實驗

示波器的使用

實驗示波器的使用1一、實驗目的

(1)了解示波器的原理。

(2)學會使用示波器的掃描應用和X-Y方式應用。二、實驗儀器示波器、

信號源和甲電池等。

一、實驗目的2三、實驗原理電子示波器(簡稱示波器)是一種能將隨時間變化的電壓信號直觀地顯示在熒光屏上的儀器。示波器由示波管、Y軸系統、X軸系統等組成。如圖3-14-1所示是示波器的原理框圖。

三、實驗原理3圖

3-14-1示波器的原理框圖

圖3-14-1示波器的原理框圖4

1.示波器的聚焦和偏轉原理示波器中用于顯示波形的真空玻璃管稱為陰極射線管,簡稱示波管,如圖3-14-2所示。示波管的正面是一個涂有熒光物質的圓形屏,當管中的高速運動的電子打上去時,就會發出熒光。一般的示波器都是熱陰極。陰極由燈絲通電后加熱,陰極上的電子由于熱運動而脫離陰極,稱為熱激發。由于示波器中的第二陽極電壓比陰極電壓高上千伏特。因此,電子被加速后轟擊到熒光屏上,使該處的熒光物質發光。

1.示波器的聚焦和偏轉原理5圖

3-14-2示波管結構示意圖

圖3-14-2示波管結構示意圖6

1).輝度設電子由陰極熱激發時的速度為V0,電子到達第二陰極的速度為V2,陰極和陽極之間的電壓為U2,則有：

式中,m是電子的質量,且V0<<V2,所以電子到達第二陽極(即到達熒光屏)上的速度V2為1).輝度式中,m是電子的質量,且V0<<V2,所以7

2).電聚焦在兩個第二陽極A2之間設有一個特殊形狀的第一陽極，給第一陽極加上比第二陽極低的電位（例如第二陽極1200V，第一陽極255V），由于第一陽極和第二陽極之間有電位差，其特殊形狀的電極構成電子透鏡，如光學透鏡能會聚光一樣，電子透鏡能會聚射向熒光屏的電子束。電子透鏡聚焦條件由第二陽極A2上的電位U2和第一陽極A1上的電位U1之比決定，調節聚焦U1和輔助聚焦U2就是調節兩電位之比，這就是示波器的電聚焦原理。

2).電聚焦8

3)電偏轉由陰極熱激發的電子經第二陽極加速后,在到達熒光屏之前,還要經過由水平偏轉極板和垂直偏轉極板所圍成的空間。在偏轉極板上加上幾十伏特的偏轉電壓。當電子穿過偏轉極板中間時,由于受電場力的作用而使電子束偏離直線。偏轉電壓越大,電場力越大,熒光屏上的亮點偏離熒光屏中心越遠,這就是電偏轉原理。

3)電偏轉9

2.示波器的掃描原理如果只在豎直偏轉板(Y軸)上加一正弦波電壓,則電子束將隨電壓的變化只在豎直方向上往復運動,則由熒光屏上看到的是一條豎直亮線，

如圖3-14-3所示。

圖

3-14-3只在Y偏轉板加一正弦波電壓的情形

2.示波器的掃描原理圖3-14-3只在Y10要想顯示波形,必須同時在水平偏轉板上加一掃描電壓,使電子束的亮點沿水平方向拉開。這種掃描電壓的特點是:電壓隨時間成線性關系增加到最大值,然后突然回到最小值,此后再重復變化。這種掃描電壓隨時間變化的關系曲線形同“鋸齒”,故稱為“鋸齒波電壓”,如圖3-14-4所示。如果只在水平偏轉板(X軸)加上這樣的鋸齒波電壓,則電子束隨電壓的變化只在水平方向上往復運動,則由熒光屏上看到的是一條水平亮線。如圖3-14-4所示為只在水平偏轉板上加一鋸齒波電壓的情形。

