用示波器測(cè)量信號(hào)的電壓和頻率

1、用示波器測(cè)量信號(hào)的電壓及頻率長(zhǎng)江大學(xué) 馬天寶 應(yīng)物 1203 班1、示波器和使用- 【實(shí)驗(yàn)?zāi)康?】1了解示波器的大致結(jié)構(gòu)和工作原理。 2學(xué)習(xí)低頻信號(hào)發(fā)生器和雙蹤示波器的使用方法。 3使用示波器觀察電信號(hào)的波形，測(cè)量電信號(hào)的電壓和頻率?！緦?shí)驗(yàn)原理】一、示波器原理1示波器的根本結(jié)構(gòu)示波器的種類很多， 但其根本原理和根本結(jié)構(gòu)大致相同， 主要由示波管、 電 子放大系統(tǒng)、掃描觸發(fā)系統(tǒng)、電源等幾局部組成，如圖 4.9-1 所示。1示波管示波管又稱陰極射線管，簡(jiǎn)稱CRT其根本結(jié)構(gòu)如圖所示，主要包括 電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三個(gè)局部。電子槍：由燈絲、陽極、控制柵極、第一陽極、第二陽極五局部組成。燈絲 通電后，

2、加熱陰極。陰極是一個(gè)外表涂有氧化物的金屬圓筒， 被加熱后發(fā)射電子。 控制柵極是一個(gè)頂端有小孔的圓筒， 套在陰極外面， 它的電位相對(duì)陰極為負(fù)， 只 有初速到達(dá)一定的電子才能穿過柵極頂端的小孔。 因此， 改變柵極的電位， 可以 控制通過柵極的電子數(shù)， 從而控制到達(dá)熒光屏的電子數(shù)目， 改變屏上光斑的亮度。 示波器面板上的 “亮度旋鈕就是起這一作用的。 陽極電位比陰極高得多， 對(duì)通 過柵極的電子進(jìn)行加速。 被加速的電子在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)向四周發(fā)散， 如果不對(duì)其 進(jìn)行聚焦，在熒光屏上看到的將是模糊一片。聚焦任務(wù)是由陰極、柵極、陽極共 同形成的一種特殊分布的靜電場(chǎng)來完成的。 這一靜電場(chǎng)是由這些電極的幾何形狀、

3、 相對(duì)位置及電位決定的。 示波器面板上的 “聚焦 旋鈕就是改變第一陽極電位用 的，而“輔助聚焦 就是調(diào)節(jié)第二陽極電位用的。偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)：它由兩對(duì)互相垂直的平行偏轉(zhuǎn)板 水平偏轉(zhuǎn)板和豎直偏轉(zhuǎn)板組 成。只有在偏轉(zhuǎn)板上加上一定的電壓， 才會(huì)使電子束的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)， 從而 使熒光屏上光斑的位置發(fā)生改變。 通常，在水平偏轉(zhuǎn)板上加掃描信號(hào)， 豎直偏轉(zhuǎn) 板上加被測(cè)信號(hào)。熒光屏：示波管前端的玻璃屏上涂有熒光粉， 電子打上去它就會(huì)發(fā)光， 形成 光斑。熒光材料不同，發(fā)光的顏色不同，發(fā)光的延續(xù)時(shí)間余輝時(shí)間也不同。 玻璃屏上帶有刻度，供測(cè)量時(shí)使用。2電子放大系統(tǒng)為了使電子束獲得明顯的偏移， 必須在偏轉(zhuǎn)板上加上足夠的電壓

