示波器的使用(3).doc

实验二 示波器的使用

一、实验目的
1、了解示波器显示图象的原理。
2、学习用示波器观察电信号的波形。
3、学习用示波器测定电信号的电压和频率。

二、实验器材
双踪示波器 多用信号发生器
示波器：阴极射线示波器（简称示波器）是一种用途较广的电子仪器，它可以把原来肉眼看不见的变化电压变换成可见的图像，以供人们分析研究。示波器除了可以直接观测电压随时间变化的波形外，还可以测量频率、相位等。利用换能器还可以将应变、加速度、压力以及其它非电量转换成电压进行测量。由于电子质量非常小，没有机械示波器所具有的惯性，因而可以在很高的频率范围内工作，这是示波器很重要的优点。
信号发生器是一种能输出稳定的交流信号，且电压和频率可以在某一特定范围内任选的电源装置。

三、实验原理
示波器包括两大部分：示波管和控制示波管工作的电路。
1、 示波管
示波管是呈喇叭形的玻璃泡，抽成高真空，内部装有电子枪和两对相互垂直的偏转板，喇叭口的球面壁上涂有荧光物质，构成荧光屏。
示波管的侧视图见图1。

图1　示波管构造图
电子枪由灯丝f，阴极K、栅极G以及一组阳极A所组成。灯丝通电后炽热，使阴极发热而发射电子。由于阳极电位高于阴极，所以电子被阳极加速。当高速电子撞击在荧光屏上会使荧光物质发光，在屏上就能看到一个亮点。改变阳极电位，可以使不同发射方向的电子恰好会聚在荧光屏某一点上，这种调节称为聚焦。栅极G电位较阴极K为低，改变G电位的高低，可以控制电子枪发射电子流的密度，甚至完全不使电子通过，这称为辉度调节，实际上就是调节荧光屏上亮点的亮暗。
Y偏转板是水平放置的两块电极。当Y偏转板上电压为零时，电子束正好射在荧光屏正中P点。如果Y偏转板加上电压，则电子束受到电场力作用，运动方向发生偏移，(见图2)。如果所加的电压不断发生变化，P点的位置也跟着在铅垂线上移动。在屏上看到的是一条铅直的亮线。荧光屏上亮点在铅直方向的位移Y和加在Y偏转板的电压UY成正比。

图2 Y偏转板使电子束作铅直方向运动
X偏转板是垂直放置的两块电极。在X偏转板加上一个变化的电压，那么，荧光屏上亮点在水平方向的位移X也与加在X偏转板的电压UX成正比，于是在屏上看到的则是一条水平的亮线。
2．示波器显示波形的原理
如果在Y偏转板上加上一个随时间作正弦变化的电压，UY＝sinωt，我们在荧光屏上仅能看到一条铅直的亮线，而看不到正弦曲线。只有同时在X偏转板上加上一个与时间成正比的锯齿形电压UX=UXm·t(见图3)，才能在荧光屏上显示出信号电压UY和时间t的关系曲线，其原理如图4所示。

图3　锯齿形电压
设在开始时刻a，电压UY和UX均为零，荧光屏上亮点在A处。时间由a到b，在只有电压UY作用时，亮点沿铅直方向的位移为bBY，屏上亮点在BY处。而在同时加入UX后，电子束既受UY作用向上偏转，同时又受UX作用向右偏转(亮点水平位移为bBX)，因而亮点不在BY处，而在B 处。随着时间推移，以此类推，便可显示出正弦波形来。所以，在荧光屏上看到的正弦曲线实际上是两个相互垂直的运动(UY＝sinωt和UX=UXm·t)合成的轨迹。
由上可见，要想观测加在Y偏转板上电压UY的变化规律，必须在X偏转板上加上锯齿形电压，把UY产生的垂直亮线“展开”。这个展开过程称为“扫描”，锯齿形电压又称为扫描电压。
怎样才能使荧光屏上显示的波形稳定，这是示波器操作的一个重要问题。如果显示的波形处于不断变化的状态，那么，测量就无法进行。目前我们所用的示波器只能测量周期性变化的电压信号。对于周期性电压信号只要保证每次扫描起始点(如图4中的A点)位置不变就可以达到显示波形稳定不变的目的(见下面“同步”的叙述)。
综上所述，示波管显示稳定波形的条件是：第一，Y偏转板上必须加上足够大的待测信电压信号，第二X偏转板上必须加上锯齿波电压；第三，保持每次扫描起始点的位置不变。