要想顯示波形,必須同時在水平偏轉板上加一掃描電壓,使電11圖

3-14-4鋸齒波波形圖

圖3-14-4鋸齒波波形圖12如果在豎直偏轉板(Y軸)上加正弦波電壓,同時在水平偏轉板(X軸)上加鋸齒波電壓,則電子束同時受豎直和水平兩個方向電場力的作用,電子的運動是兩相互垂直運動的合成。當鋸齒波電壓與正弦波電壓變化周期相等時,在熒光屏上能顯示完整周期的正弦波電壓的波形圖。如圖3-14-5所示為示波器顯示正弦波形的原理圖。

如果在豎直偏轉板(Y軸)上加正弦波電壓,同時在水平偏轉13圖

3-14-5示波器顯示正弦波形的原理圖

圖3-14-5示波器顯示正弦波形的原理圖14

1)連續掃描如果正弦波和鋸齒波電壓的周期稍有不同,則在熒光屏上顯示的是移動著的不穩定波形。這種情況可以用圖3-14-6所示情形進行說明。設X軸所加的鋸齒波電壓周期Tx比Y軸所加的正弦波電壓周期Ty稍小,如Tx/Ty=7/8,則在第一掃描周期(第一個鋸齒波)內,熒光屏上顯示正弦信號0～4點之間的曲線段;在第二周期(第二個鋸齒波)內,顯示4～8點之間的曲線段;在第三周期(第三個鋸齒波)內,顯示8～11點之間的曲線段。其中,第一個曲線段的終點和第二個曲線段的起點對應相同的Y偏轉電壓。第二個曲線段的終點和第三個曲線段的起點對應相同的Y偏轉電壓。這樣,在熒光屏上顯示的波形不重疊,好像波形在向右移動。如果Tx和Ty的差別稍大一些,則由于熒光屏的余輝和人眼的視覺暫留,在熒光屏上看到的將是多個波形在屏上的疊加結果。其原因是掃描電壓的周期Tx與被測信號的周期Ty不相等或不成整數倍關系,以至于每次掃描的起點在Y軸上都不相同。1)連續掃描15圖

3-14-6不穩定波形的形成

圖3-14-6不穩定波形的形成16為了獲得穩定波形(單一波形),每次掃描在Y軸上應有相同的起點。在連續掃描中,鋸齒波的周期稱為掃描周期。掃描周期Tx和Y軸上被測信號周期Ty之間應滿足:(n是整數)

在示波器上設有掃描范圍和掃描微調以及整步調節,用來調節Tx,使之滿足Tx=nTy,從而在示波器上得到完全重疊的波形,看到的是單一穩定的波形。這稱為同步掃描。上面所述的X軸鋸齒波是一個緊接一個產生的,稱為連續掃描方式。為了獲得穩定波形(單一波形),每次掃描在Y軸上應有相17

2)觸發掃描方式為了獲得穩定波形(單一波形),每次掃描在Y軸上應有相同的起點。在示波器的掃描方式中,另一種稱為觸發掃描方式。在觸發掃描方式中,X軸所加的鋸齒波Ux和Y軸待測電壓Uy之間的關系如圖3-14-7所示。在觸發掃描方式中，鋸齒波的起點由被測信號的某一斜率和電平點觸發產生,一個鋸齒波顯示一屏。一個鋸齒波結束后,等候待測信號Uy相同的斜率和電平點再次觸發產生下一個鋸齒波。由于每屏波形起點對應待測信號Uy相同的斜率和電平點(每屏有相同的起點),所以波形自然穩定(各屏重疊)。2)觸發掃描方式18圖

