示波器测量时间

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1、用示波器测量时间 一实验目的 本实验的目的是了解示波器的基本原理和结构，学习使用示波器观察波形和测量信号周期及其时间参数。 三实验原理 1 示波器的基本结构 示波器的结构如图 3.2.2-1 所示，由示波管（又称阴极射线管）、放大系统、衰减系统、扫描和同步系统及电源等部分组成。 为了适用于多种量程，对于不同大小的信号，经衰减器分压后，得到大小相同的信号，经放大器放大后产生最大约 20V 左右的电压送至示波管的偏转板。 示波管是示波器的基本构件，它由电子枪、偏转板和荧光屏三部分组成，被封装在高真空的玻璃管内，其结 构如图 3.2.2-2 所示。电子枪是示波管的核心部分，它由阴极、栅极和阳极构成。

2、 （ 1） 阴极 阴极的射线源：由灯丝（ F）和阴极（ K）构成，阴极表面涂有脱出功较低的钡、锶氧化物，灯丝通电后，阴极被加热，大量的电子从阴极表面逸出，在真空中自由运动从而实现电子发射。 （ 2） 栅极 辉度控制：由第一栅极 G1（又称控制级）和第二栅极 G2（又称前加速级）构成，栅极是一个顶部有小孔的金属圆筒，它的电位低于阴极，具有反推电子的作用，只有少量电子能通过栅极，调节栅极电压可控制通过栅极的电子束的强弱，从而实现辉度调节。在 G1 的控制下，只有 少量电子通过栅极， G2 与 A2 相连，所加电位比 A1 高， G2 的正电位对阴极发射的电子奔向荧光屏起加速作用。 （ 3） 第一阳

3、极 聚焦：第一阳极（ A1）呈圆柱形（或圆形），有好几个间壁，第一阳极上加有几百伏的电压，形成一个聚焦的电场，当电子束通过此聚焦电场时，在电场力的作用下，电子汇合于一点，结果在荧光屏上得到一个又小又亮的光点，调节加在 A1上的电压可以达到聚焦的目的。 第二阳极 电子的加速：第二阳极（ A2）上加有 1000V 以上的电压。聚焦后的电子经过这个高压电场的加速获得足够的动能，使其成为一束高速的电子流。这些 能量很大的电子打在荧光屏上可引起荧光物质发光。能量越大就越亮，但也不能太大，太大会使发光强度过大，以致烧坏荧光屏。一般来说， A2 上的电压在 1500V 左右就可以了。 （ 4） 偏转板：由两

4、对相互垂直的金属板构成，在两对金属板上分别加以直流电压，以控制电子束的位置，适当调节这个电压值可以把光点或波形移到荧光屏的中间部位。偏转板除了直流电压外，还有待测物理量的信号电压，在信号电压的作用下，光点将随信号电压的变化而变化，形成一个反映信号电压的波形。 （ 5） 荧光屏：荧光屏（ P）上面涂有硅酸锌、钨酸镉、钨酸钙等磷光物质，能在高能电子的 轰击下发光。辉光的强度取决于电子的能量和数量。在电子射线停止作用之后，磷光要经过一段时间才熄灭，这个时间称为余辉时间。余辉使我们能在屏上观察到光点的连续轨迹。 自阴极发射的电子束，经过第一栅极（ G1）、第二栅极（ G2）、第一阳极（ A1）、第二阳

5、极（ A2）的加速和聚焦后，形成一个细电子束。垂直偏转板（常称 y 轴）及水平偏转板（常称 x 轴）所形成的二维电场，使电子束发生位移，位移的大小，与 y 偏转板及 x 偏转板上所加的电压有关： yyyy DVVSy xxxx DVVSx （ 1） 式（ 1）中的 Sy和 Dy为 y 轴偏转板的偏转灵敏度和偏转因数， Sx和 Dx为 x轴偏转板的偏转灵敏度和偏转因数。它们均与偏转板的参数有关，是示波器的主要技术指标之一。 2 示波器显示波形的原理 由式（ 1）， y 轴或 x 轴的位移与所加电压有关。如图 3.2.2-3，在 x 轴偏转板上加一个随时间 t 按一定比例增加的电压 Vx，光点从

