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1、示波器的调节与使用引言 示波器是一种图形显示设备,它描绘电信号的波形曲线。这一简单的波形能 够说明信号的许多特性:信号的时间和电压值、振荡信号的频率、信号所代表电 路中“变化部分”信号的特定部分相对于其它部分的发生频率、 是否存在故障部件 使信号产生失真、信号的 DC 成份和 AC 成份、信号的噪声值和噪声随时间变化 的情况、比较多个波形信号等。示波器的发展初期主要为模拟示波器, 模拟示波器要提高带宽, 需要示波管、 垂直放大和水平扫描全面推进。数字示波器要改善带宽只需要提高前端的 A/D 转换器的性能,对示波管和扫描电路没有特殊要求。加上数字示波管能充分利用 记忆、存储和处理,以及多种触发和
2、预前触发能力。中期数字示波器首先在取样率上提高,从最初取样率等于两倍带宽,提高至五倍甚至十倍,相应对正弦波取样引入的失真也从 100%降低至3%甚至1%。其次,提高数字示波器的更新率,达到模拟示波器相同水平,最高可达每秒 40 万 个波形,使观察偶发信号和捕捉毛刺脉冲的能力大为增强。再次,采用多处理器 加快信号处理能力,从多重菜单的烦琐测量参数调节,改进为简单的旋钮调节, 甚至完全自动测量,使用上与模拟示波器同样方便。最后,数字示波器与模拟示 波器一样具有屏幕的余辉方式显示, 赋于波形的三维状态, 即显示出信号的幅值、 时间以及幅值在时间上的分布。 【实验原理】示波器由示波管、扫描同步系统、Y
3、轴和X轴放大系统和电源四部分组成, 1、 示波管如图所示,左端为一电子枪,电子枪加热后发出一束电子,电子经电场加速以高速打在右端的荧光屏上,屏上的荧光物发光形成一亮点。亮点在偏转板电压的作用下,位置也随之改变。在一定范围内,亮点的位移与偏转板上所加电压成正比。 示波管结构简图 示波管内的偏转板2、 扫描与同步的作用如果在X轴偏转板加上波形为锯齿形的电压,在荧光屏上看到的是一条水平线,如图图扫描的作用及其显示如果在Y轴偏转板上加正弦电压,而X轴偏转板不加任何电压,则电子束的亮点在纵方向随时间作正弦式振荡,在横方向不动。我们看到的将是一条垂直的亮线,如图 如果在Y轴偏转板上加正弦电压,又在X轴偏转
4、板上加锯齿形电压,则荧光屏上的亮点将同时进行方向互相垂直的两种位移,其合成原理如图所示,描出了正弦图形。如果正弦波与锯齿波的周期(频率)相同,这个正弦图形将稳定地停在荧光屏上。但如果正弦波与锯齿波的周期稍有不同,则第二次所描出的曲线将和第一次的曲线位置稍微错开,在荧光屏上将看到不稳定的图形或不断地移动的图形,甚至很复杂的图形。由此可见:(1)要想看到Y轴偏转板电压的图形,必须加上X轴偏转板电压把它展开,这个过程称为扫描。如果要显示的波形不畸变,扫描必须是线性的,即必须加锯齿波。(2)要使显示的波形稳定,Y轴偏转板电压频率与X轴偏转板电压频率的比值必须是整数,即: n=1,2,3, 示波器中的锯
5、齿扫描电压的频率虽然可调,但要准确的满足上式,光靠人工调节还是不够的,待测电压的频率越高,越难满足上述条件。为此,在示波器内部加装了自动频率跟踪的装置,称为“同步”。在人工调节到接近满足式频率整数倍时的条件下,再加入“同步”的作用,扫描电压的周期就能准确地等于待测电压周期的整数倍,从而获得稳定的波形。(1)如果Y轴加正弦电压,X轴也加正弦扫描电压,得出的图形将是李萨如图形,如表所示。李萨如图形可以用来测量未知频率。令fy、fx分别代表Y轴和X轴电压的频率,nx代表X方向的切线和图形相切的切点数,ny代表Y方向的切线和图形相切的切点数,则有 李萨如图形举例表如果已知fx,则由李萨如图形可求出fy
6、。【实验内容】1 示波器的调整(1)不接外信号,进入非X-Y方式(2)调整扫描信号的位置和清晰度(3)设置示波器工作方式2 正弦波形的显示(1)熟读示波器的使用说明,掌握示波器的性能及使用方法。(2)把信号发生器输出接到示波器的Y轴输入上,接通电源开关,把示波器和信号发生器的各旋钮调到正常使用位置,使在荧光屏上显示便于观测的稳定波形。3示波器的定标和波形电压、周期的测量(1)把Y轴偏转因数和扫描时间偏转因数旋钮都放在“校准”位置(指示灯“VAR”熄灭)。(2)把校准信号输出端接到Y轴输入插座(3)把信号发生器的正弦电压接到Y轴输入端,用示波器测量正弦电压的幅值和周期,并和信号发生器上显示的频率
7、值比较。(4)选择不同幅值和频率的5种正弦波,重复步骤(3),记下测量结果。4李萨如图形的观测(1) 把信号发生器后面50Hz输出信号接到X通道,而Y通道接入可调的正弦信号(2) 分别调节两个通道让他们能够正常显示波形(3) 切换到X-Y模式,调整两个通道的偏转因子,使图形正常显示(4) 调节Y信号的频率,观测不同频率比例下的李萨如图【数据记录】1、频率测量示波器频率计数器的测频精度0.01%示波器测频仪器误差3%函数信号发生器测频仪器误差1%+1字I12 345示波器计数器频率f0(KHz)55.454 21.210 15.328 8.16964.4138 示波器测量频率f1(KHz)57.