图4　示波器显示波形的原理
3．示波器控制电路的功能
示波器控制电路主要包括垂直放大电路、水平放大电路、扫描发生器、同步电路以及电源等部分，其方块图如图5所示。

图5　示波器结构方框田图
（1）垂直放大电路。它的功能是为了满足上述第一个条件的。首先是要不失真地放大待测的电信号。同时保证示波器测量灵敏度的要求。示波器垂直输入灵敏度的单位为V／div或mV／div，div为荧光屏上1格的长度，1div＝0．6cm。例如，STl6型示波器的垂直输入灵敏度为SY=20mV／div～10V／div，即当待测信号为20mV或10V(峰－峰值)时，示波器荧光屏垂直方向显示应为1格。
此外，还要求垂直放大电路有一定的频率响应范围。足够大的增益调整范围和比较高的输入阻抗。输人阻抗是表示示波器对被测系统影响程度大小的指标。输入阻抗愈高，对被测系统的影响愈小。
(2)扫描发生器与水平放大电路。它们的功能是为了满足上述第二个条件。
扫描发生器产生线性良好，频率连续可调的锯齿波信号，作为波形显示的时间基线。水平放大电路将上述锯齿波信号放大，输送到X偏转板，以保证扫描基线有足够的宽度。另外，水平放大电路也可以直接放大外来信号，这样示波器可作为X—Y显示之用。
(3)同步电路。它的功能是为了满足上述第三个条件。
同步电路从垂直放大电路中取出部分待测信号，输入到扫描发生器，迫使锯齿波与待测信号同步，此称为“内同步”。如果同步电路信号从仪器外部输入，则称为“外同步”。如果同步信号从电源变压器获得。则称为“电源同步”。为了有效地使显示的波形稳定，目前多数的示波器都采用触发扫描电路来达到同步的目的。操作时，使用“电平”(LEVEL)旋钮，改变触发电平高度，见图6中的电压值Oa。当待测电压达到触发电平时，扫描发生器便开始扫描，直到一个扫描周期结束。扫描周期长短，由扫描速度选择开关控制。如图6所示，锯齿波电压在待测信号处于触发电平值，且在dUY／dt符号相同的A，A1，A2，…点处开始扫描。于是，在荧光屏上就能稳定地显示出从A到P(以及从A1到Pl，从A2到P2…)那一段波形来。有点需要注意，如果触发电位高度超出所显示波形最高点与最低点的范围，将导致锯齿形扫描电压消失，扫描停止，所以，通常我们把触发电平高度调节在波形的最高点与最低点的当中区域附近。

图6　触发扫描原理示意图
(4)电源。它为示波管和示波器各部分电路提供合适的电源，使它们能正常工作。
4．用示波器观察李萨如图形与测量正弦信号的频率
在示波器X偏转板上加上锯齿电压进行扫描时，在一个扫描周期内，扫描电压是随时间成正比地增加，因此锯齿形电压扫描的过程又称为线性扫描。除了线性扫描以外，在X偏转板(即X轴输入端)上也可以加上其它波形的扫描电压，称为非线性扫描。
如果在示波器的X和Y偏转板上分别输入两个正弦信号，且它们频率的比值为简单整数，这时荧光屏上就呈显出李萨如图形，它们是两个互相垂直的简谐振动合成的结果。若fX和fY分别代表X与Y轴输入信号的频率，nX和nY分别为李萨如图形与假想水平线及假想垂直线的切点数目，它们与fX与fY的关系是：

例如图7所示，如果fX已知，从荧光屏上的图形求出nX及nY，由上式可算出fY，因而用李萨如图形可以测量正弦信号的频率。

图7　李萨如图
5． 双踪示波器
双踪示波器是一种能同时观察和测定两个不同信号瞬变过程的脉冲示波器。配以电子开关，利用时间分割法实现多波形显示。Y轴有两个信号通道，以同一个扫描作时间基线，接受Y通道中一个信号触发同步。
双踪示波器除对信号A或B单踪显示外，还可使两个通道同时开通，利用相位选择开关的正负性选择，可在输入信号相位不变的情况下。达到同时叠加（YA+YB），反向抵消（YA+YB）的目的，
这样就可以对两个电压信号的波形进行比较，并可求出二者间的位相差，设两个正弦波分别为：
Y1=A1cos（ω1t+φ1） Y2= A2cos（ω2t+φ2）
则二者之间位相差为：φ=ω1t+φ1 -ω2t-φ2
在两个正弦波频率相等时位相差为：
φ=φ1-φ2 =ωΔt=2πΔt/T
其中T为周期 ，Δt为两个波之间的时间差，这两个量都可直接从示波器上读出。