4、。 被測(cè)信號(hào) 一般比擬弱，必須進(jìn)行放大。豎直丫軸放大器和水平X軸放大器就是起 這一作用的。 3 掃描與觸發(fā)系統(tǒng) 掃描發(fā)生器的作用是產(chǎn)生一個(gè)與時(shí)間成正比的電壓作為掃描信號(hào)。 觸發(fā)電路 的作用是形成觸發(fā)信號(hào)。 當(dāng)示波器工作在 “自激 方式時(shí)， 掃描發(fā)生器始終有掃 描信號(hào)輸出；當(dāng)示波器工作在 “ DC或“AC方式時(shí)，掃描發(fā)生器必須有觸發(fā) 信號(hào)的鼓勵(lì)才產(chǎn)生掃描信號(hào)。 一般地， 示波器工作在內(nèi)觸發(fā)方式， 觸發(fā)信號(hào)由被 測(cè)信號(hào)產(chǎn)生，以保證掃描信號(hào)與被測(cè)信號(hào)同步。當(dāng)示波器工作在外觸發(fā)方式時(shí)， 觸發(fā)信號(hào)由外部輸入信號(hào)產(chǎn)生。2波形顯示原理如果只在豎直偏轉(zhuǎn)板上加一正弦信號(hào)， 那么電子束的亮點(diǎn)將隨電壓的變化在豎 直

5、方向來回運(yùn)動(dòng)；如果頻率較高，那么看到的是一條豎直亮線，如圖 4.9-3 所示。要能顯示波形， 應(yīng)使電子束在水平方向上也要有偏移， 這就必須同時(shí)在水平 偏轉(zhuǎn)板上加掃描電壓。 掃描電壓的特點(diǎn)是其幅值隨時(shí)間線性增加到最大， 又突然 回到最小， 此后再重復(fù)變化。 在掃描信號(hào)的作用下， 光點(diǎn)從左向右運(yùn)動(dòng)到最大位 移，再突然回到左端起點(diǎn)，開始下一周期。我們把這一過程稱為掃描。掃描電壓 的變化曲線形同鋸齒， 如圖 4.9-4 所示， 所以稱為鋸齒波。 如果只有掃描信號(hào)加 在偏轉(zhuǎn)板上，在頻率足夠高時(shí)，屏上只能看到一條水平亮線。如果在豎直偏轉(zhuǎn)板稱 丫 軸上加正弦電壓，水平偏轉(zhuǎn)板稱 X 軸上加鋸 齒波電壓， 光點(diǎn)

6、的運(yùn)動(dòng)將是兩互相垂直運(yùn)動(dòng)的合成。 假設(shè)鋸齒波電壓的周期與正弦 波電壓的周期相等或鋸齒波電壓的周期稍大， 那么屏上將顯示一個(gè)完整周期的波形， 如圖 4.9-5 所示。當(dāng)正弦波與鋸齒波的周期稍微不同時(shí)， 那么在下一掃描周期顯示的波形與本次 掃描周期顯示的波形不能重疊， 如圖 4.9-6 所示，這樣，在屏上看到的就是移動(dòng) 著的不穩(wěn)定圖形。 欲使前后兩個(gè)掃描周期內(nèi)的波形重合， 使波形穩(wěn)定， 解決的辦 法有兩個(gè)：1使鋸齒波的周期等于正弦波的周期的整數(shù)倍， 即Tx=nTy,此時(shí)， 示波器上顯示 n 個(gè)完整的正弦波形。示波器面板上的 “掃描微調(diào) 旋鈕就是用來 調(diào)節(jié)鋸齒波的周期，使之滿足上述關(guān)系的。 2使掃描

7、電壓的起點(diǎn)自動(dòng)跟隨 Y 軸信號(hào)改變。這可以通過觸發(fā)信號(hào)的鼓勵(lì)作用來做到，即通過由丫軸信號(hào)所形成 的觸發(fā)信號(hào)使掃描信號(hào)在丫軸信號(hào)回到起點(diǎn)時(shí)自動(dòng)回到起點(diǎn)。這種使掃描信號(hào)的 周期等于被測(cè)信號(hào)的周期或掃描信號(hào)的起點(diǎn)自動(dòng)跟隨 丫 軸信號(hào)改變的現(xiàn)象稱為 “同步或整步。一般示波器只有一個(gè)電子槍， 要能在屏上同時(shí)顯示兩路信號(hào)的圖像， 必須在 人眼的視覺暫留時(shí)間內(nèi)分別顯示兩波形在屏上不同的位置， 這是通過電子開關(guān)來 完成的。電子開關(guān)是一個(gè)自動(dòng)的快速單刀雙擲開關(guān)，它把丫1通道和 丫2通道的信號(hào)輪流送入 丫軸放大器， 在屏上輪流顯示。 由于視覺暫留， 觀察者可以同時(shí)看到 兩路波形， 即雙蹤顯示。 雙蹤顯示有 “交替