3-14-7觸發掃描波形

圖3-14-7觸發掃描波形19

3.X-Y方式(李薩如圖形)如果示波器的X軸和Y軸輸入的是頻率相同或成整數比關系的兩個正弦電壓,則熒光屏上將呈現特殊形狀的光點的軌跡,這種軌跡稱為李薩如圖形。頻率比不同時,將形成不同的李薩如圖形。圖3-14-8所示為頻率比成簡單整數比關系的幾組李薩如圖形。從圖中可總結出如下規律:其中,nx為水平線與軌跡相切的切點數;ny為豎直線與軌跡相切的切點數。利用李薩如圖形能方便準確地比較兩交變信號的頻率。3.X-Y方式(李薩如圖形)其中,nx為水平線與軌跡相20圖

3-14-8李薩如圖形

圖3-14-8李薩如圖形21

4．示波器的測量原理示波器除了能直觀地顯示之外，其測量內容可歸結為兩類：電壓和時間的測量，而電壓和間的測量最后都歸結為屏上波形長度的測量。（1）電壓的測量示波器屏上光點Y軸偏轉距離DY正比于輸入電壓UY，比例系數KY稱為電壓偏轉因數，有DY=KYUY,Y軸電壓偏轉因數KY的單位為：V/DIV。4．示波器的測量原理22（2）時間的測量在觸發掃描方式的示波器中，每個鋸齒波的長度是確定的（在連續掃描方式中鋸齒波的長度不確定），也就是說，在觸發掃描方式的示波器中，每一屏的時間是確定的。利用波形在X軸上的長度，可以測量屏上波形兩點之間的時間間隔。在掃描方式時，示波器屏上光點X軸偏轉距離DX正比于時間t，比例系數KS稱為時基因數，有DX=KSt，時基因數KS的單位為：S/DIV。在觸發掃描方式的示波器中，一般在出廠時Y軸的電壓偏轉因數和X軸掃描的時基因數都已標定了。（2）時間的測量23四、實驗內容

(1)示波器的光點調節。調節示波器的亮度和聚焦。

(2)Y軸系統調節。把待測信號接到Y軸,選擇Y軸輸入方式為交流耦合或直流耦合方式。調節Y軸電壓偏轉因數(或Y軸衰減),使信號在熒光屏內大小適中。

四、實驗內容24

(3)掃描方式的X軸系統調節。選擇掃描方式為“內”方式。(如果是連續掃描示波器,選擇合適的掃描范圍,調節掃描微調或同步調節,應能顯示出穩定波形。)選擇觸發斜率的正負,調節觸發電平,即可顯示出波形。

(4)觀測李薩如圖形。觀測李薩如圖形時,示波器應設在X-Y方式。

(3)掃描方式的X軸系統調節。選擇掃描方式為“內”方式25五、問題討論

(1)用示波器的連續掃描方式時,為什么不能觀察到不足一個周期的穩定信號(信號是連續的)？

(2)用示波器的觸發掃描方式，如何觀察不足一個周期的信號(信號是連續的)？

(3)如何用示波器測量信號的電壓峰值？

(4)如何用示波器測量直流電平？

(5)如何用示波器的觸發掃描方式測頻率？

(6)用示波器的連續掃描方式測頻率還需要什么設備？

五、問題討論26實驗

示波器的使用

實驗示波器的使用27一、實驗目的

(1)了解示波器的原理。

(2)學會使用示波器的掃描應用和X-Y方式應用。二、實驗儀器示波器、

信號源和甲電池等。

一、實驗目的28三、實驗原理電子示波器(簡稱示波器)是一種能將隨時間變化的電壓信號直觀地顯示在熒光屏上的儀器。示波器由示波管、Y軸系統、X軸系統等組成。如圖3-14-1所示是示波器的原理框圖。

三、實驗原理29圖

3-14-1示波器的原理框圖

圖3-14-1示波器的原理框圖30

1.示波器的聚焦和偏轉原理示波器中用于顯示波形的真空玻璃管稱為陰極射線管,簡稱示波管,如圖3-14-2所示。示波管的正面是一個涂有熒光物質的圓形屏,當管中的高速運動的電子打上去時,就會發出熒光。一般的示波器都是熱陰極。陰極由燈絲通電后加熱,陰極上的電子由于熱運動而脫離陰極,稱為熱激發。由于示波器中的第二陽極電壓比陰極電壓高上千伏特。因此,電子被加速后轟擊到熒光屏上,使該處的熒光物質發光。

