示波器的原理和使用

1、-作者xxxx-日期xxxx示波器的原理和使用【精品文檔】 示波器的原理和使用 示波器是一種用途廣泛的基本電子測量儀器，用它能觀察電信號的波形、幅度和頻率等電參數(shù)。用雙蹤示波器還可以測量兩個信號之間的時間差，一些性能較好的示波器甚至可以將輸入的電信號存儲起來以備分析和比較。在實際應用中凡是能轉化為電壓信號的電學量和非電學量都可以用示波器來觀測?！緦嶒災康摹?了解示波器的基本結構和工作原理，掌握使用示波器和信號發(fā)生器的基本方法。2學會使用示波器觀測電信號波形和電壓幅值以及頻率。3學會使用示波器觀察李薩如圖并測頻率。圖1-1 示波器結構圖【實驗原理】 不論何種型號和規(guī)格的示波器都包括了如圖1-1所

2、示的幾個基本組成部分：示波管（又稱陰極射線管，cathode ray tube，簡稱CRT）、垂直放大電路（Y放大）、水平放大電路（X放大）、掃描信號發(fā)生電路（鋸齒波發(fā)生器）、自檢標準信號發(fā)生電路（自檢信號）、觸發(fā)同步電路、電源等。1示波管的基本結構 示波管的基本結構如圖1-2所示。主要由電子槍、偏轉系統(tǒng)和熒光屏三部分組成，全都密封在玻璃殼體內，里面抽成高真空。(1)電子槍：由燈絲、陰極、控制柵極、第一陽極和第二陽極五部分組成。燈絲通電后加熱陰極。陰極是一個表面涂有氧化物的金屬圓筒，被加熱后發(fā)射電子。控制柵極是一個頂端有小孔的圓筒，套在陰極外面。它的電位比陰極低，對陰極發(fā)射出來的電子起控制作用

3、，只有初速度較大的電子才能穿過柵極頂端的小孔然后在陽極加速下奔向熒光屏。示波器面板上的“輝度”調整就是通過調節(jié)電位以控制射向熒光屏的電子流密度，從而改變了屏上的光斑亮度。陽極電位比陰極電位高很多，電子被它們之間的電場加速形成射線。當控制柵極、第一陽極與第二陽極電位之間電位調節(jié)合適時，電子槍內的電場對電子射線有聚集作用，所以，H-燈絲；K-陰極；G1 ，G2- 控制柵極；A1-第一陽極；A2-第二陽極；Y-豎直偏轉板；X-水平偏轉板圖1-2 示波管結構圖第一陽極也稱聚集陽極。第二陽極電位更高，又稱加速陽極。面板上的“聚集”調節(jié)，就是調第一陽極電位，使熒光屏上的光斑成為明亮、清晰的小圓點。有的示波

4、器還有“輔助聚集”，實際是調節(jié)第二陽極電位。(2)偏轉系統(tǒng)：它由兩對互相垂直的偏轉板組成 ，一對豎直偏轉板，一對水平偏轉板。在偏轉板上加以適當電壓，電子束通過時，其運動方向發(fā)生偏轉，從而使電子束在熒光屏上產(chǎn)生的光斑位置也發(fā)生改變。(3)熒光屏：屏上涂有熒光粉，電子打上去它就發(fā)光，形成光斑。不同材料的熒光粉發(fā)光的顏色不同，發(fā)光過程的延續(xù)時間（一般稱為余輝時間）也不同。熒光屏前有一塊透明的、帶刻度的坐標板，供測定光點的位置用。在性能較好的示波管中，將刻度線直接刻在熒光屏玻璃內表面上，使之與熒光粉緊貼在一起以消除視差，光點位置可測得更準。2波形顯示原理（1）僅在垂直偏轉板（Y偏轉板）加一正弦交變電壓

5、：如果僅在Y偏轉板加一正弦交 圖1-3 在垂直偏轉板加一正弦交變電壓 圖1-4在水平偏轉板加一掃描（鋸齒）電壓變電壓，則電子束所產(chǎn)生的亮點隨電壓的變化在y方向來回運動，如果電壓頻率較高，由于人眼的視覺暫留現(xiàn)象，則看到的是一條堅直亮線，其長度與正弦信號電壓的峰峰值成正比，如圖1-3所示。 (1)僅在水平偏轉板加一掃描（鋸齒）電壓：為了能使y方向所加的隨時間t變化的信號電壓uy(t)在空間展開，需在水平方向形成一時間軸。這一t軸可通過在水平偏轉板加一如圖74所示的鋸齒電壓ux(t)，由于該電壓在01時間內電壓隨時間成線性關系達到最大值，使電子束在屏上產(chǎn)生的亮點隨時間線性水平移動最后到達屏的最右端。

