大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)講義實(shí)驗(yàn)09示波器原理和使用

1、實(shí)驗(yàn)5示波器原理和使用示波器是利用示波管內(nèi)電子射線的偏轉(zhuǎn)，在熒光屏上顯示出電信號(hào)波形的儀器。用它能直接觀察電信號(hào)的波形，也能測(cè)定電信號(hào)的幅度、周期、頻率和相位，凡能轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)的其它電學(xué)量（電流、電功率、阻抗等）和非電學(xué)量（溫度、位移、速度、壓力、聲強(qiáng)、光強(qiáng)、磁場(chǎng)等），其隨時(shí)間的變化都能用示波器來(lái)觀測(cè)。由于電子射線的慣性小，示波器掃描發(fā)生器的頻率較高（可達(dá)幾百兆赫），Y軸和X軸放大器的增益很大，輸入阻抗高，所以示波器特別適合于觀測(cè)瞬時(shí)變化的過(guò)程，并可測(cè)量微伏級(jí)的電壓，而對(duì)被測(cè)試系統(tǒng)的影響很小。因此示波器是一種應(yīng)用廣泛的綜合性電信號(hào)測(cè)試儀器。示波器按用途和特點(diǎn)可以分為：通用示波器。它是根據(jù)波形

2、顯示基本原理而構(gòu)成的示波器。取樣示波器，它是先將高頻信號(hào)取樣，變?yōu)椴ㄐ闻c原始信號(hào)相似的低頻信號(hào)，再應(yīng)用基本原理顯示波形的示波器。與通用示波器相比，取樣示波器具有頻帶極寬的優(yōu)點(diǎn)。記憶與存儲(chǔ)示波器。這兩種示波器均有存儲(chǔ)信號(hào)的功能，前者是采用記憶示波管，后者是采用數(shù)字存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)信息。專用示波器。為滿足特殊需要而設(shè)計(jì)的示波器，如電視示波器、高壓示波器等。智能示波器。這種示波器內(nèi)采用了微處理器，具有自動(dòng)操作、數(shù)字化處理、存儲(chǔ)及顯示等功能。它是當(dāng)前發(fā)展起來(lái)的新型示波器。也是示波器發(fā)展的方向。本實(shí)驗(yàn)以SS7802型通用示波器為例，說(shuō)明示波器的原理和使用方法，并介紹GFG8016G型數(shù)字式函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的使

3、用方法?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?了解示波器顯示圖象的原理。2較熟練地掌握示波器的調(diào)整和使用方法。3掌握函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的使用方法。4學(xué)習(xí)用示波器觀察電信號(hào)的波形，測(cè)量電信號(hào)的電壓幅度和頻率?！緝x器用具】SS7802型示波器（或DS-5000型存儲(chǔ)示波器）、GFG8016G型數(shù)字式函數(shù)信號(hào)發(fā)生器（或SPF05A型數(shù)字合成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器）?！緦?shí)驗(yàn)原理】示波器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理示波器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，型號(hào)很多，但從功能上看，大致可分為示波管、電壓放大裝置（包括Y軸放大和X軸放大兩部分）、掃描與整步裝置和電源四個(gè)部分。如圖5-1所示。（1、示波管：它包括電子槍、偏轉(zhuǎn)板和熒光屏三部分。圖5-1示波器結(jié)構(gòu)方框圖示波管是

