1、2020/9/28,示波器的調(diào)節(jié)與使用,任忠明 制作,物理實驗教學中心,示波器是利用示波管內(nèi)電子束在電場(或磁場)中的偏轉(zhuǎn),顯示隨時間變化的電信號的一種觀測儀器.它不僅可以定性觀察電路(或元件)的動態(tài)過程,而且可以定量地測量各種電學量,如電壓、電流、周期、波形的寬度及上升時間（或下降時間）等。還可以用來作其它顯示設備，如晶體管特性曲線、雷達信號等，配上各種傳感器，還可以用于測量各種非電量測量，如壓力、聲光信號、生物體的物理量（心電、腦電、血壓等）。,你了解示波器嗎?,示波器有哪些部分構(gòu)成? 示波器各部分的作用是什么? 示波器是如何實現(xiàn)波形顯示的? 通常采取哪些措施實現(xiàn)波形的穩(wěn)定? 如何用示波器

2、測量信號的周期或頻率? 如何用示波器測量兩正弦信號的相位差?,開篇設問,你知道嗎? 預備問題,開篇設問,測量直流電壓與交流電壓時,其操作有何不同? 示波器的熒光屏上沒有掃描線是什么原因? 測量信號的電壓和頻率時,相應的微調(diào)旋鈕如何設定? 如何實現(xiàn)由波形測量轉(zhuǎn)換成李薩如圖形測量? 比較兩個不同的信號時,方式開關(guān)和觸發(fā)源開關(guān)應分別置于什么位置? 6. 信號源面板上的SYS和OFFSET旋鈕的作用是什么?,你知道嗎? 常見問題,開篇設問,如果信號波形不穩(wěn)定,總是向左或向右移動,該如何操作? 測量低頻信號時,波形出現(xiàn)閃動是什么原因? 用李薩如圖形法測量頻率時,圖形不穩(wěn)定是什么原因? 如何測量或校準掃描

3、信號的頻率或周期? 信號波形不斷地向右移動,試問這時掃描信號的頻率偏高還是偏低?為什么?請圖示說明. 6. 設計用示波器測量電路中電流信號的方案.,你知道嗎? 拓展問題,1858年，德國物理學家普呂克爾觀察到一種陰極熒光現(xiàn)象。 1876年，德國物理學家哥爾茨坦確認這一種陰極射線。 1895年，德國物理學家倫琴意外地發(fā)現(xiàn)了X光。 1897年，英國物理學家湯姆生，對陰極射線進行了精確的實驗研究，并將其命名為“電子”。 在1897年德國物理學家卡爾費迪南德布勞恩發(fā)明了世界上第一個陰極射線管。 1889年，布勞恩的助手澤納克為陰極射線管增加了另一個方向的電磁偏轉(zhuǎn)。 1930年起成為了顯示器的重要部件。

4、 1931年美國研制出第一臺示波器,背景介紹,? 示波器的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀(1),? 示波器的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀(2),廿世紀四十年代泰克公司成功開發(fā)出帶寬10MHz的同步示波器，這是近代示波器的基礎。 廿世紀五十年代半導體和電子計算機的問世，促進電子示波器的帶寬達到100MHz。 廿世紀六十年代美國、日本、英國、法國在電子示波器開發(fā)方面各有不同的貢獻，出現(xiàn)帶寬6GHz的取樣示波器、帶寬4GHz的行波示波管、1GHz的存儲示波管；便攜式、插件式示波器成為系列產(chǎn)品。 廿世紀七十年代模擬式電子示波器達到高峰，帶寬1GHz的多功能插件式示波器標志著當時科學技術(shù)的高水平，為測試數(shù)字電路又增添邏輯示波器和數(shù)字

5、波形記錄器。 二十世紀八十年代數(shù)字示波器異軍突起，模擬示波器逐漸從前臺退到后臺。,背景介紹,卡爾費迪南德布勞恩(1),布勞恩（Karl Ferdinand Braun，1850年6月6日1918年4月20日），德國物理學家。 1850年6月6日，布勞恩出生在德國，父親是個公務員。1868年開始在德國馬爾堡大學學習數(shù)學和自然科學，1869年轉(zhuǎn)去柏林大學研究天線，1872年獲得物理學博士學位。 1873年，他通過國家中學教師考試，在萊比錫的一家中學教數(shù)學和自然科學，在那里他同時進行對振蕩電流的科學研究。1874年，他發(fā)現(xiàn)某些金屬硫化物具有使電流單方向通過的特性，并利用半導體的這個特性制成了無線通信

