示波器的使用

1、示波器的使用 引引 言言 100多年前，德国著名物理学家卡尔费丁南德布劳恩发明了世界上第一个阴极射线管示波器，而上世纪四十年代则是电子示波器兴起的时代，雷达和电视的开发需要性能良好的波形观察工具，带宽10MHz的同步示波器的成功开发，是近代示波器的基础。示波器是电子测量中最常用的仪器，可测量电信号电压随时间的变化及各电信号间的相互关系，如能直观观测信号并测量其幅度大小、周期、频率、相位等多种参数。只要能采用传感器，把非电量转换成电量，它也可以用来测量非电信号，如压力、振动、声、光、热、磁等，因此，示波器在科学实验和工程技术中有着十分广泛的应用。 实验原理实验原理 模拟示波器虽有很多的规格与型号

2、，但主要由示波管、电压放大系统、扫描与触发系统以及电源这几部分构成。YB4320B型双踪示波器的电路组成及其结构方框图如图1所示。一、示波管一、示波管 示波管是用于显示被测信号波形的器件，其结构如图2所示，大致可分成三部分，电子枪,偏转板,荧光屏， 全部密封在玻璃外壳内，里面抽成高真空 。图2 示波器结构示意图 （1 1）电子枪）电子枪 电子枪由灯丝1、阴极2、栅极 3、阳极4、聚焦极5等部分组成，它的作用是发射电子束，并通过一定的电场分布控制到达荧光屏上的电子数量以及电子束的形状和尺寸大小。 点燃的灯丝加热阴极，向外发射电子，通过栅极后形成一电子束，栅极的电位相对阴极为负，调节栅极相对阴极的

3、电位，可以控制通过栅极的电子数目，从而控制到达荧光屏上的电子数目，改变荧光屏上光点的亮度，示波器面板上辉度调节旋钮就是起这一作用的。 阳极和聚焦极相对栅极有很高的电位，对电子束进行聚焦与加速。电子在向荧光屏运动的过程中会向四周发散，因而在荧光屏上观察到的是一个光斑。 若让电子束通过如图3所示的静电场（图中带箭头的实线为电力线，虚线为等位线，SZ线为电子运动轨迹），利用电场对电子的作用，可以使发散的电子束通过这一电场后重新会聚成一细小的电子束。这一电场对电子的作用就像会聚透镜对光的作用一样，所以称为“静电透镜”。示波器面板上的聚焦旋钮就是起这一作用的。图3 聚焦电极内电场分布 图4 电子通过偏转

4、板时的运动轨迹（2 2）偏转板）偏转板 示波管内有两组平行板，一组竖直放置（如图2中的6），一组水平放置（如图2中的7）。通常在竖直放置的平行板上加上被测信号电压，则电子通过这一平行板间的电场时，受电场作用运动方向发生改变，如图4所示。当电子束到达荧光屏时，在垂直方向上偏转的距离Y与加在平行板上的信号电压U成正比，即 ，D为垂直偏转系数，单位V/cm（或V/格），因此可通过测量电子束的偏移距离Y确定信号的电压。 同理，在水平放置的偏转板上加上电压也可通过测量电子束在水平方向的偏移距离确定。 DYU （3 3）荧光屏）荧光屏 示波管前端的玻璃屏上涂有一层荧光粉，当电子束打到荧光屏上时可使荧光粉发

5、光，显示出电子束的运动轨迹，即被测信号的波形。 要注意避免电子束长时间射在荧光屏上一点，以免烧坏该点。因此暂不用示波器时，可将“辉度”调暗。二、电压放大电路二、电压放大电路 一般示波管偏转板的灵敏度不高，偏转1cm得有几十伏的电压。被测信号的电压一般较低，只有几伏、几毫伏，甚至更低。因此为了使电子束能在荧光屏上获得明显的偏移，必须对被测信号进行电压放大，垂直（Y轴）和水平（X轴）放大器就起这一作用。三、扫描与触发系统三、扫描与触发系统 把一个电压随时间变化的信号加在示波器垂直偏转板上，只能从荧光屏上观察到光点在垂直方向的运动，看不到电压随时间变化的波形。如果在水平偏转板上加上一个电压与时间成正

