兩種示波器示波原理分析法的比較

摘要：通過對兩種示波器示波原理分析的比較，在分別指出其不足之處的基礎上，總結出一種分析任意波形形成原理的方法，并舉實例證明該方法的可行性。
關鍵詞：示波器；示波原理；電子運動規律；任意波形

0 引言
示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器。它能把肉眼看不見的電信號變換成看得見的圖形，便于人們研究各種電現象的變化過程。利用示波器能觀察各種不同信號幅度隨時間變化的波形曲線，還可以用它測試各種不同的電量，如電壓、電流、頻率、相位差、調幅度等等。更廣義地說，示波器是一種能夠反映任何兩個參數相互關聯的X-Y坐標圖形的顯示儀器。示波器不僅應用于實驗室，更成為信息時代不可缺少的輔助工具，利用示波器對電子產品的電路進行信號的檢測和分析，可以大大提高檢修效率。理解并掌握示波器的示波原理是解決這些問題的前提，但大多數同學對此難以理解。文獻利用沙漏的單擺運動實驗對示波器示波原理進行類比簡化，解決了正弦波電壓的顯示原理問題；文獻論述了示波管熒光屏上的顯示波形與電子運動規律、波形周期與掃描電壓周期的關系，但這兩種方法都存在不足，需加以改進。

1 示波管的結構
示波管是示波器的核心部件，其由電子槍、偏轉系統和熒光屏三部分組成(如圖1所示)。電子槍的作用是發射電子并形成很細的高速電子束；偏轉系統由水平(x)方向和垂直(y)方向兩對偏轉板組成，它的作用是決定電子束怎樣偏轉；熒光屏的作用則是顯示偏轉電信號的波形。可以用一個形象的比喻來說明示波管的示波原理，即將電子槍比作畫圖的筆，筆尖就是高速電子束，將電子偏轉系統比作握筆的手，將熒光屏比作畫圖的紙，那么將示波原理可比作用手握著筆在紙上作畫。

2 兩種示波原理分析法的比較
文獻利用沙漏的單擺運動實驗對示波器的示波原理進行類比簡化，當示波管熒光屏上顯示正弦波形時，電子束轟擊熒光屏上的熒光粉而形成正弦波；沙漏在模擬單擺運動時，在硬紙板上也能描繪出正弦曲線。這兩種情況無論在波形還是原理上，都是相通的。這種分析法對于分析用示波器顯示正弦波原理時有效，并且易于讓學生理解，但對于分析顯示非正弦波形時無效，而實際上用示波器顯示的不僅是正弦波，故還需要有其他的分析方法。
文獻論述了示波管熒光屏上的顯示波形與電子運動規律、波形周期與掃描電壓周期的關系，應用物理上力與運動的知識來分析示波原理。這種方法雖然較難理解，但它能分析所有波形的示波原理。但是，文獻中沒有指出該種方法的關鍵之處，即電子的數目很多，不同的時刻所研究的電子(實際上是電子束)是不同的；再就是電子的速度很快，穿過偏轉系統的時間很短，每個電子穿過偏轉系統的瞬間可將偏轉電壓看作恒定。只有指出這兩點，當選用電子運動規律來分析顯示波形時，學生才不會只對某一個電子分析其運動軌跡。這樣，更易于理解電子的運動規律：電子束中電子偏離軸的距離

其中KE是一個與偏轉系統的幾何尺寸有關的常數，U偏轉板兩端的電壓，UA為電子槍中加速極的加速電壓。因此，UA一定時，偏轉電壓越大，電子的偏轉距離與偏轉電壓成正比；也更易于理解由電子運動規律得出的示波管示波原理。

3 任意波形形成原理的分析法
示波管中的電子有著三維運動，即由水平偏轉板上的電壓而引起的水平方向上的運動(x方向)，由垂直偏轉板上的電壓而引起的垂直方向上的運動(y方向)，垂直于熒光屏的運動(z方向)。事實上，打在熒光屏上的電子是由三個分運動合成的結果。由于分析的是熒光屏上圖形，即平面上的圖形，則沿著z方向的運動可不分析。又由于不同的時刻所研究的電子是不同的，并且每個電子穿過偏轉系統的瞬間可將偏轉電壓看作恒定，再由公式(1)，可得到任意波形形成原理的分析法如下：
(1)調節示波器旋鈕，使y偏轉板及x偏轉板上的電壓均為零時，光點在熒光屏中心位置；
(2)依據y偏轉板上的電壓波形特點，將y偏轉板及x偏轉板上的電壓波形按時間取多個特殊點；
(3)確定在某時刻y偏轉板及x偏轉板上的電壓；
(4)由公式(UA為定值)確定y方向及x方向的偏轉距離，并合成得到此刻光點在熒光屏上的位置；
(5)按同樣的方法確定各個特殊點所對應的時刻光點在熒光屏的位置；
(6)用描點(光點)法把波形畫出。