實(shí)驗(yàn)六、示波器的調(diào)整和使用

1、實(shí)驗(yàn)六、示波器的調(diào)整和使用示波器是一種用來檢測觀察信號的常用儀器，其規(guī)格和型號很多，但主要組成部分基本相同。可將信號衰減或放大，可觀測信號的波形，測量電壓和頻率等。預(yù)習(xí)要點(diǎn)1、示波器的主要結(jié)構(gòu)和顯示波形的基本原理2、示波器的校準(zhǔn)和測量3、什么是李薩如圖形？一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解示波器的主要結(jié)構(gòu)和顯示波形的基本原理。2學(xué)會使用信號發(fā)生器。3學(xué)會正確使用示波器觀察波形以及測量電壓、周期和頻率。二、實(shí)驗(yàn)原理示波器是一種能觀察各種電信號波形并可測量其電壓、頻率等的電子測量儀器。示波器還能對一些能轉(zhuǎn)化成電信號的非電量進(jìn)行觀測，因而它還是一種應(yīng)用非常廣泛的、通用的電子顯示器。1示波器的基本結(jié)構(gòu)示波器的型號很多

2、，但其基本結(jié)構(gòu)類似。示波器主要是由示波管、X軸與Y軸衰減器和放大器、鋸齒波發(fā)生器、整步電路、和電源等幾步分組成。其框圖如圖1所示。(1) 示波管 示波管由電子槍、偏轉(zhuǎn)板、顯示屏組成。 電子槍：由燈絲H、陰極K、控制柵極G、第一陽極A1、第二陽極A2組成。燈絲通電發(fā)熱，使陰極受熱后發(fā)射大量電子并經(jīng)柵極孔出射。這束發(fā)散的電子經(jīng)圓筒狀的第一陽極A1和第二陽極A2所產(chǎn)生的電場加速后會聚于熒光屏上一點(diǎn)，稱為聚焦。A1與K之間的電壓通常為幾百伏特，可用電位器W2調(diào)節(jié)，A1與K之間的電壓除有加速電子的作用外，主要是達(dá)到聚焦電子的目的，所以A1稱為聚焦陽極。W2即為示波器面板上的聚焦旋鈕。A2與K之間的電壓為

3、1千多伏以上，可通過電位器W3調(diào)節(jié)，A2與K之間的電壓除了有聚焦電子的作用外，主要是達(dá)到加速電子的作用，因其對電子的加速作用比A1大得多，故稱A2為加速陽極。在有的示波器面板上設(shè)有W3，并稱其為輔助聚焦旋鈕。圖1在柵極G與陰極K之間加了一負(fù)電壓即UKUG ，調(diào)節(jié)電位器W1可改變它們之間的電勢差。如果G、K間的負(fù)電壓的絕對值越小，通過G的電子就越多，電子束打到熒光屏上的光點(diǎn)就越亮，調(diào)節(jié)W1可調(diào)節(jié)光點(diǎn)的亮度。W1在示波器面板上為“輝度”旋鈕。偏轉(zhuǎn)板：水平(X軸)偏轉(zhuǎn)板由D1、D2組成，垂直(Y軸)偏轉(zhuǎn)板由D3、D4組成。偏轉(zhuǎn)板加上電壓后可改變電子束的運(yùn)動方向，從而可改變電子束在熒光屏上產(chǎn)生的亮點(diǎn)的

4、位置。電子束偏轉(zhuǎn)的距離與偏轉(zhuǎn)板兩極板間的電勢差成正比。顯示屏（熒光屏）：顯示屏是在示波器底部玻璃內(nèi)涂上一層熒光物質(zhì)，高速電子打在上面就會發(fā)熒光，單位時間打在上面的電子越多，電子的速度越大光點(diǎn)的輝度就越大。熒光屏上的發(fā)光能持續(xù)的時間稱為余輝時間。按余輝的長短，示波器分為長、中、短余輝三種。(2) X軸與Y軸衰減器和放大器示波管偏轉(zhuǎn)板的靈敏度較低(約為0.11mm/V)，當(dāng)輸入信號電壓不大時，熒光屏上的光點(diǎn)偏移很小而無法觀測。因而要對信號電壓放大后再加到偏轉(zhuǎn)板上，為此在示波器中設(shè)置了X軸與Y軸放大器。當(dāng)輸入信號電壓很大時，放大器無法正常工作，使輸入信號發(fā)生畸變，甚至使儀器損壞，因此在放大器前級設(shè)置