4、示波器的核心，它的構(gòu)造如圖5-2所示，左端為一電子槍，電子槍又包括旁熱式陰極、加熱陰極的燈絲、控制柵極和第一、第二陽(yáng)極等，陰極經(jīng)燈絲加熱后發(fā)出一束電子，電子被第一和第二陽(yáng)極電場(chǎng)加速及聚焦后，形成一束很細(xì)的高速電子流打在右端的熒光屏上，屏上的熒光物圖5-2示波管的構(gòu)造發(fā)光形成一亮點(diǎn)。調(diào)節(jié)第一陽(yáng)極電壓（即調(diào)“聚焦”旋鈕、和調(diào)節(jié)第二陽(yáng)極電壓（即調(diào)“輔助聚焦”旋鈕）可達(dá)到聚焦的目的，使熒光屏上出現(xiàn)清晰的圖象。在電子槍和熒光屏之間裝有兩對(duì)相互垂直的平行板，稱為偏轉(zhuǎn)板。如果板上加有電壓，則電子束經(jīng)過(guò)偏轉(zhuǎn)板時(shí)受正電極吸引，受負(fù)電極排斥，從而使電子束在熒光屏上的亮點(diǎn)位置也跟著改變，所以偏轉(zhuǎn)板是用來(lái)控制亮點(diǎn)位置

5、的。兩對(duì)偏轉(zhuǎn)板中，橫方向的一對(duì)稱為X軸偏轉(zhuǎn)板（或叫水平偏轉(zhuǎn)板），縱方向的一對(duì)稱為Y軸偏轉(zhuǎn)板（或叫垂直偏轉(zhuǎn)板）。在一定范圍內(nèi)，亮點(diǎn)的位移與偏轉(zhuǎn)板上所加電壓成正比，調(diào)節(jié)“X軸移位”和“Y軸移位”旋鈕可以改變亮點(diǎn)的位置。由于控制柵極的電位低于陰極，調(diào)節(jié)柵極電位可控制穿過(guò)柵極的電子數(shù)，即控制了電子流的強(qiáng)度。熒光屏上亮點(diǎn)的亮度決定于射到屏上電子的數(shù)目和能量（由加速陽(yáng)極的電壓決定），從而調(diào)節(jié)柵極電位（即調(diào)“輝度”旋鈕）可以改變亮點(diǎn)的亮度。（2）電壓放大裝置（包括Y軸放大和X軸放大兩部分）示波器的輸入分為Y軸、X軸兩個(gè)通道，輸入信號(hào)電壓經(jīng)輸入端的衰減器衰減后，送到電壓放大器放大。放大后的信號(hào)電壓最終加到示波

6、器的Y軸偏轉(zhuǎn)板或X軸偏轉(zhuǎn)板上，亮點(diǎn)隨信號(hào)電壓的變化沿左右或上下作直線運(yùn)動(dòng)，形成一條水平或垂直亮線。調(diào)節(jié)“Y軸增益”或“X軸增益”旋鈕，可以控制輸入信號(hào)的放大幅度（注意只是將顯示比例放大或縮小，而不能改變信號(hào)電壓本身的幅值大小）。在示波器的Y軸和X軸輸入端還設(shè)置有衰減器，如果信號(hào)電壓過(guò)大，可利用丫軸（或X軸）衰減器使信號(hào)電壓變小，以適應(yīng)電壓放大器的要求。這些都是通過(guò)“V/cm”偏轉(zhuǎn)靈敏度選擇開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)。（3）掃描與整步裝置這是示波器的關(guān)鍵部分。它主要由鋸齒波電壓發(fā)生器（即掃描電壓發(fā)生器）構(gòu)成。圖5-3鋸齒波波形圖如果在X軸偏轉(zhuǎn)板上加上鋸齒形電壓，如圖5-3（a）所示，鋸齒形電壓的特點(diǎn)是：電壓從負(fù)開(kāi)

