實(shí)驗(yàn)12 示波器的使用

1、實(shí)驗(yàn)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(gè)信號之間的時(shí)間差或相位差。凡是能轉(zhuǎn)化為電壓信號的電學(xué)量和非電學(xué)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(diǎn)的狀態(tài)。示波器的掃描方式是一個(gè)可以看到波形的“電壓表”；方式可以觀察兩個(gè)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(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解通用示波器的結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握各個(gè)旋鈕的作用和使用方法；2學(xué)會音頻信號發(fā)生器的使用方法；3學(xué)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(shí)驗(yàn)儀器 示波器、信號發(fā)生器等實(shí)

2、驗(yàn)原理圖6-1示波器的原理框圖電子示波器（簡稱示波器）是一種能將隨時(shí)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、Y軸系統(tǒng)、X軸系統(tǒng)等組成。圖6-1是示波器的原理框圖。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6-2所示。示波管的正面是一個(gè)涂有熒光物質(zhì)的圓形屏，當(dāng)管中的高速運(yùn)動電子打上去時(shí)，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(yùn)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。因此圖6-2示波管結(jié)構(gòu)示意，電子被加速后轟擊到熒光屏上，使該處的熒光物質(zhì)發(fā)光。（1）輝度設(shè)電子由陰極

3、熱激發(fā)時(shí)的速度為V0，電子到達(dá)第二陽極的速度為V2 ,陰極和陽極之間的電壓為U2，則有式中m是電子的質(zhì)量，且v0v2，所以電子到達(dá)第二陽極(也是到達(dá)熒光屏)上的速度v2為：為了控制電子束轟擊熒光屏上的強(qiáng)度，也就是控制單位時(shí)間轟擊熒光屏的電子數(shù)目，在陽極前面加一個(gè)零到幾十伏特的調(diào)制極，其形狀是一個(gè)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(gè)第二陽極A2之間設(shè)有一個(gè)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

4、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(xué)透鏡能會聚光一樣，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A2上的電位U2和第一陽極A1上的電位U1之比決定，調(diào)節(jié)聚焦U1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(dá)熒光屏之前，還要經(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(dāng)電子穿過偏轉(zhuǎn)極中間時(shí)，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(diǎn)偏離熒光屏中心越遠(yuǎn)，這就是電偏轉(zhuǎn)原理。2示波器的掃描原

5、理如果只在豎直偏轉(zhuǎn)板（Y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往復(fù)運(yùn)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(shí)在水平偏轉(zhuǎn)板加一掃描電壓，使電子束的亮點(diǎn)沿水平方向拉開。這種掃描電壓的特點(diǎn)應(yīng)是：電壓隨時(shí)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)變化。這種掃描電壓隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線形同“鋸齒”，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(yùn)動，由熒光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（Y軸

6、）加正弦波電壓，同時(shí)在水平偏轉(zhuǎn)板上（X 軸）加鋸齒波電壓，電子束同時(shí)受豎直和水平兩個(gè)方向電場力的作用，電子的運(yùn)動是兩互相垂直運(yùn)動的合成。當(dāng)鋸齒波電壓與正弦電壓變化周期相等時(shí)，在熒光屏上能顯示完整周期的正弦波電壓的波形圖，如圖6-5所示為示波器顯示正弦波形的原理圖。（）連續(xù)掃描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Y 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(gè)鋸齒波)內(nèi)，屏上顯示正弦信號0-4點(diǎn)之間的曲線段；在第二周期（第二個(gè)鋸齒波）內(nèi)，顯示4-8點(diǎn)之間的曲線段

7、；在第三周期（第三個(gè)鋸齒波）內(nèi)，顯示8-11點(diǎn)之間的曲線段。其中第一個(gè)曲線段的結(jié)束和第二個(gè)曲線段的起點(diǎn)對應(yīng)相同的Y 偏轉(zhuǎn)電壓。第二曲線段的尾部和第三曲線段的起點(diǎn)對應(yīng)相同的Y 偏轉(zhuǎn)板電壓。這樣，在屏上顯示的波形不重迭，好象波形在向右移動。如果TX和TY差別稍大一些，一個(gè)一個(gè)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(gè)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(diǎn)在Y軸上不相同。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(diǎn)。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Y軸上被測信號周期TY之間應(yīng)滿

8、足（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 。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(gè)緊接一個(gè)產(chǎn)生的,稱為連續(xù)掃描方式。（2）觸發(fā)掃描方式為了獲得穩(wěn)定波形(單一波形)，每次掃描在Y 軸上應(yīng)有相同的起點(diǎn)。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Y 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(diǎn)由被測信號的某一斜率和電平點(diǎn)觸發(fā)產(chǎn)生，一個(gè)鋸齒波顯示一屏，一個(gè)鋸齒波結(jié)束后，等候待測信號UY相同的斜率和電平點(diǎn)再次觸發(fā)產(chǎn)生下一