6、A 点向 B 点移动。如果光点到达 B 点后， Vx降到零（图中坐标轴上的 Tx点），那么光点就返回到 A 点。若此后 Vx再按上述相同规律变化（ Vx及 Tx相同），光点 会重新由 A 移动到 B。这样 Vx周期性变化（此种变化称为锯齿波），并且由于发光物质的特殊性使光迹有一定保留时间（由荧光屏的发光物质而定），于是就得到一条“扫描线”，称为时间基线 图 3.2.2-3（ a） 。 如果在 x 轴上加有锯齿形扫描电压的同时，在 y轴上加一正弦变化的电压 图3.2.2-3(b)，则电子束受到水平电场和垂直电场的共同作用而呈现二维图形。为了得到可观测的图形，必须使电子束的偏转多次重叠出现，即重复

7、扫描。 很显然，为了得到清晰稳定的波形，上述扫描电压的周期 Tx（或频率 fx）与被测信号的周期 Ty（ 或 fy）必须满足 nTT xy， xx nff ， n=1,2, （ 2） 以保证 Tx轴的起点始终与 y 轴周期信号固定一点相对应（称“同步”），波形才稳定。否则，波形就不稳定而无法观测。 由于扫描电压发生器的扫描频率 fx不会很稳定。因此，要保证式（ 2）始终成立，示波器需设置扫描电压同步电路，即触发电路，如图 3.2.2-1 所示，利用它提供一种触发信号来使扫描电压频率与外加信号同步，从而获得稳定的信号图形。图 3.2.2-1 中设置了三种同步触发方式：外信号触发、被测信号触发（内

8、触发）、 50Hz 市电触发。 实际使用的示波器，由于用途不同，它的示波管及放大电路等也不尽相同。因此，示波器有一系列技术特性指标，如输入阻抗、频带宽度、余辉时间、扫描电压线性度、 y 轴和 x 轴的范围等。 3 用 x 轴时基测时间参数 在实验中或工程技术上都经常用示波器来测量信号的时间参数，如信号的周期或频率，信号波形的宽度、上升时间或下降时间，信号的占空比（宽度 /周期）等。如雷达通过测量发射脉冲信号与反射（接收）脉冲信号的时间差来实现测距离，其他无线电测距 、声纳测潜艇位置等，都属于这一原理。 从式（ 2）出发，设待测信号接 y 轴输入端，则 Ty 是待测信号的周期， Tx是 x轴扫描

9、信号的周期， N是一个扫描周期内所显示的待测信号的波形周期个数。如荧光屏上显示 2 个信号波形，扫描信号的周期为 10ms，则待测信号的周期为5ms。 x 轴扫描信号的周期，实际上是以时基单位（时间 /cm 或时间 /度）来标示的，一般的示波管荧光屏直径以 10cm 的居多，则式（ 2）的 Tx，由时基（时间 /cm）乘上 10cm，如时基为 0.1ms/cm，则扫描信号的周期为 1ms。为此，在实际测量中，将式（ 2）改成式 （ 3）的形式 波形厘米数时基单位 xT （ 3） 式中的波形厘米数，可以是信号一个周期的读数（可测待测信号的周期）、正脉冲（或负脉冲）的信号宽度的读数或待测信号波形的

10、其他参数。 4 用李萨如图形测信号的频率 如果将不同的信号分别输入到 y 轴和 x 轴的输入端，当两个信号的频率满足一定的关系时，在荧光屏上将显示出李萨如图形，可用测量李萨如图形的相位参数或波形的切点数来测量时间参数。 二个互相垂直的振动（有相同的自变量）的合成李萨如图形。 （ 1） 频率相 同而振幅和相位不同时，两正交正弦电压的合成图形。设此两正弦电压分别为： tAx cos )cos( tBy （ 4） 消去自变时 t，得到的轨迹方程为： 22222 s i nc o s2 ABxyByAx （ 5） 这是一个椭圆方程。当两个正交电压的相位差 取 02的不同值时，合成的圆形如图 3.2.2