6、在12時間內（最理想情況是該時間為零）ux突然回到起點（即亮點回到屏的最左端）。如此重復變化，若頻率足夠高的話，則在屏上形成了一條如圖1-4所示的水平亮線，即t軸。圖1-5 波形顯示原理圖(2)常規(guī)顯示波形：如果在Y偏轉板加一正弦電壓（實際上任何所想觀察的波形均可）同時在X偏轉板加一鋸齒電壓，電子束受豎直、水平兩個方向的力的作用下，電子的運動是兩相互垂直運動的合成。當兩電壓周期具有合適的關系時，在熒光屏上將能顯示出所加正弦電壓完整周期的波形圖。如圖1-5所示。3同步原理(1)同步的概念：為了顯示如圖1-5所示的穩(wěn)定圖形，只有保證正弦波到Iy點時，鋸齒波正好到Ix點，從而亮點掃完了一個周期的正弦

7、曲線。由于鋸齒波這時馬上復原，所以亮點又回到A點，再次重復這一過程，光點所畫的軌跡和第一周期的完全重合，所以在屏上顯示出一個穩(wěn)定的波形，這就是所謂的同步。由此可知同步的一般條件為： Tx = nTy，n = 1，2，3··· 01234567891011121692057104 88圖1-6 TX=（7/8）TY 時的波形其中Tx為鋸齒波周期，Ty為正弦周期。若n = 3，則能在屏上顯示出三個完整周期的波形。如果正弦波和鋸齒波電壓的周期稍微不同，屏上出現(xiàn)的是一移動著的不穩(wěn)定圖形。這情形可用圖1-6說明。設鋸齒波形電壓的周期Tx比正弦波電壓周期Ty稍小，比方說Tx

8、= nTy，n =7/8。在第一掃描周期內，屏上顯示正弦信號04點之間的曲線段；在第二周期內，顯示48點之間的曲線段，起點在4處；第三周期內，顯示811點之間曲線段，起點在8處。這樣，屏上顯示的波形每次都不重疊，好象波形在向右移動。同理，如果Tx 比Ty稍大，則好象在向左移動。以上描述的情況在示波器使用過程中經(jīng)常會出現(xiàn)。其原因是掃描電壓的周期與被測信號的周期不相等或不成整數(shù)倍，以致每次掃描開始時波型曲線上的起點均不一樣所造成的。(2)手動同步的調節(jié)：為了獲得一定數(shù)量的穩(wěn)定波形，示波器設有“掃描周期”、“掃描微調”旋鈕，用來調節(jié)鋸齒波電壓的周期Tx（或頻率fx），使之與被測信號的周期TY（或頻率

9、fY）成整數(shù)倍關系，從而，在示波器屏上得到所需數(shù)目的完整被測波形。(3)自動觸發(fā)同步調節(jié)：輸入Y軸的被測信號與示波器內部的鋸齒波電壓是相互獨立的。由于環(huán)境或其他因素的影響，它們的周期（或頻率）可能發(fā)生微小的改變。這時雖通過調節(jié)掃描旋鈕使它們之間的周期滿足整數(shù)倍關系，但過了一會可能又會變，使波形無法穩(wěn)定下來。這在觀察高頻信號進尤其明顯。為此，示波器內設有觸發(fā)同步電路，它從垂直放大電路中取出部分待測信號，輸入到掃描發(fā)生器，迫使鋸齒波與待測信號同步，此稱為“內同步”。操作時，首先使示波器水平掃描處于待觸發(fā)狀態(tài)，然后使用“電平”（LEVEL）旋鈕，改變觸發(fā)電壓大小，當待測信號電壓上升到觸發(fā)電平時，掃描

