大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)示波器實(shí)驗(yàn)報(bào)告 (3)

1、.示波器的使用【實(shí)驗(yàn)簡介】示波器是用來顯示被觀測信號的波形的電子測量儀器，與其他測量儀器相比，示波器具有以下優(yōu)點(diǎn)：能夠顯示出被測信號的波形；對被測系統(tǒng)的影響小；具有較高的靈敏度；動態(tài)范圍大，過載能力強(qiáng)；容易組成綜合測試儀器，從而擴(kuò)大使用范圍；可以描繪出任何兩個(gè)周期量的函數(shù)關(guān)系曲線。從而把原來非常抽象的、看不見的電變化過程轉(zhuǎn)換成在屏幕上看得見的真實(shí)圖像。在電子測量與測試儀器中，示波器的使用范圍非常廣泛，它可以表征的所有參數(shù)，如電壓、電流、時(shí)間、頻率和相位差等。若配以適當(dāng)?shù)膫鞲衅?，還可以對溫度、壓力、密度、距離、聲、光、沖擊等非電量進(jìn)行測量。正確使用示波器是進(jìn)行電子測量的前提。第一臺示波器由一只示

2、波管，一個(gè)電源和一個(gè)簡單的掃描電路組成。發(fā)展到今天已經(jīng)由通用示波器到取樣示波器、記憶示波器、數(shù)字示波器、邏輯示波器、智能化示波器等近十大系列，示波器廣泛應(yīng)用在工業(yè)、科研、國防等很多領(lǐng)域中。 Karl Ferdinand Braun生平簡介1909年的諾貝爾物理獎得主Karl Ferdinand Braun于1897年發(fā)明世界上第一臺陰極射線管示波器，至今許多德國人仍稱CRT為布朗管(Braun Tube)。 圖8-1 Karl Ferdinand Braun【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、 了解示波器的結(jié)構(gòu)和工作原理，熟悉示波器和信號發(fā)生器的基本使用方法。2、 學(xué)習(xí)用示波器觀察電信號的波形和測量電壓、周期及頻

3、率值。3、 通過觀察李沙如圖形，學(xué)會一種測量正弦波信號頻率的方法?！緦?shí)驗(yàn)儀器】VD4322B型雙蹤示波器、EM1643型信號發(fā)生器、連接線及小喇叭等 171234568910111213141516圖8-2 VD4322型雙蹤示波器板面圖1、電源開關(guān) 2、電源指示燈3、聚焦旋鈕4、亮度調(diào)節(jié)旋鈕5、Y1(X)信號輸入口6、Y2信號輸入口7、8、入耦合開關(guān)（AC-GND-DC）9、10、垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)選擇開關(guān)（V/格）11、位移旋鈕12、位移旋鈕13、工作方式選擇開關(guān)（、交替、斷續(xù)）14、掃描速度（時(shí)間/格）選擇開關(guān)15、掃描微調(diào)控制旋鈕16、水平位移旋鈕17、電平調(diào)節(jié)旋鈕【實(shí)驗(yàn)原理】一、示波器的結(jié)

4、構(gòu)及簡單工作原理示波器一般由5個(gè)部分組成，如圖8-3所示：（1）示波管；(2)信號放大器和衰減器（3）掃描發(fā)生器；（4）觸發(fā)同步電路；（5）電源。下面分別加以簡單說明。熒 光屏內(nèi)外觸發(fā)掃 描發(fā)生器放 大或衰減觸 發(fā)同 步放 大或衰減X軸輸入Y軸輸入亮度聚焦輔助聚焦電源YXHKGA1A2電子槍圖8-3 電路結(jié)構(gòu)圖電源YX1、 示波管圖8-4 示波管示意圖示波管主要包括電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三部分，全都密封在玻璃外殼內(nèi)，里面抽成高真空。如圖8-4所示，下面分別說明各部分的作用。（1）熒光屏：它是示波器的顯示部分，當(dāng)加速聚焦后的電子打到熒光上時(shí)，屏上所涂的熒光物質(zhì)就會發(fā)光，從而顯示出電子束的位置。

