示波器的认识及应用.doc

示波器的认识及应用一、示波器的调整和使用示波器是一种用途非常广泛的电子测量仪器，主要由示波管和复杂的电子线路组成。用示波器可以直接观察电信号的波形，并能测量电压信号的幅度和频率等。因此，一切可转化为电压信号的电学量（如电流、阻抗）和非电学量（如位移、压力、温度、光强等）都可以用示波器来观察、测量。由于电子射线的惯性小，又能在荧光屏上显示出可见的图像，所以示波器特别适用于观测瞬时变化过程。1实验目的（1）了解示波器的基本结构，熟悉示波器的调节和使用；（2）学会用示波器观测电压波形；（3）通过观测李萨如图形，学会一种用示波器测量频率的方法。2实验仪器V-222型双踪示波器一台，SG1648功率函数信号发生器一台。3实验原理图5-32 示波器的基本结构图(1) 示波器的基本机构图5-33 示波管结构图示波器的规格和型号较多，但所有的示波器所具有的基本结构都相同，大致可分为：示波管（又称阴极射线管）、X轴放大器和Y轴放大器（含各自的衰减器）、锯齿波发生器等，见图5-32所示。示波管示波管是示波器的核心部件，它主要包括电子枪、偏转系统和荧光屏三部分，这三部分全部被密封在高真空的玻璃外壳内（如图5-33所示）。电子枪有灯丝、阴极、控制栅极、第一阳极和第二阳极共五部分组成。灯丝通电后加热表面涂有氧化物的金属圆筒（即阴极），使之发射电子。控制栅极是一个套在阴极外面的金属圆筒，其顶端有一小孔，它的电位比阴极低，对阴极发射出来的电子起减速作用，只有初速度较大的电子才可能穿过栅极顶端的小孔，进入加速区的阳极。因此控制栅极实际上起控制电子流密度的作用。调整示波器面板上的“亮度”旋纽，其实就是调节栅极电位改变飞出栅极的电子数目，飞出的电子数目越多，荧光屏上亮斑就越亮。从栅极飞出来的电子再经过第一阳极和第二阳极的加速与聚焦后打到荧光屏上形成一个明亮清晰的小圆点。偏转系统是由两对相互垂直的电极板组成。电子束通过偏转系统时，同时受到两个相互垂直方向的电场的作用，荧光屏上小亮点的运动轨迹就是电子束在这两个方向运动的叠加。X、Y轴电压放大器和衰减器由于示波管本身的X及Y偏转板的灵敏度不高（约0.11mm/V），当加在偏转板上的信号电压较小时，电子束不能发生足够的偏转，屏上的光点位移较小，不便观测。这就需要预先将该小电压通过电压放大器进行放大。衰减器的作用是使过大的电压信号衰减变小，以适应轴放大器的要求，否则放大器不能正常工作，甚至受损。图5-34 锯齿波信号锯齿波信号（扫描信号）发生器锯齿波信号发生器的作用就是产生周期性锯齿波信号（图5-34）。将锯齿波信号加在X偏转板上，可以证明，此时电子束打在荧光屏上的亮点将向一个方向作匀速直线运动。经过一个周期后，荧光屏上的亮点又回到左侧，重复运动。如果锯齿波的频率较大，由于荧光材料具有一定的余辉时间，在荧光屏上能看到一条水平亮线。本实验中所用到的V-222型示波器上的“扫速选择开关”可以改变锯齿波信号的频率或周期。(2) 扫描原理将一正弦电压信号加到Y轴偏转板上，即Uy0，若X轴偏转板上为零电压信号，则荧光屏上的光点将随着正弦电压信号作正弦振荡。若Y轴上的电压信号频率较快，则屏上只出现一条亮线。要直观地看到正弦波信号随时间的变化波形，必须将屏上光点在X方向（即时间方向）上“拉开”，这就要借助与锯齿波信号的作用。将锯齿波信号加到X偏转板上（本实验中只要将“扫速选择开关”不要置于“x-y”档位即可），此时示波器内的电子束将既要在y方向按正弦电压信号的规律作正弦振荡，又要在x方向作匀速直线运动，y方向的正弦振荡被“展开”，屏上光点留下的轨迹是一正弦曲线。锯齿波信号完成一个周期变化后，屏上光点又回到屏幕的左侧，又准备重复以前的运动。这一过程称为扫描过程，图5-35是这一过程的图解原理。