电子示波器的使用.doc

实验三 电子示波器的使用测试电压、电流的仪表通常用机械部件来指示（如指针、反射镜或绘图笔）这些部件由于惯性大，只适用于描绘低频电压信号或只能测量电压平均值或有效值。电子示波器利用电场对电子运动的影响来反映电压的瞬变过程。由于电子惯性小，荷质比大，因此示波器具有较宽的频率响应，用以观察变化极快的电压瞬变过程。电子示波器有通用示波器、双踪示波器和存储记忆示波器，它具有较广的应用范围，所有可以转换为电压信号的物理量的瞬变过程都可用示波器来显示和记录；示波器还可以用来显示两个电压量的函数关系。本实验通过对信号波形的观察，扫描波频率的测定和不同频率的正弦变化电压信号正交合成李萨如图形观察和频率测定，掌握双踪示波器的基本原理和基本使用方法。【一】 实验目的学习电子示波器显示波形的基本原理，学会使用信号发生器。电子束垂直正弦振动合成的轨迹（李萨如图形），并测定待测正弦波的频率。利用双踪示波器观察构成稳定的李萨如图形的垂直正交的二个波形，学习双踪示波器基本功键的使用。【二】 示波器的结构和原理1示波器的结构示波器主要是由示波管、信号放大器、扫描信号发生器、同步系统和电源等组成，如图21-1示。 图21-1示波管是示波器的主要部件，其结构如图21-2所示。阴极K灯丝被加热发射电子，电子束通过栅极G，在阳极A产生的加速电场作用下以很高的速度向阳极运动，通过电子透镜对发散的电子束起聚焦作用。荧光屏是涂有发光物的屏，当它受到电子撞击时发出荧光，荧光的亮度取决于电子束的强度。电子束的强度是用栅极G来控制的，其电位通常低于阴极，对电子束中电子数起控制作用。在阳极与荧光屏之间，安装两组相垂直的x极板和y极板。为了使电子运动尽可能少与空气分子碰撞，以上部件被安装在抽成真空的玻璃泡里。 2示波器工作原理当示波器y极板间加上恒定电压时，从电子枪发射出的电子束在二极板之间的电场作用下，在竖直方向上发生偏转，荧光屏上亮点应在竖直方向产生位移，（请证明位移与电压值成正比）。再在x极板上加一恒定电压，水平方向的电场使电子束在水平方向偏转，亮点同时在x方向上产生一个位移，当y极板上加上正弦电压时，可以想象荧光屏上的亮点也随时间作正弦移动，如图21-3（a）所示。如果同时在x轴方向加一个与时间成正比的周期性电压时，光点不仅沿y轴随时间作正弦运动，而且同时作水平匀速运动，光点在这两个方向的运动合成下，即为电压信号随时间变化的波形图。X轴方向与时间成正比的电压的作用就是扫描作用。当x轴方向的线性电压不是随时间无限增加的，当光点从荧光屏左端移到右端时，必须迅速移回到原左端位置重复上述过程，这样x轴的扫描电压必须是锯齿形波形。为了观察到稳定的波形，被测信号频率fy必须是扫描电压频率fx的整倍数，即锯齿波的周期是被测信号周期的整倍数，这样锯齿波在被测信号的每个周期的同一时刻开始扫描，使每次扫描的图像重合，使波形稳定显示。如果不满足整数倍关系，则每次扫描得到的波形不重合，观察到的波形向右或向左移动，如图21-4所示。当被测信号频率接近扫描电压频率的整倍数，但还是有差异，这时所显示的波形会慢慢移动，为强迫它稳定下来，我们可以旋转整步电平旋钮4。3李萨如图形观察当x轴输入扫描信号时，示波器显示y轴输入讯号的瞬变过程。当x轴输入正弦信号，y轴输入另一正弦信号，两者信号频率成简单整倍数时，观察到的是电子束受两个互相垂直的简谐振动的合成信号。这种图形称李萨如图形。 