實驗12示波器的使用

1、實驗六示波器的使用示波器是一種用途廣泛的電子測量儀器，用它能直接觀察電信號的波形，也能測 定電壓信號的幅度、周期和頻率等參數(shù)。用雙蹤示波器還可以測量兩個信號之間的時 間差或相位差。凡是能轉(zhuǎn)化為電壓信號的電學量和非電學量都可以用示波器來觀測。借助示波器我們可以直觀地“看到”電路各點的狀態(tài)。示波器的掃描方式是一個可以 看到波形的“電壓表” ；XY方式可以觀察兩個電子信號的垂直方向的合成，因此示 波器是電子工作者的重要工具。實驗?zāi)康?了解通用示波器的結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握各個旋鈕的作用和使用方法;2 學會音頻信號發(fā)生器的使用方法;3 學會用示波器觀察波形以及測量信號的電壓、頻率和位相差;實驗儀器示波器

2、、信號發(fā)生器等實驗原理電子示波器（簡稱示波器）是一種能將隨時間變化的電壓信號直觀的顯示在熒光屏上的儀器。示波器由示波管、丫軸系統(tǒng)、X軸系統(tǒng)等組成。圖 6-1是示波Y軸系統(tǒng)n一鮭發(fā)電跆I掃描電賂LL_Iy jX軸系統(tǒng)圖6-1示波器的原理框圖器的原理框圖。6-21.示波器的聚焦和偏轉(zhuǎn)原理示波器中用于顯示波形的真空玻璃管叫陰極射線管，簡稱示波管。如圖 所示。示波管的正面是一個涂有熒光物質(zhì)的圓形屏，當管中的高速運動電子打上去時，就會發(fā)出熒光。一般的示波器都是熱陰極：陰極由燈絲通電加熱后，陰極上的電子由于熱運動而脫離出陰極，稱為熱激發(fā)。由于示波器中的第二陽極電壓比陰極高上千伏特。因此，電子被加速后轟擊到

3、熒光屏上，使該處的熒光物質(zhì)發(fā) 光。(1)輝度設(shè)電子由陰極熱激發(fā)時的速度為V，電子到達第二陽極的速度為V2 ,陰極和陽極之間的電壓為 U2，則有1 2mv 0 eU 221 2mv 22式中m是電子的質(zhì)量，且Vo<<V2,所以電子到達第二陽極(也是到達熒光屏)上的速度V2為:電子槍偏轉(zhuǎn)板C A2FA魅 V1 X1I? I,i-L|1r高壓電源圖6-2示波管結(jié)構(gòu)示意2eU2V2 JV m為了控制電子束轟擊熒光屏上的強度，也就是控制單位時間轟擊熒光屏的電子數(shù)目，在陽極前面加一個零到幾十伏特的調(diào)制極，其形狀是一個開有小孔的金 屬罩，由于調(diào)制極電位比陰極要低，而且調(diào)制極的電位越低，穿過金屬罩

4、小孔的 電子越少，亮度越弱。調(diào)節(jié)調(diào)制極的電位，就能夠改變熒光屏上光斑的亮度，這 就是面板上“輝度”旋鈕的作用。(2)電聚焦在兩個第二陽極 A2之間設(shè)有一個特殊形狀的第一陽極，給第一陽極加上比第二陽極低的電位(例如第二陽極1200V,第一陽極255V),由于第一陽極和第 二陽極之間有電位差， 其特殊形狀的電極構(gòu)成電子透鏡，如光學透鏡能會聚光A2上樣，電子透鏡能會聚射向熒光屏的電子束。電子透鏡聚焦條件由第二陽極的電位U2和第一陽極Ai上的電位Ui之比決定，調(diào)節(jié)聚焦Ui和輔助聚焦U2就是 調(diào)節(jié)兩電位之比，這就是示波器的電聚焦原理。(3)電偏轉(zhuǎn)由陰極熱激發(fā)的電子經(jīng)第二陽極加速后，在到達熒光屏之前， 還