7、始（t二10）隨時(shí)間成正比地增加到正（t），然后又突然返回負(fù)（t二ti）再?gòu)拇碎_(kāi)始與時(shí)間成正比地增加（t12），如此重復(fù)，這時(shí)，熒光屏上的亮點(diǎn)從左（t二t）勻速地向右運(yùn)動(dòng)（10）,到右端后馬上回到左端（t二），然后再?gòu)淖蠖藙蛩俚叵蛴疫\(yùn)動(dòng)（tit12）,不斷重復(fù)前述過(guò)程。亮點(diǎn)只在水平方向運(yùn)動(dòng)，我們?cè)跓晒馄辽峡吹降谋闶且粭l水平線，如圖5-3（b）所示。如果在Y軸偏轉(zhuǎn)板上加上正弦電壓，如圖5-4（a）所示，而X軸偏轉(zhuǎn)板上不加任何電壓，則亮點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)是在縱方向作正弦式振蕩，在橫方向不動(dòng)，我們看到的是一條垂直的亮線，如圖5-4（b）所示。如果在Y軸偏轉(zhuǎn)板上加上正弦電壓，在X軸偏轉(zhuǎn)板上加上鋸齒形電壓，則熒光

8、屏上的亮點(diǎn)將同時(shí)進(jìn)行方向互相垂直的兩種位移，我們看到的將是亮點(diǎn)的合成位移，即正弦圖形。用示波器觀察波形的原理可用圖5-5來(lái)說(shuō)明。簡(jiǎn)諧振動(dòng)可用一個(gè)作勻速圓周運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)在某方向上的投影來(lái)代表，這個(gè)圓稱為簡(jiǎn)諧振動(dòng)的參考圓。在Y軸偏轉(zhuǎn)板上加上正弦電壓時(shí)，可以用參考點(diǎn)在垂直方向投影的運(yùn)動(dòng)來(lái)代表。我們假定信號(hào)電壓與掃描電壓的周期相同，起始點(diǎn)也相同，都是從零開(kāi)始的，我們把這兩個(gè)電壓的周期分成八等份，分別用1,2,3，8表示。從圖5-5看到，當(dāng)時(shí)間從0到1時(shí)，X軸偏轉(zhuǎn)板上的鋸齒形電壓使亮點(diǎn)從原點(diǎn)0向右移，而Y軸偏轉(zhuǎn)板上的交流電壓正好是正半周，它要亮點(diǎn)向上移，合成的結(jié)果電子束就打在熒光屏的“1”位置上。當(dāng)時(shí)間到

9、達(dá)2時(shí)，亮點(diǎn)就打在“2”位置上，因?yàn)閮蓪?duì)偏轉(zhuǎn)板上所加的電壓是連續(xù)不斷的，所以亮點(diǎn)的移動(dòng)也是連續(xù)不斷的，結(jié)果繪出如圖5-5中從“0”到“8”的一條正弦曲線。當(dāng)鋸齒形電壓從最大突然跳回零時(shí)，亮點(diǎn)立即從“8”突然跳回到“0”，這時(shí)Y軸偏轉(zhuǎn)板上的交流電壓也正好回到第二個(gè)周期的零點(diǎn)上，因此在第二個(gè)周期中畫(huà)出的曲線正好和第一個(gè)周期的完全重合。這樣不斷重復(fù)，所以我們可以在熒光屏上看見(jiàn)一條穩(wěn)定的正弦曲線。圖5-5示波器顯示波形原理圖上面討論的是在掃描電壓的周期T與信號(hào)電壓的周期T相等時(shí)，熒光屏上可以穩(wěn)XY定的顯示出一個(gè)波長(zhǎng)的信號(hào)波形。如果掃描電壓的周期T是信號(hào)電壓的周期T的兩倍XY（即T二2T）,M在熒光屏上

10、可以看到兩個(gè)波長(zhǎng)的信號(hào)波形，同理，若T二nT，則XYXY熒光屏上將顯示出n個(gè)波長(zhǎng)的信號(hào)波形。即T=nTn=1,2,3,（5-1）XY由于周期和頻率具有互為倒數(shù)的關(guān)系,因此上式也可以表示為f二nfn=1,2,3,（5-2）YX（5-2）式中，f為加在Y軸偏轉(zhuǎn)板上的信號(hào)電壓的頻率，f為加在X軸偏轉(zhuǎn)板上的YX掃描電壓的頻率。如上所述,為了在熒光屏上觀察到穩(wěn)定的波形,必須使掃描電壓的周期T與信號(hào)X電壓的周期T相等或成整數(shù)倍關(guān)系，否則稍有偏差，所顯示的波形就會(huì)向左或向右移動(dòng)。例如，當(dāng)TT2T時(shí)，第一次掃描顯示的波形如圖5-6中04所示，而第二次掃YXY描顯示的波形如圖5-6中48所示。兩次掃描顯示的波形