5、有衰減器。X軸與Y軸衰減器和放大器配合使用，以滿足對各種信號觀測的要求，即是示波器面板上的靈敏度調(diào)節(jié)旋鈕。(3) 鋸齒波發(fā)生器圖2鋸齒波發(fā)生器能在示波器本機(jī)內(nèi)產(chǎn)生一種隨時間變化類似于鋸齒狀、頻率調(diào)節(jié)范圍很寬的電壓波形，稱為鋸齒波，作為X軸偏轉(zhuǎn)板的掃描電壓。鋸齒波頻率的調(diào)節(jié)可由示波器面板上的掃描時間選擇旋鈕控制。鋸齒波電壓較低，必須經(jīng)X軸放大器放大后，再加到X軸偏轉(zhuǎn)板上，使電子束產(chǎn)生水平掃描，即使顯示屏上的水平坐標(biāo)變成時間坐標(biāo)，來展開Y軸輸入的待測信號。2示波器的示波原理圖30示波器能使一個隨時間變化的電壓波形顯示在熒光屏上，是靠兩對偏轉(zhuǎn)板對電子束的控制作用來實(shí)現(xiàn)的。如圖2a 所示，Y軸不加電壓

6、時，X軸加一由本機(jī)產(chǎn)生的鋸齒波電壓ux ，ux=0時電子在E的作用下偏至a點(diǎn)，隨著ux 線性增大，電子向b偏轉(zhuǎn)，經(jīng)一周期時間TX ，ux達(dá)到最大值uxm， 電子偏至b點(diǎn)。下一周期，電子將重復(fù)上述掃描，就會在熒光屏上形成一水平掃描線ab。如圖2b所示，Y軸加一正弦信號uy ，X軸不加鋸齒波信號，則電子束產(chǎn)生的光點(diǎn)只作上下方向上的振動，電壓頻率較高時則形成一條豎直的亮線cd。如圖3所示，Y軸加一正弦電壓uy ，X軸加上鋸齒波電壓ux ，且fx=fy ， 這時光點(diǎn)的運(yùn)動軌跡是X軸和Y軸運(yùn)動的合成。最終在熒光屏上顯示出一完整周期的uy波形。 整步從上述分析中可知，要在熒光屏上呈現(xiàn)穩(wěn)定的電壓波形，待測信

7、號的頻率f y必須與掃描信號頻率fx相等或是其整數(shù)倍，即fy=nfx(或Tx= nTy)，只有滿足這樣的條件時，掃描軌跡才是重合的，故形成穩(wěn)定的波形。通過改變示波器上的掃描頻率旋鈕，可以改變掃描頻率fX ，使fy=nfx條件滿足。但由于fx的頻率受到電路噪聲的干擾而不穩(wěn)定，fy=nfx的關(guān)系常被破壞，這就要用整步(或稱同步)的辦法來解決。即從外面引入一頻率穩(wěn)定的信號(外整步)或者把待測信號(內(nèi)整步)加到鋸齒波發(fā)生器上，使其受到自動控制來保持fy=nfx的關(guān)系，從而使熒光屏上獲得穩(wěn)定的待測信號波形。三、實(shí)驗(yàn)儀器雙軌跡示波器； 信號發(fā)生器；示波器探極前面板說明CRT 顯示屏INTEN:軌跡及光點(diǎn)亮

8、度控制鈕FOCUS:軌跡聚焦調(diào)整鈕TRACE ROTATION:使水平軌跡與刻度線成平行的調(diào)整鈕POWER:電源主開關(guān)壓下此鈕可接通電源電源指示燈會發(fā)亮再按一次開關(guān)凸起時則切斷電源。FILTER:濾光鏡片可使波形易于觀察。VERTICAL垂直偏向VOLTS/DIV:垂直衰減選擇鈕以此鈕選擇CH1及CH2的輸入信號衰減幅度范圍為5mV/DIV5V/DIV(1 “DIV”為1cm)共10檔。AC-GND-DC:輸入信號耦合選擇按鍵組AC:垂直輸入信號電容耦合，截止直流或極低頻信號輸入。GND:按下此鍵則隔離信號輸入，并將垂直衰減器輸入端接地，使之產(chǎn)生一個零電壓參考信號。DC:垂直輸入信號直流耦合，