8、和“斷續(xù)兩種方式。 “交替方 式是在本次掃描時(shí)顯示 丫1 通道信號(hào)，下次掃描時(shí)顯示 丫2通道信號(hào)，反復(fù)進(jìn)行。 “斷續(xù)方式是在每次掃描中，高速輪流顯示 丫1通道和 丫2通道的信號(hào)，以虛線 顯示在屏上。由于虛線密集，使圖形看起來連續(xù)。二、測(cè)量原理1測(cè)量信號(hào)的電壓和周期用示波器測(cè)量信號(hào)的電壓，一般是測(cè)量其峰 一峰值UPp，即信號(hào)的波峰到波 谷之間的電壓值。 在選擇適當(dāng)?shù)耐ǖ榔D(zhuǎn)因數(shù)和掃描時(shí)基因數(shù)后， 只要從屏上讀 出峰一峰值對(duì)應(yīng)的垂直距離 Ycm和一個(gè)周期對(duì)應(yīng)的水平距離 xcm，即可求出 信號(hào)的電壓和周期。 4.9-1 4.9-2 正弦信號(hào)的有效值 Uf和峰一峰值UPp的關(guān)系為 4.9-3 有時(shí)，被

9、測(cè)信號(hào)電壓比擬高， 必須經(jīng)過衰減后才能輸入示波器的 丫通道。衰 減倍數(shù)用分貝數(shù)表示，其定義為 4.9-4 式中，U0為未衰減時(shí)的信號(hào)電壓值，U為示波器測(cè)得的衰減后的電壓值。根 據(jù)衰減的分貝數(shù)和示波器測(cè)得的值 U,就可得到被測(cè)信號(hào)的電壓值。2測(cè)量信號(hào)的頻率1李薩如圖形設(shè)兩個(gè)互相垂直的振動(dòng)為式中，fl、f2為兩振動(dòng)的頻率，：1、：2為兩振動(dòng)的初相。當(dāng)f 1=f 2時(shí)合成振動(dòng) 的軌跡方程為()(4.9-5 )式是一個(gè)橢圓方程。當(dāng)=2- 1=0或土二時(shí)，橢圓退化為一條直線； 當(dāng)2-1 = 二/2時(shí)，合成軌跡為一正橢圓。當(dāng)flH f 2時(shí)，合成振動(dòng)的軌跡比擬復(fù)雜，但當(dāng)f 1與f 2成簡(jiǎn)單的整數(shù)比時(shí)，合成

10、振動(dòng)的軌跡為封閉的穩(wěn)定幾何圖形，這些圖形稱為李薩如圖形，如圖所示。從圖形中，人們總結(jié)出如下規(guī)律：如果作一個(gè)限制光點(diǎn)在 x，y方向運(yùn)動(dòng)的 假想矩形框，那么圖形與此矩形框相切時(shí)，橫邊上的切點(diǎn)數(shù)nx與豎邊上的切點(diǎn)數(shù)ny之比恰好等于兩振動(dòng)的頻率之比，即(4.9-6)或因此，假設(shè)其中一個(gè)信號(hào)的頻率，從李薩如圖形上數(shù)得切點(diǎn)數(shù)nx和ny,就可以求出另一待測(cè)信號(hào)的頻率。(2) 拍設(shè)兩個(gè)同方向的簡(jiǎn)諧振動(dòng)為選某一時(shí)刻兩振動(dòng)相位相同時(shí)作為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，那么；：2= 1=，假設(shè)兩振動(dòng)的振幅也相同(A=A=A)，那么合成振動(dòng)可以表示為當(dāng)fl與f2的差值遠(yuǎn)小于fl、f2時(shí)，合成振動(dòng)的振幅|2Acos n (fi)t | 隨時(shí)

