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2 第6章电子示波器 教学目的及要求电子示波器主要用来观测信号波形及测量电压 频率 时间等参数 是电子测量三大仪器之一 本章重点要求掌握波形测试原理及示波器的组成和测试原理 熟悉模拟示波器和数字示波器的正确使用方法 3 6 1概述 电子示波器简称 示波器 是一种用来观察电量随时间变化的仪器 除了显示波形外 示波器还能用于直接测量电压 周期 时间 调幅系数等参数 目前 示波器已成为广泛用于科学实验与产品的研发 生产 维修中的 万用仪器 此外 在许多尖端设备和仪器 例如雷达 频谱分析仪 时域反射计 时域网络分析仪等中 示波器已成为必备的组成部分 4 6 1 1示波器的分类 示波器按照其性能和结构可分为以下几类 1 通用示波器 2 多束示波器 3 取样示波器 4 存储示波器 5 6 1 2通用示波器的组成 通用示波器主要由水平系统 垂直系统和主机系统三大部分组成 其组成框图如图6 1所示 6 6 1 2通用示波器的组成 1 水平系统通用示波器的水平系统又称为X通道主要由触发电路 时基发生器和X放大器组成 如图6 2所示 2 垂直系统通用示波器的垂直系统又称为Y通道 主要由输入电路 前置放大器 延迟线和后置放大器组成 如图6 4所示 7 6 1 2通用示波器的组成 3 主机系统主机系统主要包括校准信号源 增辉电路 电源 示波管等部分 标准信号源主要为示波器提供校准信号 通常为方波信号 频率为1kHz 电源为整机提供所需的电源 示波管主要用来显示波形 8 6 2示波管及波形显示原理 示波器采用阴极射线示波管CRT作为显示器 它是示波器的核心组成部分 主要作用是把电信号转换为光信号 再加以显示 阴极射线示波管主要由电子枪 偏转系统和荧光屏三大部分组成 这三部分都封装在密闭的玻璃壳内 如图6 7所示 9 6 2 1示波管的组成 1 电子枪 用于发射电子并形成很细的高速电子束 撞击荧光屏而发光 2 偏转系统 示波管中 在第二阳极的后面 由两对相互垂直的偏转板组成偏转系统用来控制射向荧光屏的电子束 Y轴偏转板在前 X轴偏转板在后 3 荧光屏 示波管的屏幕是在它的管内壁涂上一层磷光物质来形成的 10 6 2 2波形显示原理 1 波形显示2 扫描及同步图6 8所示为扫描电压实际波形 应对回扫线和休止线进行消隐 否则将影响波形的观测 如图6 9所示 11 6 3YB4320G双踪四迹示波器的使用 6 3 1主要技术性能1 垂直系统2 水平系统3 触发系统4 X Y工作方式5 校准信号6 CH1输出7 电源 12 6 3 2前面板布局 YB4320G双踪四迹示波器的前面板布局如图6 10所示 13 6 3 3基本操作 1 聚焦旋钮置于中间位置 Y输入耦合方式选择开关置于接地 垂直位移旋钮旋到中间位置 垂直工作方式置于CH1 触发方式选择开关置于自动 触发源置于内触发 扫描时间因数选择开关置于0 5ms div 2 打开电源 顺时针旋转辉度旋钮 调整Y位移旋钮 直到显示出光迹 调节聚焦旋钮使光迹最清晰 为使聚焦效果最好 光迹不可调得过亮 3 调整输入耦合方式于AC 将示波器的校准信号输入至通道1 适当调节电平旋钮使波形稳定 屏幕上应显示方波信号 14 6 3 4使用注意事项 1 打开电源前一定要检查示波器面板上的按钮和旋钮是否都处于正常位置 2 用示波器测量被测信号前一定要对示波器进行校准 3 测量电压时 垂直微调旋钮一定要处于 校准 位置 测量时间时 扫描微调控制键要处于 校准 位置 否则 测量结果是错误的 4 辉度不宜调得过亮 且光点不应长时间地停在一点上 以免损坏荧光屏 通电后若暂不观测波形 应将辉度调暗 5 定量观测波形时 尽量在屏幕的中心区域进行 以减少测量误差 6 测试过程中 应避免手指或人体其他部位接触信号输入端 以免对测试结果产生影响 7 若示波器暂停使用并已关上电源 如需继续使用时 应待数分钟后再开启电源 以免烧坏保险丝 15 6 4示波器的测试应用 示波器是时域测量仪器 可以用来显示信号波形 测量电压 频率 相位 时间 调制系数等参数 16 6 4 1测量电压 1 测量交流电压1 直接测量法2 间接测量法 比较测量法 2 测量直流电压3 测量含有直流成分的交流信号的大小1 