激發光，經搜紅、綠藍偏振濾色片正交扭轉，又經可變光程延遲元件(Pi元件)按與示波管定址順序的場同步的方式旋轉橙紅、綠藍信號，再經線性偏振片入人眼把所觀察到的交變場信號，匯集成多色信號。

這種示波管的優點是:(l)電子槍結構簡單。且不需要偏轉靈敏度補償線路； (2)分辯率高;(3)高環境亮度下對比度高;(4)機械牢固性好;(5)可進行線性掃描和失量掃描。其缺點是:(1)彩色不豐富(多為橙紅、藍綠兩色，或再混合為橙黃的三色);(2)經液晶光閘(Shu豐ter)兩次偏振濾色後，使螢幕亮度降低。為此，要求更高的、末級電壓；(3)要求著屏束電流較大，.從而降低分辯率，勢必要求聚焦性能更好的電子槍多；(4)要求液晶Pi元件儘可能薄。其加工_條件要求相當嚴格，也較困難，否則色度分離較差。這意味著製作大螢幕液晶元件更為困難；(5)其致命弱點是，彩色重複率低(僅60赫)，液晶偏振態轉換時間為毫秒級。(這就限制了該型示波管的高頻套用(只能在低頻使用)。

穿透式多色示波管

此管型自70年代穿透式電子束管出現後開始蔭芽，於80年代逐漸趨於成熟的新管型。

它是根據穿透屏原理與具有特殊掃描放大透鏡的電子槍相配合而實現示波管功能的。早

期的管子螢幕是由”夾心”螢光粉層組成。在兩種發不同顏色的螢光粉層之、間，夾一層透明介質層，當較低電壓(5kV)能量的電子轟擊第一粉層時，發紅光。當高壓(12kV)高能量的電子激發第一粉層時，由於電子的動量大，能量也大，交給第一粉層的能量較小，其光輸出也較小。之後，穿透介質層，主要是激發第二粉層發光。

此種結構管子的優點為：(1)彩色豐富。有紅.橙、黃、綠四色； (2)靈敏度高。εx:10~12V/c，εy:2~SV/cm;(3)滿屏聚焦好。掃描線寬b<0.45mm/10uA；(4)顏色分離取決於螢幕電壓，色純高;(5)不受外界磁場干擾；(6)管內結構堅固，抗機械振動性能好;(7)由於顏色轉換時間為微秒級，故管子工作頻寬約高於液晶型一個數量級；(8)亮度高;(9)螢光屏製作工藝較為簡便，可作成大螢幕的示波管。該型管的缺點是;(1)由於是通過高壓切換，即通過改變屏和陰極間的高壓來顯示不同顏色，故高壓切換性能與管子螢幕對地的電容有關。該電容又與管子尺寸和環境金屬物有關。(2)由於屏對地的電容、管子為一容性負載，因而高壓切換時，記錄、存取、回束之間需要有一個時間分配過程。同時，又因為顏色轉換也需一定的時間。因而管子的工作頻寬仍然受到限制的；

電流靈敏式多色示波管

其原理為，利用在螢幕上沉澱的、具有次線性特徵的發紅光粉與具有超線性特性的發綠光粉的混合粉層，另外具有特殊掃描放大(或一般掃描放大)的受斬波電路控制電流的電子槍兩者相結合，可控制非規範亮度。

其優點是:(l)偏轉靈敏度高;(2)分辯牢高。且電子槍結構簡單;(3)木需靠高壓切換來轉換顏色。偏轉靈敏度無變化，不需靈敏度補償線路和高壓切換電路及調整電路;(4)成本低、功耗小、體積小，(5)可線性掃描和矢量掃描;(6)制屏工藝較簡單，且易實現管子大螢幕化;(7)超線性綠粉和次線性紅粉要比高壓切換粉易作;(8)管子適合於高頻套用，開闢了多色示波管高須套用的光輝前景。其缺點是:(1)彩色不豐富石(多為紅、綠兩色，或紅、橙、玻拍綠色。目前色度分離尚差;(2)要求電子束髮散角小，槍聚焦特性良好;(3)要求線路中具有斬波電路控制電流，方能實現非規範亮度控制。