示波器的原理和應(yīng)用

1、示波器的原理和應(yīng)用【教學(xué)目的】1. 了解示波器的主要組成部分，掃描和整步的作用原理，加深對(duì)振動(dòng)合成的理解。2. 熟練使用示波器觀察信號(hào)特征（正弦波、三角波、方波），利用李薩如圖形測(cè)量信號(hào)頻率。【教學(xué)重點(diǎn)】了解示波器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及使用方法?！窘虒W(xué)難點(diǎn)】1. 熟練掌握示波器各主要旋鈕的作用和用法。2. 能使用示波器觀察信號(hào)特征（正弦波、三角波、方波） ，且會(huì)利用李薩如圖形測(cè)量信號(hào)頻率?！菊n程講授】提問： 1. 示波器的工作原理以及主要組成部分是什么？其主要用途有哪些？2. 如何使用示波器觀察各種信號(hào)特征以及測(cè)量信號(hào)頻率？一、實(shí)驗(yàn)原理示波器動(dòng)態(tài)顯示隨時(shí)間變化的電壓信號(hào)思路是將電壓加在電極板上

2、，極板間形成相應(yīng)的變化電場(chǎng)， 使進(jìn)入這變化電場(chǎng)的電子運(yùn)動(dòng)情況相應(yīng)地隨時(shí)間變化，最后把電子運(yùn)動(dòng)的軌跡用熒光屏顯示出來。示波器主要由示波管（見圖1）和復(fù)雜的電子線路構(gòu)成。示波器的基本結(jié)構(gòu)見圖2。圖 1 示波管示意圖1圖 2 示波器的基本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1. 偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)控制電子束在視屏上的軌跡偏轉(zhuǎn)電壓 U 與偏轉(zhuǎn)位移Y（或 X）成正比關(guān)系。如圖3 所示： YU y 。圖 3 偏轉(zhuǎn)電壓 U 與偏轉(zhuǎn)位移Y如果只在豎直偏轉(zhuǎn)板（Y 軸）上加一正弦電壓，則電子只在豎直方向隨電壓變化而往復(fù)運(yùn)動(dòng)，見圖4。要能夠顯示波形，必須在水平偏轉(zhuǎn)板（X 軸）上加一掃描電壓，見圖5。圖 4 信號(hào)隨時(shí)間變化的規(guī)律（加在 Y 偏轉(zhuǎn)板）圖 5

3、 鋸齒波電壓（加在X 偏轉(zhuǎn)板）示波器顯示波形實(shí)質(zhì)：見圖6，沿 Y 軸方向的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)與沿X 軸方向的勻速運(yùn)動(dòng)合成的一種合運(yùn)動(dòng)。顯示穩(wěn)定波形的條件：掃描電壓周期應(yīng)為被測(cè)信號(hào)周期的整數(shù)倍，即Tx =nTy（ n=1， 2， 3 ）（見圖 7）2. 同步掃描（其目的是保證掃描周期是信號(hào)周期的整數(shù)倍）若沒有 “掃描”（橫向的掃描電壓） ，被測(cè)信號(hào)隨時(shí)間規(guī)律變化規(guī)律就顯示不出來；如果沒有“整步” ，就得不到穩(wěn)定的波形圖像。2為了達(dá)到“整步”目的，示波器采用三種方式：“內(nèi)整步”：將待測(cè)信號(hào)一部分加到掃描發(fā)生器，當(dāng)待測(cè)信號(hào)頻率f y 有微小變化，它將迫使掃描頻率f x 追蹤其變化，保證波形的完整穩(wěn)定 ；“外整

4、步” ：從外部電路中取出信號(hào)加到掃描發(fā)生器，迫使掃描頻率fx 變化，保證波形的完整穩(wěn)定； “電源整步” ：整步信號(hào)從電源變壓器獲得。一般在觀察信號(hào)時(shí)，都采用“內(nèi)整步”（或稱為“內(nèi)觸發(fā)” ）。注：若為同步顯示的波形出現(xiàn)走動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)調(diào)節(jié)： 掃描步長(zhǎng)， 整步方式 （一定打在 “內(nèi)”），“電平”位置。3. 利薩如圖形利薩如圖形形成實(shí)質(zhì)：沿 Y 軸方向的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)與沿X軸方向的簡(jiǎn)諧振動(dòng)合成的一種合運(yùn)動(dòng)。x20sin( 2f xt1 )y20sin( 2f yt2 )利用利薩如圖形測(cè)定未知信號(hào)的頻率公式： ny : nx f x : f y式中的 nx 、 n y 分別為利薩如圖形于X、 Y 軸的切點(diǎn)數(shù)