5、要經(jīng)過由水平偏轉(zhuǎn)極板和垂直偏轉(zhuǎn)極板所圍成的空間。在偏轉(zhuǎn)極板上加上幾十伏特的偏轉(zhuǎn)電 壓。當電子穿過偏轉(zhuǎn)極中間時，由于受電場力的作用而使電子束偏離直線。偏轉(zhuǎn) 電壓越大，電場力越大，熒光屏上的亮點偏離熒光屏中心越遠，這就是電偏轉(zhuǎn)原 理。2 .示波器的掃描原理如果只在豎直偏轉(zhuǎn)Uy板(丫軸)上加一正弦波電壓，則電子束將隨電壓的變化只在豎直方向上圖8-3只在T偏轉(zhuǎn)板上加一正弦波電壓的情形往復(fù)運動，由熒光屏上看到的是一條豎直亮線。如圖6-3所示。要能顯示波形，必須同時在水平偏轉(zhuǎn)板加一掃描電壓,使電子束的亮點沿水平方向拉開。這種掃描電壓的特點應(yīng)是：電壓隨時間成線性關(guān)系增加到最大值，然后突然回到最小，此后再重復(fù)

6、變化。這種掃描電壓隨時間變化I艮的關(guān)系曲線形同“鋸Sa-4鋸齒波波簾S ®s-5示渡器顯示正5£液齒”,故稱為“鋸齒波電壓”，如圖6-4所示。如果只在水平偏轉(zhuǎn)板上（X軸）加由熒光上這樣的鋸齒波電壓， 則電子束隨電壓的變化只在水平方向上往復(fù)運動,屏上看到的是一條水平亮線。如圖6-4所示為只在水平偏轉(zhuǎn)板上加一鋸齒波電壓 的情形。如果在豎直偏轉(zhuǎn)板上（丫軸）加正弦波電壓，同時在水平偏轉(zhuǎn)板上（X軸） 加鋸齒波電壓，電子束同時受豎直和水平兩個方向電場力的作用，電子的運動是在熒光屏上兩互相垂直運動的合成。當鋸齒波電壓與正弦電壓變化周期相等時,能顯示完整周期的正弦波電壓的波形圖，如圖6-5

7、所示為示波器顯示正弦波形的原理圖。（1）連續(xù)掃如果正弦波和鋸齒波電壓的周期稍有不同，屏上出現(xiàn)的是移動著的不穩(wěn)定圖形。這種情況可以用圖 6-6說明:設(shè)X軸加的鋸齒波電壓的周期Tx比丫偏轉(zhuǎn)板上的正弦波電壓周期Ty稍小。比如Tx/Ty=7/8，在第一掃描周期（第一個鋸齒波）內(nèi)，屏上顯示正弦信號 0-4點之 間的曲線段；在第二周期（第二個鋸齒波）內(nèi)，顯示 4-8點之間的曲線段；在第 三周期（第三個鋸齒波）內(nèi)，顯示 8-11點之間的曲線段。其中第一個曲線段的結(jié)束和第二個曲線段的起點對應(yīng)相同的丫偏轉(zhuǎn)電壓。第二曲線段的尾部和第三曲 線段的起點對應(yīng)相同的 丫偏轉(zhuǎn)板電壓。這樣，在屏上顯示的波形不重迭， 好象波形

8、在向右移動。如果Tx和Ty差別稍大一些，一個一個的波形由于熒光屏的余輝和人眼的視覺暫留， 看到的是多個波形在屏上的迭加結(jié)果。其原因是掃描電壓的 周期Tx與被測信號的周期 Ty不相等或不成整數(shù)倍關(guān)系，以致于每次掃描的起點在丫軸上不相同。為了獲得穩(wěn)定波形（單一波形），每次掃描在 丫軸上應(yīng)有相同的起點。在連續(xù)掃描中，鋸齒波的周期稱為掃描周期，掃描周期Tx和丫軸上被測信號周期Ty之間應(yīng)滿足Tx nTY （n是整數(shù)）在示波器上設(shè)有掃描范圍和掃描微調(diào)以及整步調(diào)節(jié),用來調(diào)節(jié)Tx，使之滿足Tx nTY。從而在示波器上得到完全重迭的波形，看到的是單一穩(wěn)定的波形。稱之為同步掃描。上面所述的X軸鋸齒波是一個緊接一個