图中假设加在Y偏转板上的电压信号为待测正弦电压信号，其频率与加在X偏转板上的锯齿波信号的频率相同，并将一个周期分为相同的四个时间间隔，Uy和Ux的值分别对应光点在y轴和x轴偏离的位置。将Uy和Ux各自对应的投影交汇点连接起来，即得被测电压波形。完成一个波形后的瞬间，屏上光点立刻反跳回原点，并在荧光屏上留下一条“反跳线”，称为回归线。因这段时间很短，线条比较暗，有的示波器采用措施将其消除。图5-35 扫描过程的图解上面所讨论的波形因Uy和Ux的周期相等，荧光屏上出现一个正弦波。当fy = nfx，n=1,2,3,时，荧光屏上将出现1个、2个、3个、稳定的波形。(3) 示波器的整步（或同步）若待测正弦信号的频率与锯齿波信号的频率不成整数比，则每当扫描一个周期后，荧光屏上的光点回到左侧起点时，Uy不能回到一个扫描周期以前的值，即每扫描一个周期，荧光屏上的光点回到起点时的位置将不一样，以致于整个波形在屏幕上“走动”，或者说，波形不稳定。虽然锯齿波信号的频率是可调的，但fy和fx是来自于两个不同系统的频率，在实验中总是有不可避免的变化，因此很难长时间地维持两者成整数比的关系。为了得到稳定的波形，示波器采用整步的方法，即把y轴输入的信号电压接至锯齿波信号发生器电路中，强迫fx跟随y轴信号频率fy变化而变化，以保证fy = nfx成立。(4) 李萨如图形若同时分别在X、Y偏转极板上加载两个正弦电压信号，结果又怎样呢？其实，此时荧光屏上运动的光点同时参与两个相互垂直方向的运动，荧光屏上的“光迹”就是两个相互垂直方向上的简谐振动合成的结果。可以证明，当这两个垂直方向上信号频率的比值为简单整数比时，光点的轨迹为一稳定的封闭图形，称为李萨如图形。表5-16是几个常见的李萨如图形。利用李萨如图形可以测量待测信号的频率。令Nx、Ny分别代表x、y方向切线和李萨如图形的切点数，则 （5-79）实验中，若加载在x偏转板信号的频率fx已知，则待测信号频率fy可由（5-79）式求出。表5-16. 几种常见的李萨如图形fx : fy = 1:1fx : fy = 2:1fx : fy = 1:2fx : fy = 1:3fx : fy = 3:1fx : fy = 2:34实验内容与步骤（1）观测波形了解V-222型示波器和SG1648功率函数信号发生器的面板布置，熟悉各旋钮的功能和用法（见附录）。注意：1必须弄清楚所使用的示波器、信号发生器的型号与面板上各个旋钮的作用后再使用。 2荧光屏上的光点不可调得太强（调辉度控制旋钮使之适中），且不可长时间将光点停在荧光屏上某点，以免损坏荧光屏。 3实验时，示波器和信号发生器上所有旋钮应被轻轻地缓慢地旋转，不可猛转乱旋！ 按示波器的操作方法调节各个旋钮，使其处于准备状态。打开电源开关，荧光屏上显示一条扫描线，调节聚焦旋钮和辉度旋钮等使扫描线清晰、亮度适中。按示波器的操作方法调节各个旋钮，使其处于测量状态。将信号发生器待测正弦信号“电压输出”端接入到CH1通道，将信号发生器“1kHz输出”端接入到CH2通道。图5-36 待测信号Dx及Dy的测量观测待测正弦信号：“MODE”（工作方式）和“INT TRIG”（内触发源选择开关）都应置于“CH1”位置，此时可观测输入到CH1通道的信号；“AC-GND-DC”（输入耦合开关）置于“AC”档，改变信号发生器的输出频率（如200Hz，2kHz，20kHz等），调节扫速开关（面板上标记为TIME/DIV），使荧光屏上每次分别出现15各完整的波形。（2）测量正弦信号测电压：正弦信号有三种电压值，即有效值u、峰值up和峰峰值up-p。三者的关系如下： （5-80）一般的交流电表读出的只是电压的有效值，正弦信号的峰峰值可通过示波器直接测出。测量时，应将待测正弦信号接入CH1通道（即接入X偏转极板），“输入耦合开关”置于“AC”档，Y轴灵敏度微调旋钮置于“校正”，并置其合适的档位以保证屏幕上的正弦波形的幅度在刻度尺范围内，但也不要过小。