实验314示波器的使用

3.14示波器的使用【实验简介】示波器是用来直接显示、观察和测量电压信号波形及其参数的电子观测仪器。配以各种类型的传感器，凡可转化为电压信号的电学量（如电流、电阻等）和非电学量（如温度、压力、磁场、光强），它们的动态过程及其参量均可以用示波器来观察和测量，因此示波器是一种常用的电子观测仪器。示波器的种类和型号很多，分类方法也是多种多样的，按功能分为普通示波器、存储示波器和数字示波器，随着科学技术的发展，示波器的功能还会不断的增加，各种新产品相继问世，但不管什么类型的示波器都是以普通示波器的基本原理为基础，若能掌握通用示波器的工作原理和使用，可触类旁通，为其它类型示波器的使用打下良好基础。本实验主要介绍普通示波器的工作原理和使用方法。【实验目的】了解示波器的结构和工作原理，掌握示波器的基本使用方法学习示波器显示信号波形及利用波形测信号电压、频率学习示波器显示李萨如图形及利用李萨如图形测频率熟悉示波器和信号发生器的面板功能【预习思考题】示波器主要由哪几部分组成，各部分的作用是什么？如何利用示波器显示待测信号波形及利用波形测信号电压和频率？触发扫描同步电路如何实现波形稳定？如何利用示波器显示李萨如图形并利用李萨如图形测正弦波信号频率？【实验仪器】DF4318示波器,SP1641B函数信号发生器。【实验原理】示波器的结构普通示波器主要由以下几个部分组成：示波管（CRT）、垂直放大电路（Y放大）、水平放大电路（X放大）、扫描发生器、触发扫描同步电路和电源等。电子枪——> L偏转系统一刀幺-第二阳极水平偏转板垂直偏转板图3.14.11.1示波管示波管是示波器的核心部件，其基本结构如图3.14.1所示，外观是一个呈喇叭形的玻璃泡，里面抽成真空，内部装有电子枪和两对互相垂直的偏转板，喇叭口的球面壁上涂有荧光物质，构成荧光屏。电子枪由灯丝F、阴极K、控制栅极G、第一阳极气和第二阳极气构成。灯丝通电后加热阴极，使得阴极发射电子。栅极电位比阴极低，它们之间形成的电场对电子有阻碍作用，控制栅极电位，可以控制到达荧光屏上电子的数目，也就是控制示波器上光点的亮度。阳极电位比阴极高很多，它们之间形成的电场对电子有加速作用，使得阴极发射的电子以很高的速度到达荧光屏上，激发荧光屏产生荧光。第一阳极和第二阳极间形成聚焦电场，调节第一阳极和第二阳极之间的电压，可以使不同方向发射的电子会聚于荧光屏上一点，称为聚焦。在示波器内，有两对互相垂直放置的平行电极板：Y偏转板和X偏转板。偏转板上不加电压时，阴极发射的电子沿水平方向到达荧光屏的中心。偏转板上加一电压信号，由于受到电场力的作用，电子到达荧光屏上将发生偏转，电子在x方向偏转位移与加在X偏转板上的电压成正比，y方向偏转位移与加在Y偏转板上的电压成正比。光点在光屏上的运动轨迹实质上是光点同时参与了垂直方向和水平方向振动合成的结果。1.2垂直放大系统、水平放大系统一般示波器的垂直与水平偏转板的灵敏度不高(0.1〜1mm/V)，当加在偏转板上的信号电压较小时，电子束不能发生足够的偏转，以致使屏上光点位移很小。为了在屏上得到便于观察的图形，需要预先把小的输入信号经过放大后再加到偏转板上，因此示波器设置了垂直、水平放大电路，信号在输入偏转板前，先通过放大电路再加到两对偏转板上。调节垂直、水平放大电路，分别改变图形在X方向、y方向上的大小，以便得到合适的观测图形。