令fy和fx分别代表在y方向和x方向正弦信号的频率，当荧光屏上显示出瞬时的李萨如图形时，在水平和垂直方向分别作二直线与图形相切或相交，数出此二直线与图形的切点数或交点数则：或 如图（i）水平直线与图形相切点数为1点a ；垂直直线与图形的相切点数为2点（b,c）。如图21-6（ii）水平直线与图形的相交点数为2点（a、b）;垂直直线与图形的相交点数为4（c、d、e、f）。 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点数（或相交点数），就可以从一已知频率fx（或fy）求得另一频率fy（或fx）。【三】 实验装置一、 YB434CG双踪示波器1、 示波器的二踪显示和触发扫描A、 双踪显示为对比、分析、研究诸如激励和响应或同一激励下响应间的瞬变过程，简便的办法就是把几种不同的信号电压同时在一个屏幕上显示出来，这导致了多线示波器的开发和生产，其中以双踪示波器最为常见。图21-7为双踪示波器的原理框图。通过对由Ly和Sy组成的电子开关工作状态的设定控制，可以使CH1和CH2两个通道的信号以五种不同方式进行显示，其中“交替”和“断续”都能实现双踪显示。当电子开关置于“交替”工作状态时，电子开关的转换动作受机内扫描信号控制，图线描绘过程如图21-8所示。图中虚线为回扫。若在第m次扫描期，电子开关接通的是CH1通道，屏上就显示由CH1通道送入的被观察信号波形；然后电子开关接通CH2通道，进行第m+1扫描，显示由CH2通道送入的被观察信号波形；接着开关再接通CH1通道，这样便轮流地对CH1和CH2两个通道送入的信号进行扫描、显示。若开关转换的交替频率足够高时，借助于荧光屏的余辉作用和人的视觉暂留特性，使用者便能在荧光屏上同时观察到两个清晰的波形，这种方式适合于观察频率较高的输入信号电压。当电子开关置于“断续”工作状态时，由于开关转换的动作不再受扫描信号的控制，而是处于自激振荡状态。在一个扫描周期内，电子开关以相同的时间间隔把CH1通道和CH2通道相间不断轮流接通，经过若干次这样的断续转换完成了方向扫描，CH1和CH2两个通道的信号就以打点的方式同时显示在屏上，如图（a）所示，图中虚线为两通道间转换过程的过渡线，点划线则是回扫线。由于振荡频率很高，屏上光点靠得很近，其间隔用肉眼不易分辨，再利用消隐技术手段使过渡线和回扫线在荧光屏上不显示出来，因而同样可以达到同时清晰地显示两个波形的目的见图（b）。这种工作方式适合于输入信号频率较低的场合，可避免二个信号不能同时显示的不足。触发扫描我们知道示波器显示波形时，X方向为时间轴线(时基线)，它是在锯齿波电压的驱动下实现的。若锯齿波发生器工作在自激振荡状态，其输出的连续扫描波与待测信号波形必须满足Tx=nTy的整步条件，才能在屏幕上看到稳定的波形。然而这样的扫描方式会给某些输入信号波形的观察带来困难。例如对图(a)所示的待观察信号，即使整步条件中取n=1见图（b）, 在荧光屏上也只能看到一条很窄的垂直线见图（c）,而T1这段时间内的波形图根本无法分辨。若采用“触发扫描”方式建立时基，如图（d）或（f）所示，它是一种断续的锯齿波。由图可见，虽然触发扫描也是周期性的，但对被观察信号的同一周期所取的扫描速度却可以不同。显然，图（d）的扫速，从而对应显示出的图形也就不同，如图（e）（g）所示。采用触发扫描方式时，锯齿波发生器工作在他激状态，它仅在扫描闸门信号的作用下才开始扫描，否则不扫描。