测量交流电压振幅值2 测量直流成分的大小 17 6 4 2测量时间 直接测量法又称为标尺法 测量时 将扫描微调旋钮置于 校准 位置 选用合适的输入耦合方式 调节有关旋钮 使显示波形的幅度 宽度合适 记录下 扫描时间 因数 t div 的大小 设为Dx 单位为s cm或s div 和波形某两点 根据被测量的定义来确定 之间的水平距离 设为L 单位为cm或div 则有t DxL 6 4 式中 t为被测时间量 单位为s 如果扫描扩展为K 时 被测时间量等于式 6 4 计算值的1 K 18 6 4 3测量频率 1 周期法用周期法测量频率时 首先测量出周期 然后再根据周期 频率之间的关系换算出被测信号的频率 为了减小测量误差 可采用多个周期测量求平均的方法测量周期 2 李沙育图形法用李沙育图形法测量频率时 示波器工作于X Y方式下 频率已知的信号与频率未知的信号加到示波器的两个输入端 调节已知信号的频率 使荧光屏上得到李沙育图形 由此可测出被测信号的频率 19 6 4 4测量调幅系数 用直线扫描法测量调幅系数时 将被测信号加到示波器Y轴输入端 调整示波器相关的开关和旋钮 得到如图6 16所示的调幅波波形 20 6 5数字存储示波器 具有记忆存储功能的示波器包括模拟存储示波器 TSO TubeStorageOsilloscope 和数字存储示波器 DSO DigitalStorageOsilloscope 两种 前者利用记忆示波管进行存储 已很少使用 数字存储示波器采用数字电路 先经过A D转换器 将模拟输入信号波形转换成数字信息 存储于数字存储器中 需要显示时 再从存储器中读出 通过D A转换器 将数字信息转换成模拟波形 显示在示波管上 数字存储示波器的特点包括使用简单 可观测触发前的信号 用X Y方式观测波形时 两通道间几乎没有相位差 观测信号时无闪烁现象 准确率高 可优于1 可很方便地与数字接口相连 与计算机组成自动测试系统 21 6 5 1数字存储示波器的主要优点 数字存储示波器在微计算机的统一管理下进行工作 与普通模拟示波器相比 数字存储示波器有以下优点 1 波形可长期保存 多次显示 2 支持负延时触发 3 便于观测单次过程和突发事件 4 具有多种显示方式 5 便于进行数据分析 处理 6 可用数字显示测量结果 7 具有多种输出方式 8 便于进行功能扩展和自动测试 22 6 5 2数字存储示波器的工作原理 数字存储示波器的基本原理框图如图6 17所示 23 6 5 3数字存储示波器的工作方式 1 数字存储示波器中存储器的功能2 触发工作方式1 常态触发2 预置触发3 测量与计算工作方式4 面板键操作方式 24 6 5 4数字存储示波器的显示方式 1 存储显示2 抹迹显示3 卷动显示4 放大显示5 X Y显示 25 6 5 5数字存储示波器的技术性能指标 1 取样速率2 存储带宽3 测量分辨率4 存储容量5 断电存储时间6 测量计算功能7 测量准确度8 触发延迟范围9 读 写速度10 输出信号 26 6 5 6TDS1002数字存储示波器的使用 1 概述2 前面板布局1 显示区2 信息区域3 菜单系统4 垂直控制 27 6 5 6TDS1002数字存储示波器的使用 5 水平控制6 触发控制7 菜单和控制按钮 28 6 5 6TDS1002数字存储示波器的使用 3 应用示例1 使用 自动设置 2 使用 自动测量 3 测量两个信号 29 6 6晶体管特性图示仪 晶体管特性图示仪 简称图示仪 是以通用电子测量仪器为技术基础 以半导体器件为测量对象的电子仪器 它能在示波管屏幕上直接观察各种晶体三极管 NPN型和PNP型 的共发射极 共基极电路的输入特性 输出特性 测试各种反向饱和电流和击穿电压 还可以测量场效应管 稳压管 二极管 单结晶体管 可控硅等器件的各种参数 是一种用途广泛 使用方便 操作简单的特种示波器 30 6 6 1XJ4810型晶体管特性图示仪面板功能 XJ4810型晶体管特性图示仪的面板布局如图6 26所示 31 6 6 2测试前注意事项 为保证在仪器的使用过程中既不会损坏被测晶体管 也不会损坏仪器内部线路 使用仪器前应注意下列事项 1 对被测管的主要直流参数应有一个大概的了解和估计 特别要了解被测管的集电极最大允许耗散功率PCM 最大允许电流ICM和击穿电压BVEBO BVCBO 2 