1.示波器的聚焦和偏轉原理31圖

3-14-2示波管結構示意圖

圖3-14-2示波管結構示意圖32

1).輝度設電子由陰極熱激發時的速度為V0,電子到達第二陰極的速度為V2,陰極和陽極之間的電壓為U2,則有：

式中,m是電子的質量,且V0<<V2,所以電子到達第二陽極(即到達熒光屏)上的速度V2為1).輝度式中,m是電子的質量,且V0<<V2,所以33

2).電聚焦在兩個第二陽極A2之間設有一個特殊形狀的第一陽極，給第一陽極加上比第二陽極低的電位（例如第二陽極1200V，第一陽極255V），由于第一陽極和第二陽極之間有電位差，其特殊形狀的電極構成電子透鏡，如光學透鏡能會聚光一樣，電子透鏡能會聚射向熒光屏的電子束。電子透鏡聚焦條件由第二陽極A2上的電位U2和第一陽極A1上的電位U1之比決定，調節聚焦U1和輔助聚焦U2就是調節兩電位之比，這就是示波器的電聚焦原理。

2).電聚焦34

3)電偏轉由陰極熱激發的電子經第二陽極加速后,在到達熒光屏之前,還要經過由水平偏轉極板和垂直偏轉極板所圍成的空間。在偏轉極板上加上幾十伏特的偏轉電壓。當電子穿過偏轉極板中間時,由于受電場力的作用而使電子束偏離直線。偏轉電壓越大,電場力越大,熒光屏上的亮點偏離熒光屏中心越遠,這就是電偏轉原理。

3)電偏轉35

2.示波器的掃描原理如果只在豎直偏轉板(Y軸)上加一正弦波電壓,則電子束將隨電壓的變化只在豎直方向上往復運動,則由熒光屏上看到的是一條豎直亮線，

如圖3-14-3所示。

圖

3-14-3只在Y偏轉板加一正弦波電壓的情形

2.示波器的掃描原理圖3-14-3只在Y36要想顯示波形,必須同時在水平偏轉板上加一掃描電壓,使電子束的亮點沿水平方向拉開。這種掃描電壓的特點是:電壓隨時間成線性關系增加到最大值,然后突然回到最小值,此后再重復變化。這種掃描電壓隨時間變化的關系曲線形同“鋸齒”,故稱為“鋸齒波電壓”,如圖3-14-4所示。如果只在水平偏轉板(X軸)加上這樣的鋸齒波電壓,則電子束隨電壓的變化只在水平方向上往復運動,則由熒光屏上看到的是一條水平亮線。如圖3-14-4所示為只在水平偏轉板上加一鋸齒波電壓的情形。

要想顯示波形,必須同時在水平偏轉板上加一掃描電壓,使電37圖

3-14-4鋸齒波波形圖

圖3-14-4鋸齒波波形圖38如果在豎直偏轉板(Y軸)上加正弦波電壓,同時在水平偏轉板(X軸)上加鋸齒波電壓,則電子束同時受豎直和水平兩個方向電場力的作用,電子的運動是兩相互垂直運動的合成。當鋸齒波電壓與正弦波電壓變化周期相等時,在熒光屏上能顯示完整周期的正弦波電壓的波形圖。如圖3-14-5所示為示波器顯示正弦波形的原理圖。

