什麼是陰極射線示波器 (CRO)？工作原理、測量和實際應用

陰極射線示波器 (CRO) 用於將電訊號顯示為可見波形，幫助使用者分析電子電路中的電壓、頻率、振幅、時序、失真、漣波和訊號行為。本文解釋了什麼是 CRO、為什麼它今天仍然值得學習、其內部訊號流如何創建波形顯示、在測量過程中如何調整其控制、如何執行電壓和頻率測量、故障排除過程中常見的波形問題，以及 CRO 如何用於電源分析、通訊系統和電子教育。

目錄

圖 1：陰極射線示波器 (CRO)

什麼是陰極射線示波器 (CRO) 以及為什麼它仍然很重要？

陰極射線示波器 (CRO) 是一種電子儀器，用於在螢幕上將電訊號顯示為可見波形。它允許使用者觀察電壓如何隨時間變化，有助於分析電子電路中的波形形狀、頻率、振幅、時序、失真和訊號穩定性。與僅顯示數值的普通測量儀器不同，CRO 提供即時圖形波形視覺化，幫助工程師、學生和技術人員在電路測試和故障排除期間更清楚地了解訊號行為。

CRO 今天仍然值得學習，因為它們可以幫助使用者深入了解基本電子概念，例如波形分析、同步、時基操作、電壓測量和訊號定時。模擬 CRT 顯示器直接顯示連續的波形運動，使學生和初學者能夠自然地觀察訊號行為，而無需依賴數位波形處理。在許多教育實驗室中，CRO 對於教授實用電子學、振盪器電路、放大器測試、漣波電壓分析和類比訊號故障排除仍然很有價值。

儘管數位示波器現在在現代電子實驗室中佔據主導地位，但它們並沒有在所有情況下完全取代 CRO。數位示波器提供波形儲存、自動測量、電腦連接和高速訊號分析等高級功能，但 CRO 仍然提供流暢的即時類比波形視覺化，許多用戶發現這樣可以更輕鬆地學習基本訊號行為。CRO 對於低成本教育設定、模擬電子實驗以及不需要高級數位功能的基本故障排除應用仍然有用。

CRO 框圖與內部訊號流

圖 2：陰極射線示波器框圖

陰極射線示波器包含多個內部部分，這些部分協同工作將電訊號轉換為 CRT 顯示器上的可見波形。

當輸入訊號進入CRO時，它首先通過垂直放大器。此部分調整訊號強度以正確顯示波形。然後放大的訊號被傳送到CRT內部的垂直偏轉板，控制電子束的向上和向下移動。

同時，時基產生器產生掃描訊號，使電子束以恆定速度水平移動穿過螢幕。水平放大器在掃描訊號到達水平偏轉板之前增強此訊號。

觸發電路將重複訊號與水平掃描系統同步，因此波形保持穩定且易於分析。

在陰極射線管內部，電子槍產生電子束並將其聚焦到螢光屏上。當光束撞擊螢幕塗層時，它會產生代表正在測量的電訊號的可見波形圖案。

電源部分提供以下所需的工作電壓：

• CRT顯示器

• 電子槍

• 立式功放

• 水平功放

• 觸發電路

這些內部部分協同工作，為電訊號分析創建即時波形視覺化。

如何在測量過程中調整 CRO 控件

正確調整 CRO 控制對於獲得穩定且準確的波形測量非常重要。不正確的設定可能會產生失真、漂移、壓縮或難以讀取的波形。

控制	功能
強度	控制 波形亮度
焦點	銳化 波形顯示
伏/格	調整 垂直電擊縮放
時間/格	調整 水平時間縮放
觸發	穩定 波形顯示
垂直 職位	動作 波形垂直
水平 職位	動作 水平波形

