[科普中国]-阴极射线示波器

简介

阴极射线示支器（CathodeRayOscilloscope，CRO），简称示波器，是科研和工程技术中最常用的仪器，它可以显示一路或多路随时间变化的压波形，是最通用的电生理信号监测工具。其实，电示波器已经成为一种“第六感官”，也就是我们感官的延伸。

各种信号，无论是正弦波、方波或者更复杂的波形，如果频率在10-20HZ以上，都可以方便地用示波器来分析。神经动作电位等脉冲信号以及不规则的脉冲序列也可以在示波器上观察。通用示波器的频带宽度至少有20MHz，对于大多数生物电信号是足够的。但低频信号最好用记录仪记录。

显像管示波器的核心是一个显像管，这种显像管与电视机和计算机监视器所用的显像管相似。在显像管的颈部有一个与真空电子管相似的电极系统，产生细小的电子束，也就是阴极射线。与电子管--样，显像管的电子束也是由加热的阴极发射的。栅极在这里称为门极，用于调节电子束流量，也就是电子束的强度。电子管只有一个阳极，但是显像管有一排阳极电极，它们各自带有不同的电压，具有电子透镜的作用，将电子束聚焦到屏幕上。，整个电极部分称为电子枪。如果电子束只是笔直投射到屏幕上，那么仅在屏幕中心出现一个小点。如果要在屏幕上画出
所需的波形曲线，就要有两对外加电极来偏转电子束，这种电极称为偏转板。如图下图所示：

其中一对偏转板由被测电压信号控制，在垂直方向偏转电子束；另一对偏转板在水平方向偏转电子束。

水平偏转板上加的是锯齿波信号，用于显示信号随时问的变化过程，因此，水平偏转电路称为时基。这与电视机屏幕的工作方式不同，电视机的偏转系统是显像管外部的强磁场，其电子束扫描形成的是平行线组成的连续光栅；而电视信号用于调节电子束强度，在屏幕上形成明暗不同的图像。示波器不是这样，在画波形曲线的过程中，示波器的电子束强度通常保持不变，只在电子束返回起始点的过程中，电子束被抑制。电视机和示波器的同步控制也不同。电视机的水平扫描线在扫描返回点被“断开”，在这些点处有行同步信号。电视机还有场同步信号，也称帧同步，在最后一行（即最下面一行）扫描完成之后，场同步信号控制扫描点返回屏幕顶端。在没有接收电视台信号的情况下，电视机的水平偏转和垂直偏转按照自身的设置进行，称为空运行。1

触发示波器用另一种不同的方法产生稳定的图形，称为触发。示波器扫描完一条信号曲线之后，其扫描点返回到扫描线的最左端，并在此处等待触发信号的出现。触发信号可以来自垂直方向的信号，比如某个被测信号的电压水平；也可以是独立的外部触发信号。例如，当我们用闪光刺激动物的眼睛时，需要观察从闪光时刻开始记录的电信号，就可以用闪光信号作为触发信号。在显示正弦波信号时，则经常将正向过零点作为触发信号。

阴极射线示波器原理阴极射线示波器是一种万能的仪表，可用于电信号的检测和诊断测试以及研究实时变化现象。电子流产生于被加热的阴极，它还可以被朝向荧光屏的电子枪加速，如下图所示：

电子通过一个线圈，这个线圈把电子流汇成一束，电子束再从两块垂直和平行金属板中通过。电场就在金属板之间产生，而这些余属板方向的变化会引起电子束方向的变化。以一种最简单的方式垂直金属板被加载随时间呈线性变化的电压，同时在水平金属板上没有信号，电子束将会自左向右横过屏幕的垂直移动。此速度将随电压增加的频率而变化，最终电子束将回到起点。假如现在在一秒的变化时间段，电压被加在水平的金属板上，这将引起电子束一个垂直的偏差，同时在屏幕上会有一个轨迹，这也反应了一秒内电压的变化。当电子偏转时，电子束的运动在屏幕呈现一个荧光的轨迹。轨迹持续的时间是电子束中电子密度和屏幕所涂材料的函数。2

阴极射线示波器的应用阴极射线示波器是一种应用于多种场合的多功能仪表，它可以切换不同的输出单位。要求的电压通过示波器屏幕上的波形的高度或者波与波之间的时间就可以测定。通过切换开关的设定可以得到不同的所需的电压。更确保的一点是这些电压能被记忆住。在波形的纵向可以对每个伏特进行校对，在横向可以对时间进行秒级的校对。测量的精密程度由两个方面决定：

1、反射在屏幕上的光束的测量精度

2、内置的衰减器和放大器在应用范围的精度。

屏幕上的格子线通常辅助测量。视觉的错误也可以导致～些问题除非这些格子线被固化在屏幕上，同时精确度也依赖所获得的光束的聚焦程度。在大多数好于1.5级的精度是很容易得到的。基于以上要点，操作者应选择一个合适的范围，它包容所有能在屏幕上出现的可观测到的信号。重要的一点是所选的电路在测量范围内应是线性的，有了这一点大多数仪表就可以获得1.0级的精度。2