实验12 示波器的使用

标准 文案 实验六 示波器的使用 示波器是一种用途广泛的电子测量仪器，用它能直接观察电信号的波形，也能测定电压信号的幅度、周期和频率等参数。用双踪示波器还可以测量两个信号之间的时间差或相位差。凡是能转化为电压信号的电学量和非电学量都可以用示波器来观测。借助示波器我们可以直观地“看到”电路各点的状态。示波器的扫描方式是一个可以看到波形的“电压表”；Ｘ－Ｙ方式可以观察两个电子信号的垂直方向的合成，因此示波器是电子工作者的重要工具。 实验目的 1．了解通用示波器的结构和工作原理，掌握各个旋钮的作用和使用方法； 2．学会音频信号发生器的使用方法； 3．学会用示波器观察波形以及测量信号的电压、频率和位相差； 实验仪器 示波器、信号发生器等

实验原理 电子示波器（简称示波器）是一种能将随时间变化的电压信号直观的显示在荧光屏上的仪器。示波器由示波管、Y轴系统、X轴系统等组成。图6-1是示波

图6-1示波器的原理框图 标准

文案 器的原理框图。 １．示波器的聚焦和偏转原理 示波器中用于显示波形的真空玻璃管叫阴极射线管，简称示波管。如图6-2所示。示波管的正面是一个涂有荧光物质的圆形屏，当管中的高速运动电子打上去时，就会发出荧光。一般的示波器都是热阴极：阴极由灯丝通电加热后，阴极上的电子由于热运动而脱离出阴极，称为热激发。由于示波器中的第二阳极电压比阴极高上千伏特。因此，电子被加速后轰击到荧光屏上，使该处的荧光物质发光。 （1）辉度 设电子由阴极热激发时的速度为V0，电子到达第二阳极的速度为V2 ,阴极和阳极之间的电压为U2，则有

22022212

1eUmvmv

式中m是电子的质量，且v0<

，所以电子到达第二阳极(也是到达荧光屏)

上的速度v2为：

VeUm222 为了控制电子束轰击荧光屏上的强度，也就是控制单位时间轰击荧光屏的电

图6-2示波管结构示意 标准 文案 子数目，在阳极前面加一个零到几十伏特的调制极，其形状是一个开有小孔的金属罩，由于调制极电位比阴极要低，而且调制极的电位越低，穿过金属罩小孔的电子越少，亮度越弱。调节调制极的电位，就能够改变荧光屏上光斑的亮度，这就是面板上“辉度”旋钮的作用。 （2）电聚焦 在两个第二阳极A2之间设有一个特殊形状的第一阳极，给第一阳极加上比第二阳极低的电位（例如第二阳极1200V，第一阳极255V），由于第一阳极和第二阳极之间有电位差，其特殊形状的电极构成电子透镜，如光学透镜能会聚光一样，电子透镜能会聚射向荧光屏的电子束。电子透镜聚焦条件由第二阳极A2上的电位U2和第一阳极A1上的电位U1之比决定，调节聚焦U1和辅助聚焦U2就是调节两电位之比，这就是示波器的电聚焦原理。 （3）电偏转 由阴极热激发的电子经第二阳极加速后，在到达荧光屏之前，还要经过由水平偏转极板和垂直偏转极板所围成的空间。在偏转极板上加上几十伏特的偏转电压。当电子穿过偏转极中间时，由于受电场力的作用而使电子束偏离直线。偏转电压越大，电场力越大，荧光屏上的亮点偏离荧光屏中心越远，这就是电偏转原理。 2．示波器的扫描原理 如果只在竖直偏转板（Y轴）上加一正弦波电压，则电子束将随电压的变化只在竖直方向上往复运动，由荧光屏上看到的是一条竖直亮线。如图6-3所示。 要能显示波形，必须同时在水平偏转板加一扫描电压，使电子束的亮点沿水平方标准 文案 向拉开。这种扫描电压的特点应是：电压随时间成线性关系增加到最大值，然后突然回到最小，此后再重复变化。这种扫描电压随时间变化的关系曲线形同“锯齿”，故称为“锯齿波电压”，如图6-4所示。如果只在水平偏转板上（X 轴）加上这样的锯齿波电压，则电子束随电压的变化只在水平方向上往复运动，由荧光屏上看到的是一条水平亮线。如图6-4所示为只在水平偏转板上加一锯齿波电压的情形。 如果在竖直偏转板上（Y轴）加正弦波电压，同时在水平偏转板上（X 轴）加锯齿波电压，电子束同时受竖直和水平两个方向电场力的作用，电子的运动是两互相垂直运动的合成。当锯齿波电压与正弦电压变化周期相等时，在荧光屏上能显示完整周期的正弦波电压的波形图，如图6-5所示为示波器显示正弦波形的原理图。 （１）连续扫描 如果正弦波和锯齿波电压的标准 文案 周期稍有不同，屏上出现的是移动着的不稳定图形。这种情况可以用图6-6说明：设X 轴加的锯齿波电压的周期TX比Y 偏转板上的正弦波电压周期TY 稍小。比如TX /TY=7/8，在第一扫描周期(第一个锯齿波)内，屏上显示正弦信号0-4点之间的曲线段；在第二周期（第二个锯齿波）内，显示4-8点之间的曲线段；在第三周期（第三个锯齿波）内，显示8-11点之间的曲线段。其中第一个曲线段的结束和第二个曲线段的起点对应相同的Y 偏转电压。第二曲线段的尾部和第三曲线段的起点对应相同的Y 偏转板电压。这样，在屏上显示的波形不重迭，好象波形在向右移动。如果TX和TY差别稍大一些，一个一个的波形由于荧光屏的余辉和人眼的视觉暂留，看到的是多个波形在屏上的迭加结果。其原因是扫描电压的周期TX与被测信号的周期TY不相等或不成整数倍关系，以致于每次扫描的起点在Y轴上不相同。 为了获得稳定波形(单一波形)，每次扫描在Y 轴上应有相同的起点。在连续扫描中，锯齿波的周期称为扫描周期，扫描周期TX和Y轴上被测信号周期TY