1.3示波器显示信号波形的原理若在Y偏转板上加一周期性随时间变化的待测电压信号，X偏转板上不加电压，则光点在竖直方向上来回振动，其位移与y偏转板上的电压成正比，当信号频率较高时，屏上出现一条竖直亮线，无法观测到待测信号波形。要想在屏上观测待测信号波形，就要求光点在尸方向的振动能在x方向均匀展开，这就要求在x偏转板上加一周期性随时间作线性变化的扫描电压，如图3.14.2所示，也称锯齿波电压。若在x偏转板上加锯齿波电压，光点在x方向自左至右作匀速直线运动，当电压达到最大时，光点在x方向达到最大，完成一次x方向扫描，下一时刻光点又回到起始扫描位置开始下一次自左至右的扫描，如此周而复始的在、方向上做匀速往返运动。待测信号加在y偏转板上，锯齿波信号加在x偏转板上，光点同时参与了y方向、X方向运动，光点在屏上的运动轨迹为其y方向、x方向振动的合成，其中某一时刻光点在y方向的位移与待测信号的电压成正比，x方向位移与锯齿波信号电压成正比，因此描绘光点在屏上的运动轨迹时，可以用待测信号电压、锯齿波信号电压分别代表光点在y、x方向偏转位移。以待测信号为正弦波为例，示波器显示信号波形的原理如图3.14.3。

图3.14.3由图3.14.3可知，如果待测信号频率与锯齿波信号的频率完全一样，即八二fx，或待测信号频率是锯齿波频率的整数倍，即fy=f，则y方向完成了一个或数个周期振动时，光点沿x方向达到最大，下一时刻光点又回到左端起始扫描位置开始下一次扫描，每一次扫，描时，待测信号都处于同相位点（即扫描信号和待测信号同步），于是周而复始地从同一起始位置扫描出待测信号波形，从而形成稳定的待测信号波形。显然，如果二者频率不成整数倍，每一次扫描时待测信号所处的相位不同（即扫描信号和待测信号不同步），从而扫描的起始位置不同，这时在荧光屏上看到的是不断移动的波形，如图3.14.4所示，无法观察到稳定的波形。因此，要想在示波器上显示稳定的待测信号波形，必须使扫描信号和待测信号同步。

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t M--；7TyLT-tV图3.14.4观测待测信号时，要求将待测信号加到示波器Y偏转板上，X偏转板上加扫描电压即锯齿波信号，当扫描信号和待测信号同步时，示波器显示稳定的待测信号波形。在示波器的内部有一个专门产生锯齿波信号的装置称为扫描发生器，它产生线性良好、频率连续可调的锯齿波信号。调节锯齿波信号的频率，可以在示波器上显示若干个周期的待测信号。1.5触发同步电路虽然锯齿波信号的频率连续可调，但由于待测信号和锯齿波信号是两个独立的信号源，实际上很难严格满足锯齿波信号和待测信号同步，要实现锯齿波信号和待测信号同步，可采用触发扫描同步电路。由输入的被观测信号或仪器外部输入信号或电源信号作为触发信号送至触发电路，只有当触发信号电压达到某一选择的触发电平（如图3.14.5中的A点）时，触发电路输出触发脉冲，用它去启动扫描发生器开始一次扫描（即光点启动，由A点自左向右移动，直到A'点）。当锯齿波电压由最大迅速恢复到启动电压时，光点迅速从A'点迅速返回A点。锯齿波在该周期内扫描期间，扫描电路不再受期间到来的触发脉冲的任何影响，直到本次扫描结束之后，下一个触发脉冲到来时，它又重新启动扫描电路进行下一次扫描。因每一个触发脉冲产生于同一触发电平所对应的触发信号的同相位点，因此，若选待测信号作为触发源，每次扫描的起始位置相同，实现了扫描信号与待测信号同步（如图3.14.5