由于闸门信号是受具有释抑特性的触发器控制操纵的，可保证每次触发扫描的起始时刻都是在待观察信号的同一相位上，即每次扫描所显示的图线完全重合，从而使屏幕上的图线得到稳定显示。这样，选取不同的扫速和触发信号的极性及电平（触发增幅）就能在屏幕上显示出我们想要观察的那一部分波形。但要注意，采用触发扫描后，由于不扫描的时间比例可能大，为了不使屏幕被这一特别 亮的光点烧坏，常采用增辉技术去控 图2110. 不同扫描方式下的波形显示制电子枪，即示波器在不扫描和回扫时不发射电子，使这些时间内屏上无光迹，只有在扫描p期间如图（b）中p时段才发射电子，这样就可达到保护屏幕的目的。但这一做法在操作不当时，如位移电压调节不宜，或y轴主放大器的输出过大或过小以及触发电平调得不恰当等会使屏幕上看不到光迹显示，这时通常把扫描方式转换成“自激扫描”状态就可方便地寻找到光迹。2、面板及其作用本实验使用YB434CG双踪示波器。其面板如图所示。各控制开关和旋钮的作用如下：辉度旋钮：控制光点和扫描线的亮度，顺时针方向旋转旋钮，亮度增强。聚焦旋钮：用辉度控制钮将亮度调至合适的标准，然后调节聚焦控制钮，这样钮和反复调节直至光迹达到最清晰的程度。光迹旋转：由于磁场的作用，当光迹在水平方向轻微倾斜时，该旋钮用于调节光迹与水平刻度平行。图21-11电源指示灯：电源按通时，指示灯亮。电源开关，将电源开关按键弹出即为“关”位置，按入即为“开”。轴位置（轴移位）：控制荧光屏上的光点或信号波形在水平方向的左、右位置。轴位置（轴移位）：控制荧光屏上的光点或信号波形在垂直方向的上、下位置。CH1（轴）轴衰减器旋钮：用于选择偏转系数，用来衰减CH1（轴）向的输入信号。（）值与屏幕刻度相对应，即每格电压值，共档。CH2（轴）轴衰减器旋钮：用于选择偏转系数，用来衰减CH2（Y轴）向的输入信号。（Volt&DIV）值与屏幕刻度相对应，即每格电压值，共档。主扫描时间系数选择旋钮：可使屏上显示的被测信号波形在X向展宽或收缩。Tim/div值与屏幕刻度相对应，即每格时间值，共档，在0.1s0.5s/div范围选择扫描速率。扫描微调旋钮：此旋钮以顺时针方向旋转到底时，处于校准位置。垂直微调旋钮：垂直微调用于连续改变电压偏转系数。此旋钮在标准状态应位于顺时方向旋到底的位置。将旋钮逆时针旋到底，垂直方向的灵敏度下降到2.5倍以上。外触发输入插座：用于外部触发信号的输入。交替触发：在双踪交替显示时，触发信号分别来自两个垂直通道信号，此方式可用于同时观察两路不相关信号。触发源选择开关：有通道的输入信号为触发信号，当工作方式在方式时，拨动开关应设置于此档、有通道的输入信号是触发信号、电源频率信号为触发信号，外触发输入端信号是由外部信号输入，用于特殊信号的触发。控制键：按入此键，垂直偏转信号接入输入端，水平偏转信号接入输入端。触发电平旋钮：用于调节被测信号在某选定电平触发，当旋钮转向“”时显示波形的触发电平上升，反之触发电平下降。水平移位：用于调节光迹在水平方向移动。顺时针方向旋转该旋钮向右移动光迹，逆时针方向旋转向左移动光迹。延迟时间调节旋钮：调节延迟扫描对应于主扫描起始延迟多少时间启动延迟扫描，调节该旋钮，可使延迟扫描在主扫描全程任何时段启动。垂直方式工作开关：通道选择（），屏幕上仅显示的信号；通道选择（），屏幕上仅显示的信号；双踪选择（），屏幕上显示双踪，自动以交替或断续方式，同时显示和上的信号；叠加，显示和输入信号的代数和。