8、422.3 15.88.194.38信号发生器频率f2(KHz)55.4521.21 15.338.174.42百分差3.5%5.1%3.1%0.2%-0.8%2、电压测量示波器测量电压仪器误差3%函数信号发生器仪器误差15%+1字I12345示波器测量电压(V)5.684.523.642.961.84信号发生器显示电压(V)5.34.6 3.6 3.0 1.8 百分差7.2%-1.7%1.1%-1.3%2.2%3、李萨如图形观察fy : fx1:11:21:3李萨如图形nxnyfy(Hz)fX(Hz)115050125010013501504、不确定度的计算(以第一组数据为例)(1) 示波器
9、测量频率f57.4KHz 或(2) 函数信号发生器测频f=55.45 KH 或或(3) 示波器测量电压V15.68V 或或(4) 函数信号发生器测量电压V25.3V 或或注意:一般可写为后面的形式更加科学,因为原始数据的有效数字只有2位,不可能经处理后提高精度变成3个有效数字。5、示波器操作总结表格要求调节按钮标记现象示波器输入接地GND左下角有中间水平一条直线选择输入通道CH1或CH2相应指示灯亮选择信号输入方式AC/DC交流直流根据输入通道选择触发源SOURCE右下角有CH1-CH2-。变化根据信号选择耦合方式COUPLING右下角有AC-HFR。变化纵向调节VOLTS/DIV图形纵向缩放
10、横向调节TIME/DIV图形横向缩放调节图形稳定LEVELTAG亮图形稳定测量物理量的选择COURSORET-V-1/T变化标尺变化选择操作标尺TRK标尺上有 出现位置变化移动操作标尺旋VARIABLE标尺移动切换移动标尺的粗调细调按VARIABLE处于校准状态按TIME/DIVVAR红灯灭【参照文献】普一实验、实验目的1. 了解双踪示波器显示波形的工作原理;2. 学会利用双踪示波器观测电压信号;3. 学会利用双踪示波器观察李萨如图形,并利用其测量正弦信号的频率。二、实验仪器信号发生器、双踪示波器、探头。三、实验原理1. 示波器2. 双踪示波器的原理3. 示波器显示波形原理如果在 YCH1 或
11、 CH2 端口加上正弦波,在示波器的 X 偏转板加上示波器内部的锯齿波,当锯齿波电压的变化周期与正弦电压的周期相等时,则显示完整周期的正弦波形,如图 3 ,若在 YCH1 和 YCH2 同时加上正弦波,在示波器的 X 偏转板加上示波器内部的锯齿波,则在荧光屏上将得到两个正弦波。4. 李萨如图形的基本原理在示波器的 Y 偏转板和 X 偏转板上分别加上正弦波,当信号的频率比值为简单整数比时,得到李萨如图形。 fx 、 fy 为 x,y 偏转板上信号频率, nx 、 ny 为李萨如图形与假想水平线、垂直线的切点数目。四、实验内容1. 做好准备工作,设置好示波器;2. 观察各种波形;3. 测量正弦波的
12、电压峰值、周期和频率,测四组数据。五、数据处理与分析1. 测正弦波的电压峰值次数Vp-p 测量值( V )Vp-p 真实值( V )误差( V )13.6840.3228.56101.44313.3151.7418.8201.22. 测正弦波的周期、频率次数T 真实值( S )f 真实值( HZ )f 测量值 (HZ)f 误差 (HZ)1110-210010002110-410410010103110-610610604110-71079.9631063.71043. 利用李萨如图形测频率李萨如图形fx(HZ)nynxfy= nx*fx/ ny (HZ)实际测量值 (HZ)90119089.9
13、9012180180.190214545.290326060.79023135135.5六、思考题1. 简述示波器显示电压时间图形(即电信号波形)的原理。答:高速电子撞击在荧光屏上会使荧光物质发光,在荧光屏上就能看到一个亮点, Y 偏转板是水平放置的两块电极, X 偏转板是垂直放置的两块电极,在 Y 偏转板和 X 偏转板上分别加电压,可在荧光屏上得到相应的图形。当然电压不同,周期不同,所得到的图形会不一样。七、注意事项1. 荧光屏上光点(扫描线)亮度不可调得过亮,并且不可将光点(或亮线)固定在荧光屏上某一点时间过久,以免损坏荧光屏。2. 示波器和函数信号发生器上所有开关及旋钮都有一定的调节限度,调节时不能用力太猛。3. 双踪示波器的两路输入端 CH1 , CH2 有一公共接地端,同时使用 CH1 和 CH2 时,接线时应防止将外电路短路