选择好扫描和阶梯信号的极性 以适应不同管型和测试项目的需要 3 根据所测参数或被测管允许的集电极电压 选择合适的扫描电压范围 4 对被测管进行必要的估算 以选择合适的阶梯电流或阶梯电压 一般宜先小一点 再根据需要逐步加大 测试时不应超过被测管的集电极最大允许功耗 5 在进行ICM的测试时 一般采用单簇为宜 以免损坏被测管 6 在进行IC或ICM的测试中 应根据集电极电压的实际情况进行选择 不应超过本仪器规定的最大电流 32 6 6 3基本操作步骤 1 按下电源开关 指示灯亮 预热15分钟后 即可进行测试 2 调节辉度 聚焦及辅助聚焦 使光点清晰 3 将峰值电压旋钮调至零 峰值电压范围 极性 功耗限制电阻等开关置于测试所需位置 4 对X Y轴放大器进行10度校准 5 调节阶梯调零 6 选择需要的基极阶梯信号 将极性 串联电阻置于合适挡位 调节级 簇旋钮 使阶梯信号为10级 簇 阶梯信号置重复位置 7 插上被测晶体管 缓慢地增大峰值电压 荧光屏上即有曲线显示 33 实训5模拟示波器的校准 一 实训目的 1 认识模拟示波器上主要控件的名称及功能 2 能熟练地进行模拟示波器的校准 3 熟悉信号峰 峰值 Up p 和有效值 Urms 之间的换算 二 实训器材模拟示波器 1台 三 实训内容及步骤四 实训报告要求 34 实训6YB1602函数信号发生器的使用 一 实训目的 1 认识该系列函数信号发生器的面板及其功能 2 掌握该系列函数信号发生器的使用方法 3 进一步熟悉毫伏表 二 实训器材 1 YB1602函数信号发生器 1台 2 双踪示波器 1台 3 毫伏表 1台 三 实训内容及步骤四 实训报告要求 35 实训7TFG2000系列DDS函数信号发生器的使用 一 实训目的 1 认识DDS函数信号发生器的面板及其功能 2 能熟练地使用TFG2000系列DDS函数信号发生器的常用功能 二 实训器材 1 DDS函数信号发生器 1台 2 双踪示波器 1台 三 实训内容及步骤四 实训报告要求 36 实训8模拟示波器的使用一 一 实训目的 1 掌握示波器的使用方法 学会用示波器观察各种信号的波形 2 学会用示波器测量直流 正弦交流信号电压 3 观察李沙育图 学会测量正弦信号频率的方法 二 实训器材 1 双踪示波器 1台 2 函数信号发生器 1台 3 交流毫伏表 1台 三 实训内容及步骤1 观察标准方波波形2 观察各种信号波形3 电压测量4 时间测量5 相位测量6 观察李沙育图四 实训报告要求 37 实训9高频信号发生器的使用 一 实训目的 1 加深对示波器及高频信号发生器理论知识的理解 2 掌握双踪示波器及高频信号发生器的基本操作方法 二 实训器材 1 双踪示波器 1台 2 高频信号发生器 1台 三 实训内容及步骤四 实训报告要求 38 实训10模拟示波器的使用二 一 实训目的 1 进一步熟悉模拟示波器的面板 2 掌握用双踪法测量相位差的方法 3 掌握用示波器测量调幅波的调幅系数的方法 二 实训器材 1 双踪示波器 1台 2 高频信号发生器 1台 3 模拟电路实验箱 1台 4 连接导线 若干 三 实训内容及步骤四 实训报告要求 39 实训11数字存储示波器的使用一 一 实训目的 1 加深对数字存储示波器理论知识的理解 2 掌握数字示波器与模拟示波器的区别 3 熟悉数字存储示波器的面板按键及使用操作 二 实训器材 1 数字存储示波器 1台 2 函数信号发生器 1台 三 实训内容及步骤1 熟悉数字存储示波器的面板按钮2 功能检查3 波形显示的自动设置4 垂直系统的练习5 CH1 CH2通道设置6 学习 掌握挡位调节的设置方法7 学习 掌握波形反相的设置方法8 水平系统的练习9 通道带宽限制的设置10 探头衰减系数的设置11 触发系统的练习12 学习触发菜单中 触发方式 的三种功能五 实训报告要求 40 实训12数字存储示波器的使用二 一 实训目的 1 进一步加深对数字存储示波器理论知识的理解 2 熟悉数字存储示波器的面板按键及使用操作 二 实训器材 1 数字存储示波器 1台 2 函数信号发生器 1台 三 实训内容及步骤1 熟悉数字存储示波器的面板按钮2 功能检查3 波形显示的自动设置4 采样系统的设置5 显示系统的设置6 辅助系统功能的设置7 迅速显示未知信号8 观察幅度较小的正弦信号9 信号电压参数的自动