實驗二 示波器的調節(jié)和使用

實驗二示波器的調節(jié)和使用示波器是一種用途廣泛的電子儀器，用它可以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電信號之間的時間差或相位差。配合各種傳感器，它還可以用來觀察各種非電量的變化過程。由于電子射線的慣性很小，因此示波器可以在很高的頻率范圍內工作，采用高增益的放大器可以觀察微弱信號。示波器具有多種類型和型號，它們的基本原理是相同的。示波器的具體電路比較復雜，需要具備一定的電子學基礎知識方能掌握，不是本實驗的討論范圍。本實驗僅限于學習示波器的基本使用方法?！緦嶒災康摹?．了解示波器的主要組成部分以及示波器的波形顯示原理。2.學習用示波器觀測電信號和李薩如圖形。3．學習利用比較法測量電信號的方法.【實驗儀器】雙蹤示波器、信號發(fā)生器等。信號發(fā)生器提供示波器觀察波形用的各種信號電壓。一般均輸出正弦波，有的可輸出各種波形(例如方波、三角波等)；對同一種波形又可輸出各種不同頻率。信號發(fā)生器的型號不同，面板上的旋鈕也不相同，使用時要看清面板上標明的符號，弄清各旋鈕與接線柱的作用后，再按儀器規(guī)定的要求使用。【實驗原理】1．示波器的基本結構圖2-1示波管及示波器電路方框1.燈絲2.圖2-1示波管及示波器電路方框1.燈絲2.陰極3.柵極4.第二陽極5.第一陽極6.Y軸偏轉板7.X軸偏轉板示波器主要由示波管和復雜的電子線路組成。這里只介紹示波器的基本結構和掃描整步功能。示波器包括：示波管、掃描和整步系統(tǒng)、電壓放大和電源系統(tǒng)。（1）示波管示波管是示波器的心臟，其內部結構如圖2-1所示，主要由安裝在高真空玻璃管中的電子槍、偏轉板和熒光屏3個部分組成，全部密封在玻璃外殼內，里面抽成高真空。電子槍由燈絲、陰極、控制柵極、第l陽極和第2陽極等5部分組成。電子槍用來發(fā)射電子束；偏轉板用來控制電子束運動；電子束打到熒光屏上使熒光屏發(fā)光，顯示出要觀察的電壓波形。熒光屏上光點的亮度取決于電子束中電子的數(shù)量，光點的粗細則由電子束的粗細決定。偏轉板對電子束的作用：(1)當X，Y軸偏轉板上的電壓Ux=0，Uy=0時，電子束打在熒光屏中央。(2)當X，Y軸偏轉板上的電壓Ux>0，Uy=0時，電子束將受到電場作用力，使電子束向正極板偏轉，光點將由熒光屏中央移動到右邊；當Ux<0，Uy=0時，則光點將移動到左邊。(3)當Ux=0，Uy>0時，光點向上移動。當Ux=0，Uy<0時，則光點向下移動。光點移動的距離與偏轉板上所加的電壓成正比，即光點沿Y軸方向上下移動的距離正比于Uy；沿X軸方向左右移動的距離正比于Ux。(4)若在Y軸偏轉板上加正弦電壓(Uy=Uosint)，X軸偏轉板不加電壓(Ux=0)，光點將沿Y軸方向振動。Uy由于是按照正弦規(guī)律變化的，所以光點在Y軸方向移動的距離也按正弦規(guī)律變化；因為Ux=0，所以光點在X軸方向無移動，在熒光屏上只能看到一條Y軸方向的直線(如圖2-2所示)，而不是正弦波形。如何才能使熒光屏上展現(xiàn)正弦波形?這需要將光點沿X軸方向展開，即必須在X軸偏轉板上也加上電壓。由于Y軸上加的電壓的波形是隨時間變化的，所以希望X軸光點的移動代表時間t，而且X軸上的電壓(Ux)隨時間的變化關系應是線形的(如圖2—2)。圖2-2掃描原理我們用比較直觀的作圖法將電子束受Ux和Uy，的電場力作用后的軌跡表示如圖2-2。在示波管的X，Y軸偏轉板上分別同時加上線形電壓和正弦電壓，若它們的周期相同，將一個周期分為相同的四個時間間隔，Ux和Uy的值分別對應光點在X軸和Y軸偏離的位置，將Ux和Uy的各投影光點連起來，即得被測電壓的波形(正弦)。完成一個波形后的瞬間，光點立刻返回到原點，完成一個周期，這根反跳線稱為回掃線。因這段時間很短，線條比較暗，有的示波器采取措施(消隱電路)將其消除。（2）掃描與整步光點沿X軸變化及反跳的過程稱為掃描。電壓稱Ux為掃描電壓(鋸齒波電壓)，它是示波器內的掃描發(fā)生器(鋸齒波發(fā)生器)產生的。