10、發(fā)生器才開始掃描。若同步信號是從儀器外部輸入時，則稱“外同步”。4李薩如圖形的原理如果示波器的X和 Y輸入是頻率相同或成簡單整數(shù)比的兩個正弦電壓，則屏上將呈現(xiàn)特殊的光點軌跡，這種軌跡圖稱為李薩如圖。圖1-7所示的為fYfx = 21的李薩如圖形。頻率比不同的將形成不同的李薩如圖形。圖1-8所示的是頻率比成簡單整數(shù)比值的幾組李薩如圖形。從中可總結出如下規(guī)律：如果作一個限制光點x、y方向變化范圍的假想方框，則圖形與此框相切時，橫邊上切點數(shù)nx與豎邊上的切點數(shù)ny之比恰好等于Y和X輸入的兩正弦信號的頻率之比，即fyfx = nxny。但若出現(xiàn)圖（b）或（f）所示的圖形，有端點與假想邊框相接時，應把一

11、個端點計為1/2個切點。所以利用李薩如圖形能方便地比較兩正弦信號的頻率。若已知其中一個信號的頻率，數(shù)出圖上的切點數(shù)nx和ny，便可算同另一待測信號的頻率。圖1-7 fy : fx=2 : 1的李薩如圖形圖1-8 fy : fx=nX : ny的幾種李薩如圖形【實驗儀器】YB4320G雙蹤示波器（面板分布圖及功能請參見附錄）。YB1634功率函數(shù)信號發(fā)生器（面板分布圖及功能請參見附錄B）?！緦嶒瀮热荨?校準示波器(1)示波器面板控制件的預置 儀器使用時面板控制件位置（以CH1輸入為例），其他按鍵為彈出位置面板控制件作用位置面板控制件作用位置輝度（2）順時針1/3處觸發(fā)耦合(28)AC聚焦(4)適

12、中電平鎖定(32)按下垂直方式(42)CH1釋抑(34)逆時針旋到底垂直位移(40)(43)適中觸發(fā)方式(31)自動VOLTS/DIV(10)(15)水平顯示方式(41)A微調(14)(19)順時針轉至校準位置A TIME/DIV(20)觸發(fā)源(29)CH1水平位移(35)適中(2)打開電源開關，調節(jié)輝度和聚焦旋鈕，使光跡最細最清晰；調節(jié)CH1垂直位移、水平位移和光跡旋鈕將掃線調到居中并與水平中心刻度平行。(3)將探極連線接分別連接CH1輸入端和2VP-P校準信號端，調節(jié)CH1垂直位移和水平位移到適中位置，使顯示的方波波形對準刻度線，最后讀出電壓幅度VP-P和周期（T）。計算VP-P和周期VP

13、-P= A×V/divT= B×time/div式中A為波形在屏上所占垂直格數(shù)，B為一個波形周期在屏上所占水平格數(shù)。在讀和B時，注意還要估讀小格，VOLTS/DIV和A TIME/DIV旋鈕每一級對應一大格，每一大格分為小格。2觀測信號波形并測量峰峰電壓值和頻率(1)信號發(fā)生器的調節(jié) 儀器使用時面板控制件位置，其他按鍵為彈出位置面板控制件作用位置波形選擇開關(WAVE FORM)任意按入一鍵（即任意選擇一輸出波形）頻率范圍選擇開關按入200Hz或2kHz檔頻率調節(jié)旋鈕(FREQUENCY)在相應的量程范圍內任意調節(jié)輸出信號的頻率幅度調節(jié)旋鈕(AMPLITUDE)任意調節(jié)輸出

14、信號幅度，但不宜過小或過大(2)用信號線一頭連接信號發(fā)生器的電壓輸出端口(VOLTAGE OUT)，另一頭連接示波器的CH1輸入端，示波器的面板控制件位置同上。(3)選擇不同波形、不同頻率、不同幅度的信號進行觀察和測量，測量方法同上。注意，為了提高測量精度，測量時應調節(jié)示波器的VOLTS/DIV和A TIME/DIV旋鈕，使波形上下、左右達到最大，但不能超出屏幕顯示范圍，并至少要顯示一個完整的波形。3觀繪李薩如圖形(1)用兩根信號線分別從兩臺信號發(fā)生器的電壓輸出端口(VOLTAGE OUT)連接到示波器的CH1（X）輸入端和CH2（Y）輸入端，信號發(fā)生器的波形開關(WAVEFORM)置于“”

