示波器的原理和使用.doc

示波器的原理与使用示波器是一种用途广泛的根本电子测量仪器，用它能观察电信号的波形、幅度与频率等电参数。用双踪示波器还可以测量两个信号之间的时间差，一些性能较好的示波器甚至可以将输入的电信号存储起来以备分析与比拟。在实际应用中但凡能转化为电压信号的电学量与非电学量都可以用示波器来观测。【实验目的】1了解示波器的根本构造与工作原理，掌握使用示波器与信号发生器的根本方法。2学会使用示波器观测电信号波形与电压幅值以及频率。3学会使用示波器观察李萨如图并测频率。图1-1 示波器构造图【实验原理】 不管何种型号与规格的示波器都包括了如图1-1所示的几个根本组成局部：示波管又称阴极射线管，cathode ray tube，简称CRT、垂直放大电路Y放大、水平放大电路X放大、扫描信号发生电路锯齿波发生器、自检标准信号发生电路自检信号、触发同步电路、电源等。1示波管的根本构造 示波管的根本构造如图1-2所示。主要由电子枪、偏转系统与荧光屏三局部组成，全都密封在玻璃壳体内，里面抽成高真空。(1)电子枪：由灯丝、阴极、控制栅极、第一阳极与第二阳极五局部组成。灯丝通电后加热阴极。阴极是一个外表涂有氧化物的金属圆筒，被加热后发射电子。控制栅极是一个顶端有小孔的圆筒，套在阴极外面。它的电位比阴极低，对阴极发射出来的电子起控制作用，只有初速度较大的电子才能穿过栅极顶端的小孔然后在阳极加速下奔向荧光屏。示波器面板上的“辉度调整就是通过调节电位以控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变了屏上的光斑亮度。阳极电位比阴极电位高很多，电子被它们之间的电场加速形成射线。当控制栅极、第一阳极与第二阳极电位之间电位调节适宜时，电子枪内的电场对电子射线有聚集作用，所以，H-灯丝；K-阴极；G1 ，G2- 控制栅极；A1-第一阳极；A2-第二阳极；Y-竖直偏转板；X-水平偏转板图1-2 示波管构造图第一阳极也称聚集阳极。第二阳极电位更高，又称加速阳极。面板上的“聚集调节，就是调第一阳极电位，使荧光屏上的光斑成为明亮、清晰的小圆点。有的示波器还有“辅助聚集，实际是调节第二阳极电位。(2)偏转系统：它由两对互相垂直的偏转板组成 ，一对竖直偏转板，一对水平偏转板。在偏转板上加以适当电压，电子束通过时，其运动方向发生偏转，从而使电子束在荧光屏上产生的光斑位置也发生改变。(3)荧光屏：屏上涂有荧光粉，电子打上去它就发光，形成光斑。不同材料的荧光粉发光的颜色不同，发光过程的延续时间一般称为余辉时间也不同。荧光屏前有一块透明的、带刻度的坐标板，供测定光点的位置用。在性能较好的示波管中，将刻度线直接刻在荧光屏玻璃内外表上，使之与荧光粉紧贴在一起以消除视差，光点位置可测得更准。2波形显示原理1仅在垂直偏转板Y偏转板加一正弦交变电压：如果仅在Y偏转板加一正弦交 图1-3 在垂直偏转板加一正弦交变电压 图1-4在水平偏转板加一扫描锯齿电压变电压，那么电子束所产生的亮点随电压的变化在y方向来回运动，如果电压频率较高，由于人眼的视觉暂留现象，那么看到的是一条坚直亮线，其长度与正弦信号电压的峰峰值成正比，如图1-3所示。 (1)仅在水平偏转板加一扫描锯齿电压：为了能使y方向所加的随时间t变化的信号电压uy(t)在空间展开，需在水平方向形成一时间轴。这一t轴可通过在水平偏转板加一如图74所示的锯齿电压ux(t)，由于该电压在01时间内电压随时间成线性关系到达最大值，使电子束在屏上产生的亮点随时间线性水平移动最后到达屏的最右端。