11、不相重合,其結(jié)果是好象波形在不斷地向左移動(dòng)。同理，當(dāng)TT2T時(shí)，顯示的波形會(huì)不斷向右移動(dòng)。而實(shí)際上，XYX由于產(chǎn)生f和f的振蕩源是互相獨(dú)立的振蕩源,它們之間的頻率比不會(huì)自然滿足簡(jiǎn)單YX整數(shù)比,所以示波器中的鋸齒形掃描電壓的頻率必須可調(diào)。除了人工調(diào)節(jié)之外,在示波器內(nèi)部還加裝了自動(dòng)頻率跟蹤的裝置,稱為“整步”。在人工調(diào)節(jié)到接近滿足（5-2）式的條件時(shí),再加入“整步”的作用,掃描電壓的周期就能準(zhǔn)確地等于待測(cè)電壓周期的整數(shù)倍從而獲得穩(wěn)定的波形。圖5-6TT2T時(shí)波形向左移動(dòng)yxy如果所加信號(hào)f為三角波（或方波）電壓的頻率,f為掃描電壓的頻率,則可在YX熒光屏上觀察到三角波（或方波）信號(hào)的波形。（4）電

12、源部分電源部分的作用是將市電220V的交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楦鱾€(gè)數(shù)值不等的直流電壓,以滿足示波器各部分電路工作的需要。示波器的基本測(cè)量方法1)如何測(cè)量電信號(hào)的電壓幅度對(duì)于待測(cè)電信號(hào)，可測(cè)出其在熒光屏的丫軸上的波形幅度大小，從而測(cè)出它的電壓幅度。示波器設(shè)有Y軸靈敏度選檔旋鈕，Y軸靈敏度可用KU來(lái)表示，其單位是V/cm。KU表示在熒光屏Y軸上，使亮點(diǎn)偏移1cm距離所需輸入的信號(hào)電壓幅值，顯然，ku值是Y軸上的電壓分度值。因此，對(duì)于一個(gè)被顯示的信號(hào)，只要從熒光屏的刻度板上量出其雙振幅App(即波形在Y軸方向上的最低點(diǎn)到最高點(diǎn)的距離)，則可測(cè)出其電壓峰峰值U，即PPU二K-A(5-3)PPUPP對(duì)于正弦信號(hào)，

13、其電壓有效值U與Upp的關(guān)系為5-4)為了提高示波器的輸入阻抗、減小輸入電容，常用分壓比為10:1的低電容衰減探頭將信號(hào)輸入至示波器的Y通道。由于探頭對(duì)信號(hào)電壓具有10倍的衰減，因此使用衰減探頭時(shí)，(5-3)式應(yīng)改寫(xiě)為U二10K-A(5-5)ppUpp(2)如何測(cè)量電信號(hào)的周期和頻率利用時(shí)基因數(shù)測(cè)量周期和頻率對(duì)于待測(cè)電信號(hào)，可測(cè)出其在熒光屏的X軸上的波長(zhǎng)大小，從而測(cè)出它的周期和頻率。示波器設(shè)有掃描速度選檔旋鈕，掃描速度可用來(lái)表示，vt表征示波器展開(kāi)被測(cè)信號(hào)波形的能力，它的定義是：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)亮點(diǎn)在熒光屏上X軸方向移動(dòng)的距離，其單位為cm/s。掃描速度的倒數(shù)K=稱為時(shí)基因數(shù)，它的定義是：亮點(diǎn)在X軸

