1、示波器的使用,引 言,100多年前，德國著名物理學(xué)家卡爾費丁南德布勞恩發(fā)明了世界上第一個陰極射線管示波器，而上世紀(jì)四十年代則是電子示波器興起的時代，雷達和電視的開發(fā)需要性能良好的波形觀察工具，帶寬10MHz的同步示波器的成功開發(fā)，是近代示波器的基礎(chǔ)。示波器是電子測量中最常用的儀器，可測量電信號電壓隨時間的變化及各電信號間的相互關(guān)系，如能直觀觀測信號并測量其幅度大小、周期、頻率、相位等多種參數(shù)。只要能采用傳感器，把非電量轉(zhuǎn)換成電量，它也可以用來測量非電信號，如壓力、振動、聲、光、熱、磁等，因此，示波器在科學(xué)實驗和工程技術(shù)中有著十分廣泛的應(yīng)用。,示波器可分為模擬示波器和數(shù)字示波器兩種基本類型，二者

2、的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能原理有明顯不同。本實驗以YB4320B型雙蹤模擬示波器為例來讓大家了解模擬示波器基本原理，熟悉其使用操作，為今后使用各類示波器打下基礎(chǔ)；并學(xué)習(xí)EE1641B型函數(shù)信號發(fā)生器的操作使用方法；最后用示波器測量出電壓波形，及用李薩如圖形測量正弦波的頻率。,實驗原理,模擬示波器 雖有很多的規(guī)格與 型號，但主要由示 波管、電壓放大系 統(tǒng)、掃描與觸發(fā)系 統(tǒng)以及電源這幾部 分構(gòu)成。YB4320B 型雙蹤示波器的電 路組成及其結(jié)構(gòu)方 框圖如圖1所示。,圖1雙蹤示波器結(jié)構(gòu)方框圖,一、示波管 示波管是用于顯示被測信號波形的器件，其結(jié)構(gòu)如 圖2所示，大致可分成三部分，電子槍,偏轉(zhuǎn)板,熒光屏， 全部密

3、封在玻璃外殼內(nèi)，里面抽成高真空 。,圖2 示波器結(jié)構(gòu)示意圖,（1）電子槍 電子槍由燈絲1、陰極2、柵極 3、陽極4、聚焦極5等部分組成，它的作用是發(fā)射電子束，并通過一定的電場分布控制到達熒光屏上的電子數(shù)量以及電子束的形狀和尺寸大小。 點燃的燈絲加熱陰極，向外發(fā)射電子，通過柵極后形成一電子束，柵極的電位相對陰極為負，調(diào)節(jié)柵極相對陰極的電位，可以控制通過柵極的電子數(shù)目，從而控制到達熒光屏上的電子數(shù)目，改變熒光屏上光點的亮度，示波器面板上輝度調(diào)節(jié)旋鈕就是起這一作用的。,陽極和聚焦極相對柵極有很高的電位，對電 子束進行聚焦與加速。電子在向熒光屏運動的過 程中會向四周發(fā)散，因而在熒光屏上觀察到的 是一個

4、光斑。,若讓電子束通過如圖3所示的靜電場（圖中帶箭頭的實線為電力線，虛線為等位線，SZ線為電子運動軌跡），利用電場對電子的作用，可以使發(fā)散的電子束通過這一電場后重新會聚成一細小的電子束。這一電場對電子的作用就像會聚透鏡對光的作用一樣，所以稱為“靜電透鏡”。示波器面板上的聚焦旋鈕就是起這一作用的。,圖3 聚焦電極內(nèi)電場分布 圖4 電子通過偏轉(zhuǎn)板時的運動軌跡,（2）偏轉(zhuǎn)板 示波管內(nèi)有兩組平行板，一組豎直放置（如圖2中的6），一組水平放置（如圖2中的7）。通常在豎直放置的平行板上加上被測信號電壓，則電子通過這一平行板間的電場時，受電場作用運動方向發(fā)生改變，如圖4所示。當(dāng)電子束到達熒光屏?xí)r，在垂直方向

5、上偏轉(zhuǎn)的距離Y與加在平行板上的信號電壓U成正比，即 ，D為垂直偏轉(zhuǎn)系數(shù)，單位V/cm（或V/格），因此可通過測量電子束的偏移距離Y確定信號的電壓。 同理，在水平放置的偏轉(zhuǎn)板上加上電壓也可通過測量電子束在水平方向的偏移距離確定。,（3）熒光屏 示波管前端的玻璃屏上涂有一層熒光粉，當(dāng)電子束打到熒光屏上時可使熒光粉發(fā)光，顯示出電子束的運動軌跡，即被測信號的波形。 要注意避免電子束長時間射在熒光屏上一點，以免燒壞該點。因此暫不用示波器時，可將“輝度”調(diào)暗。,二、電壓放大電路 一般示波管偏轉(zhuǎn)板的靈敏度不高，偏轉(zhuǎn)1cm得有幾十伏的電壓。被測信號的電壓一般較低，只有幾伏、幾毫伏，甚至更低。因此為了使電子束能