量出波峰与波谷之间在y方向的所占的格数Dy，如2.3Div、5.2Div等（Div代表刻度面板上一个单元格在y方向上的宽度），则待测信号的电压峰峰值up-p = DyY轴灵敏度档位值。待测波形Dy的测量见图5-36所示。本实验中，我们所选的待测信号频率为f0=1000Hz，并调节低频信号发生器的输出电压为3V。按表5-17要求，改变信号发生器上的衰减旋钮的档位值，用上述方法测出四组不同的数据，并填入表5-17。表5-17. 测量正弦信号电压值（f0=1000Hz，信号发生器输出电压为3V）测量值次数衰减值Y轴灵敏度旋钮档位值Dy (cm)up-p (V)up (V)u (V)10dB2-20dB3-40dB4-60dB测周期：调节示波器的“扫速开关”至适当的档位，使观测屏上显示的波形为12个周期，调节X轴和Y轴“移位”旋钮使波形置于观测屏上适当的位置（如图5-36所示），测出一个周期在x方向所占的格数Dx，由T = Dx扫速开关的档位值可计算出该信号的周期。改变信号频率，测出四个不同信号的周期，并填入表5-18。表5-18. 测量正弦信号周期测量值次数待测信号频率f (Hz)扫速开关档位值（TIME/DIV）Dx (cm)T (ms)14002200038000415000(3) 用李萨如图形测信号频率将SG1648功率函数信号发生器的“电压输出”端的输出信号作为已知信号（频率可从面板上读出）接入示波器的CH1通道，将信号源“1kHz输出”端输出信号作为待测信号（其频率约为1000Hz，具体值fy待测）接入示波器CH2通道。按下SG1648功率函数信号发生器“波形选择”按钮组中的“正弦波”按钮，将“扫速开关”置于“x-y”档位，则此时CH1通道和CH2通道的信号被分别接入X和Y偏转极板，观测屏上将出现一个动态图形。仔细调节信号源的输出频率，即改变fx，使得屏上的图形为稳定图形（李萨如图形），在表5-19中记下两方向上切点数之比分别为Nx : Ny = 1 : 1、2 : 1、3 : 1、2 : 3和4 : 3时的李萨如图形，并由式（5-79）计算CH2通道信号的频率fy。表5-19. 用李萨如图形测量正弦信号频率李萨如图形Nx12324Ny11133fx : fy信号源面板读数fx (Hz)fy(Hz)预习思考题1示波器显示电压信号波形的原理是什么？具体怎样描述？2试证：在X偏转极板上锯齿波电压作用下，电子束通过后打在荧光屏上的光点在x方向上的运动是匀速运动。3当fy nfx时，若X极板上加的是锯齿波信号，则荧光屏上显示的波形是“走动”的；若X极板上加的是正弦波信号，则荧光屏上显示的图形不稳定。试说明原因。讨论题1在实验中，可采用哪些方法使荧光屏上的波形或图形稳定下来？2示波器上的“扫速选择”开关有什么作用？3示波器能否用来测量直流电压？如果能测，则应如何进行？附录11. V-222型示波器面板介绍（图5-37）图537 V-222型示波器面板图表5-20. V-222型双踪示波器各个旋钮作用标号面板标记旋钮名称作用1POWER电源开关电源开关是自锁按键开关，按进去为电源打开2POWER LAMF电源指示灯指示灯在电源接通后亮3FOCUS聚焦控制控制示波管第一、二阳极A1,A2电位，调节扫描线最细时为佳4SCALEILLUM刻度照明控制用于黑暗的环境中或需照明时调节此旋钮，照明刻度线5TRACE ROTAION基线旋钮用于调节扫描线和水平刻度线平行，用螺丝刀调节6INTENSITY辉度控制控制示波管控制极电位，调节光迹亮度37CAL 0.5V校正0.5v方波输出输出0.5V,1kHz的方波信号，用作校正信号9CH1 INPUT通道1输入输入被测信号，当示波器工作在X一Y方式时，输入到此端的信号变成X轴信号10CH2 INPUT通道2输入输入被测信号，当示波器工作在X一Y方式时，输入到此端的信号为y轴信号1112AC-GND-DC输入藕合开关AC:藕合交流分量，GND:放大器输入端接地;DC:藕合交直流分量13141516VARPULL 5GAINVOLTS/DIV微调拉5倍扩展控制开关电压灵敏度微调调节放大器放大倍数，使波形幅度变化，微调顺时针至满度时处于校准状态，此时VOLTS/DIV与荧光屏上刻度对应，可读出被测信号电压幅度值，当旋钮被拉出时，增益扩展X5倍。