之间应满足YXnTT（n是整数）

在示波器上设有扫描范围和扫描微调以及整步调节，用来调节TX，使之满足YXnTT 。从而在示波器上得到完全重迭的波形，看到的是单一稳定的波形。

称之为同步扫描。 上面所述的X轴锯齿波是一个紧接一个产生的,称为连续扫描方式。 （2）触发扫描方式 为了获得稳定波形(单一波形)，每次扫描在Y 轴上应有相同的起点。在示波器的扫标准 文案 描方式中，另一种称为触发扫描方式：在触发扫描方式中，X 轴所加的锯齿波电压UX 和Y 轴所加的待测电压UY 之间的关系如图6-7所示。在触发扫描中。锯齿波的起点由被测信号的某一斜率和电平点触发产生，一个锯齿波显示一屏，一个锯齿波结束后，等候待测信号UY相同的斜率和电平点再次触发产生下一个锯齿波。由于每屏波形起点对应待测信号UY相同的斜率和电平（每屏有相同的起点），所以波形自然稳定(各屏重迭)。 3．X-Y方式：李萨如图形 如果示波器的X轴和Y轴输入是频率相同或成整数比的两个正弦电压，则屏上将呈现特殊形状的光点的轨迹，这种轨迹称为李萨如图形。频率比不同时，将形成不同的李萨如图形。图6-8所示的是频率比成简单整数比的几组李萨如图形。从图形中可总结出如下规律：yxyxnnff:: ，其中xn为水平线与轨迹相切的切点数,yn为竖直线与轨迹相切的切点数。利用李萨如图形能方便准确地比较两交变信号的频率。 4．示波器的测量原理 示波器除了能直观地显示之外，其测量内容可归结为两类：电压和时间的测量，而电压和时间的测量最后都归结为屏上波形长度的测量。 （1）电压的测量 示波器屏上光点Y轴偏转距离DY正比于输入电压UY，比例系数KY称为电压偏转因数，有DY=KYUY ,Y轴电压偏转因数KY的单位为：V/div。 标准 文案 例如:测电压峰—峰值时，峰－峰值占了3.6div，V／div档用0．1V／div，输入端用了10：l衰减探头，则Vp－p＝0.1V／div×3.6div×10＝3.6V。 （2）时间的测量 在触发扫描方式的示波器中，每个锯齿波的长度是确定的（在连续扫描方式中锯齿波的长度不确定），也就是说，在触发扫描方式的示波器中，每一屏的时间是确定的。利用波形在X轴上的长度，可以测量屏上波形两点之间的时间间隔。在触发扫描方式时，示波器屏上光点X轴偏转距离DX正比于时间t，比例系数KS称为时基因数，有DX=KSt，时基因数KS的单位为：s/div。 例如：波形在X轴上的长度是4div，t／div档为2ms／div，则波形的周期：T＝2ms／div×4div＝8ms 在触发扫描方式的示波器中，一般在出厂时Y轴的电压偏转因数和X轴扫描的时基因数都已标定了。 实验步骤 1．熟悉示波器上各开关、旋钮的作用。 接通电源，打开“电源”开关，指示灯亮，等待电子管预热一分钟左右，荧光屏上出现亮点。 调亮度旋钮“*”，使亮度适中，注意不应使亮度过强，更不能使强亮斑集中于一点，以免灼毁荧光屏。

调节聚焦“”和辅助聚焦“”旋钮，使亮斑成为小圆点（在X轴和Y轴均无信号输入的情况下）。 调节Y轴位移“↑↓”和X轴位移“”旋钮，使亮点上下左右适中。 2．观察波形 将“电平”旋钮旋到“自动”位置，亮点展成一条横线。 调节低频信号发生器的输出幅度，用晶体管毫伏表测量它的有效值，使为1.00伏(或从低频信号发生器面板上的电压表读出)。然后接到示波器的“Y轴输标准 文案 入”。 将耦合开关指向“AC”，触发信号开关（或整步选择）指向“内+”或“内－”，荧光屏上就出现规则不稳定的波形。 再调节“v/div”旋钮（或Y轴增幅和Y轴衰减），使波形幅度合适；调节“t/div”旋钮（或扫描范围），使波形宽度合适（有2至3个宽整波形）。此时，波形可能走动，调节“电平”（或整步调节和扫描微调）使波形稳定。 改变几次低频信号发生器的输出幅度和频率，再调出n个稳定波形。 3．测量电压 测交流电压，调出待测电压的稳定波形，读出波形的波峰到波谷所占的分度和此时v/div档级的标称值，由此求得波形电压的峰----峰值。换算为有效值。 4．测量频率 （1）先测出周期，然后得到频率。调出待测周期信号的稳定波形，读出波形一个周期所占的分度和此时t/div档级的标称值，由此求得周期和频率。并与低频信号发生器输出的频率相比较。 （2）利用李萨如图测量频率。 从X轴输入已知频率信号，从Y轴输入待测频率yf，调节有关旋钮，并逐渐改变y轴的输入频率yf，使3:23:12:1:、、yxff，算出yf，并与低频信号发生器上的频率示值相比较。 5．测量两个正弦波的相位差 根据李萨如图形可以计算出相位差，如图6－9所示。 令taysin )sin(tbx 则y与x的相位差为．假定波形在X轴线上的截距为2x0，则对X轴上的P点