15、正弦波。(2)示波器的垂直方式開關置于“CH2”，觸發(fā)源開關置于“CH1”。(3)按下示波器的X-Y（11）鍵，分別觀察fyfx =11、12、23的李薩如圖形，描繪fyfx =41的李薩如圖形?！靖戒洝繄D1-9 YB4320G雙蹤示波器面板分布圖AYB4320G雙蹤示波器面板分布圖及功能1主機電源（9）電源開關（POWER）將電源開關按鍵彈出即為“關”位置，將電源接入，按電源開關，以接通電源。（8）電源指示燈電源接通時指示燈亮。（2）輝度旋鈕（INTENSITY）順時針方向旋轉旋鈕，亮度增強。接通電源之前將該旋鈕逆時針方向旋轉到底。（4）聚焦旋鈕（FOCUS）用亮度控制鈕將亮度調節(jié)至合適的標

16、準，然后調節(jié)聚集控制鈕直至軌跡達到最清晰的程度，雖然調節(jié)亮度時聚集可自動調節(jié)，但聚集有時也會輕微變化。如果出現(xiàn)這種情況，需重新調節(jié)聚集。（5）光跡旋轉旋鈕（TRACE ROTATION）由于磁場的作用，當光跡在水平方向輕微傾斜時，該旋鈕用于調節(jié)光跡與水平刻度線平行。（45）顯示屏儀器的測量顯示終端。數(shù)據(jù)（1）校準信號輸出端子（CAL）提供1kHz±2%，2 VP-P±2%方波作本機Y軸、X軸校準用。2垂直方向部分（13）通道1輸入端CH1 INPUT（X）該輸入端用于垂直方向的輸入。在X-Y方式時輸入端的信號成為X軸信號。（17）通道2輸入端CH2 INPUT（Y）和通道1

17、一樣，但在X-Y方式時輸入端的信號仍為Y軸信號。（11）、（12）、（16）、（18）交流直流接地耦合選擇開關（ACDCGND）選擇輸入信號與垂直放大器的耦合方式交流（AC）：垂直輸入端由電容器來耦合。接地（GND）：放大器的輸入端接地。直流（DC）：垂直放大器的輸入端與信號直接耦合。（10）、（15）衰減器開關（VOLTS/DIV）用于選擇垂直偏轉靈敏度的調節(jié)。如果使用的是10：1的探頭，計算時將幅度×10。（14）、（19）垂直微調旋鈕（VARIBLE）垂直微調用于連續(xù)改變電壓偏轉靈敏度，此旋鈕在正常情況下應位于順時針方向旋轉到底的位置。將旋鈕逆時針方向旋轉到底，垂直方向的靈敏度

18、下降到2.5倍以下。（43）、（40）垂直移位（POSITION）調節(jié)光跡在屏幕中的垂直位置。（42）垂直方式工作開關選擇垂直方向的工作方式通道1選擇（CH1）：屏幕上僅顯示CH1的信號。通道2選擇（CH2）：屏幕上僅顯示CH2的信號。雙蹤選擇（DUAL）：同時按下CH1和CH2按鈕，屏幕上會出現(xiàn)雙蹤并自動以斷續(xù)或交替方式同時顯示CH1和CH2上的信號。疊加（ADD）：顯示CH1和CH2輸入電壓的代數(shù)和。（39）CH2極性開關（INVERT）：按此開關時CH2顯示反相電壓值。3水平方向部分（20）主掃描時間因數(shù)選擇開關（A TIME/DIV）共20檔，在0.1us/div0.5s/div范圍選

19、擇掃描速率。（30）X-Y控制鍵如X-Y工作方式時，垂直偏轉信號接入CH2輸入端，水平偏轉信號接入CH1輸入端。（21）掃描非校準狀態(tài)開關鍵按入此鍵，掃描時基進入非校準調節(jié)狀態(tài)，此時調節(jié)掃描微調有效。（24）掃描微調控制鍵（VARIBLE）此旋鈕以順時針方向旋轉到底時處于校準位置，掃描由Time/Div開關指示。該旋鈕逆時針方向旋轉到底，掃描減慢2.5倍以上。正常工作時，（21）鍵彈出，該旋鈕無效，即為校準狀態(tài)。（35）水平位移（POSITION）用于調節(jié)軌跡在水平方向移動。順時針方向旋轉該旋鈕向右移動光跡，逆時針方向旋轉向左移動光跡。（36）擴展控制鍵（MAG×5）按下去時，掃描因