6、比的信号，使电子束在垂直方向运动的同时沿水平方向移动，把垂直方向的运动在水平方向“展开”，就可以在荧光屏上显示出电压随时间变化的波形。电子束在水平方向的运动是周期性地来回扫动，所以把它称之为“扫描扫描”。 实际上采用的扫描信号是如图5所示的“锯齿波”，由图1所示的扫描电路产生，它的特点是在一周内电压与时间成正比，到达最大值后又瞬即回到零。图5 扫描信号波形图图6 扫描原理图 当扫描信号（锯齿波）的周期与垂直方向信号的周期相同时，可以在荧光屏上显示出如图6所示的一个完整周期的波形，而且每次扫描出现的波形完全重合，因而在荧光屏上观察到的波形是稳定的。如果扫描信号的周期是垂直方向信号周期的整数倍N，

7、则荧光屏上将显示N个稳定的垂直方向信号波形，此时被测信号与扫描信号同步，称为扫描同步扫描同步。若扫描信号周期不是被测信号周期的整数倍，则波形不稳定，即不同步。 由于两信号周期的整数倍关系难以始终严格满足，仅通过调节示波器面板上的扫描速率转换开关与扫描微调旋钮来改变扫描信号频率，以保持这种同步关系是不容易的。 为解决这一问题示波器多通过其触发系统实施触发扫描来实现同步。原理如下： 用输入的被测信号或所选的外部信号作触发信号，将其送至触发电路，当其电平达到“电平”旋钮选择的触发电平时产生触发脉冲，启动扫描电路进行扫描，扫描期间到来的触发脉冲将不会对扫描电路产生影响。本次扫描结束后，下一个触发脉冲将

8、重新启动扫描电路扫描。由于每一个触发脉冲产生于所选择的触发电平所对应的触发信号的同相位 点，这样每次扫描的起始点就与被测信号的同相位点保持一致，每次扫描的波形也就能完全重复而稳定地显示。 由图5所示的锯齿波扫描信号可知一周期内，电压U与时间t成正比，而水平方向偏转距离x与电压U成正比，故水平方向偏转X距离与时间t成正比，即有：tSx， S为扫描时基系数，单位用“时间/格”表示，或用“s/cm及ms/cm、s/cm”表示，经过定标可通过测量电子束在水平方向的偏移距离x来确定相应偏转所需的时间。 双踪扫描是利用一个电子开关来实现的。电子开关实际上是一个自动的快速单刀双掷开关，它把接入两个Y轴输入端

9、（CH1通道与CH2通道）的两个信号轮换着送入Y轴放大器，在荧光屏上的两个不同位置轮流显示这两个信号。轮换速度足够快时，由于人眼的视觉暂留作用，就可在荧光屏上同时观察到两个信号波形。观察李萨如图并测定未知正弦信号频率观察李萨如图并测定未知正弦信号频率 把两个正弦信号分别加到垂直与水平偏转板，则荧光屏上光点的运动轨迹是两个互相垂直的谐振动的合成。当两个正弦信号频率之比为整数之比时，其轨迹是一个稳定的闭合曲线,这种曲线称为李萨如图.例如，垂直方向信号的频率是水平方向信号频率的倍时，合成结果得到如图7所示的李萨如图。图8是一组频率比为整数比时两信号合成的李萨如图。如果两个信号的频率比不是整数比，图形

