大學物理實驗講義實驗09 示波器原理和使用.doc

實驗5 示波器原理和使用示波器是利用示波管內電子射線的偏轉，在熒光屏上顯示出電信號波形的儀器。用它能直接觀察電信號的波形，也能測定電信號的幅度、周期、頻率和相位，凡能轉化為電壓信號的其它電學量（電流、電功率、阻抗等）和非電學量（溫度、位移、速度、壓力、聲強、光強、磁場等），其隨時間的變化都能用示波器來觀測。由于電子射線的慣性小，示波器掃描發(fā)生器的頻率較高（可達幾百兆赫），軸和軸放大器的增益很大，輸入阻抗高，所以示波器特別適合于觀測瞬時變化的過程，并可測量微伏級的電壓，而對被測試系統(tǒng)的影響很小。因此示波器是一種應用廣泛的綜合性電信號測試儀器。示波器按用途和特點可以分為：通用示波器。它是根據(jù)波形顯示基本原理而構成的示波器。取樣示波器，它是先將高頻信號取樣，變?yōu)椴ㄐ闻c原始信號相似的低頻信號，再應用基本原理顯示波形的示波器。與通用示波器相比，取樣示波器具有頻帶極寬的優(yōu)點。記憶與存儲示波器。這兩種示波器均有存儲信號的功能，前者是采用記憶示波管，后者是采用數(shù)字存儲器來存儲信息。專用示波器。為滿足特殊需要而設計的示波器，如電視示波器、高壓示波器等。智能示波器。這種示波器內采用了微處理器，具有自動操作、數(shù)字化處理、存儲及顯示等功能。它是當前發(fā)展起來的新型示波器。也是示波器發(fā)展的方向。本實驗以SS7802型通用示波器為例，說明示波器的原理和使用方法，并介紹GFG8016G型數(shù)字式函數(shù)信號發(fā)生器的使用方法?！緦嶒災康摹?了解示波器顯示圖象的原理。2較熟練地掌握示波器的調整和使用方法。3掌握函數(shù)信號發(fā)生器的使用方法。4學習用示波器觀察電信號的波形，測量電信號的電壓幅度和頻率。【儀器用具】SS7802型示波器（或DS-5000型存儲示波器）、GFG8016G型數(shù)字式函數(shù)信號發(fā)生器(或SPF05A型數(shù)字合成函數(shù)信號發(fā)生器)。【實驗原理】1. 示波器的基本結構和工作原理示波器內部結構復雜，型號很多，但從功能上看，大致可分為示波管、電壓放大裝置（包括軸放大和軸放大兩部分）、掃描與整步裝置和電源四個部分。如圖5-1所示。（1）示波管：它包括電子槍、偏轉板和熒光屏三部分。圖5-1 示波器結構方框圖示波管是示波器的核心，它的構造如圖5-2所示，左端為一電子槍，電子槍又包括旁熱式陰極、加熱陰極的燈絲、控制柵極和第一、第二陽極等，陰極經燈絲加熱后發(fā)出一束電子，電子被第一和第二陽極電場加速及聚焦后，形成一束很細的高速電子流打在右端的熒光屏上，屏上的熒光物圖5-2 示波管的構造發(fā)光形成一亮點。調節(jié)第一陽極電壓（即調“聚焦”旋鈕）和調節(jié)第二陽極電壓 ( 即調“輔助聚焦”旋鈕）可達到聚焦的目的，使熒光屏上出現(xiàn)清晰的圖象。在電子槍和熒光屏之間裝有兩對相互垂直的平行板，稱為偏轉板。如果板上加有電壓，則電子束經過偏轉板時受正電極吸引，受負電極排斥，從而使電子束在熒光屏上的亮點位置也跟著改變，所以偏轉板是用來控制亮點位置的。兩對偏轉板中，橫方向的一對稱為軸偏轉板（或叫水平偏轉板），縱方向的一對稱為軸偏轉板（或叫垂直偏轉板）。在一定范圍內，亮點的位移與偏轉板上所加電壓成正比，調節(jié)“軸移位”和“軸移位”旋鈕可以改變亮點的位置。由于控制柵極的電位低于陰極，調節(jié)柵極電位可控制穿過柵極的電子數(shù)，即控制了電子流的強度。