9、AC與DC信號一齊輸入放大器。CH1(X)輸入:CH1的垂直輸入端在X-Y模式中為X軸的信號輸入端。 VARIABLE:靈敏度微調(diào)控制至少可調(diào)到顯示值的1/2.5。在CAL位置時靈敏度即為檔位顯示值。當(dāng)此旋鈕拉出時(×5 MAG 狀態(tài)) 垂直放大器靈敏度增加5倍。CH2(Y)輸入 :CH2的垂直輸入端在X-Y模式中為Y軸的信號輸入端。vPOSITION:軌跡及光點(diǎn)的垂直位置調(diào)整鈕VERT MODE:CH1及CH2選擇垂直操作模式CH1:設(shè)定本示波器以CH1單一頻道方式工作。CH2:設(shè)定本示波器以CH2單一頻道方式工作。DUAL:設(shè)定本示波器以CH1及CH2雙頻道方式工作此時并可切換A

10、LT/CHOP模式來顯示兩軌跡。ADD:用以顯示CH1及CH2的相加信號當(dāng)CH2 INV鍵為壓下狀態(tài)時即可顯示CH1及CH2的相減信號。CH1&CH2 DC BAL.:調(diào)整垂直直流平衡點(diǎn)詳細(xì)調(diào)整部驟請參照4-11 DC BAL的調(diào)整。ALT/CHOP:當(dāng)在雙軌跡模式下放開此鍵則CH1&CH2以交替方式顯示。(一般使用于較快速之水平掃描文件位) 當(dāng)在雙軌跡模式下按下此鍵則CH1&CH2以切割方式顯示。(一般使用于較慢速之水平掃描文件位)CH2 INV:此鍵按下時CH2的訊號將會被反向。CH2輸入訊號于ADD模式時CH2觸發(fā)截選訊號( Trigger Signal Pick

11、off )亦會被反向。TRIGGER觸發(fā)SLOPE:觸發(fā)斜率選擇鍵+: 凸起時為正斜率觸發(fā)當(dāng)信號正向通過觸發(fā)準(zhǔn)位時進(jìn)行觸發(fā)。-: 壓下時為負(fù)斜率觸發(fā)當(dāng)信號負(fù)向通過觸發(fā)準(zhǔn)位時進(jìn)行觸發(fā)。EXT TRIG. IN:TRIG. IN輸入端子可輸入外部觸發(fā)信號。欲用此端子時須先將SOURCE選擇器置于EXT位置。TRIG. ALT:觸發(fā)源交替設(shè)定鍵當(dāng)VERT MODE選擇器在DUAL或ADD位置且SOURCE選擇器置于CH1或CH2位置時按下此鍵本儀器即會自動設(shè)定CH1與CH2的輸入信號以交替方式輪流作為內(nèi)部觸發(fā)信號源。SOURCE:內(nèi)部觸發(fā)源信號及外部EXT TRIG. IN輸入信號選擇器。CH1:當(dāng)

12、VERT MODE選擇器在DUAL或ADD位置時以CH1輸入端的信號作為內(nèi)部觸發(fā)源。CH2:當(dāng)VERT MODE選擇器在DUAL或ADD位置時以CH2輸入端的信號作為內(nèi)部觸發(fā)源。LINE:將AC電源線頻率作為觸發(fā)信號。EXT:將TRIG. IN端子輸入的信號作為外部觸發(fā)信號源。TRIGGER MODE:觸發(fā)模式選擇開關(guān)AUTO: 當(dāng)沒有觸發(fā)信號或觸發(fā)信號的頻率小于25Hz時掃描會自動產(chǎn)生。NORM: 當(dāng)沒有觸發(fā)信號時掃描將處于預(yù)備狀態(tài)屏幕上不會顯示任何軌跡。本功能主要用于觀察£25Hz之信號。TV-V: 用于觀測電視訊號之垂直畫面訊號。TV-H: 用于觀測電視訊號之水平畫面訊號。LE