断续工作方式开关：、二个通道按断续方式工作，断续频率为KHz，适用于低扫速。显示屏：仪器的测量显示终端。、CH1（X）CH2（Y）输入接口。垂直微调误差在：5%。二、 信号源信号源：在工作电源条件下，不需外部激发，自动产生一个是时间函数的波形，频率和幅度均可调的信号发生器，是能方便地提供调试用的通用信号。常用的仪器有函数信号发生器、低频信号振荡器、音频信号振荡器、高频信号振荡器等。本实验使用YB1634函数信号发生器，能产生频率与幅度均可调的正弦、方波、三角波、单次波、斜波等电压信号。图21-12是它的面板图，其输出信号的频率范围为0.2Hz2MHz，输出阻抗50，调节电压范围为010V，并有一定功率输出。它的控制开关和旋钮的作用如下：对称性（SYMMETRY）：对称性开关，对称性调节旋钮，将对称性开关按入，对称性指示灯亮，调节对称性旋钮，可改变波形的对称性。外测开关（COUNTER）：此开关按入LED显示窗显示外测信号频率，外测信号由EXT.COUNTER输入插座输入。 图21-12单次开关（SINGLE）：当“SGL”开关按入，单次指示灯亮，仪器处于单次状态，每按一次“TRLG”键，电压输出端口输出一个单次波形。幅度调节旋钮（AMPLITUDE）：顺时针调节此旋钮，增大“电压输出”、“功率输出”的输出幅度。逆时针调节此旋钮可减小“电压输出”、“功率输出”的输出幅度。EXT.COUNTER：外测量信号输入端口。TTL OUT端口：由此端口输出TTL信号。直流偏置（OFFSET）：按入直流偏置开关，直流偏置指示灯亮，此时调节直流偏置调节旋钮，可改变直流电平。电压输出端口（VOLTAGE OUT）：电压输出由此端口输出。功率输出端：为电路负载提供功率输出，负载应为纯电阻，如是感性或容性负载。请串入10W/50左右电阻（最大幅度输出时），如果是40Vpp ，可选择40左右的电阻等。功率输出开关（POWER OUT）：按下此键，功率指示灯变绿色，如果该指示灯由绿色变为红色，则说明输出短路或过载。衰减开关（ATTE）：电压输出衰减开关，二档开关组合为20dB、40dB、60dB。YB1640为0dB、20dB、40dB。波形选择开关（WAVE FORM）：按入对应波形的某一键，可选择需要的波形，三只键都未按入，无信号输出，此时为直流电平。LED显示窗口：此窗口指示输出信号的频率，当“外测”开关按入，显示外测信号的频率。频率调节旋钮（FREQUENCY）：调节此旋钮改变输出信号频率，顺时针旋转，频率增大，逆时针旋转，频率减小。电源开关（POWER）：将电源开关按键弹出即为“关”位置，将电源线接入，按电源开关，以接通电源。频率范围选择开关（兼频率记数闸门开关）：根据需要的频率，按下其中一键。【四】 实验内容1 双踪示波器的调节使用（1）将示波器电源接上220V市电，按入电源开关键 ，指示灯亮，预热一、二分钟。（2）按入触发单元“自动”键（准备灯息），按入水平方式单元“A”键，置功能键方式于“双踪”。（3）调节水平位移（）和垂直位移（）旋钮，令示波器上看到光迹。（4）调节亮度旋钮和聚集旋钮，使双光迹清晰可见。2用直接读数法测定待测试验信号峰峰值Vpp和周期T（1）把YB1634函数信号发生器接上220伏市电，打开电源开关，指灯亮。（2）把试验信号加到示波器CH1，调整扫描时间选择旋钮，观察到1、2个n个完整波形（n1）