熒光屏上亮點的亮度決定于射到屏上電子的數(shù)目和能量（由加速陽極的電壓決定），從而調節(jié)柵極電位（即調“輝度”旋鈕）可以改變亮點的亮度。（2）電壓放大裝置（包括軸放大和軸放大兩部分）示波器的輸入分為軸、軸兩個通道，輸入信號電壓經輸入端的衰減器衰減后，送到電壓放大器放大。放大后的信號電壓最終加到示波器的軸偏轉板或軸偏轉板上，亮點隨信號電壓的變化沿左右或上下作直線運動，形成一條水平或垂直亮線。調節(jié)“軸增益”或“軸增益”旋鈕，可以控制輸入信號的放大幅度（注意只是將顯示比例放大或縮小，而不能改變信號電壓本身的幅值大?。?。在示波器的軸和軸輸入端還設置有衰減器，如果信號電壓過大，可利用軸（或軸）衰減器使信號電壓變小，以適應電壓放大器的要求。這些都是通過“V/cm”偏轉靈敏度選擇開關實現(xiàn)。（3）掃描與整步裝置這是示波器的關鍵部分。它主要由鋸齒波電壓發(fā)生器（即掃描電壓發(fā)生器）構成。圖5-3 鋸齒波波形圖如果在軸偏轉板上加上鋸齒形電壓，如圖5-3（a）所示，鋸齒形電壓的特點是：電壓從負開始（）隨時間成正比地增加到正（），然后又突然返回負（）。再從此開始與時間成正比地增加（）,如此重復，這時，熒光屏上的亮點從左（）勻速地向右運動（），到右端后馬上回到左端（），然后再從左端勻速地向右運動（）, 不斷重復前述過程。亮點只在水平方向運動，我們在熒光屏上看到的便是一條水平線，如圖5-3（b）所示。如果在軸偏轉板上加上正弦電壓，如圖5-4（a）所示，而軸偏轉板上不加任何電壓，則亮點的運動是在縱方向作正弦式振蕩，在橫方向不動，我們看到的是一條垂直的亮線，如圖5-4（b）所示。圖5-4 正弦波波形圖如果在軸偏轉板上加上正弦電壓，在軸偏轉板上加上鋸齒形電壓，則熒光屏上的亮點將同時進行方向互相垂直的兩種位移，我們看到的將是亮點的合成位移，即正弦圖形。用示波器觀察波形的原理可用圖5-5來說明。簡諧振動可用一個作勻速圓周運動的質點在某方向上的投影來代表，這個圓稱為簡諧振動的參考圓。在軸偏轉板上加上正弦電壓時，可以用參考點在垂直方向投影的運動來代表。我們假定信號電壓與掃描電壓的周期相同，起始點也相同，都是從零開始的，我們把這兩個電壓的周期分成八等份，分別用1，2，3，8表示。從圖5-5看到，當時間從0到1時，軸偏轉板上的鋸齒形電壓使亮點從原點0向右移，而軸偏轉板上的交流電壓正好是正半周，它要亮點向上移，合成的結果電子束就打在熒光屏的“1”位置上。當時間到達2時，亮點就打在“2”位置上，因為兩對偏轉板上所加的電壓是連續(xù)不斷的，所以亮點的移動也是連續(xù)不斷的，結果繪出如圖5-5中從“0”到“8”的一條正弦曲線。當鋸齒形電壓從最大突然跳回零時，亮點立即從“8” 突然跳回到“0”，這時軸偏轉板上的交流電壓也正好回到第二個周期的零點上，因此在第二個周期中畫出的曲線正好和第一個周期的完全重合。這樣不斷重復，所以我們可以在熒光屏上看見一條穩(wěn)定的正弦曲線。圖5-5 示波器顯示波形原理圖上面討論的是在掃描電壓的周期與信號電壓的周期相等時，熒光屏上可以穩(wěn)定的顯示出一個波長的信號波形。如果掃描電壓的周期是信號電壓的周期的兩倍（即），則在熒光屏上可以看到兩個波長的信號波形，同理，若，則熒光屏上將顯示出個波長的信號波形。即 1，2，3， (5-1)由于周期和頻率具有互為倒數(shù)的關系，因此上式也可以表示為 1，2，3， (5-2)（5-2）式中，為加在軸偏轉板上的信號電壓的頻率，為加在軸偏轉板上的掃描電壓的頻率。