四、实验内容
1． 按下表设置仪器开关及控制旋钮。

2．打开电源将0.5Vp-p，1kHz的标准信号输入示波器，并对示波器定标。
（1）打开电源开关，并确认开关上方的电源指示灯亮，约20秒钟后，示波器屏幕上将出现一扫线，若60秒钟后还没有扫线出现，则按上表所示再检查开关及控制旋钮定位置。
（2）调节“辉度”和“聚焦”旋钮，使扫线亮度适当，且最清晰。
（3）使扫线与水平刻度线平行。
（4）连接探极将0.5V校准信号加到探头上。
（5）将AC－⊥－DC开关置“AC”。标准波形将显示在屏幕上。
（6）调节“聚焦”旋钮，使波形达到最清晰的程度。
（7）为便于观察信号，调节“v/cm”和“t/cm”开关到适当的位置，使显示出来的波形幅度适中，周期适中。
（8）调节　“位移”和　　“位移”控制旋钮于适当的位置，使显示的波形对准刻度，以便于读出电压值（Vp-p）和周期（T）。

标准值
分　度
格　数
测量值
校正系数
电压（Vp-p）
0.5V

周期（T）
1ms

3．交流信号的观察和测量。
（1）数据记录。

电压（Vp-p）值
周期（T）值
信号源输
出电压值
信号源输
出周期值
分度值
格数
测量值
分度值
格数
测量值
正弦波

三角波

方　波

（2）画出三种交流信号波形各两个周期。
4．测量干电池电动势。
5．按下图连接线路，输入10kHz正弦波，测量Uc、URC的大小及它们的位相差。

R

C
URC
UC
10kHz

分度值
格 数
测量值
Uc

URC

Δt

T
f=10kHz(或T＝10－4s)
Φ

6． 正确方法关闭示波器、信号发生器，并整理仪器。

五、注意事项
1、 勿使信号发生器输出端短路，以免烧坏仪器。（相当于电源短路）
2、 观察波形时，波形幅度不能超出示波器显示屏范围。，
3、 实验过程中，光点强度不能太高，短时间不使用时，应将辉度关掉。
4、 关闭示波器前，须将一、二通道接地，将辉度调到最小。
5、双踪示波器的两通道地线的接法有等位要求。

六、预习与思考
1、示波器的核心是示波管。示波管由哪几部分组成？示波器的辉度调节、聚焦调节是分调节电子枪中的哪些部件的电位？
2、什么能把看不见的变化电压变换成看得见的图象，简述其原理。
3、器测量信号电压的峰－峰值和周期时事先一定要对示波器作校准，你知道如何校准吗？简述其方法和步骤。
4、示波器“电平”旋钮的作用是什么？什么时侯需要调节它？观察李萨如图形时，能否用它把图形稳定下来？
5、如果示波器是良好的，但由于某些旋钮的位置未调好，荧光屏上看不见亮点。问哪几个旋钮位置不合适就可能造成这种情况？应该怎样操作才能找到亮点？
6、一正弦电压信号人从Y轴输入示波器，荧光屏上仅显示一条铅直的直线，试问这是什么原因？应调节哪些开关和旋钮，方能使荧光屏显示出正弦波来？
7、为了提高示波器的读数准确度，你在实验室中应注意哪些问题？用示波器测量信号的电压峰－峰值和周期，其测定值能得到几位有效数字，为什么？
8、 波器能否用来测量直流电压？如果能测，则应如何进行？

