大学物理实验讲义实验09示波器原理和使用.docx
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大学物理实验讲义实验09示波器原理和使用
实验5示波器原理和使用
示波器是利用示波管内电子射线的偏转,在荧光屏上显示出电信号波形的仪器。
用
它能直接观察电信号的波形,也能测定电信号的幅度、周期、频率和相位,凡能转化为
电压信号的其它电学量(电流、电功率、阻抗等)和非电学量(温度、位移、速度、压
力、声强、光强、磁场等),其随时间的变化都能用示波器来观测。
由于电子射线的惯性
小,示波器扫描发生器的频率较高(可达几百兆赫),Y轴和X轴放大器的增益很大,输入阻抗高,所以示波器特别适合于观测瞬时变化的过程,并可测量微伏级的电压,而
对被测试系统的影响很小。
因此示波器是一种应用广泛的综合性电信号测试仪器。
示波器按用途和特点可以分为:
通用示波器。
它是根据波形显示基本原理而构成的示波器。
取样示波器,它是先将高频信号取样,变为波形与原始信号相似的低频信号,再应
用基本原理显示波形的示波器。
与通用示波器相比,取样示波器具有频带极宽的优点。
记忆与存储示波器。
这两种示波器均有存储信号的功能,前者是采用记忆示波管,
后者是采用数字存储器来存储信息。
专用示波器。
为满足特殊需要而设计的示波器,如电视示波器、高压示波器等。
智能示波器。
这种示波器内采用了微处理器,具有自动操作、数字化处理、存储及
显示等功能。
它是当前发展起来的新型示波器。
也是示波器发展的方向。
本实验以SS—7802型通用示波器为例,说明示波器的原理和使用方法,
并介绍
GFG
—8016G型数字式函数信号发生器的使用方法。
【实验目的】
1.了解示波器显示图象的原理。
2.较熟练地掌握示波器的调整和使用方法。
3.掌握函数信号发生器的使用方法。
4.学习用示波器观察电信号的波形,测量电信号的电压幅度和频率。
【仪器用具】
SS—7802型示波器(或DS-5000型存储示波器)、GFG—8016G型数字式函数信号发生器(或SPF05A型数字合成函数信号发生器)。
【实验原理】
1.示波器的基本结构和工作原理
示波器内部结构复杂,型号很多,但从功能上看,大致可分为示波管、电压放大装
置(包括Y轴放大和X轴放大两部分)、扫描与整步装置和电源四个部分。
如图
5-1所
示。
(1)示波管:
它包括电子枪、偏转板和荧光屏三部分。
图5-1示波器结构方框图
示波管是示波器的核心,它的构造如图5-2所示,左端为一电子枪,电子枪又包括旁热式阴极、加热阴极的灯丝、控制栅极和第一、第二阳极等,阴极经灯丝加热后发出
一束电子,电子被第一和第二阳极电场加速及聚焦后,形成一束很细的高速电子流打在右端的荧光屏上,屏上的荧光物
图5-2示波管的构造
发光形成一亮点。
调节第一阳极电压(即调“聚焦”旋钮)和调节第二阳极电压(即调“辅助聚焦”旋钮)可达到聚焦的目的,使荧光屏上出现清晰的图象。
在电子枪和荧光屏之间装有两对相互垂直的平行板,称为偏转板。
如果板上加有电压,则电子束经过偏转板时受正电极吸引,受负电极排斥,从而使电子束在荧光屏上的亮点位置也跟着改变,所以偏转板是用来控制亮点位置的。
两对偏转板中,横方向的一
对称为X轴偏转板(或叫水平偏转板),纵方向的一对称为Y轴偏转板(或叫垂直偏转
板)。
在一定范围内,亮点的位移与偏转板上所加电压成正比,调节“X轴移位”和“Y
轴移位”旋钮可以改变亮点的位置。
由于控制栅极的电位低于阴极,调节栅极电位可控制穿过栅极的电子数,即控制了
电子流的强度。
荧光屏上亮点的亮度决定于射到屏上电子的数目和能量(由加速阳极的
电压决定),从而调节栅极电位(即调“辉度”旋钮)可以改变亮点的亮度。
(2)电压放大装置(包括
Y轴放大和
X
轴放大两部分)
示波器的输入分为Y轴、X轴两个通道,输入信号电压经输入端的衰减器衰减后,
送到电压放大器放大。
放大后的信号电压最终加到示波器的Y轴偏转板或X轴偏转板上,
亮点随信号电压的变化沿左右或上下作直线运动,形成一条水平或垂直亮线。
调节“
Y
轴增益”或“
X
轴增益”旋钮,可以控制输入信号的放大幅度(注意只是将显示比例放
大或缩小,而不能改变信号电压本身的幅值大小)
。
在示波器的
Y轴和
X轴输入端还设
置有衰减器,如果信号电压过大,可利用Y轴(或X轴)衰减器使信号电压变小,以适
应电压放大器的要求。
这些都是通过“V/cm”偏转灵敏度选择开关实现。
(3)扫描与整步装置
这是示波器的关键部分。
它主要由锯齿波电压发生器(即扫描电压发生器)构成。
图5-3锯齿波波形图
如果在X轴偏转板上加上锯齿形电压,如图
5-3(a)所示,锯齿形电压的特点是:
电压从负开始(t
t0)随时间成正比地增加到正(
t0tt1),然后又突然返回负
(tt1)。