如上所述，為了在熒光屏上觀察到穩(wěn)定的波形，必須使掃描電壓的周期與信號電壓的周期相等或成整數(shù)倍關系，否則稍有偏差，所顯示的波形就會向左或向右移動。例如，當 2時，第一次掃描顯示的波形如圖5-6中04所示，而第二次掃描顯示的波形如圖5-6中48所示。兩次掃描顯示的波形不相重合，其結果是好象波形在不斷地向左移動。同理，當號，不微調是=號。MAG10掃速放大按按下后，掃描速度放大10倍，屏幕中心波形向左右展開。屏幕右下角顯示MAG。 觸 發(fā) 部 分TRIG LEVEL觸發(fā)電平旋轉調節(jié)觸發(fā)電平，可使圖象穩(wěn)定。SLOPE觸發(fā)沿選擇按選擇觸發(fā)，上升沿+，下降沿SOURCE觸發(fā)源選擇 每按一下，改變一次選擇觸發(fā)信號來源（CH1、CH2、LINE或EXT），LINE是以電源頻率作觸發(fā)源，EXT為外觸發(fā)。觸發(fā)源符號顯示在屏幕左上掃描因子后。COUPL耦合方式按選擇觸發(fā)耦合模式（AC、DC、HF-R、LF-R）TV視頻觸發(fā)模式選擇按視頻觸發(fā)模式有BOTH、ODD、EVEN或T V-HREADY單次觸發(fā)狀態(tài)指示指示燈亮與滅亮時，處于單次觸發(fā)準備狀態(tài)，觸發(fā)后燈變暗。TRIGD觸發(fā)指示亮與滅觸發(fā)脈沖來時，燈亮。此時所示的圖形才穩(wěn)定。水平顯示 A 掃描顯示按按后顯示Y1，Y2或Y1、Y2波形。X-YX-Y顯示按按下后，CH1信號加到X軸（水平軸）。CH1、CH2或ADD信號加到Y軸（垂直軸）。用于觀察李薩如圖或磁滯回線等。掃描模式AUTO或NORM自動/正常按任一按下均為連續(xù)掃描狀態(tài)，相應指示燈亮。AUTO適用于50Hz以上信號。NORM適合于低頻信號。SGL/RST單次按按下選擇單次掃描狀態(tài)，且處于等待狀態(tài)，READY燈亮，單掃后燈滅。光標測量功能FUNCTION這部分的作用及用法詳見下面的光標測量功能簡介SS-7802示波器的光標測量部分功能簡介 FUNCTION，功能選擇鍵，可用于光標測量調節(jié)上，使用說明如下：（1）按下V-t-OFF以選擇t(時間間隔測量)、V(電壓差測量)或OFF(關閉測量)。當選擇t時，屏幕顯示兩條豎直的水平測量光標H1、H2，選擇V時，屏幕顯示兩條水平的垂直測量光標V1、V2。（2）轉動FUNCTION，可調整光標位置。每按一次FUNCTION，測量光標按原轉動之方向移動一步，持續(xù)按下FUNCTION，光標快速移動。（3）V測量。按V-t-OFF，以選擇V測量方式，此時屏幕下方倒數(shù)第二行顯示V1=V，V2=V。按TCK/C2以選擇V-TRACK(光標跟蹤方式)，屏幕右上角顯示f:V-TRACK，此時轉動FUNCTION，兩垂直測量光標V1、V2同時移動，將V1移至一測量點；再按TCK/C2，選擇 V-C2(只移動光標V2)，屏幕右上角顯示f: V-C2，轉動FUNCTION，移動V2至另一測量點，被測波形兩測量點之間的電壓差即顯示在屏幕下方，V1為CH1信號的測量值，V2為CH2信號的測量值。（4）t測量。按V-t-OFF，以選擇t測量方式，此時屏幕下方倒數(shù)第三行顯示t=ms()，1/t=KHz。按TCK/C2以選擇H-TRACK(光標跟蹤方式)，屏幕右上角顯示f:H-TRACK，轉動FUNCTION，兩光標H1、H2一起移動，再按TCK/C2，以選擇H-C2方式，屏幕右上角顯示f:H-C2，轉動FUNCTION，只移動H2，將H1、H2分別移至兩測量點，兩點間時間差即測量出來。