14、方向移動(dòng)tvt一單位距離所需的時(shí)間，其單位為s/cm(或?yàn)閙s/cm、口s/cm)。雖然掃描速度和時(shí)基因數(shù)是兩個(gè)不同的概念，但是在實(shí)用上常習(xí)慣地將時(shí)基因數(shù)作為示波器掃描速度的標(biāo)稱而不加區(qū)別。顯然，K是X軸上的時(shí)間分度值。因此，對(duì)于一個(gè)被顯示的信號(hào)，只t要從熒光屏的刻度板上量出其波長(zhǎng)九，則其周期T為(5-65-7)T二K九t該信號(hào)的頻率為f=丄=-TK九t利用李薩如圖形測(cè)量正弦信號(hào)的頻率如果在示波器的Y軸和X軸偏轉(zhuǎn)板上都加上正弦信號(hào)電壓，那么熒光屏上亮點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)將是兩個(gè)互相垂直的振動(dòng)的合成。當(dāng)兩個(gè)正弦信號(hào)的頻率相等或成簡(jiǎn)單整數(shù)比時(shí)，熒光屏上亮點(diǎn)的合成軌跡為一穩(wěn)定的閉合曲線，稱為李薩如圖形。李薩如圖

15、形可用來(lái)測(cè)量未知頻率。令f、f分別代表Y軸和X軸偏轉(zhuǎn)板上輸入信號(hào)的頻率，n、n分別代YXYX表Y方向和X方向的切線與圖形相切的切點(diǎn)數(shù)，則有5-8)nXY儀器介紹】SS-7802型示波器介紹本實(shí)驗(yàn)使用日本巖崎公司生產(chǎn)的ss-7802型雙蹤示波器，這是一種通用示波器，能同時(shí)觀測(cè)二個(gè)不同電信號(hào)的瞬變過(guò)程。它的結(jié)構(gòu)原理如前所述，它的面板如圖5-8所示，面板上各旋鈕和按鍵按其功能分成了9大部分，并分別用虛線框框起來(lái)，這9大部分的作用可參ss-7802型示波器使用指南和有關(guān)說(shuō)明。要補(bǔ)充說(shuō)明的是，當(dāng)按下習(xí)，并使示波器處于AUTO或Norm|的掃描模式時(shí)，示波器的水平偏轉(zhuǎn)通道（x通道）接機(jī)內(nèi)掃描信號(hào)（鋸齒波）

16、，示波器的CH1、CH2通道均為垂直偏轉(zhuǎn)通道（y通道），需外接信號(hào)電壓；當(dāng)示波器處于云模式時(shí)，示波器的x通道斷開(kāi)機(jī)內(nèi)掃描信號(hào)（鋸齒波），需外接信號(hào)電壓，此時(shí)CH1通道為x通道，CH2通道為y通道。由于此時(shí)掃描信號(hào)（鋸齒波）已撤去，因此掃描時(shí)基因數(shù)旋鈕已不起作用，示波器的x、y通道均需外接信號(hào)電壓。分96SS-780220MHz；FUNCTIONTRIGLEVELPOSITION+40)VMAXCI：2電壓差A(yù)V=2.4VCF1電壓差/016時(shí)間分度，按下為微調(diào)狀態(tài)/7信號(hào)LJLJ/L-、15觸（y1、113觸發(fā)信14視頻觸號(hào)輸入方兀/發(fā)方式4XY模式，顯示李薩如圖形丿號(hào)來(lái)源4A模式，水平軸為時(shí)