在12时间内最理想情况是该时间为零ux突然回到起点即亮点回到屏的最左端。如此重复变化，假设频率足够高的话，那么在屏上形成了一条如图1-4所示的水平亮线，即t轴。图1-5 波形显示原理图(2)常规显示波形：如果在Y偏转板加一正弦电压实际上任何所想观察的波形均可同时在X偏转板加一锯齿电压，电子束受竖直、水平两个方向的力的作用下，电子的运动是两相互垂直运动的合成。当两电压周期具有适宜的关系时，在荧光屏上将能显示出所加正弦电压完整周期的波形图。如图1-5所示。3同步原理(1)同步的概念：为了显示如图1-5所示的稳定图形，只有保证正弦波到Iy点时，锯齿波正好到Ix点，从而亮点扫完了一个周期的正弦曲线。由于锯齿波这时马上复原，所以亮点又回到A点，再次重复这一过程，光点所画的轨迹与第一周期的完全重合，所以在屏上显示出一个稳定的波形，这就是所谓的同步。由此可知同步的一般条件为： Tx = nTy，n = 1，2，3··· 01234567891011121692057104 88图1-6 TX=7/8TY 时的波形其中Tx为锯齿波周期，Ty为正弦周期。假设n = 3，那么能在屏上显示出三个完整周期的波形。如果正弦波与锯齿波电压的周期稍微不同，屏上出现的是一移动着的不稳定图形。这情形可用图1-6说明。设锯齿波形电压的周期Tx比正弦波电压周期Ty稍小，比方说Tx = nTy，n =7/8。在第一扫描周期内，屏上显示正弦信号04点之间的曲线段；在第二周期内，显示48点之间的曲线段，起点在4处；第三周期内，显示811点之间曲线段，起点在8处。这样，屏上显示的波形每次都不重叠，好象波形在向右移动。同理，如果Tx 比Ty稍大，那么好象在向左移动。以上描述的情况在示波器使用过程中经常会出现。其原因是扫描电压的周期与被测信号的周期不相等或不成整数倍，以致每次扫描开场时波型曲线上的起点均不一样所造成的。(2)手动同步的调节：为了获得一定数量的稳定波形，示波器设有“扫描周期、“扫描微调旋钮，用来调节锯齿波电压的周期Tx或频率fx，使之与被测信号的周期TY或频率fY成整数倍关系，从而，在示波器屏上得到所需数目的完整被测波形。(3)自动触发同步调节：输入Y轴的被测信号与示波器内部的锯齿波电压是相互独立的。由于环境或其他因素的影响，它们的周期或频率可能发生微小的改变。这时虽通过调节扫描旋钮使它们之间的周期满足整数倍关系，但过了一会可能又会变，使波形无法稳定下来。这在观察高频信号进尤其明显。为此，示波器内设有触发同步电路，它从垂直放大电路中取出局部待测信号，输入到扫描发生器，迫使锯齿波与待测信号同步，此称为“内同步。操作时，首先使示波器水平扫描处于待触发状态，然后使用“电平LEVEL旋钮，改变触发电压大小，当待测信号电压上升到触发电平时，扫描发生器才开场扫描。假设同步信号是从仪器外部输入时，那么称“外同步。4李萨如图形的原理如果示波器的X与 Y输入是频率一样或成简单整数比的两个正弦电压，那么屏上将呈现特殊的光点轨迹，这种轨迹图称为李萨如图。图1-7所示的为fYfx = 21的李萨如图形。频率比不同的将形成不同的李萨如图形。图1-8所示的是频率比成简单整数比值的几组李萨如图形。从中可总结出如下规律：如果作一个限制光点x、y方向变化范围的假想方框，那么图形与此框相切时，横边上切点数nx与竖边上的切点数ny之比恰好等于Y与X输入的两正弦信号的频率之比，即fyfx = nxny。但假设出现图b或f所示的图形，有端点与假想边框相接时，应把一个端点计为1/2个切点。所以利用李萨如图形能方便地比拟两正弦信号的频率。