這樣，電子束不僅受到Uy電場力使其上下運動，同時受到Ux作用使其展開成正弦波。上面討論的波形因Ux和Uy的周期相等，熒光屏上出現(xiàn)一個正弦波。若：fy=nfx(n=1,2,3,…)(1)式中n為熒光屏上所顯示的完整波形的數(shù)目?；蛘邔⑹?1)表示為：Tx=nTy(n=1,2,3,…)(2)則熒光屏上將出現(xiàn)一個、二個，三個……穩(wěn)定的正弦波形。只有當fy為fx的整數(shù)倍時，波形才穩(wěn)定。但fy是由被測電壓決定的，而fx由示波器內掃描發(fā)生器決定的，兩者相互無關。某些型號的示波器，為了得到穩(wěn)定的波形，采用整步的方法，即將Y軸輸入信號電壓接至掃描發(fā)生器的電路中，強迫fx隨著信號頻率的變化而變化(內整步)，從而保證fy=nfx，熒光屏上的波形即可穩(wěn)定。觸發(fā)掃描：在示波器中，為了在熒光屏上得到穩(wěn)定不動的信號波形，采用被測信號來控制掃描電壓的產生時刻，稱為觸發(fā)掃描。調節(jié)觸發(fā)電平的高低，使被測信號達到某一定值時，掃描電路才開始工作，產生一個鋸齒波，將被測信號顯示出來。由于每次被測信號都達到這一定值時，掃描電路才開始工作，產生鋸齒波，所以每次掃描顯示的波形相同。這樣，在熒光屏上看到的波形就穩(wěn)定不動。圖2-3表示了觸發(fā)掃描的原理。圖2-3觸發(fā)掃描原理（3）電壓放大系統(tǒng)由于示波管本身偏轉板的偏轉靈敏度不高，為了便于觀察較小的電信號就需要預先將輸入信號加以放大，再加到X或Y偏轉板上。只需加以衰減而設置衰減器。放大后的電壓加在示波管中相應的偏轉板上，用來控制光點在相應方向上的位移。在保持放大倍數(shù)不變的條件下，光點對中心偏轉距離Y與輸入信號的電壓Uy成正比，即Y=AyUy式中Ay為比例系數(shù)。（4）電源系統(tǒng)電源系統(tǒng)的作用是供給以上三部分工作所需要的各種電壓。2．示波器的應用（1）電壓的測量在測量時一般把“Volts/DIV”開關的微調裝置以順時針方向旋至滿度的校準位置，這樣可以按“Volts/DIV”的指示值直接計算被測信號的電壓幅值。由于被測信號一般都含有交流和直流兩種成分，因此在測試時應根據(jù)下述方法操作：交流電壓的測量當只需測量被測信號的交流成分時，應將Y軸輸入耦合方式開關置“AC”位置，調節(jié)“Volts/DIV”開關，使波形在屏幕中的顯示幅度適中，調節(jié)“電平”旋鈕使波形穩(wěn)定，分別調節(jié)“垂直位移”和“水平位移”，使波形顯示值方便讀取。根據(jù)“Volts/DIV”的指示值和波形在垂直方向上的坐標（DIV），按下式讀?。篤P-P=V/DIV×Y（DIV）直流電壓的測量當需測量被測信號的直流或含直流成分的電壓時，應先將Y軸耦合方式開關置“GND”位置，調節(jié)“垂直位移”使掃描基線在一個合適的位置上，再將耦合方式開關轉換到“DC”位置，調節(jié)“電平”使波形同步。根據(jù)波形偏移原掃描基線的垂直距離，用上述方法讀取該信號的各個電壓值。（2）頻率的測量在測量時一般將“SeC/DIV”開關的微調裝置以順時針方向旋至滿度的校準位置，這樣可以按“SeC/DIV”的指示值直接被測信號的頻率。測出一個周期的水平距離×（DIV），讀出掃描時間因數(shù)“SeC/DIV”，即可求出f。T=“SeC/DIV”×X（DIV）利用掃描頻率求未知頻率由掃描原理可知，只有當輸入信號頻率為掃描頻率的整數(shù)倍時，波形才是穩(wěn)定的。利用這個關系，可以求得未知頻率。示波器能精確直接得到掃描頻率：T′=“SeC/DIV”×10（DIV）這種方法實質上也是一種比較法，應用這種比較法的條件是波形必須穩(wěn)定。李薩如圖形的觀察與頻率的測量當X軸輸入掃描信號時，示波器顯示Y軸輸入電信號的瞬變過程；當X軸輸入正弦信號，而Y軸輸入另一正弦信號，而兩個正弦信號的頻率相等或成簡單整數(shù)比時，觀察到的是電子束受兩個相互垂直的諧振運動的合成圖形。熒光屏上亮點的合成軌跡為一穩(wěn)定的閉合曲線，稱為李薩如圖形，如圖2-4。