所示）。选择待测信号作为触发信号称为“内触发”选择电源信号作为触发信号称为“电源触发”，选择仪器外部输入的信号作为触发信号称为“外触发”。图3.14.5示波器的使用2.1观察待测信号波形将待测信号输入到示波器的Y偏转板上，示波器内部的扫描信号加到X偏转板上，通过调节电压放大电路和扫描信号的频率，得到大小合适的波形，选择待测信号作为触发信号，调节触发电平，使波形稳定，即可对信号进行观测。2.2利用信号波形测信号的电压和频率将待测信号输入到示波器的y偏转板上，示波器内部的扫描信号加到X偏转板上，按2.1调试出待测信号波形，其中光点在y方向的偏转位移与待测信号电压成正比，光点在x方向的运动快慢与扫描信号频率成正比，因此，如果能够确定出示波器光屏上y方向偏转1格所需电压大小，即偏转因数Dy，单位为V/div和在x方向扫描1格所需的时间，即扫描时间因数Dt，单位为s/div，从待测信号波形上读出振幅A所占的格数m和波长A所占的格数n，则有:

待测信号的峰值电压： Vp=Dym (3.14.1)待测信号的周期： T=Dtn (3.14.2)待测信号的频率： f=T (3.14.3)Y方向的偏转因数和x方向上的扫描时间因数分别与垂直放大电路及扫描信号频率有关，因此一般示波器上调节放大电路及扫描频率旋钮每一档上都分别标有对应的偏转因数和扫描时间因数，以便作电压、周期、频率等量的测量。2.3李萨如图形测频率在示波器的两对偏转板上分别加上正弦波信号，这时示波器上描画出两正弦波信号在垂直方向上振动的合成图形，称为李萨如图形，其形状随两个信号的频率和相位差的不同而不同，如图3.14.6所示。可以证明：当两个信号的频率满足简单的整数比时，在屏幕上会显示稳定的李萨如图形。利用李萨如图形可以测正弦波信号的频率，设八、fy分别为加在X偏转板、Y偏转板上的两正弦波信号的频率，Nx、N,分别为李萨如图形在x方向、y方向切线的切点数，则有fN=-^ (3.14.4)fNxy若已知一个正弦波信号的频率，就可以根据李萨如图形和式(3.14.4)测出另一个信号的频率。f；fx2：13：f；fx2：13：13：2图3.14.62.4观测x-y关系曲线将x、y两信号分别加到示波器的X偏转板和Y偏转板上，则示波器显示y〜x之间的关系曲线。【实验内容与步骤】熟悉示波器面板上各旋钮的作用1.1开机前将“辉度”调节旋钮旋至最大，“水平”、“竖直”移位旋钮旋至中间位置，“垂直方式”选择“y1”，“扫描频率”调节旋钮置于“扫描”档，“触发源”选择“y1”，“输入耦合方式”置于“AC”,“GND”开关按下（信号接地），“扫描方式”选择“自动（AUTO）”。1.2打开电源开关，约几秒后，屏上会出现一条扫描线，调节就“聚焦”“辉度”、“水平移位”、“竖直移位”旋钮观察扫描线的变化，将扫描线调至清晰、亮度适中且位置居中。“扫描方式”选择“常态（NORM）”，观察扫描线的变化。1.3将信号发生器输出的点频信号接至示波器信号输入端“y1”，“GND”开关弹起，“垂直方式”相应选择“y”，“扫描频率”调节旋钮置于“扫描”档，这时在屏上可观测1到点频信号的波形。调节对应的“衰减放大”旋钮、“扫描频率”调节旋钮，观察信号波形的变化；“触发源”分别选择“y」'、“y2”、“电源触发”，调节“触发电平”调节旋钮，观察信号波形的变化；“扫描方式”分别选择“自动（AUTO）”和“常态（NORM）”，观察波形的变化；改变触发极性，观察波形的变化；最后在示波器上调试出一个完整周期、两个完整周期的大小合适、稳定的点频信号波形。