9、產(chǎn)生的，稱為連續(xù)掃描方式。MAAr''I!（2）觸發(fā)掃描方式1為了獲得穩(wěn)定波形（單一波形），每次掃描在 Y軸上應(yīng)有相同的起點。在示波器的掃描方式中，另一種稱為觸發(fā)掃描方式：在觸發(fā)掃描方式中，X軸所加的鋸齒波電壓Ux和丫軸所加的待測電壓 Uy之間的關(guān)系如圖6-7所示。在觸發(fā)掃描中。鋸齒波的起點由被測信號的某一斜率和電平點觸發(fā)產(chǎn)生,一個鋸齒波顯示一屏，個鋸齒波結(jié)束后，等候待測信號Uy相同的斜率和電平點再次觸發(fā)產(chǎn)生下一個鋸齒波。由于每屏波形起點對應(yīng)待測信號Uy相同的斜率和電平（每屏有相同的起點），所以波形自然穩(wěn)定（各屏重迭3. X-Y方式：李薩如圖形如果示波器的X軸和丫軸輸入是頻率相

10、同或成整數(shù)比的兩個正弦電壓，則屏上將呈現(xiàn)特辛二f 氓¥殊形狀的光點的軌跡，這種軌跡稱為李薩如圖形。頻率比不同時，將形成不同的李薩如圖形。圖6-8所示的是頻率比成簡單整數(shù)比的幾組李薩如圖形。從圖形圖李薩如圖形中可總結(jié)出如下規(guī)律：fx ： fynx：ny ,其中nx為水平線與軌跡相切的切點數(shù)，ny為豎直線與軌跡相切的切點數(shù)。利用李薩如圖形能方便準確地比較兩交變 信號的頻率。4 示波器的測量原理電壓和時間的測示波器除了能直觀地顯示之外，其測量內(nèi)容可歸結(jié)為兩類: 量，而電壓和時間的測量最后都歸結(jié)為屏上波形長度的測量。（1）電壓的測量示波器屏上光點丫軸偏轉(zhuǎn)距離Dy正比于輸入電壓Uy,比例系數(shù)K

11、y稱為電壓V/ div。偏轉(zhuǎn)因數(shù)，有 Dy=KyUy ,Y軸電壓偏轉(zhuǎn)因數(shù) Ky的單位為:例如：測電壓峰一峰值時，峰一峰值占了3.6 div , V/div檔用0. 1V/div , 輸入端用了 10: l 衰減探頭，則 Vpp= 0.1V/div X 3.6div x 10= 3.6V。（2）時間的測量在觸發(fā)掃描方式的示波器中，每個鋸齒波的長度是確定的（在連續(xù)掃描方式 中鋸齒波的長度不確定），也就是說，在觸發(fā)掃描方式的示波器中，每一屏的時 間是確定的。利用波形在X軸上的長度，可以測量屏上波形兩點之間的時間間隔。在觸發(fā)掃描方式時，示波器屏上光點X軸偏轉(zhuǎn)距離Dx正比于時間t，比例系數(shù)Ks稱為時基因

12、數(shù)，有 Dx=Kst，時基因數(shù) Ks的單位為：s/div。例如：波形在 X軸上的長度是4div，t/div檔為2ms/div，則波形的周期:T = 2ms /div x 4div = 8ms在觸發(fā)掃描方式的示波器中,般在出廠時丫軸的電壓偏轉(zhuǎn)因數(shù)和 X軸掃描的時基因數(shù)都已標定了。實驗步驟1.熟悉示波器上各開關(guān)、旋鈕的作用。接通電源，打開“電源”開關(guān)，指示燈亮，等待電子管預(yù)熱一分鐘左右，熒 光屏上出現(xiàn)亮點。調(diào)亮度旋鈕“ * ”，使亮度適中，注意不應(yīng)使亮度過強，更不能使強亮斑集中于一點，以免灼毀熒光屏。調(diào)節(jié)聚焦“ O”和輔助聚焦“ O”旋鈕，使亮斑成為小圓點（在 X軸和丫軸均無信號輸入的情況下）。調(diào)

13、節(jié)丫軸位移“fj”和 X軸位移“1=1”旋鈕，使亮點上下左右適中。2 .觀察波形將“電平”旋鈕旋到“自動”位置，亮點展成一條橫線。調(diào)節(jié)低頻信號發(fā)生器的輸出幅度，用晶體管毫伏表測量它的有效值，使為1.00伏（或從低頻信號發(fā)生器面板上的電壓表讀出）。然后接到示波器的“ 丫軸輸入”。將耦合開關(guān)指向“AC',觸發(fā)信號開關(guān)（或整步選擇）指向“內(nèi)+”或“內(nèi)一”， 熒光屏上就出現(xiàn)規(guī)則不穩(wěn)定的波形。再調(diào)節(jié)“v/div ”旋鈕（或丫軸增幅和丫軸衰減），使波形幅度合適；調(diào)節(jié)“t/div ” 旋鈕（或掃描范圍） ,使波形寬度合適（有 2 至 3 個寬整波形） 。此時,波形可能走動,調(diào)節(jié)“電平' （或