伏/格調整

伏/格控制決定每個垂直格代表多少電壓。如果波形顯得太小，則應減少伏/格設定。如果波形超出螢幕邊界，則應增加設定。

時間/格調整

「時間/格」控制可調整每個水平格所代表的時間量。較快的訊號需要較小的時間/格設置，而較慢的訊號需要較大的設定才能正確觀看。

觸發調整

觸發控制可穩定重複波形。不正確的觸發設定可能會導致波形連續移動或不穩定。調整觸發電平有助於將波形鎖定到固定位置。

焦點和強度調整

焦點控制銳化波形邊緣，而強度控制則調整顯示亮度。隨著時間的推移，亮度過高可能會縮短 CRT 螢幕的使用壽命。

位置控制

垂直和水平位置控制有助於使波形在顯示器上居中，以便於測量和分析。

如何使用 CRO 測量電壓和頻率

陰極射線示波器 (CRO) 通常用於透過觀察顯示器上的波形劃分來測量電壓、時間週期和頻率。

電壓測量

使用垂直波形劃分和伏/格設定來測量電壓。

公式：

V = 垂直格數 × 伏/格設置

範例：

如果波形佔據 4 個垂直格且 Volt/Div 設定為 2V：

V = 4×2V

V = 8V

測得電壓為8V。

時間週期測量

時間週期是使用水平波形劃分以及時間/劃分設定來計算的。

公式：

時間 = 水平分區 × 時間/分區設置

範例：

如果一個波形週期佔據5個水平格且Time/Div設定為2ms：

時間 = 5 × 2 毫秒

時間 = 10 毫秒

訊號週期為10毫秒。

頻率測量

頻率是使用測量的時間段計算的。

公式：

範例：

如果測量的時間週期為10ms：

10毫秒 = 0.01秒

f = 1 / 0.01

f = 100赫茲

測量訊號頻率為100Hz。

CRO 測量範例

電源漣波測量

CRO 的一項實際用途是檢查直流電源中的漣波電壓。

例如，假設一個 12V開關電源 導致工業控制器偶爾重啟。萬用電表仍顯示約 12 V，但輸出可能包含影響穩定性的隱藏紋波。

技術人員連接 CRO 並使用以下設定：

設定	價值
垂直刻度	100 毫伏/格
時間尺度	5 毫秒/格
聯軸器	交流電
觸發	邊緣觸發

測量後，波形顯示直流輸出上存在週期性紋波。

假設測得的漣波達到 600 mV 峰峰值，而類似的系統通常期望 100–200毫伏。

這通常表示存在以下條件之一：

• 輸出電容器老化（ESR 較高）

• 過濾性能較弱

• 負載調節不穩定

更換輸出電容後再次測量，漣波降至 120 mVpp 且輸出變得穩定。

這種類型的 CRO 測量通常用於 SMPS 故障排除、电源调试和放大器测试。

CRO 上常見的訊號問題

CRO 螢幕上不同的波形異常可以幫助工程師識別可能的電路故障、接地問題、濾波問題或訊號不穩定。仔細觀察波形形狀有助於簡化類比、數位、通訊和電源電路的故障排除。

波形 問題	外觀上 合約研究組織	可能 原因	常見 電路問題
波紋	小號 直流輸出上不需要的交流波形	弱 濾	有故障或 電源中的弱濾波電容器
剪裁	頂部或底部 部分波形被截斷	訊號 飽和度	擴音器 過載或輸入電壓過高
噪音	隨機 不需要的波形波動	電力 幹擾	可憐 接地或附近的開關電路
振鈴	振盪 轉換後的波形邊緣	佈局或 阻抗問題	PCB佈局 問題或訊號終止不良
不穩定 觸發	波形 連續移動或漂移	不正確 觸發設定	不當 同步或不穩定的輸入訊號
扭曲的 正弦波	不規則或 變形正弦波形	非線性 放大	故障 放大器或過載電路
脈衝寬度 變化	脈搏不均勻 時機	時機 不穩定	時鐘或 開關電路問題
模糊 波形	厚或 波形顯示不清楚	不正確 焦點或訊號不穩定	注意力不集中 調節或雜訊訊號源

陰極射線示波器與數位示波器

圖 3：CRO 與數位示波器

現代電子系統通常使用數位示波器，但 CRO 對於類比波形分析和教育應用仍然很有價值。

特點	合約研究組織	數位 示波器
顯示類型	模擬顯像管	數位液晶螢幕
訊號 儲存	否	是的
波形 回應	平滑模擬 顯示	數位 取樣
測量 特點	基礎	進階
便攜性	大和 重型	緊湊型
成本	降低為 舊單位	更高
現代用法	教育性 和模擬測試	進階 電子和物聯網

CRO 仍然是一些教育實驗室的首選，因為它們提供直接的即時模擬波形視覺化，而無需數位取樣效果。平滑的模擬顯示還可以幫助使用者在訊號測試和故障排除過程中更自然地觀察連續波形行為。

然而，數位示波器提供波形儲存、自動測量、更高的頻寬、先進的觸發功能以及用於現代電子分析的電腦連接。由於這些功能，數位示波器更常用於先進電子開發、工業診斷、通訊系統和物聯網應用。

儘管數位示波器在現代電子實驗室中佔據主導地位，但 CRO 對於類比波形視覺化、教育培訓和基本電子故障排除應用仍然很有用。

陰極射線示波器在電子系統中的應用

電源故障排除

• 漣波電壓分析 – CRO 有助於偵測直流電源中不必要的交流漣波。

• 電壓穩定性監測 – 工程師分析穩壓電源系統的輸出波動。

通信訊號分析

• 射頻訊號監測 – CRO 協助觀察通訊波形和調變訊號。

• 音頻訊號測試 – 工程師使用 CRO 來分析聲波失真和放大器響應。

教育和實驗室應用

• 電子培訓 – 學生學習波形分析和訊號測量技術。

• 工程實驗 – CRO 有助於展示實驗室環境中的類比訊號行為。

結論

陰極射線示波器對於模擬波形可視化、訊號測量和電子故障排除應用仍然有用。其 CRT 顯示器、垂直和水平偏轉系統、時基產生器和觸發電路協同工作，將電壓隨時間的變化顯示為可見波形。透過正確調整伏/格、時間/格、觸發、聚焦和位置控制，使用者可以準確測量電壓、時間週期和頻率，同時識別漣波、削波、雜訊、振鈴和不穩定觸發等訊號問題。儘管數位示波器提供了更先進的分析功能，但 CRO 對於電子教育、實驗室實驗、類比訊號觀察和實際故障排除應用仍然很有價值。