9、個(gè)鋸齒波。由于每屏波形起點(diǎn)對應(yīng)待測信號UY相同的斜率和電平（每屏有相同的起點(diǎn)），所以波形自然穩(wěn)定(各屏重迭)。3X-Y方式：李薩如圖形如果示波器的X軸和Y軸輸入是頻率相同或成整數(shù)比的兩個(gè)正弦電壓，則屏上將呈現(xiàn)特殊形狀的光點(diǎn)的軌跡，這種軌跡稱為李薩如圖形。頻率比不同時(shí)，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。從圖形中可總結(jié)出如下規(guī)律： ，其中為水平線與軌跡相切的切點(diǎn)數(shù),為豎直線與軌跡相切的切點(diǎn)數(shù)。利用李薩如圖形能方便準(zhǔn)確地比較兩交變信號的頻率。4示波器的測量原理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：電壓和時(shí)間的測量，而電壓和時(shí)間的測量最后都?xì)w結(jié)為

10、屏上波形長度的測量。（1）電壓的測量示波器屏上光點(diǎn)Y軸偏轉(zhuǎn)距離DY正比于輸入電壓UY，比例系數(shù)KY稱為電壓偏轉(zhuǎn)因數(shù)，有DY=KYUY ,Y軸電壓偏轉(zhuǎn)因數(shù)KY的單位為：V/div。例如:測電壓峰峰值時(shí)，峰峰值占了3.6div，Vdiv檔用01Vdiv，輸入端用了10：l衰減探頭，則Vpp0.1Vdiv3.6div103.6V。（2）時(shí)間的測量在觸發(fā)掃描方式的示波器中，每個(gè)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(shí)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(diǎn)之間的時(shí)間間隔。在觸發(fā)掃描方式時(shí)，示波器屏上光點(diǎn)X軸偏轉(zhuǎn)距離DX正

11、比于時(shí)間t，比例系數(shù)KS稱為時(shí)基因數(shù)，有DX=KSt，時(shí)基因數(shù)KS的單位為：s/div。例如：波形在X軸上的長度是4div，tdiv檔為2msdiv，則波形的周期：T2msdiv4div8ms在觸發(fā)掃描方式的示波器中，一般在出廠時(shí)Y軸的電壓偏轉(zhuǎn)因數(shù)和X軸掃描的時(shí)基因數(shù)都已標(biāo)定了。實(shí)驗(yàn)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(diǎn)。調(diào)亮度旋鈕“*”，使亮度適中，注意不應(yīng)使亮度過強(qiáng)，更不能使強(qiáng)亮斑集中于一點(diǎn)，以免灼毀熒光屏。調(diào)節(jié)聚焦“”和輔助聚焦“”旋鈕，使亮斑成為小圓點(diǎn)（在X軸和Y軸均無信號輸入的情況下）。調(diào)節(jié)Y軸位移“”和

12、X軸位移“”旋鈕，使亮點(diǎn)上下左右適中。2觀察波形將“電平”旋鈕旋到“自動”位置，亮點(diǎn)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“Y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)”，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Y軸增幅和Y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(gè)寬整波形）。此時(shí)，波形可能走動，調(diào)節(jié)“電平”（或整步調(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

13、調(diào)出n個(gè)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和此時(shí)v/div檔級的標(biāo)稱值，由此求得波形電壓的峰-峰值。換算為有效值。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(gè)周期所占的分度和此時(shí)t/div檔級的標(biāo)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Y軸輸入待測頻率，調(diào)節(jié)有關(guān)旋鈕，并逐漸改變y軸的輸入頻率，使，算出，并與低頻信號發(fā)生器上的頻率示值相比較。5測量兩個(gè)正弦波的相位差根據(jù)李薩如圖形可以計(jì)算出相位差，如圖69所示。令則y與x的相位差為假

14、定波形在X軸線上的截距為2x0，則對X軸上的P點(diǎn)圖69 相位差的計(jì)算預(yù)習(xí)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(xí)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？示波器的真正功能是什么？附錄ST-16型示波器簡介開，電源開關(guān)：當(dāng)此開關(guān)指向“開”時(shí)，指示燈燈亮，經(jīng)預(yù)熱一段時(shí)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。，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(diǎn)恰好會聚在屏幕上，此時(shí)顯現(xiàn)的光點(diǎn)應(yīng)成為清晰的圓點(diǎn)。，輔助聚焦：用以控制光點(diǎn)在有效工作面內(nèi)

15、的任何位置散焦最小，通常與聚焦調(diào)節(jié)裝置同時(shí)配合協(xié)調(diào)使用。，垂直位移：用以調(diào)節(jié)屏幕上光點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)式選擇開關(guān)：可根據(jù)被測信號的電壓幅度，選擇適當(dāng)?shù)臋n級位置，以利觀測。當(dāng)“微調(diào)”旋鈕位于校準(zhǔn)位置時(shí)，“V/div”檔級的標(biāo)稱值即可視為示波器垂直輸入的靈敏度。第一檔級的“”為100mv的方波信號，供垂直輸入靈敏度和水平時(shí)基掃速校準(zhǔn)之用。掃描微調(diào)，用以連續(xù)調(diào)節(jié)時(shí)基掃描速度。t/div，時(shí)基掃速步進(jìn)式選擇開關(guān)：可根據(jù)被測信號頻率的高低，選擇適當(dāng)?shù)臋n級以利觀察。當(dāng)掃速“微調(diào)”旋針位于校準(zhǔn)位置時(shí)，“t/div”檔級的標(biāo)稱值即可視為