實驗

示波器的使用

一、實驗?zāi)康?/p>

(1)了解示波器的原理。

(2)學會使用示波器的掃描應(yīng)用和X-Y方式應(yīng)用。二、實驗儀器示波器、

信號源和甲電池等。

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(tǒng)、X軸系統(tǒng)等組成。如圖3-14-1所示是示波器的原理框圖。

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3-14-1示波器的原理框圖

1.示波器的聚焦和偏轉(zhuǎn)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(zhì)的圓形屏,當管中的高速運動的電子打上去時,就會發(fā)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(fā)。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(zhì)發(fā)光。

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3-14-2示波管結(jié)構(gòu)示意圖

1).輝度設(shè)電子由陰極熱激發(fā)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(zhì)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

2).電聚焦在兩個第二陽極A2之間設(shè)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(gòu)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(diào)節(jié)聚焦U1和輔助聚焦U2就是調(diào)節(jié)兩電位之比，這就是示波器的電聚焦原理。

3)電偏轉(zhuǎn)由陰極熱激發(fā)的電子經(jīng)第二陽極加速后,在到達熒光屏之前,還要經(jīng)過由水平偏轉(zhuǎn)極板和垂直偏轉(zhuǎn)極板所圍成的空間。在偏轉(zhuǎn)極板上加上幾十伏特的偏轉(zhuǎn)電壓。當電子穿過偏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)原理。

2.示波器的掃描原理

如果只在豎直偏轉(zhuǎn)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(fù)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(zhuǎn)板加一正弦波電壓的情形

要想顯示波形,必須同時在水平偏轉(zhuǎn)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(guān)系增加到最大值,然后突然回到最小值,此后再重復(fù)變化。這種掃描電壓隨時間變化的關(guān)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(zhuǎn)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(fù)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(zhuǎn)板上加一鋸齒波電壓的情形。

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3-14-4鋸齒波波形圖

如果在豎直偏轉(zhuǎn)板(Y軸)上加正弦波電壓,同時在水平偏轉(zhuǎn)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。

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3-14-5示波器顯示正弦波形的原理圖

1)連續(xù)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(wěn)定波形。這種情況可以用圖3-14-6所示情形進行說明。設(shè)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(nèi),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(nèi),顯示4～8點之間的曲線段;在第三周期(第三個鋸齒波)內(nèi),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(yīng)相同的Y偏轉(zhuǎn)電壓。第二個曲線段的終點和第三個曲線段的起點對應(yīng)相同的Y偏轉(zhuǎn)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(jié)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(shù)倍關(guān)系,以至于每次掃描的起點在Y軸上都不相同。圖

3-14-6不穩(wěn)定波形的形成

為了獲得穩(wěn)定波形(單一波形),每次掃描在Y軸上應(yīng)有相同的起點。在連續(xù)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(yīng)滿足:(n是整數(shù))

在示波器上設(shè)有掃描范圍和掃描微調(diào)以及整步調(diào)節(jié),用來調(diào)節(jié)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(wěn)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(chǎn)生的,稱為連續(xù)掃描方式。

2)觸發(fā)掃描方式為了獲得穩(wěn)定波形(單一波形),每次掃描在Y軸上應(yīng)有相同的起點。在示波器的掃描方式中,另一種稱為觸發(fā)掃描方式。在觸發(fā)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(guān)系如圖3-14-7所示。在觸發(fā)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(fā)產(chǎn)生,一個鋸齒波顯示一屏。一個鋸齒波結(jié)束后,等候待測信號Uy相同的斜率和電平點再次觸發(fā)產(chǎn)生下一個鋸齒波。由于每屏波形起點對應(yīng)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(wěn)定(各屏重疊)。圖

3-14-7觸發(fā)掃描波形

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(shù)比關(guān)系的兩個正弦電壓,則熒光屏上將呈現(xiàn)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(shù)比關(guān)系的幾組李薩如圖形。從圖中可總結(jié)出如下規(guī)律:其中,nx為水平線與軌跡相切的切點數(shù);ny為豎直線與軌跡相切的切點數(shù)。利用李薩如圖形能方便準確地比較兩交變信號的頻率。圖

3-14-8李薩如圖形

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(nèi)容可歸結(jié)為兩類：電壓和時間的測量，而電壓和間的測量最后都歸結(jié)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(zhuǎn)距離DY正比于輸入電壓UY，比例系數(shù)KY稱為電壓偏轉(zhuǎn)因數(shù)，有DY=KYUY,Y軸電壓偏轉(zhuǎn)因數(shù)KY的單位為：V/DIV。（2）時間的測量在觸發(fā)掃描方式的示波器中，每個鋸齒波的長度是確定的（在連續(xù)掃描方式中鋸齒波的長度不確定），也就是說，在觸發(fā)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(zhuǎn)距離DX正比于時間t，比例系數(shù)KS稱為時基因數(shù)，有DX=KSt，時基因數(shù)KS的單位為：S/DIV。在觸發(fā)掃描方式的示波器中，一般在出廠時Y軸的電壓偏轉(zhuǎn)因數(shù)和X軸掃描的時基因數(shù)都已標定了。四、實驗內(nèi)容

(1)示波器的光點調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)示波器的亮度和聚焦。

(2)Y軸系統(tǒng)調(diào)節(jié)。把待測信號接到Y(jié)軸,選擇Y軸輸入方式為交流耦合或直流耦合方式。調(diào)節(jié)Y軸電壓偏轉(zhuǎn)因數(shù)(或Y軸衰減),使信號在熒光屏內(nèi)大小適中。

(3)掃描方式的X軸系統(tǒng)調(diào)節(jié)。選擇掃描方式為“內(nèi)”方式。(如果是連續(xù)掃描示波器,選擇合適的掃描范圍,調(diào)節(jié)掃描微調(diào)或同步調(diào)節(jié),應(yīng)能顯示出穩(wěn)定波形。)選擇觸發(fā)斜率的正負,調(diào)節(jié)觸發(fā)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(yīng)設(shè)在X-Y方式。

五、問題討論

(1)