6、在熒光屏上獲得明顯的偏移，必須對被測信號進行電壓放大，垂直（Y軸）和水平（X軸）放大器就起這一作用。,三、掃描與觸發(fā)系統(tǒng) 把一個電壓隨時間變化的信號加在示波器垂直偏轉(zhuǎn)板上，只能從熒光屏上觀察到光點在垂直方向的運動，看不到電壓隨時間變化的波形。如果在水平偏轉(zhuǎn)板上加上一個電壓與時間成正比的信號，使電子束在垂直方向運動的同時沿水平方向移動，把垂直方向的運動在水平方向“展開”，就可以在熒光屏上顯示出電壓隨時間變化的波形。電子束在水平方向的運動是周期性地來回掃動，所以把它稱之為“掃描”。 實際上采用的掃描信號是如圖5所示的“鋸齒波”，由圖1所示的掃描電路產(chǎn)生，它的特點是在一周內(nèi)電壓與時間成正比，到達最大

7、值后又瞬即回到零。,圖5 掃描信號波形圖,圖6 掃描原理圖,當(dāng)掃描信號（鋸齒波）的周期與垂直方向信號的周期相同時，可以在熒光屏上顯示出如圖6所示的一個完整周期的波形，而且每次掃描出現(xiàn)的波形完全重合，因而在熒光屏上觀察到的波形是穩(wěn)定的。如果掃描信號的周期是垂直方向信號周期的整數(shù)倍N，則熒光屏上將顯示N個穩(wěn)定的垂直方向信號波形，此時被測信號與掃描信號同步，稱為掃描同步。若掃描信號周期不是被測信號周期的整數(shù)倍，則波形不穩(wěn)定，即不同步。,由于兩信號周期的整數(shù)倍關(guān)系難以始終嚴格滿足，僅通過調(diào)節(jié)示波器面板上的掃描速率轉(zhuǎn)換開關(guān)與掃描微調(diào)旋鈕來改變掃描信號頻率，以保持這種同步關(guān)系是不容易的。 為解決這一問題示

8、波器多通過其觸發(fā)系統(tǒng)實施觸發(fā)掃描來實現(xiàn)同步。原理如下： 用輸入的被測信號或所選的外部信號作觸發(fā)信號，將其送至觸發(fā)電路，當(dāng)其電平達到“電平”旋鈕選擇的觸發(fā)電平時產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，啟動掃描電路進行掃描，掃描期間到來的觸發(fā)脈沖將不會對掃描電路產(chǎn)生影響。本次掃描結(jié)束后，下一個觸發(fā)脈沖將重新啟動掃描電路掃描。由于每一個觸發(fā)脈沖產(chǎn)生于所選擇的觸發(fā)電平所對應(yīng)的觸發(fā)信號的同相位,點，這樣每次掃描的起始點就與被測信號的同相位點保持一致，每次掃描的波形也就能完全重復(fù)而穩(wěn)定地顯示。 由圖5所示的鋸齒波掃描信號可知一周期內(nèi)，電壓U與時間t成正比，而水平方向偏轉(zhuǎn)距離x與電壓U成正比，故水平方向偏轉(zhuǎn)X距離與時間t成正比，即有

9、：tSx， S為掃描時基系數(shù)，單位用“時間/格”表示，或用“s/cm及ms/cm、s/cm”表示，經(jīng)過定標(biāo)可通過測量電子束在水平方向的偏移距離x來確定相應(yīng)偏轉(zhuǎn)所需的時間。,雙蹤掃描是利用一個電子開關(guān)來實現(xiàn)的。電子開關(guān)實際上是一個自動的快速單刀雙擲開關(guān)，它把接入兩個Y軸輸入端（CH1通道與CH2通道）的兩個信號輪換著送入Y軸放大器，在熒光屏上的兩個不同位置輪流顯示這兩個信號。輪換速度足夠快時，由于人眼的視覺暫留作用，就可在熒光屏上同時觀察到兩個信號波形。,觀察李薩如圖并測定未知正弦信號頻率 把兩個正弦信號分別加到垂直與水平偏轉(zhuǎn)板，則熒光屏上光點的運動軌跡是兩個互相垂直的諧振動的合成。當(dāng)兩個正弦信