5、。4. 測(cè)正弦波的峰峰值 Vp-p 、周期 T圖 6 示波器顯示波形原理圖（Tx=Ty）圖 7 Tx=2Ty 時(shí)合成的圖形用示波器觀察正弦波波形，若該信號(hào)輸入通道的標(biāo)度因子為V0，單位為伏 / 厘米（ V/cm）,被測(cè)正弦波的正、負(fù)峰之間的距離在熒光屏上所占的高度為H 厘米，則V p pV0H若正弦波此時(shí)的時(shí)間掃描軸的單位是t/cm ，一個(gè)周期的正弦波形在熒光屏上橫軸所占長(zhǎng)度為 Lcm，則TtL3二、實(shí)驗(yàn)儀器雙蹤示波器函數(shù)信號(hào)發(fā)生器三、實(shí)驗(yàn)步驟1. 將信號(hào)源的100Hz 的正弦波輸出與示波器的CH1 通道相連，將示波器的輸入信號(hào)耦合置“AC”，按下“ CH1”鍵，適當(dāng)調(diào)整CH1通道的靈敏度和掃

6、描頻率，如果波形不穩(wěn)定，適當(dāng)調(diào)節(jié)電平，直到出現(xiàn)穩(wěn)定的正弦波形，并記錄該波形。2. 按上面的方法分別觀察記錄頻率為1KHz的方波和三角波。3. 將“ CH1”和“ CH2”同時(shí)按下，并選擇“X-Y”方式，將信號(hào)源選擇正弦波輸出，接CH1通道， 改變其頻率， 觀察教材上給出的 6 個(gè)李薩如圖形， 記錄下來，計(jì)算各個(gè)圖形下信號(hào)源正弦波的頻率，已知 CH2通道正弦信號(hào)頻率為 50Hz.四、數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)處理1）觀察記錄波形：正弦波、三角波、方波。畫在實(shí)驗(yàn)手冊(cè)上；2）用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一正弦波用示波器觀察并記錄，計(jì)算信號(hào)的峰峰值VP-P、頻率 f 、周期 T；43）觀察教材給出的6 個(gè)李薩如圖形， 記

7、錄在實(shí)驗(yàn)手冊(cè)上，根據(jù) f x : f yny : nx 分別計(jì)算每一個(gè)信號(hào)的頻率f yf y : f x李薩如圖形n xn yf x (Hz)f y (Hz)五、思考題1） 示波器的主要組成部分是什么？示波管的主要組成部分是什么？2） 示波器的主要用途有哪些？3） 為什么示波器的掃描信號(hào)必須是鋸齒波？提示：以正弦波信號(hào)的觀察為例來討論，設(shè)正弦波yA sin t （1），掃描信號(hào)為 xx(t) （ 2），示波器上顯示的圖形為電子的運(yùn)動(dòng)軌跡，應(yīng)該為一正弦波，振幅為A ，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 yA sin x （3），比較（ 1）式和（ 3）式得： x 2kt ，顯然，掃描信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)的變化是線性的，

8、信號(hào)呈鋸齒狀。4） 若示波器一切正常，但開機(jī)后看不見光跡和光點(diǎn)，可能的原因有那些？提示：可能的原因有：輝度不夠；上下調(diào)節(jié)不到位；左右調(diào)節(jié)不到位。5） 若想觀察一待測(cè)電信號(hào)，你能夠描述應(yīng)該如何調(diào)節(jié)雙蹤示波器嗎？若想觀察李薩如圖形又該如何調(diào)節(jié)？提示：待測(cè)電信號(hào)接“Y 輸入”，“掃描旋鈕 ”選擇掃描方式，按下“CH1 ”按鈕，“觸發(fā)”選擇內(nèi)觸發(fā)；觀察李薩如圖形時(shí)，兩個(gè)正弦信號(hào)分別接“X 輸入”和“ Y 輸入”，“掃描旋鈕 ”選擇“ x-y ”方式。6） 若發(fā)現(xiàn)示波器上的圖形向右運(yùn)動(dòng)，掃描信號(hào)的頻率與待測(cè)電信號(hào)的頻率有什么關(guān)系？提示：掃描信號(hào)的頻率大于待測(cè)電信號(hào)的頻率。7） 1V 峰峰值的正弦波，它的有效值是多少？提示：有效值 UVP P 。228） 假定在示波器的輸入端輸入一個(gè)正弦電壓，所用水平掃描頻率為120Hz ，在屏上出現(xiàn)了5三個(gè)完整的正弦波周期，那么輸入電壓的頻率為多少？提示：屏上出現(xiàn)完整的正弦波的個(gè)數(shù)與水平掃描信號(hào)頻率和輸入電壓的頻率的比值相關(guān)。波形個(gè)數(shù)： nf 掃描。f 輸入信號(hào)9） 如何使用示波器測(cè)量?jī)蓚€(gè)