数字示波器的原理和使用方法.pdf

数字示波器的原理和使用方法【实验简介】【实验简介】示波器是用来显示被观测信号的波形的电子测量仪器，与其他测量仪器相比，示波器具有以下优点：能够显示出被测信号的波形；对被测系统的影响小；具有较高的灵敏度；动态范围大，过载能力强；容易组成综合测试仪器，从而扩大使用范围；可以描绘出任何两个周期量的函数关系曲线。从而把原来非常抽象的、看不见的电变化过程转换成在屏幕上看得见的真实图像。在电子测量与测试仪器中，示波器的使用范围非常广泛，它可以表征的所有参数，如电压、电流、时间、频率和相位差等。若配以适当的传感器，还可以对温度、压力、密度、距离、声、光、冲击等非电量进行测量。正确使用示波器是进行电子测量的前提。第一台示波器由一只示波管，一个电源和一个简单的扫描电路组成。发展到今天已经由通用示波器到取样示波器、记忆示波器、数字示波器、逻辑示波器、智能化示波器等近十大系列，示波器广泛应用在工业、科研、国防等很多领域中。Karl Ferdinand Braun 生平简介Karl Ferdinand Braun 生平简介1909 年的诺贝尔物理奖得主 Karl Ferdinand Braun 于 1897 年发明世界上第一台阴极射线管示波器，至今许多德国人仍称 CRT 为布朗管(Braun Tube)。【实验目的实验目的】图 8-1Karl Ferdinand Braun1、了解示波器的结构和工作原理，熟悉示波器和信号发生器的基本使用方法。2、学习用示波器观察电信号的波形和测量电压、周期及频率值。3、通过观察李沙如图形，学会一种测量正弦波信号频率的方法。【实验仪器实验仪器】VD4322B 型双踪示波器、EM1643 型信号发生器、连接线及小喇叭等42114151617359111013 1242114151617359111013 1286 6图 8-2 VD4322 型双踪示波器板面图1 1、电源开关 2 2、电源指示灯 3 3、聚焦旋钮 4 4、亮度调节旋钮5 5、Y1(X)信号输入口 6 6、Y2 信号输入口 7 7、8 8、入耦合开关（AC-GND-DC）9 9、1010、垂直偏转因数选择开关（V/格）1111、Y1位移旋钮 1212、Y2位移旋钮 1313、工作方式选择开关（Y1、Y2、交替、断续）1414、扫描速度（时间/格）选择开关 1515、扫描微调控制旋钮1616、水平位移旋钮 1717、电平调节旋钮【实验原理】【实验原理】一、示波器的结构及简单工作原理一、示波器的结构及简单工作原理示波器一般由 5 个部分组成，如图 8-3 所示：（1）示波管；(2)信号放大器和衰减器（3）扫描发生器；（4）触发同步电路；（5）电源。下面分别加以简单说明。Y 轴输入内外触发放大或衰减电子枪触发同步扫描发生器放大或衰减HKGA1A2YYXX荧光屏亮度聚焦辅助聚焦电源电源X 轴输入图 8-3 电路结构图1 1、示波管示波管示波管主要包括电子枪、偏转系统和荧光屏三部分，全都密封在玻璃外壳内，里面抽成高真空。如图 8-4所示，下面分别说明各部分的作用。（1）荧光屏：它是示图 8-4 示波管示意图波器的显示部分，当加速聚焦后的电子打到荧光上时，屏上所涂的荧光物质就会发光，从而显示出电子束的位置。当电子停止作用后，荧光剂的发光需经一定时间才会停止，称为余辉效应。（2）电子枪：由灯丝H、阴极K、控制栅极G、第一阳极A1、第二阳极A2五部分组成。灯丝通电后加热阴极。阴极是一个表面涂有氧化物的金属筒，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“亮度”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、第二阳极之间的电位调节合适时，电子枪内的电场对电子射线有聚焦作用，所以第一阳极也称聚焦阳极。第二阳极电位更高，又称加速阳极。面板上的“聚焦”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“辅助聚焦”，实际是调节第二阳极电位。