实验二 示波器的调节和使用

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1、实验二 示波器的调节和使用示波器是一种用途广泛的电子仪器，用它可以直接观察电信号的波形，也能测定电压信 号的幅度、周期和频率等参数。用双踪示波器还可以测量两个电信号之间的时间差或相位差 配合各种传感器，它还可以用来观察各种非电量的变化过程。由于电子射线的惯性很小，因 此示波器可以在很高的频率范围内工作，采用高增益的放大器可以观察微弱信号。 示波器具有多种类型和型号，它们的基本原理是相同的。示波器的具体电路比较复杂，需要 具备一定的电子学基础知识方能掌握，不是本实验的讨论范围。本实验仅限于学习示波器的 基本使用方法。【实验目的】1了解示波器的主要组成部分以及示波器的波形显示原理。2.学习用示波器

2、观测电信号和李萨如图形。3学习利用比较法测量电信号的方法.【实验仪器】双踪示波器、信号发生器等。信号发生器提供示波器观察波形用的各种信号电压。一般均输出正弦波，有的可输出各 种波形（例如方波、三角波等）；对同一种波形又可输出各种不同频率。信号发生器的型号不 同，面板上的旋钮也不相同，使用时要看清面板上标明的符号，弄清各旋钮与接线柱的作用 后，再按仪器规定的要求使用。【实验原理】1示波器的基本结构示波器动态显示物理量随时间变化的基本思路是将这些变化量转换成随时间变化的电压, 加在电极板上，极板间形成相应的变 化电场，使进入这变化电场的电子运 动情况相应地随时间变化，最后把电 子运动的轨迹用荧光屏

3、显示出来。示波器主要由示波管和复杂的电 子线路组成。这里只介绍示波器的基 本结构和扫描整步功能。示波器包括： 示波管、扫描和整步系统、电压放大 和电源系统。聚焦7电子枪Ay轴输人1电源图 2-1 示波管及示波器电路方框丁轴敢大校准器触发电路1.灯丝 2.阴极 3.栅极 4.第二阳极5.第一阳极 6.Y 轴偏转板 7.X 轴偏转板（1）示波管 示波管是示波器的心脏，其内部 结构如图 2-1 所示，主要由安装在高 真空玻璃管中的电子枪、偏转板和荧 光屏 3 个部分组成，全部密封在玻璃 外壳内，里面抽成高真空。电子枪由 灯丝、阴极、控制栅极、第 l 阳极和 第 2 阳极等 5 部分组成。电子枪用来

4、发射电子束；偏转板用来控制电子束 运动；电子束打到荧光屏上使荧光屏发光，显示出要观察的电压波形。荧光屏上光点的亮度 取决于电子束中电子的数量，光点的粗细则由电子束的粗细决定。偏转板对电子束的作用：(1) 当 X ， Y 轴偏转板上的电压 Ux= 0， Uy = 0 时，电子束打在荧光屏中央。 xy(2) 当 X ，Y 轴偏转板上的电压 Ux 0， Uy = 0 时，电子束将受到电场作用力，使电子束 xy向正极板偏转，光点将由荧光屏中央移动到右边；当 Ux 0 时，光点向上移动。当 U = 0 ， U 0 时，则光点向下移动。x y x y光点移动的距离与偏转板上所加的电压成正比，即光点沿Y轴方

5、向上下移动的距离正比于U；沿X轴方向左右移动的距离正比于U。 yx(4) 若在Y轴偏转板上加正弦电压(U =Usin t), X轴偏转板不加电压(U =0)，光点将沿 y o xY轴方向振动。U由于是按照正弦规律变化的，所以光点在Y轴方向移动的距离也按正弦规律 y变化；因为U =0,所以光点在X轴方向无移动，在荧光屏上只能看到一条Y轴方向的直线(如 x图2-2所示)，而不是正弦波形。如何才能使荧光屏上展现正弦波形?这需要将光点沿X轴方向展开，即必须在X轴偏转板上也加上电压。由于Y轴上加的电压的波形是随时间变化的， 所以希望X轴光点的移动代表时间t,而且X轴上的电压(U )随时间的变化关系应是线