6、技術(shù)中不可或缺的檢波器，開創(chuàng)了人類研究半導體的先例。 布勞恩先后在馬爾堡大學（1876年）、斯特拉斯堡大學（1880年）和卡爾斯魯厄大學（1883年）任物理學副教授和教授，1887年又應圖賓根大學的邀請負責建立物理學研究所，1895年他回到斯特拉斯堡大學任物理研究所主任和教授，把主要精力用于進行電學研究。,背景介紹,卡爾費迪南德布勞恩(2),發(fā)明了陰極射線管 布勞恩在抽成真空的管子一端裝上電極，從陰極發(fā)射出來的電子在穿過通電電極時，因為受到靜電力影響聚成一束狹窄的射線，即電子束，稱為陰極射線，管子側(cè)壁分別擺放一對水平的和一對垂直的金屬平行板電極，水平的電極使得電子束上下垂直偏轉(zhuǎn)運動，垂直的電極

7、使得電子束左右水平偏轉(zhuǎn)運動。管子的另一端均勻地涂上一層硫化鋅或其他礦物質(zhì)細粉，做成熒光屏，電子束打在上面可以產(chǎn)生黃綠色的明亮光斑。隨著側(cè)壁上擺放的平行板電極電壓的變化，電子束的偏轉(zhuǎn)也隨之變化，從而在熒光屏上形成不同的亮點，稱為“掃描”。熒光屏上光斑的變化，呈現(xiàn)了控制電子束偏轉(zhuǎn)的平行板電極電壓的變化，也就是所研究電波的波動圖象，這是示波器的雛形和基礎，它使得對電波的直觀觀察成為可能。,背景介紹,卡爾費迪南德布勞恩(3),改進無線電接收機 他改用晶體探測器，使接收機的敏感度提高了很多。直到發(fā)明了電子管，布勞恩的晶體探測器才被淘汰 。 改進無線電發(fā)射機 他發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)生高功率低阻尼電波的方法 ，發(fā)明了磁

8、耦合天線 ，改進了馬可尼的發(fā)報機，大大增加了發(fā)射功率，增大了通信距離，而且無線電接收機和發(fā)射機不需要直接與天線相連，減少了受到雷擊的危險。 發(fā)明了定向天線 從而減少了能量的無謂消耗。還把發(fā)射機的頻帶調(diào)得很窄，從而減小了不同發(fā)射機之間的干擾。 諾貝爾物理學獎 因為對無線電報的改進，布勞恩同發(fā)明無線電報的馬可尼分享了1909年的諾貝爾物理學獎。馬可尼的發(fā)明曾多次借用到布勞恩的專利。,背景介紹,電子束通才靜電透鏡而發(fā)生聚焦.(左圖為聚焦電極內(nèi)的電場分布圖) 電子通過垂直放置的平行板間的電場時,受電場力的作用運動方向發(fā)生改變,當電子束到達熒光屏時,在垂直方向上偏轉(zhuǎn)的距離y與加在平行板上的信號電壓U成正

9、比.(D為偏轉(zhuǎn)系數(shù)),電子束的聚焦及偏轉(zhuǎn),實驗原理,示波器的掃描原理,實驗原理,在X偏轉(zhuǎn)板上施加電壓隨時間線性變化的鋸齒波掃描電壓信號,在Y偏轉(zhuǎn)板上施加一個電壓隨時間變化的任意電壓信號,示波器的觸發(fā)掃描,當掃描信號的周期與被測信號的周期成整數(shù)倍關(guān)系時,顯示的波形是穩(wěn)定的,否則波形在水平方向上跑動. 觸發(fā)掃描是使用被測信號來控制掃描電壓的產(chǎn)生時刻,通過調(diào)節(jié)觸發(fā)電平的高低,使被測信號達到一定相位時,掃描電路才開始工作,產(chǎn)生一個鋸齒波,將被測信號顯示出來.,實驗原理,相互垂直的正弦信號合成,實驗原理,Nx和Ny分別為李薩如圖形與水平軸和垂直軸的切點數(shù).,認識示波器:YB4320B雙蹤示波器,實驗儀器