13、VEL:觸發(fā)準(zhǔn)位調(diào)整鈕旋轉(zhuǎn)此鈕以同步波形并設(shè)定該波形的起始點(diǎn)。將旋鈕向 “+”方向旋轉(zhuǎn)觸發(fā)準(zhǔn)位會向上移；將旋鈕向 “-” 方向旋轉(zhuǎn)，則觸發(fā)準(zhǔn)位向下移。水平偏向TIME/DIV:掃描時間選擇鈕掃描范圍從0.2µS/DIV到0.5µS/DIV(1 “DIV”為1cm)共20個檔位。X-Y:設(shè)定為X-Y模式。SWP. VAR:掃描時間的可變控制旋鈕若按下SWP. UNCAL鍵并旋轉(zhuǎn)此控制鈕掃描時間可延長至少為指示數(shù)值的2.5倍該鍵若未壓下時則指示數(shù)值將被校準(zhǔn)。´10 MAG:水平放大鍵按下此鍵可將掃描放大10倍。3POSITION4:軌跡及光點(diǎn)的水平位置調(diào)整鈕其它功能

14、CAL(2Vp-p):此端子會輸出一個2Vp-p, 1kHz的方波, 用以校正測試棒及檢查垂直偏向的靈敏度。GND:本示波器接地端子實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1、雙通道示波器使用說明書和函數(shù)信號發(fā)生器使用說明書在實(shí)驗(yàn)桌上，但不得拿走；2、不要頻繁開關(guān)機(jī)，示波器上光點(diǎn)的亮度不可調(diào)得太強(qiáng)，也不能讓亮點(diǎn)長時間停在熒光屏的一點(diǎn)上，如果暫時不用，把輝度降到最低即可。3、動旋鈕和按鍵時必是有的放矢，不要將開關(guān)和旋鈕強(qiáng)行旋轉(zhuǎn)、死拉硬擰，以免損壞按鍵、旋鈕和示波器，電纜與插座的配合方式類似于掛口燈泡與燈座的配合方式，切忌生拉硬拽。4、示波器的標(biāo)尺刻度盤與熒光屏不在同一平面上，之間有一定距離，讀數(shù)時要盡量減小視差，即眼睛垂視

15、屏幕。四、實(shí)驗(yàn)步驟 (按instek公司生產(chǎn)的GOS-620型20MHz雙軌跡示波器進(jìn)行敘述)(1)測量前的調(diào)節(jié)接通電源開關(guān)，預(yù)熱。仔細(xì)閱讀使用說明書的第4頁“使用方法”并按照第8頁設(shè)定示波器各旋鈕旋和按鈕。調(diào)節(jié)INTEN “輝度”使掃描線亮度適中，過亮容易縮短示波器的使用壽命; 調(diào)節(jié)“聚焦”使掃描線清晰; 調(diào)節(jié)X軸與Y軸位移使掃描線位置居中。遵照說明書在顯示屏調(diào)出一個方波。然后按說明書練習(xí)單一通道和雙通道的基本操作方法。(2)對示波器的校正利用“CAL”(校正)和CH1X的“VOLTS/DIV”(垂直衰減選擇鈕，即靈敏度選擇)及“TIME/DIV”(掃描時間旋鈕，即“時基”)對示波器的X軸(

16、時間)和Y軸(電壓)方向的測量精確度進(jìn)行校正。 使顯示屏上顯示一列方波，測量其電壓峰-峰值， 即波頂?shù)讲ǖ椎拇怪本嚯x與Y軸靈敏度旋鈕檔位的乘積; 再測量其頻率，即顯示屏上一個周期的寬度與掃描時間的乘積的倒數(shù)。與“CAL”上給出的標(biāo)準(zhǔn)校正值2V p-p(電壓峰-峰值為2V)、1kHz(頻率為1kHz)進(jìn)行比較。如有誤差，應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。但校正后應(yīng)鎖定CH1X的“VAR”(靈敏度微調(diào))，在以后的參數(shù)測量過程中不再改變，以免影響測量精確性。改變“掃描時間”與CH1X的“VOLTS/DIV”的檔位，共測量三組數(shù)據(jù)，并描下一個完整周期的圖形。例如在CH1X的“VOLTS/DIV”檔位為0.5V/cm而“TI