14、整步調(diào)節(jié)和掃描微調(diào)）使波形穩(wěn)定。改變幾次低頻信號發(fā)生器的輸出幅度和頻率,再調(diào)出n 個穩(wěn)定波形。3測量電壓測交流電壓,調(diào)出待測電壓的穩(wěn)定波形,讀出波形的波峰到波谷所占的分度峰值。換算為有效值。和此時 v/div 檔級的標稱值,由此求得波形電壓的峰4測量頻率1）先測出周期,然后得到頻率。調(diào)出待測周期信號的穩(wěn)定波形,讀出波形一個周期所占的分度和此時 t/div 檔級的標稱值,由此求得周期和頻率。并與 低頻信號發(fā)生器輸出的頻率相比較。2）利用李薩如圖測量頻率。從 X 軸輸入已知頻率信號,從 丫 軸輸入待測頻率 fy ,調(diào)節(jié)有關(guān)旋鈕,并逐 漸改變y軸的輸入頻率fy，使fx : fy 1:2、 1:3 2

15、:3，算出fy，并與低頻信號發(fā)生器上的頻率示值相比較。5測量兩個正弦波的相位差根據(jù)李薩如圖形可以計算出相位差,如圖 69 所示。令 y a sin tx bsin( t )則y與x的相位差為.假定波形在X軸線上的截距為2x0,則對X軸上的P點y a si nt 0 t所以x 0 b sin( tb sin.Xo=arcs in b.Xo arcs in b預(yù)習思考題1 .示波器有哪些主要部分組成，其主要作用是什么?2 .用示波器觀察波形的主要步驟是什么?3 .怎樣用示波器測電壓、頻率。復(fù)習思考題1.簡要寫出示波器面板上各旋鈕的作用.2 .示波器能否精確測量電壓、周期、頻率和相位差？為什么？示波

16、器的真 正功能是什么?附錄ST-16型示波器簡介帕”i卜iftF詞I理護江礎(chǔ)I打進”1X氣駐乩*2.驗討；q1* #二亠#7"朋帥!叭$T-16型示波器面板圖開，電源開關(guān)：當此開關(guān)指向“開”時，指示燈燈亮，經(jīng)預(yù)熱一段時間后, 儀器即可正常工作。，輝度調(diào)節(jié)裝置：它可以改變輝度的亮暗。O,聚焦調(diào)節(jié)裝置：用以調(diào)節(jié)示波管中電子束的焦距，使其焦點恰好會聚在屏幕上，此時顯現(xiàn)的光點應(yīng)成為清晰的圓點。O,輔助聚焦：用以控制光點在有效工作面內(nèi)的任何位置散焦最小,通常與聚焦調(diào)節(jié)裝置同時配合協(xié)調(diào)使用。f 垂直位移：用以調(diào)節(jié)屏幕上光點或信號波形在豎直方向上的位置。水平位移：用以調(diào)節(jié)屏幕上光點或信號波形在水平方向上的位置。Y:垂直放大系統(tǒng)的輸入插座。垂直微調(diào)，用以連續(xù)改變垂直放大器增益。V/div （垂直粗調(diào)），垂直輸入靈敏度步進式選擇開關(guān)：可根據(jù)被測信號的電壓幅度，選擇適當?shù)臋n級位置，以利觀測。當“微調(diào)”旋鈕位于校準位置時,“V/div ”檔級的標稱值即可視為示波器垂直輸入的靈敏度。第一檔級的“n_i”為100mv的方波信號，供垂直輸入靈敏度和水平時基掃速校準之用。掃描微調(diào)，用以連續(xù)調(diào)節(jié)時基掃描速度。t/div，時基掃速步進式選擇開關(guān)：可根據(jù)被測信號頻率的高低，選擇適當?shù)臋n級以利觀察。當掃速“微調(diào)”旋針位于校準