11、-4 所示。 （ 2） 两正交正弦电压的相位差一定，频率比为一个有理数时，合成的圆形是一条稳定的闭合曲线。图 3.2.2-5 是几种频率比时的图形，频率比与图形的切点数之间有下列关系： 垂直切线上的切点数水平切线上的切点数xyff三实验内容 1 用 x 轴的时基测信号的时间参数 （ 1） 测量示波器自备方波输出信号的周期（时基分别为 0.1ms/cm， 0.2ms/cm，0.5ms/cm）。哪种时基测出的数据更准确？为什么？ （ 2） 选择信号发生器的对称方波接 y 输入（幅度和 y 轴量程任选），信号频率为 200Hz2kHz（每隔 200Hz 测量一次），选择示波器合适的时基，测量对应频率

12、的厘米数、周期和频率（注明 x 轴的时基）。以信号发生器的频率为 x 轴，示波器测量的频率为 y 轴，作 y-x 曲线，求出斜率并讨论。 （ 3） 选择信号发生器的非对称方波接 y 轴，频率分别为 200Hz、 500Hz、 1kHz、2kHz、 5kHz、 10kHz、 20kHz，测量各频率时的周期和正波的宽度（或占空比），用内容（ 2）的方法作曲线。 （ 4） 选择信号发生器的输出为三角波，频率为 500Hz、 1kHz、 1.5kHz、测量各个频率时的上升时间、下降时间及周期。 2 观察李萨如图形并测频率 用两台信 号发生器（一台为本组专用，一台为公用）分别接 y 轴和 x 轴（ x轴

13、选择外输入），取 4/33/22/11/ 、yx ff 时，测出对应的 xy ff和 ，画有关图形并求公用信号发生器的频率。 注意：观察李萨如图形时，通过本组信号发生器的频率微调旋钮，使李萨如图形尽可能稳定时，再读 y 轴和 x 轴的切点数。 四实验数据 1 用 x 轴的时基测信号的时间参数 （ 1） /ms cm时 基 0.1 0.2 0.5 cm一 个 周 期 的 宽 度 5.17（半周期） 5.20 2.05 （ 2） kHz频 率 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 /ms cm时 基 1.0 0.5 0.2 0.2 0.2 cm一 个 周 期 的 宽 度 5.00 5.03 8.

14、43 6.30 5.02 kHz频 率 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 /ms cm时 基 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 cm一 个 周 期 的 宽 度 8.40 7.18 6.25 5.56 5.00 （ 3） kHz频 率 0.2 0.5 1.0 2.0 5.0 10.0 20.0 /ms cm时 基 1.0 0.5 0.2 0.1 0.05 0.02 0.01 cm一 个 周 期 的 宽 度 5.00 4.02 5.03 5.00 4.07 5.02 5.00 cm正 波 宽 度 3.03 2.42 3.00 3.00 2.46 3.00 3.03 （ 4） kHz频

15、率 0.5 1.0 1.5 /ms cm时 基 0.5 0.2 0.1 cm一 个 周 期 的 宽 度 4.00 5.00 7.70 cm上 升 宽 度 2.02 2.50 3.32 cm下 降 宽 度 2.02 2.46 3.40 2 观察李萨如图形并测频率 （绘图见交上的附图） /xy 1 1/2 2 2/3 3/4 y kHz 499.91 999.82 249.96 749.99 666.66 五数据处理 1 用 x 轴的时基测信号的时间参数 （ 1） 根据测量的宽度与时基 ,可求得示波器自备方波的周期 T 周 期 时 基 测 量 宽 度 结果如下表 ： /ms cm时 基 0.1 0.2 0.5 ms周 期 1.034 1.040 1.025 其中 0.1ms/cm 的时基测出的数据更准确，因为在刻度盘读数精度相同时，其代表的最小刻度越小，测量精度越高。 （ 2） 同上根据测量的宽度与时基 ,可求得示波器自备方波的周期 结果如下表： f kH z信 号 发 生 器