20、數(shù)×5擴展，掃描時間是Time/Div開關指示數(shù)值的1/5。（37）延時掃描B時間系數(shù)選擇開關（B TIME/DIV）共12檔，在0.1us/div0.5ms/div范圍選擇B掃描速率。（41）水平工作方式選擇（HORIZ DISPLAY）主掃描（A）：按入此鍵主掃描單獨工作，用于一般波形觀察。A加亮（A INT）：選擇A掃描的某區(qū)段擴展為延時掃描?？捎么藪呙璺绞健ＥcA掃描相對應的B掃描區(qū)段（被延時掃描）以高亮度顯示。被延時掃描（B）：單獨顯示被延時掃描B。B觸發(fā)（B TRIGD）：選擇連續(xù)延時掃描和觸發(fā)延時掃描。4觸發(fā)系統(tǒng)（TRIGGER）（29）觸發(fā)源選擇開關（SOURCE）：選

21、擇觸發(fā)信號源。通道1觸發(fā)（CH1，X-Y）：CH1通道信號是觸發(fā)信號，當工作方式在X-Y時，波動開關應設置于此擋。通道2觸發(fā)（CH2）：CH2上的輸入信號是觸發(fā)信號。電源觸發(fā)（LINE）：電源頻率成為觸發(fā)信號。外觸發(fā)（EXT）：觸發(fā)輸入上的觸發(fā)信號是外部信號，用于特殊信號的觸發(fā)。（27）交替觸發(fā)（ALT TRIG）在雙蹤交替顯示時，觸發(fā)信號交替來自于兩個Y通道，此方式可用于同時觀察兩路不相關信號。（26）外觸發(fā)輸入插座（EXT INPUT）：用于外部觸發(fā)信號的輸入。（33）觸發(fā)電平旋鈕（TRIG LEVEL）：用于調節(jié)被測信號在某選定電平觸發(fā)同步。（32）電平鎖定（LOCK）無論信號如何變化，

22、觸發(fā)電平自動保持在最佳位置，不需人工調節(jié)電平。（34）釋抑（HOLDOFF） 當信號波形復雜，用電平旋鈕不能穩(wěn)定觸發(fā)時，可用此旋鈕使波形穩(wěn)定同步。（25）觸發(fā)極性按鈕（SLOPE）：觸發(fā)極性選擇，用于選擇信號的上升沿和下降沿觸發(fā)。（31）觸發(fā)方式選擇（TRIG MODE）自動（AUTO）：在自動掃描方式時掃描電路自動進行掃描。在沒有信號輸入或輸入信號沒有被觸發(fā)同時，屏幕上仍然可以顯示掃描基線。常態(tài)（NORM）：有觸發(fā)信號才能掃描，否則屏幕上無掃描顯示。當輸入信號的頻率低于50Hz時，請用常態(tài)觸發(fā)方式。復位鍵（RESET）：當“自動”與“常態(tài)”同時彈出時為單次觸發(fā)工作狀態(tài)，當觸發(fā)信號來到時，準備

23、（READY）指示燈亮，單次掃描結束后熄滅，按復位鍵（RESET）下后，電路又處于待觸發(fā)狀態(tài)。（28）觸發(fā)耦合（COUPLING）根據(jù)被測信號的特點，用此開關選擇觸發(fā)信號的耦合方式。交流（AC）：這是交流耦合方式，觸發(fā)信號通過交流耦合電路，排除了輸入信號中的直流成分的影響，可得到穩(wěn)定的觸發(fā)。高頻抑制（HF REJ）：觸發(fā)信號通過交流耦合電路和低通濾波器作用到觸發(fā)電路，觸發(fā)信號中的高頻成分被抑制，只有低頻信號部分能作用到觸發(fā)電路。電視（TV）：TV觸發(fā)，以便于觀察TV視頻信號，觸發(fā)信號經(jīng)交流耦合通過觸發(fā)電路，將電視信號送到同步分離電路，拾取同步信號作為觸發(fā)掃描用，這樣視頻信號能穩(wěn)定顯示。TV-H用于觀察電視信號中行信號波形，TV-V：用于觀察電視信號中場信號波形。注意：僅在觸發(fā)信號為負同步信號時，TV-V和TV-H同步。直流（DC）：觸發(fā)信號被直接耦合到觸發(fā)電路，當觸發(fā)需要觸發(fā)信號的直流部分或需要顯示低頻信號以及信號空占比很小時，使用此種方式。 BYB1634功率函數(shù)信號發(fā)生器面板分布圖及功能圖1-10 YB1634功率函數(shù)信號發(fā)生器面板分布圖（1）電源開