圖2-4將“SeC/DIV”掃描速率旋鈕置于“X-Y方式”，此時由“CH1orX”端口輸入X軸信號，由“CH2orY”端口輸入Y軸信號。當fx和fy分別代表在X方向和Y方向正弦型號的頻率，如熒光屏上顯示出穩(wěn)定的李薩如圖形時，在水平和垂直方向分別作兩直線與圖形相切或相交，數(shù)出此兩直線與圖形的切點數(shù)或交點數(shù)，則：或如圖2-5(a)水平直線與圖形的相切點數(shù)為1點(a)；垂直直線與圖形的相切點數(shù)為2點(b,c)。如圖2-5(a)水平直線與圖形的相切點數(shù)為1點(a/)；垂直直線與圖形的相切點數(shù)為2點(b/,c/)。在熒光屏上數(shù)得水平直線與圖形的切點數(shù)(或相交點數(shù))和垂直直線與圖形的切扇(或相交點數(shù))，就可以從一已知頻率fx(或fy)求得另一頻率fy(或fx)。(a)(b)圖2-5【實驗內容】1．熟悉示波器面板上各旋鈕的作用和調節(jié)方法（1）調節(jié)“位移”、“水平位移”、“輝度”處于中間位置，“掃描速率SeC/DIV”置“X-Y方式”，然后接通電源，待熒光屏上出現(xiàn)光斑后，調節(jié)“輝度”，使光斑亮度較暗。（2）調節(jié)“聚焦”，使光斑成一小圓點，然后調節(jié)“垂直位移（右邊一個）”和“水平位移”，使光點在熒光屏上的位置適中。（3）按下掃描方式下的“自動”，調節(jié)“掃描速率SeC/DIV”指向“0.2S/DIV”，按下垂直方式下的“CH1和CH2”觀察兩路信號在“斷續(xù)”及“交替”（4）調節(jié)“掃描速率SeC/DIV”旋鈕使亮點變成水平掃描線。 2．觀察波形（1）調節(jié)低頻信號發(fā)生器，使“Output”輸出端輸出頻率f=50Hz，按下“正弦信號～”。（2）把“Output”輸出信號從“CH1或CH2”通道輸入，調節(jié)“掃描速率”及相應通道的“靈敏度選擇Volts/DIV開關”（3）調節(jié)“掃描速率及掃描微調開關”，若波形還是不夠穩(wěn)定，可調“電平”，使光屏上出現(xiàn)1～3個穩(wěn)定的波形。將f改為100Hz、500Hz、5KHz、50KHz，調出穩(wěn)定的正弦波形。（5）取f=50Hz,調節(jié)低頻信號發(fā)生器上的“AMPLIUDE”旋鈕，使Y=60格或80格，記錄Y值并畫出波形，按下信號發(fā)生器上的“-20dB”，調節(jié)“電平”使波形穩(wěn)定，畫出變化后的波形，并記錄變化后的Y=？，再按下“-40dB”觀察波形。（6）依次按下“方波”及“三角波”，觀察波形。3．測定正弦交流信號的電壓和頻率（1）使f=500Hz，調節(jié)“AMPLIUDE”旋鈕，使Y=40格～70格。（2）調節(jié)示波器上的“靈敏度選擇微調檔”及“掃描頻率的微調檔”。順時針旋足為校準位置，此時可根據(jù)熒光屏上的Y軸坐標刻度，利用靈敏度選擇開關的“Volts/DIV”檔級標稱值，直接求出信號波形的峰-谷電壓值VP-P。由測得的峰-谷值可計算交流信號的電壓有效值：(3）根據(jù)熒光屏上的X軸坐標刻度，讀出被測交流信號的周期，由，其中T=“SeC/DIV”×X（DIV），求得其頻率。4．李薩如圖形的觀察與記錄觀察李薩如圖形把“SeC/DIV”置“X-Y方式”，將信號發(fā)生器的50Hz正弦信號的輸出端接至示波器的“CH1（X軸通道），將“Output”輸出端正弦信號接至示波器的“CH2（Y軸通道），調節(jié)其頻率，使其依次為f=25Hz，觀察圖形。（2）畫出fy：fx=1：2、1：1、3：2、2：1和3：1某一瞬間的圖形。注意：實際操作時適當調節(jié)X軸及Y軸“靈敏度選擇開關Volts/DIV”和信號發(fā)生器的“AMPLIUDE”使圖形適中。由于fy：fx不可能調節(jié)成準確的簡單整數(shù)比，因此兩個振動的相位差將發(fā)生緩慢的改變，圖形難以完全溫定，調到圖形變化最緩慢的時間即可。5．注意事項（1）為了保護熒光屏不被灼傷，使用示波器時，光點亮度不