VOLTS/DTV灵敏度，控制衰减值1718UNCALL不校准灯灯亮表示微调旋钮没有处在校准位置19POSITIONFULL-DCOFFSET位 移拉-直流偏置调节垂直方向位移，拉出此旋钮可获得适用的输入波形(通常这个旋钮是按进去的)20POSITION PULL-INVERT位移 拉-直流偏置位移功能同上，但当旋钮被拉出时，输入到Y的信号极性被倒相21MODE工作方式开 关这个开关用于选择垂直偏转系统的工作方式;CH1，显示X通道的号;CH2显示Y通道的信号ALT，加到X和Y通道的信号能交替显示在荧光上;CHOP，断续;加到X和Y的信号受约250kHz自激振荡电子开关的控制，同时显示在荧光屏上;ADD，加到X和Y上信号的代数和在荧光屏上显示。23DC OFFSETVOLT OUT直流电压偏置输出插口当仪器处于直流偏置(DCOFFSET)方式时，这个插口可配接数字万用表，读出被测量的电压值(除x5扩展不校正外)2425DC BAL直流平衡调节控制用于直流平衡调节控制26TIME/DIV扫速选择开关扫描时间范围从0.2us/DIV分19挡，X-Y位置用于示波器工作在X-Y状态27SWP VAR扫描微调控制微调在TIME/DIV确定的范围内调节扫速，它可使波形在X轴方向伸缩，当它颇时针旋到底时是校正位置，此时扫描时间由TIME/DIV开关准确读出28SWAP UNCALL扫描不校正灯灯亮表示扫描因数不校正29POSITIONFULL X10MAGX轴扩展本旋钮控制水平移动扫描线，顺时针旋转，扫描线向右移，逆时针旋转，扫描线左移。在旋钮被拉出时，扫描扩展10倍，即TIME/DIV开关指出的是实际扫描时间的十分之一30CH1ALT MAG交替扩展开关通道X的输入信号能以X1(常态)和X10(扩展)的两种扫描形式交替显示31SOURCE触发源选择开关位于内(INT):扫描信号取自X或y通道的被测信号位于电源(LINE):扫描信号取自电源信号位于外(EXT):取自外触发输入瑞(TRIG INPUT)插座引人的信号32INT TRIG内触发源选择开关本开关用于选择不同的内触发信号源:CH1，取X通道的输入信号为触发信号;CH2，取y通道的输入信号为触发信号;VERT、MODE，组合方式，用于同时观察两个波形，同步触发信号交替取自CH1和CH233TRIG IN外触发输入插座用于外触发信号的输入34TRIG LEVEL触发电平控制旋钮用于调节迸人触发电路的触发信号电平，保证波形稳定。亦能控制触发开关的极性，按进去(常用)是正极性，拉出来是负极性。35TRIG MODE触发方式选择开关位于自动(AUTO)时，为连续扫描方式，用于一般信号的测量，位于常态(NORM)时，只有当触发信号产生时，才获得触发扫描，在没有信号和非同步状态情况下，没有扫描线。位于电视场(TV一V)时，能观察电视信号中的全场信号波形，位于电视行(V一H)时，能观察电视信号中的行信号波形图538 SG1648功率函数信号发生器面板图2. SG1648功率函数信号发生器面板介绍（图438）表5-21. SG1648功率函数信号发生器各个旋钮作用序号面板标志作用1波形选择1.输出波形选择。2.波形选择脉冲波时，可与“13”配合使用可以改变脉冲的占空比。2频率倍乘1.频率倍乘开关与“14”、“16”配合选择工作频率。2.外测频率