（3）偏转系统：它由两对相互垂直的偏转板组成，一对垂直偏转板Y，一对水平偏转板X。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的光斑位置也发生改变。容易证明，光点在荧光屏上偏移的距离与偏转板上所加的电压成正比，因而可将电压的测量转化为屏上光点偏移距离的测量，这就是示波器测量电压的原理。2 2、信号放大器和衰减器、信号放大器和衰减器示波管本身相当于一个多量程电压表，这一作用是靠信号放大器和衰减器实现的。由于示波管本身的X及Y轴偏转板的灵敏度不高（约0.11mm/V），当加在偏转板的信号过小时，要预先将小的信号电压加以放大后再加到偏转板上。为此设置X轴及Y轴电压放大器。衰减器的作用是使过大的输入信号电压变小以适应放大器的要求，否则放大器不能正常工作，使输入信号发生畸变，甚至使仪器受损。对一般示波器来说，X轴和Y轴都设置有衰减器，以满足各种测量的需要。3 3、扫描系统（扫描发生器）、扫描系统（扫描发生器）扫描系统也称时基电路，用来产生一个随时间作线性变化的扫描电压，这种扫描电压随时间变化的关系如同锯齿，故称锯齿波电压，如图 8-5 所示，这个电压经X轴放大器放大后加到示波管的水平偏转板上，使电子束产生水平扫描。这样，屏上的水平坐标变成时间坐标，Y轴输入的被测信号波形就可以在时间轴上展开。扫描系统是示波器显示被测电压波形必需的重要组成部分。一、一、示波器显示波形的原理示波器显示波形的原理如果只在竖直偏转板上加一交变的正弦电压，则电子束的亮点将随电压的变化在竖直方向来回运动，如果电压频率较高，则看到的是一条竖直亮线，如图 8-6 所示。要能显示波形，必须同时在水平偏转板上加一扫描电压，使电子束的亮点沿水平方向拉开。这种扫描电压的特点是电压随时间成线性关系增加到最大值，最后突然回到最小，此后再重复地变化。这种扫描电压即前面所说的“锯齿波电压”，如图 8-5 所示。Uy当只有锯齿波电压加在水平偏转板上时，如果频率足够高，则荧光屏00Uxt图 8-5 锯齿波t图8-6正弦波上只显示一条水平亮线。如果在竖直偏转板上（简称Y轴）加正弦电压，同时在水平偏转板上（简称X轴）加锯齿波电压，电子受竖直、水平两个方向的力的作用，电子的运动就是两相互垂直的运动的合成。当锯齿波电压比正弦电压变化周期稍大时，在荧光屏上将能显示出完整周期的所加正弦电压的波形图。三、触发同步的概念三、触发同步的概念如果正弦波和锯齿波电压的Uy周期稍微不同，屏上出现的是一移动着的不稳定图形。这种情形可用图 8-7 说明。设锯齿波电压的周期0124TxTy3865791011121 6 9t05482 7104,1138UxTx比正弦波电压周期Ty稍小，比方说Tx/Ty=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 点之间的曲线段，起点在 8 处。这样，屏上显示的波形每次都不重叠，好图 8-7 不同步时波形Tx=Tyt象波形在向右移动。同理，如果Tx比Ty稍大，则好象在向左移动。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，以致每次扫描开始时波形曲线上的起点均不一样所造成的。为了使屏上的图形稳定，必须使Tx/Ty=n（n1，2，3，），n是屏上显示完整波形的个数。为了获得一定数量的波形，示波器上设有“扫描时间”（或“扫描范围”）、“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）成合适的关系，从而在示波器屏上得到所需数目的完整的被测波形。输入Y轴的被测信号与示波器内部的锯齿波电压是互相独立的。由于环境或其它因素的影响，它们的周期（或频率）可能发生微小的改变。这时，虽然可通过调节扫描旋钮将周期调到整数倍的关系，但过一会儿又变了，波形又移动起来。在观察高频信号时这种问题尤为突出。为此示波器内装有扫描同步装置，让锯齿波电压的扫描起点自动跟着被测信号改变，这就称为整步（或同步）。