西安工业大学物理实验室模拟电子示波器讲义.doc

电子示波器 电子示波器是利用示波管内电子枪产生的电子束在电场（或磁场）中的偏转，显示电信号随时间变化的一种观测仪器。其直接测量物理量为电压，因此可以测量一切可以转化为电压的电学量或非电学量（利用传感器）。 图1 电子束的电偏转一、 电子束在横向电场中的偏转假定电子枪中加速阳极电压为U，则电子束经加速阳极后沿水平方向进入横向电场中的速度： (为电子荷质比) （1） 假定Y方向横向电场极板电压为电子束在荧光屏Y方向偏移： （2）其中等同于图1中的；等同于图1中的，为Y方向横向电场上下间距；极板等同于图1中的，为Y方向横向电场极板长度；等同于图1中的，为Y方向横向电场极板到荧光屏的水平距离。 同理可得X方向横向电场极板电压为作用下，电子束在荧光屏X方向偏移： （3） 由（2）、（3）可知，电子束在荧光屏上的偏移、与极板电压、成正比，与电子枪加速阳极电压U成反比，取： ； 有：；电子枪结构参数、不会改变，如加速阳极电压U不变，则偏移、正比于极板电压、且比例系数、不变。为方便以下讨论取：，则 （4） （5）二、 示波原理任何平面运动都可分解为X、Y方向运动，只需控制X、Y方向运动即可合成任何平面运动。示波器显示电信号如何随时间变化的波形图是二维的，故示波管只需有可控制电子束X、Y方向偏转的两组极板（水平、垂直偏转极板）即可。电子束从电子枪出射之后，如果示波管X、Y偏转极板上未加任何变化信号电压，电子束在X、Y方向无偏移或无变化的偏移，荧光屏上形成不动的亮点。通常参考电压信号加载在水平偏转极板上控制电子束X方向运动，被测电压信号加载在垂直偏转极板上控制电子束Y方向运动。 锯齿波扫描原理（波形X方向运动控制） 水平偏转极板加载电压波形为锯齿形，由示波器中扫描发生器产生。锯齿波每个周期内电压由低线性增高，加载在水平偏转板上，式（5）中如果由-0.1V增加至0.1V，电子束在荧光屏上X轴方向位移由-0.1m右移至0.1m。如果锯齿波频率为100Hz,则电子束1秒内在X方向由-0.1m右移至0.1m达100次，在示波器上看到的是从-0.1m至0.1m的直线（每个锯齿波周期时间间隔近似为零，故一个锯齿波周期结束后电子束返回-0.1m时间近似为零，速度太快无法观测左移过程，故在示波器上只能看到从左到右的电子束移动）。电子束完成一次从左往右运动，为一个扫描周期，锯齿波电压又称扫描电压或扫描信号。 波形显示 在纸上画一段波形，分解为X、Y方向运动：笔尖在从左向右移动过程中也在上下方向运动。电子束如同笔尖，水平偏转极板上加载锯齿波形电压使电子束从左往右运动，其周期决定了从左向右移动速度；垂直偏转极板上加载的信号电压使电子束上下运动，其周期决定了上下移动的速度。如要稳定显示一段正弦波形，要求电子束周期运动轨迹重合。即电子束完成一次从左往右运动的同时，必须完成整数次上下运动。为控制电子束左右运动锯齿波电压周期，为控制电子束上下运动被测电压周期，波形稳定条件： （）（为正整数）假定垂直偏转极板加载正弦波电压峰值为0.1V，水平偏转极板上加载锯齿波电压峰值也为0.1V。当时，各时间节点电子束在荧光屏上位置：=0，=-0.1，=0； =，=-0.075，=0.0707；=，=-0.05，=0.1；=，=-0.025，=0.0707；=，=0，=0； =，=0.025，=-0.0707；=，=0.05，=-0.1；=，=0.075，=-0.0707；=，=0.1，=0；将XOY平面内将（-0.1，0），（-0.075,0.0707），（-0.05,0.1），（-0.025,0.0707），（0,0），（0.025，-0.0707），（0.05，-0.1），（0.075，-0.0707），（0.1,0）依次平滑连接，电子束轨迹显示的就是一个周期的正弦波形，下一个周期电子束轨迹重合于上一个周期。当时，电子束轨迹在X轴-0.1,0.1区间上显示两个周期的正弦波形。如果不是的整数倍，下一个周期电子束轨迹不重合于上一个周期，波形显示散乱，不稳定。同步整步原理被测信号周期未知，扫描信号周期往往不是其整数倍，为此示波器中引入触发器。通过触发器产生与被测信号相关的脉冲信号控制扫描发生器产生的锯齿波电压周期等于被测信号周期整数倍。假定触发器触发电压/电平为0.07V，触发方式为上跳沿触发，则被测信号电压从0V增加至0.07V时（此种变化一个周期发生一次），触发器产生一脉冲信号，因此脉冲信号周期等于被测信号周期。扫描发生器遇到一个（或n个，但n一定）脉冲信号就终止本次扫描周期，开始下一个扫描周期，这就实现了（或）。三、 李萨茹图形测信号频率李萨茹图形是由在互相垂直的方向上的两个频率成简单整数比的简谐振动所合成的规则的、稳定的闭合曲线。如果加载在垂直偏转极板上的被测信号为正弦波形，在水平偏转极板加载一正弦参考信号，通过调整参考信号频率使之与被测信号频率成简单整数比，电子束两偏转极板电压作用下，绘出对应的李萨茹图形。