6、形的(如X图 22)。图 2-2 扫描原理我们用比较直观的作图法将电子束受U和U ,的电场力作用后的轨迹表示如图2-2。在 xy示波管的X，Y轴偏转板上分别同时加上线形电压和正弦电压，若它们的周期相同，将一个周 期分为相同的四个时间间隔，U和U的值分别对应光点在X轴和Y轴偏离的位置，将U和Ux y x y 的各投影光点连起来，即得被测电压的波形(正弦)。完成一个波形后的瞬间，光点立刻返回 到原点，完成一个周期，这根反跳线称为回扫线。因这段时间很短，线条比较暗，有的示波 器采取措施(消隐电路)将其消除。(2) 扫描与整步光点沿X轴变化及反跳的过程称为扫描。电压称U为扫描电压(锯齿波电压)，它是示

7、波X器内的扫描发生器(锯齿波发生器)产生的。这样，电子束不仅受到u电场力使其上下运动，y同时受到 ux 作用使其展开成正弦波。x上面讨论的波形因U和U的周期相等，荧光屏上出现一个正弦波。若：xyf=nf(n=l,2,3,)(1)yx式中 n 为荧光屏上所显示的完整波形的数目。或者将式(1) 表示为：T=nT(n=1,2,3, )(2)xy则荧光屏上将出现一个、二个，三个稳定的正弦波形。只有当f为f的整数倍时，波形yx才稳定。但f是由被测电压决定的，而f由示波器内扫描发生器决定的，两者相互无关。某 yx些型号的示波器，为了得到稳定的波形，采用整步的方法，即将 Y 轴输入信号电压接至扫描 发生器的

8、电路中，强迫f随着信号频率的变化而变化(内整步)，从而保证f=nf,荧光屏上 xyx 的波形即可稳定。触发扫描：在示波器中，为了在荧光屏上得到稳定不动的信号波形，采用被测信号来控 制扫描电压的产生时刻，称为触发扫描。调节触发电平的高低，使被测信号达到某一定值时 扫描电路才开始工作，产生一个锯齿波，将被测信号显示出来。由于每次被测信号都达到这 一定值时，扫描电路才开始工作，产生锯齿波，所以每次扫描显示的波形相同。这样，在荧 光屏上看到的波形就稳定不动。图 2-3 表示了触发扫描的原理。由于示波管本身偏转板的偏转灵敏度不高，为了便于观察较小的电信号就需要预先将输 入信号加以放大，再加到 X 或 Y

9、 偏转板上。只需加以衰减而设置衰减器。放大后的电压加在示波管中相应的偏转板上，用来控制光点在相应方向上的位移。在保持放大倍数不变的条件下，光点对中心偏转距离Y与输入信号的电压U成正比，即yY=AUyy式中 Ay 为比例系数。y(4)电源系统 电源系统的作用是供给以上三部分工作所需要的各种电压。2示波器的应用(1) 电压的测量在测量时一般把“Volts/DIV”开关的微调装置以顺时针方向旋至满度的校准位置，这样 可以按“Volts/DIV”的指示值直接计算被测信号的电压幅值。由于被测信号一般都含有交流和直流两种成分，因此在测试时应根据下述方法操作：(a) 交流电压的测量当只需测量被测信号的交流成

10、分时，应将Y轴输入耦合方式开关置“AC”位置，调节 “Vol ts/DIV ”开关，使波形在屏幕中的显示幅度适中，调节“电平”旋钮使波形稳定， 分别调节“垂直位移”和“水平位移”，使波形显示值方便读取。根据“Volts/DIV”的 指示值和波形在垂直方向上的坐标(DIV),按下式读取：Vp-p= V/DIVXY (DIV)V有效值V2K(b) 直流电压的测量当需测量被测信号的直流或含直流成分的电压时，应先将Y轴耦合方式开关置“GND”位 置，调节“垂直位移”使扫描基线在一个合适的位置上，再将耦合方式开关转换到“DC”位 置，调节“电平”使波形同步。根据波形偏移原扫描基线的垂直距离，用上述方法读