1.4总结示波器各按键、旋钮的功能及使用方法。观察信号发生器输出峰值电压和频率分别为2V、50Hz和4V、1000Hz的正弦波信号波形，并利用波形测信号的电压和频率2.1从信号发生器输出2V、50Hz的正弦波信号，接至示波器的信号输入端“y「'（或“y”），“扫描频率”调节旋钮置于“扫描”档，“垂直方式”相应选择“y”（或“y”），2 1 2调节对应的“衰减放大”调节旋钮、“扫描频率”调节旋钮（其微调旋钮顺时针旋足，为什么？），使波形大小合适，触发源相应选择“y^n或“y2”），调节触发电平，使波形稳定，从而在示波器上观测到一个大小合适的稳定的待测信号波形2.2记下此时“衰减放大”调节旋钮、“扫描频率”调节旋钮上对应的偏转因数Dy和扫描时间因数Dt，从示波器上读出波形振幅及波长所占的格数m、〃，利用式（3.14.1）、（3.14.2）、（3.14.3）计算信号的峰值电压和频率2.3用同样的方法观测4V、1000Hz的正弦波信号的波形，并测其峰值电压和频率观察李萨如图形，并用李萨如图形测函数发生器输出的点频信号频率3.1将“扫描频率”调节旋钮旋至“x—y”档，函数信号发生器的“点频输出”信号接到y1通道输入端（该信号输入至x偏转板），其频率设为fx，函数信号发生器输出的正弦波信号作为已知可调信号接到y2通道输入端，其频率设为fy，分别调节yi、尸2输入信号“衰减放大”调节旋钮使图形大小合适，调节函数信号发生器输出信号频率f，在示波器y上可观测到不同形状的稳定的李萨如图形。3.2根据李萨如图形的形状，读出李萨如图形在x方向、y方向所做切线的切点个数N、fNNx，记下每个李萨如图形对应的函数信号发生器输出信号的频率fy，根据式丁=玄，x y可算出待测点频信号的频率fx。【注意事项】为了保护示波器光屏，光点亮度不能太强，也不能长时间停留在荧光屏上某点处。示波器作定量测量时，要记录偏转因数或扫描时间因数，其微调旋钮必须旋至校准位（顺时针方向旋足）。示波器长时间使用，若偏转因数、扫描时间因数与标定值有差别，应用标准电压信号对其进行校准。【数据记录与处理】表1测信号的电压和频率待测信号m(div)Dy(V/div)n(div)Dt(s/div)Vp=Dm(V)T=Dtn(Hz)2V,50Hz4V,1000Hz表2利用李萨如图形测信号的频率李萨如图形fy四）N:Nf=商寸(Hz)xNy匚T£f(Hz)

【思考题】如果示波器良好，但由于某些旋钮未调好，荧光屏上看既不到亮点，也看不到扫描线，应怎样操作才能找到亮点？示波器显示波形和显示李萨如图形工作方式有何不同？示波器显示波形时，若波形不稳定，应调节示波器的那些部件使图形稳定？显示李萨如图形时，能否用同样的方法使图形稳定？为什么？【附录】DF4318示波器面板功能及用法DF4318示波器面板如图2.15.8所示，其面板旋钮功能及用法如下:DF4318示波器面板如图2.15.8所示，其面板旋钮功能及用法如下:SLbPE,A图3.14.7“辉度”调节旋钮：用于调节光点的亮度“聚焦”调节旋钮：用于调节光点的清晰度“迹线旋转”调节旋钮：调节扫描基线与水平刻度平行4电源指示灯：电源接通时灯亮5电源开关：当开关按下时，电源接通，指示灯亮；开关松开，电源关闭，指示灯熄6标准信号输出端：提供幅度为0.5Vpp、频率为1KHz的方波信号，用于校准示波器上“衰减放大”调节旋钮及“扫描频率”调节旋钮上的偏转因数及扫描时间因数7、8竖直移位旋钮：用于调节光点或图形在屏上的竖直位置9垂直方式选择开关：它是一个多档开关。