10、不稳定。当接近整数比时，可以观察到转动的图形。李萨如图的形状还随两个信号的幅值以及位相不同而变化。图7 相互垂直正弦信号合成李萨如图yxxyNNffxNyNxyff :图8 为1:1、1:2、1:3、2:3时的李萨如图xf 由图8可见，李萨如图在水平方向振动频率 与垂直方向振动频率 之比同水平方向的切点数目 与垂直方向的切点数目 之比成反比关系： yf(1) 由此可以测量未知正弦信号频率。即其中一个信号的频率已知并连续可调，则从李萨如图上数出切点数 与 ，记下已知信号的频率 ，即可由式（1）算出待测正弦信号的频率 。xfxNyfyN 实验内容实验内容一、熟悉示波器、函数信号发生器各主要旋钮，一

11、、熟悉示波器、函数信号发生器各主要旋钮，按钮的功能作用按钮的功能作用 先将示波器面板上所有已按下的按钮弹出；按下电源开关，接通电源；“垂直方式（18）”选择“ CH1”（或CH2）；“触发源（16）”选择“CH1”（或CH2）；“触发耦合”置于“AC”；“触发方式”选择“自动（21）”；调节“辉度（2）”、“聚焦（4）”、“垂直位移（17）”及“水平位移（20）”旋钮至适中位置，以找到并获得细而清晰的扫描线。 将EE1641BEE1641B函数信号发生器的正弦信号输入到示波器CH1（或CH2）输入端；调节 “垂直偏转系数旋钮VOLTS/DIV（5）”和“扫描时基系数旋钮A TIME/DIV（1

12、1）”，使一个周期以上的正弦波信号显示在荧光屏内；按下“电平锁定（22）”，使波形稳定。 示波器、函数信号发生器各主要旋钮，按钮的功能作用可边看附录介绍，边反复地调节相关旋钮、按钮来体会其作用和熟悉其操作。二、信号电压与周期的测量二、信号电压与周期的测量 在示波器上调出一正弦波形，测量电压时，一般是测量其峰峰值 ，即从波峰到波谷之间的值，如图9所示。实验时利用荧光屏前的刻度标尺分别读出与电压峰峰值对应的垂直方向的距离y及一个周期波形所对应的水平方向距离x，则：D是垂直偏转系数，S是扫描时基系数。ppUDyUpp图9 正弦信号波形图SxT 按表1要求测量信号发生器输出的正弦信号的电压峰峰值与周期

13、，并按1：1的比例在坐标纸上画出信号波形。表1 正弦信号电压与周期测量数据表函数信号发生器 双踪模拟示波器测量值频 率( H z )输出电压( )输出衰减(dB)垂直偏转系数(V/cm)y(cm)时基偏转系数(ms/cm)x(cm)TppUppU实验步骤如下： （1）按下“X-Y控制键（14）”，此时CH1通道转变为水平输入端（X轴），CH2通道为垂直输入端（Y轴）。（2）将信号发生器输出的正弦信号与被测正弦信号分别输入到CH1和CH2通道。（3）调节EE1641B信号发生器输出信号的频率，使李萨如图变化最缓慢为止，分别得到：为1：1、1：2、2：3的李萨如图形。在坐标纸上画出李萨如示意图，记

14、下相应的信号发生器输出的正弦信号的频率、水平及垂直方向上的切点数与，计算被测正弦信号的频率，填入自制表格。三、观察李萨如图并测定未知正弦信号频率三、观察李萨如图并测定未知正弦信号频率 以上各内容可选择不同频率或不同波形来反复操作以达到熟练运用的目的。【注意事项【注意事项】（1）将函数信号发生器的SYS和OFFSET旋钮逆时针旋到底听到咔嚓声关上。（2）测量电压值与周期时一定要把示波器微调旋钮沿顺时针旋到“校准校准”的位置上。（3）示波器的标尺刻度盘与荧光屏不在同一平面上，读数时正视，尽量减小视差。 思考题思考题1、示波器是好的，但荧光屏上不出现图像，试分析在什么情况下会出现这种现象？2、扫描时基系数开关上标出的是扫描时间系数，如何测定扫描波的频率？如果荧光屏显示出一个完整波形，但图像向右缓慢移动，扫描波频率比被测信号频率高