10、號頻率之比為整數(shù)之比時，其軌跡是一個穩(wěn)定的閉合曲線,這種曲線稱為李薩如圖.例如，垂直方向信號的頻率是水平方向信號頻率的倍時，合成結(jié)果得到如圖7所示的李薩如圖。圖8是一組頻率比為整數(shù)比時兩信號合成的李薩如圖。如果兩個信號的頻率比不是整數(shù)比，圖形不穩(wěn)定。當(dāng)接近整數(shù)比時，可以觀察到轉(zhuǎn)動的圖形。李薩如圖的形狀還隨兩個信號的幅值以及位相不同而變化。,圖7 相互垂直正弦信號合成李薩如圖,圖8 為1:1、1:2、1:3、2:3時的李薩如圖,由圖8可見，李薩如圖在水平方向振動頻率 與垂直方向振動頻率 之比同水平方向的切點數(shù)目 與垂直方向的切點數(shù)目 之比成反比關(guān)系：,(1),由此可以測量未知正弦信號頻率。即其中

11、一個信號的頻率已知并連續(xù)可調(diào)，則從李薩如圖上數(shù)出切點數(shù) 與 ，記下已知信號的頻率 ，即可由式（1）算出待測正弦信號的頻率 。,實驗內(nèi)容 一、熟悉示波器、函數(shù)信號發(fā)生器各主要旋鈕，按鈕的功能作用 先將示波器面板上所有已按下的按鈕彈出；按下電源開關(guān)，接通電源；“垂直方式（18）”選擇“ CH1”（或CH2）；“觸發(fā)源（16）”選擇“CH1”（或CH2）；“觸發(fā)耦合”置于“AC”；“觸發(fā)方式”選擇“自動（21）”；調(diào)節(jié)“輝度（2）”、“聚焦（4）”、“垂直位移（17）”及“水平位移（20）”旋鈕至適中位置，以找到并獲得細而清晰的掃描線。,將EE1641B函數(shù)信號發(fā)生器的正弦信號輸入到示波器CH1（或

12、CH2）輸入端；調(diào)節(jié) “垂直偏轉(zhuǎn)系數(shù)旋鈕VOLTS/DIV（5）”和“掃描時基系數(shù)旋鈕A TIME/DIV（11）”，使一個周期以上的正弦波信號顯示在熒光屏內(nèi)；按下“電平鎖定（22）”，使波形穩(wěn)定。 示波器、函數(shù)信號發(fā)生器各主要旋鈕，按鈕的功能作用可邊看附錄介紹，邊反復(fù)地調(diào)節(jié)相關(guān)旋鈕、按鈕來體會其作用和熟悉其操作。,二、信號電壓與周期的測量 在示波器上調(diào)出一正弦波形，測量電壓時，一 般是測量其峰峰值 ，即從波峰到波谷之間的值 ，如圖9所示。實驗時利用熒光屏前的刻度標(biāo)尺分別 讀出與電壓峰峰值對應(yīng)的垂直方向的距離y及一個周期 波形所對應(yīng)的水平方向距離x，則： D是垂直偏轉(zhuǎn)系數(shù)， S是掃描時基系數(shù)。

13、,圖9 正弦信號波形圖,按表1要求測量信號發(fā)生器輸出的正弦信號的電壓峰峰值與周期，并按1：1的比例在坐標(biāo)紙上畫出信號波形。,表1 正弦信號電壓與周期測量數(shù)據(jù)表,實驗步驟如下： （1）按下“X-Y控制鍵（14）”，此時CH1通道轉(zhuǎn)變?yōu)樗捷斎攵耍╔軸），CH2通道為垂直輸入端（Y軸）。 （2）將信號發(fā)生器輸出的正弦信號與被測正弦信號分別輸入到CH1和CH2通道。 （3）調(diào)節(jié)EE1641B信號發(fā)生器輸出信號的頻率，使李薩如圖變化最緩慢為止，分別得到：為1：1、1：2、2：3的李薩如圖形。在坐標(biāo)紙上畫出李薩如示意圖，記下相應(yīng)的信號發(fā)生器輸出的正弦信號的頻率、水平及垂直方向上的切點數(shù)與，計算被測正弦信

14、號的頻率，填入自制表格。,三、觀察李薩如圖并測定未知正弦信號頻率,以上各內(nèi)容可選擇不同頻率或不同波形來反 復(fù)操作以達到熟練運用的目的。 【注意事項】 （1）將函數(shù)信號發(fā)生器的SYS和OFFSET旋鈕逆時針旋到底聽到咔嚓聲關(guān)上。 （2）測量電壓值與周期時一定要把示波器微調(diào)旋鈕沿順時針旋到“校準(zhǔn)”的位置上。 （3）示波器的標(biāo)尺刻度盤與熒光屏不在同一平面上，讀數(shù)時正視，盡量減小視差。,思考題 1、示波器是好的，但熒光屏上不出現(xiàn)圖像，試分析在什么情況下會出現(xiàn)這種現(xiàn)象？ 2、掃描時基系數(shù)開關(guān)上標(biāo)出的是掃描時間系數(shù)，如何測定掃描波的頻率？如果熒光屏顯示出一個完整波形，但圖像向右緩慢移動，掃描波頻率比被測信號頻率高還是低？