实验一、示波器的原理及使用

1、电子测量实验示波器的原理和应用学生姓名：学 号：院（系）：专 业：示波器的原理和应用【目的】了解示波器的主要组成部分，扫描和同步的作用原理，加深对信号合成的理解。熟练使用示波器观察信号特征（正弦波、三角波、方波），利用李萨如图形测量信号频率。【重点】了解示波器的基本结构、工作原理及使用方法。【难点】熟练掌握示波器各主要旋钮的作用和用法。能使用示波器观察信号特征（正弦波、三角波、方波），且会利用李萨如图形测量信号频率。【预习问题】示波器的工作原理以及主要组成部分是什么？其主要用途有哪些？如何使用示波器观察各种信号特征以及测量信号频率？一、实验原理示波器动态显示随时间变化的电压信号思路是将电压加在

2、电极板上，极板间形成相应的变化电场， 使进入这变化电场的电子运动情况相应地随时间变化，最后把电子运动的轨迹用荧光屏显示出来。示波 器主要由示波管（见图1）和复杂的电子线路构成。示波器的基本结构见图2。图1示波管示意图i t系蚊图2示波器的基本结构简图1.偏转电场控制电子束在视屏上的轨迹Uy。偏转电压U与偏转位移Y （或X）成正比关系。如图3所示：y图3偏转电压U与偏转位移Y如果只在竖直偏转板（Y轴）上加一正弦电压，则电子只在竖直方向随电压变化而往复运动，见图4a。要能够显示波形，必须在水平偏转板（X轴）上加一扫描电压，图4a信号随时间变化的规律（加在Y偏转板）图4b锯齿波电压（加在X偏转板）示

3、波器显示波形实质：见图5,沿Y轴方向的简谐运动与沿X轴方向的匀速运动合成的一种合运动。显示稳定波形的条件：扫描电压周期应为被测信号周期的整数倍，即Tx=nTy（ n=1，2, 3）（见图6）2.同步扫描（其目的是保证扫描周期是信号周期的整数倍）（1）同步的概念：为了显示如图5所示的稳定图形，只有保证正弦波到I点时，锯齿波正好到i点， 从而亮点扫完了一个周期的正弦曲线。由于锯齿波这时马上复原，所以亮点又回到A点，再次重复这一 过程。光点所画的轨迹和第一周期的完全重合，所以在荧光屏上显示出一个稳定的波形，这就是所谓的 同步。由此可知同步的一般条件为：T = nT，n = 1， 2， 3亮点在y轴方

4、向的位移,图6 Tx=2Ty时合成的图形其中为锯齿波周期Ty为正弦周期。若n = 3,则能在荧光屏上显示出三个完整周期的波形。为了 达到“同步”目的，示波器采用三种方式：“内同步”：将待测信号一部分加到扫描发生器，当待测信号 频率fy有微小变化，它将迫使扫描频率fx追踪其变化，保证波形的完整稳定；“外同步”：从外部电路中 取出信号加到扫描发生器，迫使扫描频率fx变化，保证波形的完整稳定；一般在观察信号时，都采用“内 同步”（或称为“内触发”）。注：若为同步显示的波形出现走动状态，此时应调节：扫描步长，同步方式（一定打在“内”），“电平” 位置。如果正弦波和锯齿波电压的周期稍微不同，荧光屏上出现

5、的是一移动着的不稳定图形。这情形可用 图8说明。设锯齿波形电压的周期Tx比正弦波电压周期Ty稍小，比方说Tx=nTy，n =7/8。在第一扫描周 期内，荧光屏上显示正弦信号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点之间曲线段，起点在8处。这样，荧光屏上显示的波形每次都不重 叠，好像波形在向右移动。同理，如果Tx比Ty稍大，则好像在向左移动。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。（2）手动同步的调节：为了获得一定数量的稳定波

6、形，示波器设有“扫描周期” “扫描微调”旋钮， 用来调节锯齿波电压的周期T （或频率f），使之与被测信号的周期TY（或频率fY）成整数倍关系，从而， 在示波器荧光屏上得到所需数目的完整被测波形。（3）自动触发同步调节：输入Y轴的被测信号与示波器内部的锯齿波电压是相互独立的。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。这时虽通过调节扫描旋钮使它们之间 的周期满足整数倍关系，但过了一会可能又会变，使波形无法稳定下来。这在观察高频信号时就尤其明 显。为此，示波器内设有触发同步电路，它从垂直放大电路中取出部分待测信号，输入到扫描发生器， 迫使锯齿波与待测信号同步，此称为“内同步

7、”。操作时，首先使示波器水平扫描处于待触发状态，然后 使用“电平”（LEVEL）旋钮，改变触发电压大小，当待测信号电压上升到触发电平时，扫描发生器才开 始扫描。若同步信号是从仪器外部输入时，则称“外同步”。利萨如图形利萨如图形形成实质：沿Y轴方向的简谐运动与沿X轴方向的简谐振动合成的一种合运动。x = 20sin（2n - f -1 +。1）y = 20sin（2n-f -1 +。2）利用利萨如图形测定未知信号的频率公式：ny :气=f* : fy式中的n*、匕分别为利萨如图形于X、Y轴的切点数。(d )=j(e )f=；(f)f =4图10二、实验仪器双踪示波器、信号发生器三、实验步骤将信号

8、源的100Hz的正弦波输出与示波器的CH1通道相连，将示波器的输入信号耦合置“AC”，按 下“CH1”键，适当调整CH1通道的衰减灵敏度和扫描频率，如果波形不稳定，适当调节电平level，直 到出现稳定的正弦波形，并记录该波形。按上面的方法分别观察记录频率为1KHz的方波和三角波。选择“X-Y”方式，将信号源选择正弦波输出，接CH2通道，改变其频率，观察下面给出的6个李 萨如图形，记录下来，计算各个图形下信号源正弦波的频率，已知CH1通道正弦信号频率为fx =100kHz（高 频信号源）.四、数据记录和数据处理1）观察记录波形：正弦波、三角波、方波。2）用信号发生器产生一正弦波，用示波器观察并

9、记录，计算信号的峰一峰值Vp-p频率f、周期T； 记录出方波的周期、频率、上升沿和下降沿时间。电压和频率测量数据记录见表1。表1 电压和频率数据表示波器观测数据V/div垂直格数VP-PTime/div水平格数f (Hz)正弦波三角波方波3）调出李萨如图形，记录在实验手册上，根据fx : fy = ny : nx分别计算每一个信号的频率f若fx =100kHz为约定真值（高频信号源给出），依次求出实验板信号发生器的输出频率fy （示波器 读数），并与该信号发生器读数值f；（示波器上频率计的读数）进行比较，一一求出它们的相对误差， 并讨论之。数据表参考表3。表2数据表n :n1:11:21:32:3图形f产 yFyE =ffyyX100%4）调出下列波形并分析其产生的原因。五、思考题1）示波器的主要组成部分是什么？示波管的主要组成部分是什么？2）示波器的主要用途有哪些？3）为什么示波器的扫描信号必须是锯齿波？4）若示波器一切正常，但开机后看不见光迹和光点，可能的原因有那些？5）若想观察一待测电信号，你能够描述应该如何调