測量結果顯示于屏幕下方倒數(shù)第三行的t(s、ms、或)，1/t為其倒數(shù)(Hz)。若t為信號的周期，則1/t是信號的頻率。（5）頻率測量。屏幕下方倒數(shù)第三行右側顯示的=Hz為CH1或CH2輸入信號的頻率。（6）屏幕顯示的測量數(shù)字綜合表示如圖5-9所示。2. GFG-8016G型數(shù)字式函數(shù)信號發(fā)生器介紹GFG-8016G型數(shù)字式函數(shù)信號發(fā)生器是臺灣固緯公司的產品，它能產生正弦波、方波、三角波、脈沖波和鋸齒波等多種波形，輸出頻率范圍為0.2Hz-2MHz，七檔連續(xù)可調，輸出波形的頻率用六位數(shù)字的LED直接顯示，且儀器還能外測未知信號的頻率，外測頻率范圍為0.1Hz-10MHz。GFG-8016G型數(shù)字式函數(shù)信號發(fā)生器的儀器面版圖及面板上各旋鈕、按鍵的作用如圖5-10所示，學生實驗前需認真預習，了解并掌握儀器的使用方法及面板上各旋鈕、按鍵的作用。圖5-10 GFG-8016G型數(shù)字式函數(shù)信號發(fā)生器面板圖【實驗內容與要求】（參考附錄）1. 學習示波器的調整方法 了解示波器各部分的作用，熟悉示波器面板上各旋鈕、按鍵的調節(jié)方法，特別是POSITION（位置）、VOLTS/DIV(VARLABLE)（Y軸靈敏度調節(jié)及微調）、TIME/DIV（時間分度調節(jié)或稱掃描時基因數(shù)）等旋鈕及CH1、CH2、GND、ADD、INV、 A 、AUTO、x-y等按鍵的作用，能組合使用這些旋鈕及按鍵，注意一邊調節(jié)一邊觀察示波器熒光屏，了解屏上所顯示的數(shù)字和符號的意義，按要求調出各種圖形。2. 觀察并描繪信號波形 按照SS-7802型示波器和GFG-8016G型數(shù)字式函數(shù)信號發(fā)生器的使用方法，首先分別把待測信號源輸出的幾種波形的信號接入示波器的（CH1或CH2）通道，并在熒光屏上顯示出來，描繪出觀察到的信號波形，并記錄、等有關參數(shù)。3. 測量信號電壓 將信號源的輸出電壓調至最大，利用（5-3）式分別測量正弦波信號、方波信號和三角波信號電壓峰峰值。4. 測量正弦信號的頻率要求用下列兩種方法測量一個正弦波信號源的頻率：（1） 選擇示波器的AUTO掃描模式，利用示波器的時基因數(shù)進行測量（參見原理部分）；（2） 選擇示波器的x-y模式，調節(jié)待測信號源的頻率使出現(xiàn)穩(wěn)定的李薩如圖形，利用李薩如圖形進行測量（參見原理部分）。5. 利用示波器的光標測量功能，測量待測信號源的信號電壓及頻率。測量方法參見【儀器介紹】部分?！咀⒁馐马棥?. 不要把示波器的亮度調得很亮，特別是不要把亮線調成亮點并持續(xù)停在熒光屏的某一點上，以免損壞熒光屏。2. 實驗過程中，如有短時間不使用示波器，可把示波器的亮度調暗，不要經常通斷示波器的電源，以免縮短示波管的壽命。【思考問題】1. 試敘述示波器顯示波形的原理。2. 在用示波器測量待測信號的電壓和頻率前，為什么要先校準y軸靈敏度和掃描時基因數(shù)？3. 打開示波器電源開關后，如果在熒光屏上看不到掃描線，也看不到亮點，可能有哪些原因？應做怎樣的調節(jié)？4. 如果你觀察到的正弦波形很不穩(wěn)定，總是向左或向右移動，給觀察帶來困難，應該如何調節(jié)才能使波形穩(wěn)定？