有的示波器中，需要让扫描电压与外部某一信号同步，因此设有“触发选择”键，可选择外触发工作状态，相应设有“外触发”信号输入端。四、四、示波器的应用示波器的应用1、示波器观察电信号波形。将待观察信号从Y1或Y2端接入加到Y偏转板，X偏转板加上扫描电压信号，调节辉度旋钮、聚集旋钮、x、y 位移旋钮,调节电压偏转因数旋钮和扫描时间旋钮，再调节同步触发电平旋钮，即看到待观察信号波形。2、测量电压利用示波器可以方便测出电压值，实际上示波器所做的任何测量都归结为电压的测量。其原理基于被测量的电压使电子束产生与之成正比的偏转。计算公式为U(t)yky（8-1）式中，y为电子束沿 y 轴方向的偏转量，用格数（DIV）表示；ky为示波器y轴的电压偏转因数（V/DIV）即（伏/格）。3、测量频率（1）周期换算法周期换算法所依据的原理是频率与周期成倒数关系：f 1 (8-2）T信号的周期可以用扫描速度值乘以被测信号波形的又一个周期在荧光屏上的水平偏转距离而求得T tx（T=扫描速度一个周期水平距离），故信号的频率便可以算出。（2）李萨如图形法设将未未知知频频率率fy的电压Uy和已知频率已知频率fx的电压U（x均为正弦电压），分别送到示波器的Y轴和X轴，则由于两个电压的频率、振幅和相位的不同，在荧光屏上将显示 各种不同波形，一般得不到稳定的 图形，但当两电压的频率成简单整 数比时，将出现稳定的封闭曲线，称为李萨如图形。根据这个图形可以 确定两电压的频 率比，从而确定待测频率的大小。图 8 列出各种不同的频率比在不同相位差时的李萨如图形，不难得出：相位差角频率比01412341:11:21:32:3图 8-8李莎如图加在Y轴电压的频率fy加在X 轴电压的频率fx水平直线与图形相交的点数Nx垂直直线与图形相交的点数Ny所以未知频率fyNxfx（8-3）Ny【实验内容及要求】【实验内容及要求】1、示波器：辉度、聚焦、水平和竖直位移通道选择、触发、电平、幅度因子、扫描因子；2、信号源：频率、信号幅度、波形选择。3、连接信号源与示波器：信号源输出正弦波信号、调节示波器，出现稳定的正弦波，根据波形和幅度因子算出电压有效值，波形和扫描因子算出信号频率。4、将示波器置非扫描档，外接两个信号源合成利萨如图。【实验数据记录与处理】【实验数据记录与处理】测定正弦波电压和频率的表格f理论 Hz电压频率幅度因子峰值距离电压峰值有效值k V/DIV扫描因子y DIV一周期的水平距离Um ky VU有V周期值频率t ms/DIVx DIVT xt msf 1THz利萨如图表格fx1000Hz2000Hzfy1000Hz【思考题】【思考题】1.示波器为什么能显示被测信号的波形？2.荧光屏上无光点出现，有几种可能的原因？怎样调节才能使光点出现？3.荧光屏上波形移动，可能是什么原因引起的【附【附 EM1643EM1643 型函数发生器介绍】型函数发生器介绍】1 16 63 34 42 25 5（1）电源开关(POWER)：按入开。（2）功能开关(FUNCTION)：波形选择正弦波方波和脉冲波三角波和锯齿波（3）频率微调旋钮 FREQVAR：频率复盖范围 10 倍。（4）分档开关(RANGE-HZ)：（10HZ-2MHZ 分六档选择)。（5）衰减器按钮(ATT)：开关按入时衰减低 30Db。1212131314148 8151511117 710109 9图 8-9 函数发生器图（6）电压幅度调节旋钮(AMPLITUDE)；幅度可调。（7）直流偏移调节(DC OFF SET)：当开关拉出时:直流电平为-10+10V 连续可调，当开关按入时:直流电平为零。（8）占空比调节(PAMP/PULSE)：当开关按如时:占空比为本 50%50%；当开关拉出时:占空比为 10%90%内连续可调；频率为指示值10。（9）信号输出(OUTPUT)：波形输出端。（10）TTL OUT：TTL 电平输出端。（11）VCF：控制电压输入端。（12）IN PUT：外测频率输入端。（13）OUT SIDE：测频方式(内/外)。（14）SPSS：单次脉冲开关。（15）OUT SPSS：单次脉冲输出。