5、當(dāng)電子停止作用后，熒光劑的發(fā)光需經(jīng)一定時(shí)間才會停止，稱為余輝效應(yīng)。（2）電子槍：由燈絲H、陰極K、控制柵極G、第一陽極A1、第二陽極A2五部分組成。燈絲通電后加熱陰極。陰極是一個(gè)表面涂有氧化物的金屬筒，被加熱后發(fā)射電子?？刂茤艠O是一個(gè)頂端有小孔的圓筒，套在陰極外面。它的電位比陰極低，對陰極發(fā)射出來的電子起控制作用，只有初速度較大的電子才能穿過柵極頂端的小孔然后在陽極加速下奔向熒光屏。示波器面板上的“亮度”調(diào)整就是通過調(diào)節(jié)電位以控制射向熒光屏的電子流密度，從而改變了屏上的光斑亮度。陽極電位比陰極電位高很多，電子被它們之間的電場加速形成射線。當(dāng)控制柵極、第一陽極、第二陽極之間的電位調(diào)節(jié)合適時(shí)，電子

6、槍內(nèi)的電場對電子射線有聚焦作用，所以第一陽極也稱聚焦陽極。第二陽極電位更高，又稱加速陽極。面板上的“聚焦”調(diào)節(jié)，就是調(diào)第一陽極電位，使熒光屏上的光斑成為明亮、清晰的小圓點(diǎn)。有的示波器還有“輔助聚焦”，實(shí)際是調(diào)節(jié)第二陽極電位。（3）偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)：它由兩對相互垂直的偏轉(zhuǎn)板組成，一對垂直偏轉(zhuǎn)板Y，一對水平偏轉(zhuǎn)板X。在偏轉(zhuǎn)板上加以適當(dāng)電壓，電子束通過時(shí)，其運(yùn)動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而使電子束在熒光屏上的光斑位置也發(fā)生改變。容易證明，光點(diǎn)在熒光屏上偏移的距離與偏轉(zhuǎn)板上所加的電壓成正比，因而可將電壓的測量轉(zhuǎn)化為屏上光點(diǎn)偏移距離的測量，這就是示波器測量電壓的原理。2、信號放大器和衰減器0tUx圖8-5 鋸齒波示波管本

7、身相當(dāng)于一個(gè)多量程電壓表，這一作用是靠信號放大器和衰減器實(shí)現(xiàn)的。由于示波管本身的X及Y軸偏轉(zhuǎn)板的靈敏度不高（約0.11mm/V），當(dāng)加在偏轉(zhuǎn)板的信號過小時(shí)，要預(yù)先將小的信號電壓加以放大后再加到偏轉(zhuǎn)板上。為此設(shè)置X軸及Y軸電壓放大器。衰減器的作用是使過大的輸入信號電壓變小以適應(yīng)放大器的要求，否則放大器不能正常工作，使輸入信號發(fā)生畸變，甚至使儀器受損。對一般示波器來說，X軸和Y軸都設(shè)置有衰減器，以滿足各種測量的需要。3、掃描系統(tǒng)（掃描發(fā)生器）掃描系統(tǒng)也稱時(shí)基電路，用來產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間作線性變化的掃描電壓，這種掃描電壓隨時(shí)間變化的關(guān)系如同鋸齒，故稱鋸齒波電壓，如圖8-5所示，這個(gè)電壓經(jīng)X軸放大器放大后

8、加到示波管的水平偏轉(zhuǎn)板上，使電子束產(chǎn)生水平掃描。這樣，屏上的水平坐標(biāo)變成時(shí)間坐標(biāo)，Y軸輸入的被測信號波形就可以在時(shí)間軸上展開。掃描系統(tǒng)是示波器顯示被測電壓波形必需的重要組成部分。一、 示波器顯示波形的原理t0Uy圖8-6正弦波如果只在豎直偏轉(zhuǎn)板上加一交變的正弦電壓，則電子束的亮點(diǎn)將隨電壓的變化在豎直方向來回運(yùn)動，如果電壓頻率較高，則看到的是一條豎直亮線，如圖8-6所示。要能顯示波形，必須同時(shí)在水平偏轉(zhuǎn)板上加一掃描電壓，使電子束的亮點(diǎn)沿水平方向拉開。這種掃描電壓的特點(diǎn)是電壓隨時(shí)間成線性關(guān)系增加到最大值，最后突然回到最小，此后再重復(fù)地變化。這種掃描電壓即前面所說的“鋸齒波電壓”，如圖8-5所示。當(dāng)