10、,認識示波器:結(jié)構(gòu)框圖,外觸發(fā)輸入,實驗儀器,認識示波器:主機電源部分,熒光屏顯示波形 電源開關(guān) 電源指示燈電源是否接通 標準信號提供校準信號 輝度控制光點亮度 聚焦控制光點大小形狀 光跡旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)掃描線水平,實驗儀器,認識示波器:示波管部分,燈絲給陰極加熱 陰極發(fā)射電子 柵極控制電子束強度 陽極給電子加速 聚焦極控制電子束尺寸 Y偏轉(zhuǎn)板建立電場 X偏轉(zhuǎn)板建立電場,實驗儀器,認識示波器:垂直方向部分,垂直偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié) 垂直位移移動光點 方式開關(guān)控制顯示模式 信號輸入端口 微調(diào)旋鈕連續(xù)改變波高度 輸入耦合及接地交流直流輸入控制 交替:不同的掃描方式 反相:改變Y2相位,實驗儀器,認識示波器:水平方向部

11、分,掃描時基調(diào)節(jié) 掃描微調(diào)連續(xù)拉伸或壓縮波形 掃描非校準 水平位移波形水平移動 擴展開關(guān)提供5掃描擴展 X-Y開關(guān) 接地端口,實驗儀器,認識示波器:觸發(fā)部分,交替觸發(fā)(15) 觸發(fā)源(16)選擇觸發(fā)源 觸發(fā)耦合選擇觸發(fā)信號 電平(24)改變觸發(fā)相位 釋抑控制回掃時間穩(wěn)定波形 鎖定(22)跟蹤鎖定信號 自動常態(tài)復位(21) (23) 外觸發(fā)輸入端口,實驗儀器,認識信號源:EE1641B信號發(fā)生器,電源開關(guān) 頻率調(diào)節(jié) 頻率顯示 波形選擇 波形控制 幅度調(diào)節(jié) 幅度顯示 輸出端口 輸出衰減 ,實驗儀器,各種示波器,DS5102MAE數(shù)字示波器,UM2102觸控式數(shù)字存儲示波器,YB4320B雙蹤模擬示

12、波器,可編程式數(shù)字示波器S2405,220 PC卡式虛擬示波器,CA2458模擬示波器,光線示波器,TLS216型16通道示波器,VS5000系列虛擬示波器,實驗儀器,1.用示波器測量交流電壓峰-峰值,實驗內(nèi)容,偏轉(zhuǎn)微調(diào)關(guān)閉. 調(diào)節(jié)垂直偏轉(zhuǎn)旋鈕使波形高度適中. 調(diào)節(jié)時基旋鈕顯示1-2個完整波形. 使波形穩(wěn)定. 讀出波形峰-峰高度y.,若偏轉(zhuǎn)系數(shù)D為0.1V/cm,2.用示波器測量正弦信號的周期,若時基系數(shù)S為0.1ms/cm,關(guān)閉掃描非校準. 調(diào)節(jié)垂直偏轉(zhuǎn)旋鈕使波形高度適中. 調(diào)節(jié)時基旋鈕顯示1-2個完整波形. 使波形穩(wěn)定. 讀出相鄰波峰或波谷的距離x.,實驗內(nèi)容,3.用示波器測量交流電相位,