假设其中一个信号的频率，数出图上的切点数nx与ny，便可算同另一待测信号的频率。图1-7 fy : fx=2 : 1的李萨如图形图1-8 fy : fx=nX : ny的几种李萨如图形【实验仪器】YB4320G双踪示波器面板分布图及功能请参见附录。YB1634功率函数信号发生器面板分布图及功能请参见附录B。【实验内容】1校准示波器(1)示波器面板控制件的预置 仪器使用时面板控制件位置以CH1输入为例，其他按键为弹出位置面板控制件作用位置面板控制件作用位置辉度2顺时针1/3处触发耦合(28)AC聚焦(4)适中电平锁定(32)按下垂直方式(42)CH1释抑(34)逆时针旋到底垂直位移(40)(43)适中触发方式(31)自动VOLTS/DIV(10)(15)水平显示方式(41)A微调(14)(19)顺时针转至校准位置A TIME/DIV(20)触发源(29)CH1水平位移(35)适中(2)翻开电源开关，调节辉度与聚焦旋钮，使光迹最细最清晰；调节CH1垂直位移、水平位移与光迹旋钮将扫线调到居中并与水平中心刻度平行。(3)将探极连线接分别连接CH1输入端与2VP-P校准信号端，调节CH1垂直位移与水平位移到适中位置，使显示的方波波形对准刻度线，最后读出电压幅度VP-P与周期T。计算VP-P与周期VP-P= A×V/divT= B×time/div式中A为波形在屏上所占垂直格数，B为一个波形周期在屏上所占水平格数。在读与B时，注意还要估读小格，VOLTS/DIV与A TIME/DIV旋钮每一级对应一大格，每一大格分为小格。2观测信号波形并测量峰峰电压值与频率(1)信号发生器的调节 仪器使用时面板控制件位置，其他按键为弹出位置面板控制件作用位置波形选择开关(WAVE FORM)任意按入一键即任意选择一输出波形频率范围选择开关按入200Hz或2kHz档频率调节旋钮(FREQUENCY)在相应的量程范围内任意调节输出信号的频率幅度调节旋钮(AMPLITUDE)任意调节输出信号幅度，但不宜过小或过大(2)用信号线一头连接信号发生器的电压输出端口(VOLTAGE OUT)，另一头连接示波器的CH1输入端，示波器的面板控制件位置同上。(3)选择不同波形、不同频率、不同幅度的信号进展观察与测量，测量方法同上。注意，为了提高测量精度，测量时应调节示波器的VOLTS/DIV与A TIME/DIV旋钮，使波形上下、左右到达最大，但不能超出屏幕显示范围，并至少要显示一个完整的波形。3观绘李萨如图形(1)用两根信号线分别从两台信号发生器的电压输出端口(VOLTAGE OUT)连接到示波器的CH1X输入端与CH2Y输入端，信号发生器的波形开关(WAVEFORM)置于“ 正弦波。(2)示波器的垂直方式开关置于“CH2，触发源开关置于“CH1。(3)按下示波器的X-Y11键，分别观察fyfx =11、12、23的李萨如图形，描绘fyfx =41的李萨如图形。【附录】图1-9 YB4320G双踪示波器面板分布图AYB4320G双踪示波器面板分布图及功能1主机电源9电源开关POWER将电源开关按键弹出即为“关位置，将电源接入，按电源开关，以接通电源。8电源指示灯电源接通时指示灯亮。2辉度旋钮INTENSITY顺时针方向旋转旋钮，亮度增强。接通电源之前将该旋钮逆时针方向旋转到底。4聚焦旋钮FOCUS用亮度控制钮将亮度调节至适宜的标准，然后调节聚集控制钮直至轨迹到达最清晰的程度，虽然调节亮度时聚集可自动调节，但聚集有时也会轻微变化。如果出现这种情况，需重新调节聚集。5光迹旋转旋钮TRACE ROTATION由于磁场的作用，当光迹在水平方向轻微倾斜时，该旋钮用于调节光迹与水平刻度线平行。