11、間緩慢地呈周期性變化，這種現(xiàn)象稱為拍，振幅變化的頻率叫拍頻(4.9-7 )圖所示為拍的形成的示意圖，其中，t=0時(shí)，y1與y的相位差為n。 如果信號(hào)頻率f1且連續(xù)可調(diào)，那么通過改變f1觀察拍頻的變化，可以判斷出 待測(cè)信號(hào)頻率f2是大于f1還是小于4,然后根據(jù)測(cè)得的拍頻f3和(7)式就可求出 待測(cè)信號(hào)的頻率?！緦?shí)驗(yàn)儀器】DF4320型雙通道示波器，EE1641B函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，連接線假設(shè)干、DF4320型雙通道示波器DF4320型雙通道示波器的面板圖入圖 所示，各部件名稱及作用介紹 如下：1、亮度 (intensity) ：用于調(diào)節(jié)光點(diǎn)亮度。2、聚焦 (focus) ：用于調(diào)節(jié)光點(diǎn)大小。3、 軌

12、跡旋轉(zhuǎn) (trace rotation)：可調(diào)節(jié)波形與水平刻度線的角度。4、電源指示燈 (power indicator)5、電源開關(guān) (power)6 校準(zhǔn)信號(hào)(probe adjust):提供、頻率為1kHz的方波信號(hào)。7、8垂直移位 (vertical position)旋鈕：改變波形的在屏上的豎直位置。9 .垂直方式按鈕(verticalmode):共5個(gè)按鈕。按下CH1或CH2時(shí)，單獨(dú)顯示通道1或通道2的信號(hào)；按下ALT時(shí)，兩個(gè)通道交替顯示；按下 CHOP寸， 示波器處于斷續(xù)工作方式；按下 ADD寸，顯示兩個(gè)通道信號(hào)的代數(shù)和。10. 通道2極性(CH2 NORM/invert):改變

13、通道2信號(hào)的極性。當(dāng)垂直方式 置“ADD時(shí)，選擇“ NOR，屏上顯示兩通道信號(hào)的和；選擇 “ invert ,屏 上顯示兩通道信號(hào)的差。11、12.電壓衰減 (volts/div) 旋鈕:即偏轉(zhuǎn)因數(shù)。用于調(diào)節(jié)垂直偏轉(zhuǎn)靈敏 度，它指示豎直方向每厘米代表的電壓值。對(duì)于一定的輸入信號(hào)，調(diào)節(jié)它，可改 變波形在豎直方向的幅度。13、 14.微調(diào) (variable) 旋鈕:用于連續(xù)調(diào)節(jié)垂直偏轉(zhuǎn)靈敏度。15、16.耦合方式(AC-GND-DC按鈕：輸入信號(hào)的耦合方式。置 “AC時(shí)， 交流輸入，直流成分被隔斷；置 “DC時(shí)，直流輸入；置“GND時(shí)，接地，輸 入零信號(hào)。17、18.通道1 (CH1 OR X和

14、通道2 (CH2 OR Y信號(hào)輸入插孔。19. 水平移位 (horizontal)旋鈕:調(diào)節(jié)它可使波形水平移動(dòng)。20. 電平 (level)旋鈕:用來調(diào)節(jié)被測(cè)信號(hào)在某一電平觸發(fā)掃描。21. 觸發(fā)極性 (slope) :用于選擇觸發(fā)信號(hào)的上升沿或下降沿去觸發(fā)掃描。22. 掃描方式(sweep mode)按鈕：選擇“AUTO (自動(dòng))時(shí)掃描發(fā)生器自動(dòng) 工作，屏上始終有掃描線；選擇 “NOR(常態(tài))時(shí)，必須有觸發(fā)信號(hào)掃描發(fā)生 器才有掃描信號(hào)輸出；選擇 “ SINGLE (單次)時(shí)，觸發(fā)信號(hào)只觸發(fā)一次掃描， 下次掃描需再按動(dòng)一次該鍵。23被觸發(fā)或準(zhǔn)備指示燈 (trig d ready) ：在被觸發(fā)掃描