11、取该信 号的各个电压值。( 2)频率的测量在测量时一般将“SeC/DIV”开关的微调装置以顺时针方向旋至满度的校准位置，这样可 以按“SeC/DIV”的指示值直接被测信号的频率。(a) 测出一个周期的水平距离X(DIV)，读出扫描时间因数“SeC/DIV”，即可求出f。T=“SeC/DIV”X X(DIV)1f -T(b) 利用扫描频率求未知频率 由扫描原理可知，只有当输入信号频率为扫描频率的整数倍时，波形才是稳定的。利用这个关系，可以求得未知频率。示波器能精确直接得到扫描频率：T，= “SeC/DIV”X10 (DIV)1f，=- T这种方法实质上也是一种比较法，应用这种比较法的条件是波形必

12、须稳定。(c) 李萨如图形的观察与频率的测量当X轴输入扫描信号时，示波器显示Y轴输入电信号的瞬变过程；当X轴输入正弦信号， 而Y轴输入另一正弦信号，而两个正弦信号的频率相等或成简单整数比时，观察到的是电子 束受两个相互垂直的谐振运动的合成图形。荧光屏上亮点的合成轨迹为一稳定的闭合曲线， 称为李萨如图形，如图 2-4。图 2-4将“SeC/DIV”扫描速率旋钮置于“X-Y方式”，此时由“CHlorX”端口输入X轴信号, 由“CH2 or Y”端口输入Y轴信号。当f和f分别代表在X方向和Y方向正弦型号的频率, xy如荧光屏上显示出稳定的李萨如图形时，在水平和垂直方向分别作两直线与图形相切或相交 数

13、出此两直线与图形的切点数或交点数，则：f水平直线与图形的切点数f垂直直线与图形的切点数x或f水平直线与图形相交的点数f垂直直线与图形相交的点数x如图2-5(a )水平直线与图形的相切点数为1点(a)；垂直直线与图形的相切点数为2点(b,c)。1十=2x如图2-5(a )水平直线与图形的相切点数为1点(a/)；垂直直线与图形的相切点数为2点 (b/,c/) 。f 1严-f 2X在荧光屏上数得水平直线与图形的切点数(或相交点数)和垂直直线与图形的切扇【实验内容】1熟悉示波器面板上各旋钮的作用和调节方法(1) 调节“位移” “水平位移”、“辉度”处于中间位置，“扫描速率SeC/DIV”置“X-Y 方

14、式”，然后接通电源，待荧光屏上出现光斑后，调节“辉度”，使光斑亮度较暗。(2) 调节“聚焦”，使光斑成一小圆点，然后调节“垂直位移(右边一个)”和“水平位 移”，使光点在荧光屏上的位置适中。(3) 按下扫描方式下的“自动”，调节“扫描速率SeC/DIV”指向“0.2S/DIV”,按下垂 直方式下的“CH1和CH2”观察两路信号在“断续”及“交替”方式下的工作情况。(4) 调节“扫描速率SeC/DIV”旋钮使亮点变成水平扫描线。2观察波形(1) 调节低频信号发生器，使Output”输出端输出频率f=50Hz，按下“正弦信号(2) 把“Output”输出信号从“CH1或CH2”通道输入，调节“扫描

15、速率”及相应通道 的“灵敏度选择Volts/DIV开关”使波形大小适中。(3) 调节“扫描速率及扫描微调开关”，若波形还是不够稳定，可调“电平”，使光屏上 出现13个稳定的波形。(1)将f改为100Hz、500Hz、5KHz、50KHz，调出稳定的正弦波形。(5) 取f=50Hz，调节低频信号发生器上的“AMPLIUDE”旋钮，使Y=60格或80格，记录 Y值并画出波形，按下信号发生器上的“-20dB”调节“电平”使波形稳定，画出变化后的 波形，并记录变化后的Y=?，再按下“-40dB”观察波形。(6) 依次按下“方波”及“三角波”，观察波形。 3测定正弦交流信号的电压和频率(1) 使 f=500Hz，调节“AMPLIUDE” 旋钮，使 Y=40 格70 格。(2) 调节示波器上的“灵敏度选择微调档”及“扫描频率的微调档”。顺时针旋足为校 准位置，此时可根据荧光屏上的Y轴坐标刻度，利用灵敏度选择开关的“Volts/DIV”档级标 称值