45显示屏仪器的测量显示终端。数据1校准信号输出端子CAL提供1kHz±2%，2 VP-P±2%方波作本机Y轴、X轴校准用。2垂直方向局部13通道1输入端CH1 INPUTX该输入端用于垂直方向的输入。在X-Y方式时输入端的信号成为X轴信号。17通道2输入端CH2 INPUTY与通道1一样，但在X-Y方式时输入端的信号仍为Y轴信号。11、12、16、18交流直流接地耦合选择开关ACDCGND选择输入信号与垂直放大器的耦合方式交流AC：垂直输入端由电容器来耦合。接地GND：放大器的输入端接地。直流DC：垂直放大器的输入端与信号直接耦合。10、15衰减器开关VOLTS/DIV用于选择垂直偏转灵敏度的调节。如果使用的是10：1的探头，计算时将幅度×10。14、19垂直微调旋钮VARIBLE垂直微调用于连续改变电压偏转灵敏度，此旋钮在正常情况下应位于顺时针方向旋转到底的位置。将旋钮逆时针方向旋转到底，垂直方向的灵敏度下降到2.5倍以下。43、40垂直移位POSITION调节光迹在屏幕中的垂直位置。42垂直方式工作开关选择垂直方向的工作方式通道1选择CH1：屏幕上仅显示CH1的信号。通道2选择CH2：屏幕上仅显示CH2的信号。双踪选择DUAL：同时按下CH1与CH2按钮，屏幕上会出现双踪并自动以断续或交替方式同时显示CH1与CH2上的信号。叠加ADD：显示CH1与CH2输入电压的代数与。39CH2极性开关INVERT：按此开关时CH2显示反相电压值。3水平方向局部20主扫描时间因数选择开关A TIME/DIV共20档，在0.1us/div0.5s/div范围选择扫描速率。30X-Y控制键如X-Y工作方式时，垂直偏转信号接入CH2输入端，水平偏转信号接入CH1输入端。21扫描非校准状态开关键按入此键，扫描时基进入非校准调节状态，此时调节扫描微调有效。24扫描微调控制键VARIBLE此旋钮以顺时针方向旋转到底时处于校准位置，扫描由Time/Div开关指示。该旋钮逆时针方向旋转到底，扫描减慢2.5倍以上。正常工作时，21键弹出，该旋钮无效，即为校准状态。35水平位移POSITION用于调节轨迹在水平方向移动。顺时针方向旋转该旋钮向右移动光迹，逆时针方向旋转向左移动光迹。36扩展控制键MAG×5按下去时，扫描因数×5扩展，扫描时间是Time/Div开关指示数值的1/5。37延时扫描B时间系数选择开关B TIME/DIV共12档，在0.1us/div0.5ms/div范围选择B扫描速率。41水平工作方式选择HORIZ DISPLAY主扫描A：按入此键主扫描单独工作，用于一般波形观察。A加亮A INT：选择A扫描的某区段扩展为延时扫描。可用此扫描方式。与A扫描相对应的B扫描区段被延时扫描以高亮度显示。被延时扫描B：单独显示被延时扫描B。B触发B TRIGD：选择连续延时扫描与触发延时扫描。4触发系统TRIGGER29触发源选择开关SOURCE：选择触发信号源。通道1触发CH1，X-Y：CH1通道信号是触发信号，当工作方式在X-Y时，波动开关应设置于此挡。通道2触发CH2：CH2上的输入信号是触发信号。电源触发LINE：电源频率成为触发信号。外触发EXT：触发输入上的触发信号是外部信号，用于特殊信号的触发。27交替触发ALT TRIG在双踪交替显示时，触发信号交替来自于两个Y通道，此方式可用于同时观察两路不相关信号。26外触发输入插座EXT INPUT：用于外部触发信号的输入。33触发电平旋钮TRIG LEVEL：用于调节被测信号在某选定电平触发同步。