15、時(shí)，指示燈亮； 在單次掃描時(shí)，指示燈亮表示掃描電路在觸發(fā)等待狀態(tài)。24掃描速率 (sec/div) 旋鈕：即掃描時(shí)基因數(shù)。用于調(diào)節(jié)掃描速度，其數(shù) 值的倒數(shù)即掃描速 率 。它指 示 水平方 向每厘米代 表的時(shí) 間值，其范 圍從 0.1 卩 s/div 到 。25. 掃描微調(diào)、擴(kuò)展(variable pull x 5)旋鈕：用于連續(xù)調(diào)節(jié)掃描速度。 當(dāng)旋鈕被拉出時(shí)，掃描速度擴(kuò)大 5 倍。在測(cè)量時(shí)間(周期)時(shí)，該旋鈕應(yīng)關(guān)上。26. 觸發(fā)源( trigger source )按鈕：用于選擇產(chǎn)生觸發(fā)的源信號(hào)。有四種 方式選擇：CH1 CH2 LINE、EXT在單蹤顯示時(shí)，無論選擇 CH1還是CH2觸 發(fā)信

16、號(hào)都來自被顯示的通道。27觸發(fā)耦合(coupling)按鈕。有“AC/DC和“TV28. 接地(丄)。29. 外觸發(fā)輸入 (EXT input) 插座30. Z軸輸入(Z axis in put)亮度調(diào)制信號(hào)輸入插座31 .電源插座32. 電源設(shè)置33. 保險(xiǎn)絲座二、EE1641B函數(shù)信號(hào)發(fā)生器EE1641B函數(shù)信號(hào)發(fā)生器可以輸出頻率在 2MHz的正弦波、三角波、 方波信號(hào)等，其面板圖如圖 4.9-10 所示，各部件的作用如下：1. 頻率顯示窗口：顯示輸出信號(hào)頻率值(或外測(cè)頻值)。2. 信號(hào)幅度顯示窗口：顯示輸出信號(hào)的幅度值。3. 掃描寬度調(diào)節(jié)旋鈕：調(diào)節(jié)它，可以改變內(nèi)掃描時(shí)間的長(zhǎng)短。4. 速率

17、調(diào)節(jié)旋鈕：用以調(diào)節(jié)掃頻輸出的掃頻范圍。5. 外部輸入插座：外掃描控制信號(hào)或外測(cè)頻信號(hào)輸入端。6. TTL信號(hào)輸出端：輸出標(biāo)準(zhǔn)TTL脈沖信號(hào)，輸出阻抗為600Q。7. 函數(shù)信號(hào)輸出端：1MQ負(fù)載時(shí)，輸出20Vp-p,50Q負(fù)載時(shí)，輸出10Vp-p。8. 函數(shù)信號(hào)輸出幅度調(diào)節(jié)旋鈕。9. 函數(shù)輸出信號(hào)直流電平預(yù)置調(diào)節(jié)旋鈕10. 波形對(duì)稱性調(diào)節(jié)旋鈕：調(diào)節(jié)它可改變輸出波形的對(duì)稱性。當(dāng)它置于“OFF 時(shí)，輸出對(duì)稱波形11 輸出衰減旋鈕：有20dB和40dB兩檔選擇12輸出波形選擇：用來選擇輸出信號(hào)的波形。13“掃描/ 計(jì)數(shù)按鈕，用于選擇掃描方式和外測(cè)頻方式。14頻段選擇：選擇輸出信號(hào)的頻段，每按壓一次，改