17、間軸2亮度2亮度3聚焦11輸入信號(hào)接地,波形變I輸入端I為一水平線丿*S5單次掃描5非自動(dòng)掃描5自動(dòng)掃描10波形上下移動(dòng)9縱軸分度，表示縱軸.上一格代表多大電壓8打開(kāi)匚通道1以下實(shí)驗(yàn)步驟對(duì)應(yīng)上圖編號(hào)進(jìn)行操作，須注意屏幕變化，反復(fù)操作，認(rèn)真領(lǐng)會(huì)每個(gè)按鍵和旋鈕的作用。準(zhǔn)備工作1、打開(kāi)電源2、調(diào)節(jié)亮度旋鈕至中間位置3、調(diào)節(jié)聚焦旋鈕使顯示清晰掃描方式選擇4、交替按下A鍵和X-Y鍵，感受屏幕的變化，最后按A鍵使水平軸作為時(shí)間軸5、交替按下AUTO、NORM、SGL/RST三個(gè)鍵，感受屏幕的變化，最后按AUTO鍵使掃描自動(dòng)進(jìn)行6、轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間分度旋鈕，感受水平掃描速度的變化，注意屏幕左上角的時(shí)間分度值變化最后

18、使掃描成一直線7、打開(kāi)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，輸出任意一正弦波信號(hào)，并把信號(hào)接入到示波器的通道1信號(hào)輸入端輸入并顯示信號(hào)8、按CH1鍵打開(kāi)通道1,使屏幕顯示通道1的信號(hào)波形，留意屏幕左下角有標(biāo)記1:表示通道1已打開(kāi)9、轉(zhuǎn)動(dòng)電壓分度旋鈕,感受波形高度的變化,注意屏幕左下角標(biāo)記1：后面的電壓值即為縱軸上一格代表的電壓,此旋鈕同時(shí)也是一個(gè)按鈕,按下后該旋鈕即變?yōu)槲⒄{(diào)狀態(tài),在標(biāo)記1：后面會(huì)多了一個(gè)表示,再按一下即取消微調(diào)功能,測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)必須退出微調(diào)狀態(tài)（上述第6項(xiàng)時(shí)間分度旋鈕具有相同功能）10、來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)垂直位置旋鈕,把波形定位在中間高度11、按下GND鍵若干次,觀察并體會(huì)輸入信號(hào)接地前后的變化穩(wěn)定信號(hào)顯示12

19、、按SOURCE鍵若干次，注意屏幕頂部中間位置的信息變化，最后選擇CH1作為觸發(fā)信號(hào)來(lái)源,觸發(fā)源的作用是用來(lái)產(chǎn)生與信號(hào)本身周期相等或成整數(shù)倍關(guān)系的鋸齒波,以便使波形不會(huì)產(chǎn)生左右移動(dòng)13、按COUPL鍵若干次，注意屏幕頂部中間位置的信息變化，最后選擇AC作為觸發(fā)信號(hào)的輸入方式（交流）14、按TV鍵若干次,注意屏幕頂部中間位置的信息變化,最后使該處顯示信息為一電壓值,表示以電平觸發(fā)15、轉(zhuǎn)動(dòng)觸發(fā)電平旋鈕，使上述第14項(xiàng)的電壓值往0V方向變化，直到波形穩(wěn)定顯示為止函數(shù)信號(hào)發(fā)生器調(diào)節(jié)16、調(diào)節(jié)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器,改變波形的高度（電壓）和寬度（周期/頻率）二、波形觀測(cè)信號(hào)輸入與波形顯示1、調(diào)節(jié)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，輸出一電壓峰峰值為2Vpp，頻率為1kHz的正弦波2、按實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一的方法使波形穩(wěn)定地顯示于屏幕中間信號(hào)的電壓峰峰值測(cè)量3、參照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一中第9項(xiàng)操作使波形的高度約占屏幕高度的2/3左右,記錄屏幕左下角標(biāo)記1：后面的電壓值即為Ku,它表示波形每1cm高度代表的電壓的大小4、目測(cè)波形從波谷到波峰的高度，即為App，單位為cm5、把第3、4項(xiàng)所得的數(shù)據(jù)記錄到表中，兩者相乘即為測(cè)得信號(hào)電壓峰峰值Upp,檢驗(yàn)是否與第1項(xiàng)中設(shè)定值