9、只有鋸齒波電壓加在水平偏轉(zhuǎn)板上時(shí)，如果頻率足夠高，則熒光屏上只顯示一條水平亮線。如果在豎直偏轉(zhuǎn)板上（簡稱Y軸）加正弦電壓，同時(shí)在水平偏轉(zhuǎn)板上（簡稱X軸）加鋸齒波電壓，電子受豎直、水平兩個(gè)方向的力的作用，電子的運(yùn)動就是兩相互垂直的運(yùn)動的合成。當(dāng)鋸齒波電壓比正弦電壓變化周期稍大時(shí)，在熒光屏上將能顯示出完整周期的所加正弦電壓的波形圖。三、觸發(fā)同步的概念圖8-7 不同步時(shí)波形TyTx3Uyt1245769101112801692547104,118830UxtTx=Ty如果正弦波和鋸齒波電壓的周期稍微不同，屏上出現(xiàn)的是一移動著的不穩(wěn)定圖形。這種情形可用圖8-7說明。設(shè)鋸齒波電壓的周期Tx比正弦波電壓周

10、期Ty稍小，比方說Tx/Ty=7/8。在第一掃描周期內(nèi)，屏上顯示正弦信號04點(diǎn)之間的曲線段；在第二周期內(nèi)，顯示48點(diǎn)之間的曲線段，起點(diǎn)在4處；第三周期內(nèi)，顯示811點(diǎn)之間的曲線段，起點(diǎn)在8處。這樣，屏上顯示的波形每次都不重疊，好象波形在向右移動。同理，如果Tx比Ty稍大，則好象在向左移動。以上描述的情況在示波器使用過程中經(jīng)常會出現(xiàn)。其原因是掃描電壓的周期與被測信號的周期不相等或不成整數(shù)倍，以致每次掃描開始時(shí)波形曲線上的起點(diǎn)均不一樣所造成的。為了使屏上的圖形穩(wěn)定，必須使Tx/Ty=n（n1，2，3，），n是屏上顯示完整波形的個(gè)數(shù)。為了獲得一定數(shù)量的波形，示波器上設(shè)有“掃描時(shí)間”（或“掃描范圍”）

11、、“掃描微調(diào)”旋鈕，用來調(diào)節(jié)鋸齒波電壓的周期Tx（或頻率fx），使之與被測信號的周期Ty（或頻率fy）成合適的關(guān)系，從而在示波器屏上得到所需數(shù)目的完整的被測波形。輸入Y軸的被測信號與示波器內(nèi)部的鋸齒波電壓是互相獨(dú)立的。由于環(huán)境或其它因素的影響，它們的周期（或頻率）可能發(fā)生微小的改變。這時(shí)，雖然可通過調(diào)節(jié)掃描旋鈕將周期調(diào)到整數(shù)倍的關(guān)系，但過一會兒又變了，波形又移動起來。在觀察高頻信號時(shí)這種問題尤為突出。為此示波器內(nèi)裝有掃描同步裝置，讓鋸齒波電壓的掃描起點(diǎn)自動跟著被測信號改變，這就稱為整步（或同步）。有的示波器中，需要讓掃描電壓與外部某一信號同步，因此設(shè)有“觸發(fā)選擇”鍵，可選擇外觸發(fā)工作狀態(tài)，相應(yīng)