18、變一個(gè)頻段15頻率調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的頻率。16電源開關(guān)【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 】1 使用練習(xí)(1) 開機(jī)準(zhǔn)備。開機(jī)前，把示波器面板上的旋鈕調(diào)到如下位置亮度 (intensity) 旋鈕居中聚焦 (focus) 旋鈕居中垂直移位 (vertical position) 旋鈕 居中水平移位 (horizontal) 旋鈕居中垂直方式 (vertical mode) 按鈕CH1掃描方式 (sweep mode) 按鈕自動(dòng)掃描速率 (sec/div) 旋鈕到底掃描微調(diào)、擴(kuò)展(variable pull x 5)旋鈕關(guān)(順時(shí)針)觸發(fā)耦合 (coupling) 按鈕AC常態(tài)觸發(fā)源(trigger source )按

19、鈕CH1觸發(fā)極性( slope )上升沿輸入耦合( AC-GND-D)CDC2)翻開電源開關(guān)，電源指示燈亮，稍等預(yù)熱，屏上出現(xiàn)亮點(diǎn)。分別調(diào)節(jié)亮度和聚焦旋鈕，使光點(diǎn)亮度適中、清晰(3) 觀察交流信號(hào)波形。翻開信號(hào)發(fā)生器電源開關(guān)，將其輸出接CH1調(diào)信號(hào)發(fā)生器頻率為1kHz,輸出電壓調(diào)為，輸出衰減置20dB, CH1通道偏轉(zhuǎn) 因數(shù)旋鈕 (volts/div) 調(diào)為 ，掃描速率 (sec/div) 旋鈕調(diào)為 ， 觀察示波器上的波形。假設(shè)波形不穩(wěn)定，調(diào)節(jié)電平旋鈕使之穩(wěn)定。將掃描速率 (sec/div)旋鈕改為，再觀察示波器上的波形。2測(cè)量信號(hào)的電壓與周期(1) 校準(zhǔn)。將校準(zhǔn)信號(hào)(probe adjust

20、)接入CH1,偏轉(zhuǎn)因數(shù)置，掃 描速率(sec/div)旋鈕調(diào)為，觀察信號(hào)幅度(5cm)及信號(hào)一個(gè)周期的 長(zhǎng)度(2cm值是否正確？假設(shè)不正確，請(qǐng)老師校準(zhǔn)。(2) 測(cè)量。按前述( 3)調(diào)好信號(hào)發(fā)生器， CH1 通道偏轉(zhuǎn)因數(shù) (volts/div) 置為50mV/div，選擇適宜的掃描速率(sec/div)值，使屏上刻度范圍內(nèi)出現(xiàn)一個(gè) 完整波形，記下信號(hào)峰-峰值長(zhǎng)度丫和一個(gè)周期的長(zhǎng)度X。3觀察李薩如圖形，測(cè)信號(hào)頻率。(1) 將待測(cè)信號(hào)輸入CH1通道，使示波器顯示出信號(hào)波形，并估算其頻率 大致值。(2) 將標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)輸入 CH2通道，掃描速率(sec/div)旋鈕置X-Y(逆 時(shí)針到底)，調(diào)節(jié)信號(hào)幅

21、度或改變通道偏轉(zhuǎn)因數(shù)，使圖形不超出熒光屏視場(chǎng)。(3) 根據(jù)待測(cè)信號(hào)頻率的粗測(cè)值，調(diào)節(jié) CH2通道信號(hào)的頻率，使示波器屏 上分別出現(xiàn) =1:1、1:2、2:3、3:4 的李薩如圖形。描下李薩如圖形，并記下相 應(yīng)的CH2通道信號(hào)的頻率值fx。4用“拍現(xiàn)象測(cè)正弦信號(hào)的頻率(1) 將待測(cè)信號(hào)輸入 CH1通道，垂直方式(vertical mode) 選CH1選擇 適當(dāng)?shù)钠D(zhuǎn)因數(shù)和掃描速率， 使屏上出現(xiàn)適宜的穩(wěn)定的正弦波圖形估算信號(hào)的大 致頻率。(2) 將可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源信號(hào)輸入 CH2通道，垂直方式(vertical mode) 選 CH2調(diào)節(jié)信號(hào)源，使其輸出信號(hào)的頻率和幅度與待測(cè)信號(hào)的大致相同。(3) 垂直方式選ADD通道2極性選NORM