参考信号频率已知，通过不同李萨茹图形对应的频率比，可以得出被测信号频率。典型李萨茹图形对应频率比以下两图分别为、时的李萨茹图。 由上面两图可知画一个圆，笔尖在完成一次左右振动的同时也完成了一次上下振动，故左右振动周期等于上下振动周期；画一个葫芦，笔尖在完成一次左右振动的同时完成了两次上下振动，故左右振动周期等于两倍上下振动周期。给李萨茹图形作水平、垂直方向的切线或交线（保证交点数最多），不同李萨茹图形对应的频率比可由以下公式表达：；四、 实验内容及步骤示波器英文标示：CH1-Channel One（1通道）-X通道； CH2-Channel Two（2通道）-Y通道VOLTS/DIV-Voltage/Divide（伏/格）；SEC/DIV-Second/Divide（秒/格）信号源英文标示：FREQUENCY-频率； AMPL-Amplitude（振幅）信号源调节与CH2通道相连的是待测信号源，与CH1通道相连的是参考信号源两个信号源共同调节要求：信号源第一排按钮选择“100”或“200”，信号源输出频率为百赫兹级，其他按钮不能按。老信号源最大输出100Hz，新信号源最大输出340 Hz。信号源第二排按钮选择弧形正弦波按钮，其他按钮不能按。信号源需要输出正弦波形电压。将信号源第三排旋钮中“AMPL”或“Amplitude”或“幅度”顺时针调大。待测信号源（CH2通道）调节要求：调节待测信号源最后一排旋钮第一个“FREQUENCY”，使频率处于60 Hz100 Hz之间的某个值（信号源频率有些不稳定，无须理会），被测信号源频率设置完毕。示波器调节（1）第一排辉度旋钮、两个左右位移旋钮、一个上下位移旋钮、电平旋钮，均旋转至适中位置。（2）第二按钮中“CH2”按钮、扫描方式下“自动”按钮按下，其他按钮必须弹起。（“5扩展”也不能按）（3）第三排第一、二个大旋钮“VOLTS/DIV”（灵敏度选择开关）均旋转至左下角的“5”V/格，第三个大旋钮“SEC/DIV”（扫描速率选择开关）旋转至正下方的“X-Y”（扫描发生器不产生扫描电压，X、Y通道信号加载水平、垂直偏转极板）。（4）第三排三个大旋钮右下角各有一个微调小旋钮，要求三个微调小旋钮均逆时针旋转至关闭（红灯不亮）。（5）最后一排“CH1”、“CH2”通道上方两个“接地”按钮按下（无任何信号加载在水平、垂直偏转极板），按“触发选择”第一个按键使其上方的“CH2”、“常态”红灯亮，其他按钮均要弹起。此时示波器上应该出现一个静止亮点（无任何偏转电压）。如有亮点，请调第一排第三个上下位移旋钮、第四个左右位移旋钮，使亮点处于荧光屏坐标原点处。如果没有亮点，先将第一排辉度旋钮调大，再调第三个上下位移、第四个左右位移旋钮使亮点出现。（使用平面搜索法：先把左右位移旋钮从最左边旋起，左右位移选定某一位置，将上下位移旋钮从左往右旋转一遍）1、 交流电压测量（测量CH2通道输入） 将最后一排 “CH2”通道上方 “接地”按钮弹起（将CH2通道信号加载在垂直偏转极板），示波器上出现一条竖直亮线，调节CH2灵敏度旋钮（第二个“VOLTS/DIV”旋钮）可以改变竖直亮线长度。记录下竖直亮线长度（以大格计，一小格等于0.2大格，估读到小数点后一位）及对应CH2灵敏度读数（默认单位：V/格）。交流信号电压测量竖直亮线长度/格 CH2灵敏度 电压峰-峰值电压有效值电压峰-峰值=竖直亮线长度CH2灵敏度；电压有效值= 2、 周期法测量交流信号频率顺时针旋转第三排第三个大旋钮“SEC/DIV”至“1”ms/格，观察示波器上是否出现12个周期的稳定正弦波形（调节“SEC/DIV”可改变波形一个周期长度）。如果波形不稳定调节第一排最后一个“电平”旋钮直至波形稳定（第二排“极性”按钮下的“触发”绿灯亮）。记录下波形一个周期的长度。【波形与X轴第一个交点（周期起点）至第三个交点（周期终点）间距离，如果周期起点不在整格处，可调节第一排第四个左右位移旋钮使其对准整格处】-以大格计，一小格等于0.2大格，估读到小数点后一位。同时记录下扫描速率读数（“SEC/DIV”单位一般为ms/格）。交流信号频率测量一个周期长度/格 扫描速率 周期频率周期=一个周期长度扫描速率（注意mss单位换算）3、 利用李萨茹图形测量交流信号频率 逆时针旋转第三排第三个大旋钮“SEC/DIV”至正下方“X-Y”处，将最后一排“CH1”通道上方 “接地”按钮弹起，荧光屏上出现晃动图形。可以调节CH1、CH2灵敏度旋钮（“VOLTS/DIV”）改变图形大小。 以下步骤只与参考信号源（CH1通道相连）有关先逆时针调节参考信号源“FREQUENCY”旋钮至最小，再逐步增大参考信号源频率，使示波器上出现五种不同的李萨茹图形，同时记录下五种不同李萨茹图形及其对应的参考信号源频率（已知信号）-李萨茹