32电平锁定LOCK无论信号如何变化，触发电平自动保持在最正确位置，不需人工调节电平。34释抑HOLDOFF 当信号波形复杂，用电平旋钮不能稳定触发时，可用此旋钮使波形稳定同步。25触发极性按钮SLOPE：触发极性选择，用于选择信号的上升沿与下降沿触发。31触发方式选择TRIG MODE自动AUTO：在自动扫描方式时扫描电路自动进展扫描。在没有信号输入或输入信号没有被触发同时，屏幕上仍然可以显示扫描基线。常态NORM：有触发信号才能扫描，否那么屏幕上无扫描显示。当输入信号的频率低于50Hz时，请用常态触发方式。复位键RESET：当“自动与“常态同时弹出时为单次触发工作状态，当触发信号来到时，准备READY指示灯亮，单次扫描完毕后熄灭，按复位键RESET下后，电路又处于待触发状态。28触发耦合COUPLING根据被测信号的特点，用此开关选择触发信号的耦合方式。交流AC：这是交流耦合方式，触发信号通过交流耦合电路，排除了输入信号中的直流成分的影响，可得到稳定的触发。高频抑制HF REJ：触发信号通过交流耦合电路与低通滤波器作用到触发电路，触发信号中的高频成分被抑制，只有低频信号局部能作用到触发电路。电视TV：TV触发，以便于观察TV视频信号，触发信号经交流耦合通过触发电路，将电视信号送到同步别离电路，拾取同步信号作为触发扫描用，这样视频信号能稳定显示。TV-H用于观察电视信号中行信号波形，TV-V：用于观察电视信号中场信号波形。注意：仅在触发信号为负同步信号时，TV-V与TV-H同步。直流DC：触发信号被直接耦合到触发电路，当触发需要触发信号的直流局部或需要显示低频信号以及信号空占比很小时，使用此种方式。 BYB1634功率函数信号发生器面板分布图及功能图1-10 YB1634功率函数信号发生器面板分布图1电源开关POWER将电源开关按键弹出即为“关位置，将电源接入，按电源开关，以接通电源。2LED显示窗口此窗口指示输出信号的频率，当“外测开关按入，显示外测信号的频率。3频率调节旋钮FREQUENCY：调节此旋钮改变输出信号的频率。4对称性SYMMETRY对称性开关及对称性调节旋钮，将对称性开关按入，对称性指示灯亮，调节对称性旋钮，可改变波形的对称性。5波形选择开关WAVE FORM按入对应波形的某一键，可选择需要的输出波形。三只键都未按，无信号输出，此时为直流电平。6衰减开关ATTE：电压输出衰减开关，有20dB与40dB两键，同时按入为60dB。7频率范围选择开关：亦即频率量程开关，根据需要的频率，按下其中一键。8功率输出开关POWER OUT按下此键，功率指示灯变绿色，如果该指示灯由绿色变为红色，那么说明输出短路或过载。9功率输出端为电路负载提供功率输出，负载应为纯电阻。如果是感性或容性负载，应串入10W/50左右电阻最大幅度输出时，如果是40 VP-P，可选择40的电阻等。10直流偏置OFFSET按入直流偏置开关，直流偏置指示灯亮，此时调节直流偏置调节旋钮，可改变直流电平。11幅度调节旋钮AMPLITUDE调节此旋钮，可改变“电压输出与“功率输出的输出幅度。12外测开关COUNTER：按入此开关，LED显示窗显示外测信号频率。13电压输出端口VOLTAGE OUT：电压输出由此端口输出。14EXT.COUNTER端口：外测信号输入端口。15TTL OUT端口：由此端口输出TTL信号。16单次开关SINGLE：当单次“SGL开关按入，单次指示灯亮，仪器处于单次状态，每按一次触发“TRIG键，电压输出端口就输出一个单次波形。第 15 页