17、ME/DIV”的檔位為0.5ms/cm的條件下，測出一個方波電壓的波頂?shù)讲ǖ椎拇怪本嚯x為4cm，一個周期寬度為2cm，則 峰-峰電壓=4cm×0.5V/cm=2V，而周期為 T=2cm×0.5ms/cm=1sm=1×103s，于是頻率為 f=1/T=1kHz。(3)測量正弦交流電壓利用CH2Y的“VOLTS/DIV”(垂直衰減選擇鈕，即靈敏度選擇)和“TIME/DIV”測量由Y軸輸入的正弦交流電的電壓。把“SOURCE”(觸發(fā)源選擇)和“MODE”(操作模式選擇)撥到CH2; 從函數(shù)信號發(fā)生器的“電壓輸出”把一個正弦電壓信號引入CH2。調(diào)出穩(wěn)定的正弦波形。測量由信

18、號發(fā)生器輸入到Y(jié)軸的正弦電壓信號的電壓值，調(diào)節(jié)“VOLTS/DIV”，使圖形盡可能占滿屏幕，記錄Y軸靈敏度檔位及峰-峰高度，算出峰-峰值及其有效值。改變低頻信號發(fā)生器輸出電壓，共測三個不同數(shù)量級的電壓信號（如10V、1V、100mV）。例如，測量某正弦交流電壓時，峰-峰垂直距離為A(cm)，Y軸靈敏度旋在B(V/cm)處，則正弦交流電壓的峰-峰值Up-p=AB(V)，有效值（V）。(4)測量周期信號的周期與頻率利用CH2Y的“VOLTS/DIV”(靈敏度調(diào)節(jié)旋鈕)和“TIME/DIV”測量由Y軸輸入的正弦電壓的周期和頻率。把“SOURCE”(觸發(fā)源選擇)和“MODE”(操作模式選擇)撥到CH2

19、; 把 函數(shù)信號發(fā)生器的“電壓輸出”的正弦電壓信號引入CH2。調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的頻率分別為1k、10k和100kHz，調(diào)出穩(wěn)定的正弦波形，調(diào)節(jié)“TIME/DIV”至適當(dāng)檔位（使屏幕上出現(xiàn)的完整的n個波形盡可能的占滿全屏）。記下相應(yīng)的“TIME/DIV”檔位，并測出n個波的波長，算出其周期和頻率。fx / fy2/1 fx / fy3/1例如n個周期長度為x(cm)，而“TIME/DIV”檔位為p(ms/cm)，則周期T=xp/n(ms)，頻率 f=1/T。(5)觀察李薩如圖形當(dāng)X軸和Y軸分別輸入正弦波，若兩正弦波的頻率比fx / fy為整數(shù)比時，這兩個波的疊加將是一系列穩(wěn)定的特殊的封閉曲線圖形。該整數(shù)比也即是圖形Y方向切點(diǎn)數(shù)和X方向切點(diǎn)數(shù)之比，即：fx / fy=ny /nx, 如圖是相位差為/2時，fx / fy分別為2/1和3/1的圖形。若fy為未知頻率，利用該關(guān)系，可測出未知頻率。利用SP1641B型函數(shù)信號發(fā)生器的點(diǎn)頻輸出(100Hz正弦波)和50歐輸出接到示波器的CH1X及CH2Y觀察李薩如圖形。從SP1641B型函數(shù)信號發(fā)生器的點(diǎn)頻輸出端把一個頻率為fx=100Hz的正弦電壓信號引入X軸(即CH1X)，從它的50歐輸出端把另一個正弦電壓信號fy引入Y軸(即CH2Y)。將“TIME/DIV”旋至“X-Y”檔位。調(diào)節(jié)fy的頻率分別約為50、100、