如果在豎直偏轉板(Y軸)上加正弦波電壓,同時在水平偏轉39圖

3-14-5示波器顯示正弦波形的原理圖

圖3-14-5示波器顯示正弦波形的原理圖40

1)連續掃描如果正弦波和鋸齒波電壓的周期稍有不同,則在熒光屏上顯示的是移動著的不穩定波形。這種情況可以用圖3-14-6所示情形進行說明。設X軸所加的鋸齒波電壓周期Tx比Y軸所加的正弦波電壓周期Ty稍小,如Tx/Ty=7/8,則在第一掃描周期(第一個鋸齒波)內,熒光屏上顯示正弦信號0～4點之間的曲線段;在第二周期(第二個鋸齒波)內,顯示4～8點之間的曲線段;在第三周期(第三個鋸齒波)內,顯示8～11點之間的曲線段。其中,第一個曲線段的終點和第二個曲線段的起點對應相同的Y偏轉電壓。第二個曲線段的終點和第三個曲線段的起點對應相同的Y偏轉電壓。這樣,在熒光屏上顯示的波形不重疊,好像波形在向右移動。如果Tx和Ty的差別稍大一些,則由于熒光屏的余輝和人眼的視覺暫留,在熒光屏上看到的將是多個波形在屏上的疊加結果。其原因是掃描電壓的周期Tx與被測信號的周期Ty不相等或不成整數倍關系,以至于每次掃描的起點在Y軸上都不相同。1)連續掃描41圖

3-14-6不穩定波形的形成

圖3-14-6不穩定波形的形成42為了獲得穩定波形(單一波形),每次掃描在Y軸上應有相同的起點。在連續掃描中,鋸齒波的周期稱為掃描周期。掃描周期Tx和Y軸上被測信號周期Ty之間應滿足:(n是整數)

在示波器上設有掃描范圍和掃描微調以及整步調節,用來調節Tx,使之滿足Tx=nTy,從而在示波器上得到完全重疊的波形,看到的是單一穩定的波形。這稱為同步掃描。上面所述的X軸鋸齒波是一個緊接一個產生的,稱為連續掃描方式。為了獲得穩定波形(單一波形),每次掃描在Y軸上應有相43

2)觸發掃描方式為了獲得穩定波形(單一波形),每次掃描在Y軸上應有相同的起點。在示波器的掃描方式中,另一種稱為觸發掃描方式。在觸發掃描方式中,X軸所加的鋸齒波Ux和Y軸待測電壓Uy之間的關系如圖3-14-7所示。在觸發掃描方式中，鋸齒波的起點由被測信號的某一斜率和電平點觸發產生,一個鋸齒波顯示一屏。一個鋸齒波結束后,等候待測信號Uy相同的斜率和電平點再次觸發產生下一個鋸齒波。由于每屏波形起點對應待測信號Uy相同的斜率和電平點(每屏有相同的起點),所以波形自然穩定(各屏重疊)。2)觸發掃描方式44圖

3-14-7觸發掃描波形

圖3-14-7觸發掃描波形45

3.X-Y方式(李薩如圖形)如果示波器的X軸和Y軸輸入的是頻率相同或成整數比關系的兩個正弦電壓,則熒光屏上將呈現特殊形狀的光點的軌跡,這種軌跡稱為李薩如圖形。頻率比不同時,將形成不同的李薩如圖形。圖3-14-8所示為頻率比成簡單整數比關系的幾組李薩如圖形。從圖中可總結出如下規律:其中,nx為水平線與軌跡相切的切點數;ny為豎直線與軌跡相切的切點數。利用李薩如圖形能方便準確地比較兩交變信號的頻率。3.X-Y方式(李薩如圖形)其中,nx為水平線與軌跡相46圖

3-14-8李薩如圖形

圖3-14-8李薩如圖形47

4．示波器的測量原理示波器除了能直觀地顯示之外，其測量內容可歸結為兩類：電壓和時間的測量，而電壓和間的測量最后都歸結為屏上波形長度的測量。（1）電壓的測量示波器屏上光點Y軸偏轉距離DY正比于輸入電壓UY，比例系數KY稱為電壓偏轉因數，有DY=KYUY