附录
1、示波器面板简介（标注见面板示意图）
1． 1示波管电路
“电源”(POWER)……③示波器的主电源开关，当此开关按下时，开关上方的指示灯亮，表示电源已接通。
“辉度”(INTEN)。……④控制光点和扫线的亮度。
“聚焦"(FOCUS)……⑥将扫线聚成最清晰。
“光迹旋转”(TRACE ROTATION)……⑦用来调整水平扫线，使之平行于刻度线。
1． 2垂直偏转系统
“Y1(X)”……○Y1的垂直输入端。在X－Y工作时作为X轴输入端。
“Y2(Y)”……○Y2的垂直输入端。在X--Y工作时作为Y轴输入端。
“AC－⊥－DC”……⑩○输入信号与垂直放大器连接方式的选择开关。
“AC”交流耦合。
“⊥”输入信号与放大器断开，同时放大器输入端接地。
“DC'，直流耦合。
“V／cm”……○○衰减开关，从5mV／cm到5v／cm共分1 0档，选择垂直偏转因数用。
“微调"(VARIABLE)……○○偏转因数微调，可调节至面板指示值的2．5倍以上，当置“校准”位置时，偏转因数校准为面板指示值。
“　位移”(POSITION)……⑨○调节扫线或光点的垂直位置。
“Y方式"(VERT MODE)……○选择垂直系统的工作方式。
“Yl”：Yl单独工作。
“交替”：Y1和Y2交替工作。适用于较高扫速。
“断续”：以频率为250kHz的速率轮流显示Y1和Y2，适用低扫速。
“相加”：用来测量代数和(Y1+Y2)，若Y2旋钮拉出：则测量两通道之差。
“Y2”：Y 2单独工作。
“内触发”(INT TRIG)……○选择内部的触发信号源。当“触发源”开关○设置在“内”时，由此开关选择馈送到触发电路的信号。
Y1 (X--Y)：以Y1输入信号作触发源信号，在X－Y工作时，该信号连接到X轴上。
Y2：Y2输入信号作为触发信号。
Y方式：把显示在荧光屏上的输入信号作为触发信号。当“Y方式”开关○置交替时，触发也处在交替方式中，Y1和Y2的信号交替地作为触发信号。
1．3触发
“外触发”(EXT TRIG)(EXT HOR)……○这个输入端作为外触发信号和外水平信号的公用输入端。用此输入端时，“触发源”开关○应置“外”位置。
“触发源"(SOURCE)……○选择触发信号。
“内”：内触发开关○选择的内部信号作为触发信号。当置“X-Y”（X－Y）工作方式时，起连通信号的作用。
“电源”：交流电源信号作为触发信号。
“外”：外触发输入端○的输入信号作为触发信号
“耦合”(COUPLING)……○选择触发信号和触发电路之间耦合方式，也选择TV同步触发电路的连接方式。
“AC”：通过交流耦合施加触发信号。
“HFR”：AC耦合，可抑制高于5OkHz的信号。
“TV”：触发信号通过电视同步分离电路连接到触发电路，由“t／cm”开关○选择TV·H或TV·V同步。
TV·V：0．5s～0．1ms／cm
TV·H：50us～0．2us／cm
“DC”：通过直流耦合施加触发信号。
“极性”(SLOPE)……○选择触发极性。
“+”在信号正斜率上触发。
“-”在信号负斜率上触发。
“电平”(LEVEL)……○触发电平调节。
“电平”旋钮用于调节在信号的任意选定电平进行触发。当旋钮转向“　　＋”时，显示波形的触发电平上升，当此旋钮转向“　 －”时，触发电平下降。
1．4 时基
“A t／cm”……○选择扫描时间因数
(TIME／DIV)
“微调”(VARIABLE) “拉×10”……○扫描时间因数，微调用。扫描时间因数可调至面板指示值的2．5倍以上，此旋钮置“校准”位置时，扫描时间因数被校准到面板指示值。刻旋钮拉出时处于×10扩展状态。
“位移"(POSITION)……○调节扫线光点的水平位置。
“扫描方式"(SWEEP MODE)……“自动”(AVTO)……○选择需要的扫描方式。当无触发信号加以或触发信号频率低于50Hz时，扫描为自激方式。
“常态"(NORM)当无触发信号加入时，扫描处于准备状态，没有扫描线。主要用于观察低于50Hz的信号。
1．5 其它
“校准信号"[CAL(Vp-p)]……①该输出端供给频率1kHz校准电压0.5Vp-p的正方波，输出阻抗约为500Ω。
2、信号发生器简介
SG1545功率信号发生器面板示意图

序号
面板状态
作用
1
衰减（dB）
（1） 按下按钮可产生-20dB或者-40dB衰减
（2） 两个按钮同时按下可产生-60dB衰减。
2
波形选择
（1） 输出波形选择。
（2） 波形选择脉冲波时，可与“10”配合使用可以改变脉冲占空比。
3
频率倍乘
（1） 频率倍乘开关与“12”、“14”配合选择工作频率。
（2） 外测频率时选择闸门时间。
4
计数
（1） 频率计内测和外测频率信号（按下）选择
（2） 外测频率信号衰减选择，按下时信号衰减-20dB。
5
HZ
指示频率单位，灯亮有效。
6
KHZ
指示频率单位，灯亮有效。
7
闸门
此灯闪烁，说明频率计正在工作。
8
溢出
当频率超过6个LED所显示范围时灯亮。
9

数字LED，所有内部产生频率或外测时的频率均由此6个LED显示。
10
电源
按下开关电源接通，频率计显示。
11
计数输入
外测频率时，信号从此输入。
12
频率调节
与“3”配合选择工作频率
13
压控输入
外接电压控制频率输入端。
14
频率微调
与“12”配合微调工作频率
15
同步输出
输出波形为TTL脉冲，可作同步信号。
16
直流偏置
拉出此旋钮可设定任何波形电压输出的直流工作点，顺时针方向为正，逆时针方向为负，将此旋钮推进则直流电位为零。
17
电压输出
电压输出波形由此输出，阻抗为50欧姆
18
占空比
当“2”选择脉冲时，改变此电位器可以改变脉冲的占空比
20
幅度
调节幅度电位器可以同时改变电压输出和正弦波功率输出幅度。
19
21
正弦波功率输出
（1） 当波形选择为正弦波时，有正弦波输出
（2） 当选择其它波形时输出为零
（3） 当频率大于200KHZ时，电路会保护而无输出