13、（1）雙蹤顯示法 （2）李薩如圖形法,實驗內(nèi)容,4.用示波器測量交流電頻率,（1）周期轉(zhuǎn)換法,（2）李薩如圖形法,即可求出交流電信號的頻率。,首先測量出交流電信號的周期，再根據(jù)公式,調(diào)節(jié)標準信號源的頻率，使李薩如圖形穩(wěn)定下來，數(shù)出圖形的切點數(shù)Nx和切點數(shù)Ny,若fy為未知頻率，fx為已知頻率，根據(jù)公式,即可求出交流電信號的頻率。,實驗內(nèi)容,5.用示波器觀察二極管整流波形,觀察交流電經(jīng)半導體二極管半波整流和全波整流后的波形變化.如果在負載電阻上并聯(lián)一適當?shù)碾娙?再觀察輸出波形又有什么變化.,實驗內(nèi)容,設計用示波器測繪二極管的伏安特性曲線,按圖連接電路,把電流信號(從R1兩端取出)送至示波器Y軸輸

14、入端,再把二極管兩端的電壓信號送到示波器X軸輸入端,在屏幕上看到的曲線就是二極管的伏安特性曲線.,設計案例,半導體二極管是一種常用的電子元件,其電學特性就是具有單向?qū)щ娦?也就是說其正向電阻小,反向電阻大.但所通過的電流與兩端所加電壓不成正比關(guān)系,也就是說其伏安特性是非線性的.我們可以用伏安法測量其伏安特性曲線.那么能否用示波器測量其伏安特性曲線呢?回答是可以.,設計用示波器測繪鐵磁材料的磁滯回線,設計案例,鐵磁材料有兩個顯著的特點:一是磁導率非常高,二是磁化過程有磁滯現(xiàn)象.測量磁感應強度隨所加磁場強度的變化關(guān)系可得到反映其磁性的磁滯回線,過去常用的測量方法是沖擊法,儀器復雜,測量繁煩.,按圖

15、連接電路,把U1(H)信號送至示波器X軸輸入端,再把U2(B)信號送至示波器Y軸輸入端,在屏幕上看到的曲線就是反映鐵磁材料特性的磁滯回線. 根據(jù)磁滯回線我們可以得到其矯頑力,剩磁, BH值等.,基礎研究進展,模擬示波器相對數(shù)字示波器的某些特點：操作簡單：全部操作都在面板上可以找到，波形反應及時，數(shù)字示波器往往要較長處理時間。垂直分辨率高：連續(xù)而且無限級，數(shù)字示波器分辨率一般只有8位至10位。數(shù)據(jù)更新快：每秒捕捉幾十萬個波形，數(shù)字示波器每秒捕捉幾十個波形。實時帶寬和實時顯示：連續(xù)波形與單次波形的帶寬相同，數(shù)字示波器的帶寬與取樣率密切相關(guān)，取樣率不高時需借助內(nèi)插計算，容易出現(xiàn)混淆波形。模擬示波器要

16、提高帶寬，需要示波管、垂直放大和水平掃描全面推進。數(shù)字示波器要改善帶寬只需要提高前端的A/D轉(zhuǎn)換器的性能，對示波管和掃描電路沒有特殊要求。加上數(shù)字示波管能充分利用記憶、存儲和處理，以及多種觸發(fā)和預前觸發(fā)能力。,最新進展,模擬 數(shù)字 虛擬,發(fā)展方向:分辨率高;數(shù)據(jù)更新快;智能測量;功能強大.,相關(guān)的應用研究進展,最新進展,數(shù)字熒光示波器DPO(DigitalphosphorOscilloscopes)與示波器技術(shù)的發(fā)展 : ,當代數(shù)字示波器的發(fā)展應用: ,目前推動整個示波器技術(shù)發(fā)展的市場動力主要來自于計算、通信以及消費電子產(chǎn)業(yè)。隨著設備傳輸速率的飛速提高以及某些新數(shù)據(jù)標準的不斷涌現(xiàn)(例如基于第二代串行數(shù)據(jù)標準的產(chǎn)品設計，其中包括第二代PCI-Express、SATAIII以及雙倍速XAUI等)，眾多客戶開始要求產(chǎn)品具有最優(yōu)性能，從而滿足產(chǎn)品應用開發(fā)工作中最為苛刻的要求。,張錫純等 熒光屏上的示波測量法 電子示波器在生產(chǎn)和科學技術(shù)中的應用科學出版社1973年6月第1版 示波器基礎：這是一個很不錯的示波器在線Demo，值得一看。 http:/www