12、設(shè)有“外觸發(fā)”信號輸入端。四、 示波器的應(yīng)用1、示波器觀察電信號波形。將待觀察信號從或端接入加到Y(jié)偏轉(zhuǎn)板，X偏轉(zhuǎn)板加上掃描電壓信號，調(diào)節(jié)輝度旋鈕、聚集旋鈕、x、y位移旋鈕,調(diào)節(jié)電壓偏轉(zhuǎn)因數(shù)旋鈕和掃描時(shí)間旋鈕，再調(diào)節(jié)同步觸發(fā)電平旋鈕，即看到待觀察信號波形。2、測量電壓利用示波器可以方便測出電壓值，實(shí)際上示波器所做的任何測量都?xì)w結(jié)為電壓的測量。其原理基于被測量的電壓使電子束產(chǎn)生與之成正比的偏轉(zhuǎn)。計(jì)算公式為 （8-1）式中，y為電子束沿y軸方向的偏轉(zhuǎn)量，用格數(shù)（DIV）表示；為示波器y軸的電壓偏轉(zhuǎn)因數(shù)（V/DIV）即（伏/格）。3、測量頻率（1）周期換算法周期換算法所依據(jù)的原理是頻率與周期成倒數(shù)關(guān)系

13、： (8-2）信號的周期可以用掃描速度值乘以被測信號波形的又一個(gè)周期在熒光屏上的水平偏轉(zhuǎn)距離而求得（T=掃描速度一個(gè)周期水平距離），故信號的頻率便可以算出。（2）李薩如圖形法1:11:21:32:3頻率比相位差角圖8-8 李莎如圖設(shè)將未知頻率fy的電壓Uy和已知頻率fx的電壓Ux（均為正弦電壓），分別送到示波器的Y軸和X軸，則由于兩個(gè)電壓的頻率、振幅和相位的不同，在熒光屏上將顯示各種不同波形，一般得不到穩(wěn)定的圖形，但當(dāng)兩電壓的頻率成簡單整數(shù)比時(shí)，將出現(xiàn)穩(wěn)定的封閉曲線，稱為李薩如圖形。根據(jù)這個(gè)圖形可以確定兩電壓的頻率比，從而確定待測頻率的大小。圖8列出各種不同的頻率比在不同相位差時(shí)的李薩如圖形，

14、不難 得出：所以未知頻率 （8-3）【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求】1、示波器：輝度、聚焦、水平和豎直位移通道選擇、觸發(fā)、電平、幅度因子、掃描因子；2、信號源：頻率、信號幅度、波形選擇。3、連接信號源與示波器：信號源輸出正弦波信號、調(diào)節(jié)示波器，出現(xiàn)穩(wěn)定的正弦波，根據(jù)波形和幅度因子算出電壓有效值，波形和掃描因子算出信號頻率。4、將示波器置非掃描檔，外接兩個(gè)信號源合成利薩如圖?！緦?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理】測定正弦波電壓和頻率的表格 Hz電壓幅度因子峰值距離電壓峰值有效值 頻率掃描因子一周期的水平距離周期值頻率 利薩如圖表格1000Hz2000Hz1000Hz【思考題】1. 示波器為什么能顯示被測信號的波形？2. 熒光

15、屏上無光點(diǎn)出現(xiàn)，有幾種可能的原因？怎樣調(diào)節(jié)才能使光點(diǎn)出現(xiàn)？3. 熒光屏上波形移動，可能是什么原因引起的；.【附EM1643型函數(shù)發(fā)生器介紹】143256789101112131415圖8-9 函數(shù)發(fā)生器圖（1）電源開關(guān)(POWER)：按入開。（2）功能開關(guān)(FUNCTION)：波形選擇正弦波 方波和脈沖波 三角波和鋸齒波（3）頻率微調(diào)旋鈕FREQVAR：頻率復(fù)蓋范圍10倍。（4）分檔開關(guān)(RANGE-HZ) ：（10HZ-2MHZ分六檔選擇)。（5）衰減器按鈕(ATT)：開關(guān)按入時(shí)衰減低30Db。（6）電壓幅度調(diào)節(jié)旋鈕(AMPLITUDE)；幅度可調(diào)。（7）直流偏移調(diào)節(jié)(DC OFF SET)：當(dāng)開關(guān)拉出時(shí):直流電