开关“y1”按下，屏幕上显示y1通道的信号；开关“y2”按下，屏幕上显示y2通道的信号；开关“alt”按下时，y1通道和y2通道中的信号交替显示，交替显示的频率受扫描频率的控制，适用于高频信号的双踪显示；开关“chop”按下，y1通道和y2通道中的信号断续显示，适用于低频信号双踪显示；置于“add”方式时，若其右侧“y2”开关弹起，显示y1通道、y2通道中的信号的代数和，若其右侧“y2”按下，显示y1通道、y2通道中信号的代数差10y2极性开关：用于y2信号作倒相显示。在垂直方式选择开关“add”按下时，开关弹起，获得两通道信号的代数和，开关按下，获得两通道信号的代数差11、12电压衰减放大旋钮：分别用于y1通道和y2通道中信号的衰减与放大，调节此旋钮可改变示波器的偏转因数，偏转因数从5mv/div〜5v/div，按1，2，5顺序分10档13、14电压衰减放大微调旋钮：分别用于连续改变y1通道和y2通道中信号的衰减与放大，调节此旋钮也可改变示波器的偏转因数。在作定量测量的时候，此旋钮应顺时针旋足15、16输入耦合方式开关：分别用于选择"和y2输入信号的耦合方式。“ac/dc”开关按下时交流耦合方式，信号中的直流成分被隔断，用于观察被测信号的交流成分,“ac/dc”开关松开，选择直流耦合方式，适用观测包含直流成分的被测信号。当“GND”开关按下时，输入信号接地"信号输入端：当扫描频率调节旋钮置于扫描方式时，该信号输入到示波器）偏转板上，用于观察该信号波形；当扫描频率调节旋钮置于x-y工作方式时，该信号输入到示波器x偏转板上，可以观察李萨如图形或x-y函数曲线y2信号输入端：被测信号由此输入到示波器的y偏转板上。19水平移位旋：调节波形在屏幕上的水平位置20电平调节旋钮：用于调节被测信号在某一电平上触发扫描21触发极性开关：开关按下，选择被测信号的下降沿去触发扫描，开关弹起，选择被测信号的上升沿去触发扫描22触发方式选择开关：选择“自动（AUTO）”：当无触发信号输入时，屏上显示扫描光

迹，一旦有触发信号输入，电路自动转换为触发扫描状态，调节电平“LEVER”可使波形稳定地显示在屏上；选择“常态（NORM）”：无信号输入时，屏上无光迹显示，有信号输入时，触发电平调节在合适位置上，电路即被触发扫描。被测信号低于20Hz时，必须选择该方式；选择“单次（SINGLE）”：用于产生单次扫描；选择“电视场（TV）”：用于观察电视场信号23触发指示灯：触发扫描时指示灯亮24扫描频率调节旋钮：用于调节扫描信号的频率，调节此旋钮，改变了光点沿x方向的扫描速度，扫描速度从0.2Ps/div〜0.5s/div,按1，2,5进位分20档。当旋钮位于“x—y位置时，V、通道信号加到水平偏转板上，七通道加到垂直偏转板上，用作李萨如图形显示或x—y显示25扫描频率微调旋钮：用于连续调节扫描信号频率，调节此旋钮，改变了光点沿x方向的扫描速度，作定量测量时，此旋钮应顺时针方向旋足至校准位26扫描扩展开关：开关按下时，扫描速度被扩大5倍，波形在水平方向扩展5倍。27触发源选择开关：按下y、时，触发源取自y、通道信号；按下七时，触发源取自七通道信号；按下“LINE”时，机内电源信号输入到触发电路；按下“EXT”时，由面板上外触发输入端输入28接地29外触发信号输入端SP1641B函数信号发生器SP1641B函数信号发生器面板如图2.15.9所示。1 JO内对敷SP1641B函数信号发生器面板如图2.15