5. 觀察李薩如圖形時，如果所觀察到的圖形不斷變化，圖形變化的快慢與兩個信號的頻率之差有什么關系？應該如何調節(jié)才能使李薩如圖形穩(wěn)定？6. 當示波器的Y軸正弦信號頻率遠小于或遠大于掃描信號頻率時，屏上圖形將是什么情形？先考察掃描信號頻率等于正弦信號頻率的2（或1/2）、3（或1/3）時的情形，再推廣到（或1/）倍的情形，進行討論。附錄：示波器原理與使用實驗內容14 視頻觸發(fā)方式13 觸發(fā)信號輸入方式15 觸發(fā)電平12 觸發(fā)信號來源一、基本調節(jié)4 A模式，水平軸為時間軸4 XY模式，顯示李薩如圖形8 打開通道111 輸入信號接地,波形變?yōu)橐凰骄€6 時間分度，按下為微調狀態(tài)5 單次掃描5 非自動掃描5 自動掃描10 波形上下移動9 縱軸分度,表示縱軸上一格代表多大電壓7 信號輸入端3 聚焦2 亮度2 亮度1電源 以下實驗步驟對應上圖編號進行操作，須注意屏幕變化，反復操作，認真領會每個按鍵和旋鈕的作用。準備工作1、 打開電源2、 調節(jié)亮度旋鈕至中間位置3、 調節(jié)聚焦旋鈕使顯示清晰掃描方式選擇4、 交替按下A鍵和X-Y鍵，感受屏幕的變化，最后按A鍵使水平軸作為時間軸5、 交替按下AUTO、NORM、SGL/RST三個鍵，感受屏幕的變化，最后按AUTO鍵使掃描自動進行6、 轉動時間分度旋鈕，感受水平掃描速度的變化，注意屏幕左上角的時間分度值變化，最后使掃描成一直線7、 打開函數(shù)信號發(fā)生器，輸出任意一正弦波信號，并把信號接入到示波器的通道1信號輸入端輸入并顯示信號8、 按CH1鍵打開通道1，使屏幕顯示通道1的信號波形，留意屏幕左下角有標記1：表示通道1已打開9、 轉動電壓分度旋鈕，感受波形高度的變化，注意屏幕左下角標記1：后面的電壓值即為縱軸上一格代表的電壓，此旋鈕同時也是一個按鈕，按下后該旋鈕即變?yōu)槲⒄{狀態(tài)，在標記1：后面會多了一個表示，再按一下即取消微調功能，測量數(shù)據(jù)時必須退出微調狀態(tài)（上述第6項時間分度旋鈕具有相同功能）10、 來回轉動垂直位置旋鈕，把波形定位在中間高度11、 按下GND鍵若干次，觀察并體會輸入信號接地前后的變化穩(wěn)定信號顯示12、 按SOURCE鍵若干次，注意屏幕頂部中間位置的信息變化，最后選擇CH1作為觸發(fā)信號來源，觸發(fā)源的作用是用來產生與信號本身周期相等或成整數(shù)倍關系的鋸齒波，以便使波形不會產生左右移動13、 按COUPL鍵若干次，注意屏幕頂部中間位置的信息變化，最后選擇AC作為觸發(fā)信號的輸入方式（交流）14、 按TV鍵若干次，注意屏幕頂部中間位置的信息變化，最后使該處顯示信息為一電壓值，表示以電平觸發(fā)15、 轉動觸發(fā)電平旋鈕，使上述第14項的電壓值往0V方向變化，直到波形穩(wěn)定顯示為止函數(shù)信號發(fā)生器調節(jié)16、 調節(jié)函數(shù)信號發(fā)生器，改變波形的高度（電壓）和寬度（周期/頻率）二、波形觀測信號輸入與波形顯示1、調節(jié)函數(shù)信號發(fā)生器，輸出一電壓峰峰值為2Vpp，頻率為1kHz的正弦波2、按實驗內容一的方法使波形穩(wěn)定地顯示于屏幕中間信號的電壓峰峰值測量3、參照實驗內容一中第9項操作使波形的高度約占屏幕高度的2/3左右，記錄屏幕左下角標記1：后面的電壓值即為Ku，它表示波形每