再从此开始与时间成正比地增加(
t1
t
t2)⋯⋯,如此重复,这时,荧光
屏上的亮点从左(t
t0)匀速地向右运动(t0
t
t1
),到右端后马上回到左端(tt1),
然后再从左端匀速地向右运动(
t1tt2)⋯⋯,
不断重复前述过程。
亮点只在水平
方向运动,我们在荧光屏上看到的便是一条水平线,如图
5-3(b)所示。
如果在Y轴偏转板上加上正弦电压,如图
5-4(a)所示,而X轴偏转板上不加任
何电压,则亮点的运动是在纵方向作正弦式振荡,在横方向不动,我们看到的是一条垂直的亮线,如图5-4(b)所示。
图5-4正弦波波形图
如果在Y轴偏转板上加上正弦电压,在X轴偏转板上加上锯齿形电压,则荧光屏上
的亮点将同时进行方向互相垂直的两种位移,我们看到的将是亮点的合成位移,即正弦
图形。
用示波器观察波形的原理可用图5-5来说明。
简谐振动可用一个作匀速圆周运动
的质点在某方向上的投影来代表,这个圆称为简谐振动的参考圆。
在Y轴偏转板上加上
正弦电压时,可以用参考点在垂直方向投影的运动来代表。
我们假定信号电压与扫描电
压的周期相同,起始点也相同,都是从零开始的,我们把这两个电压的周期分成八等份,分别用1,2,3⋯⋯,8表示。
从图5-5看到,当时间从0到1时,X轴偏转板上的锯
齿形电压使亮点从原点0向右移,而Y轴偏转板上的交流电压正好是正半周,它要亮点
向上移,合成的结果电子束就打在荧光屏的“1”位置上。
当时间到达2时,亮点就打在
“2”位置上⋯⋯,因为两对偏转板上所加的电压是连续不断的,所以亮点的移动也是连续不断的,结果绘出如图5-5中从“0”到“8”的一条正弦曲线。
当锯齿形电压从最大
突然跳回零时,亮点立即从“8”突然跳回到“0”,这时Y轴偏转板上的交流电压也正好回到第二个周期的零点上,因此在第二个周期中画出的曲线正好和第一个周期的完全重合。
这样不断重复,所以我们可以在荧光屏上看见一条稳定的正弦曲线。
图5-5示波器显示波形原理图
上面讨论的是在扫描电压的周期
TX与信号电压的周期
TY相等时,荧光屏上可以稳
定的显示出一个波长的信号波形。
如果扫描电压的周期
TX是信号电压的周期
TY的两倍
(即TX
2TY),则在荧光屏上可以看到两个波长的信号波形,同理,若
TX
nTY,
则荧光屏上将显示出n个波长的信号波形。
即
TX
nTY
n
1,2,3,⋯⋯
(
5-1)
由于周期和频率具有互为倒数的关系,因此上式也可以表示为
fY
nfX
n
1,2,3,⋯⋯
(5-2)
(5-2)式中,fY为加在Y轴偏转板上的信号电压的频率,
fX为加在X轴偏转板上的
扫描电压的频率。
如上所述,为了在荧光屏上观察到稳定的波形,必须使扫描电压的周期
TX与信号
电压的周期TY相等或成整数倍关系,否则稍有偏差,所显示的波形就会向左或向右移动。
例如,当TY 5-6中0~4所示,而第二次扫描 显示的波形如图5-6中4‘~8所示。 两次扫描显示的波形不相重合, 其结果是好象波形在 不断地向左移动。 同理,当 TX 而实际上, 由于产生 fY和fX的振荡源是互相独立的振荡源,它们之间的频率比不会自然满足简单 整数比,所以示波器中的锯齿形扫描电压的频率必须可调。 除了人工调节之外,在示波 器内部还加装了自动频率跟踪的装置,称为“整步”。 在人工调节到接近满足(5-2)式的条件时,再加入“整步”的作用,扫描电压的周期就能准确地等于待测电压周期的整 数倍,从而获得稳定的波形。 图5-6TyTx2Ty时波形向左移动 如果所加信号 fY为三角波(或方波)电压的频率, fX为扫描电压的频率,则可在 荧光屏上观察到三角波(或方波)信号的波形。 (4)电源部分 电源部分的作用是将市电220V的交流电压转变为各个数值不等的直流电压,以满足示波器各部分电路工作的需要。 2.示波器的基本测量方法 (1)如何测量电信号的电压幅度 对于待测电信号,可测出其在荧光屏的 Y轴上的波形幅度大小,从而测出它的电压 幅度。 示波器设有Y轴灵敏度选档旋钮, Y轴灵敏度可用KU来表示,其单位是V/cm。 KU表示在荧光屏Y轴上,使亮点偏移1cm距离所需输入的信号电压幅值,显然,KU值是Y轴上的电压分度值。 因此,对于一个被显示的信号,只要从荧光屏的刻度板上量出 其双振幅APP(即波形在Y轴方向上的最低点到最高点的距离),则可测出其电压峰峰值UPP,即 UPP KU APP (5-3) 对于正弦信号,其电压有效值 U与UPP的关系为 U 1 UPP (5-4) 2 2 为了提高示波器的输入阻抗、 减小输入电容,常用分压比为 10: 1的低电容衰减探头 将信号输入至示波器的Y通道。 由于探头对信号电压具有 10倍的衰减,因此使用衰减 探头时,(5-3)式应改写为 UPP 10KUAPP (5-5) (2)如何测量电信号的周期和频率 ①利用时基因数测量周期和频率 对于待测电信号,可测出其在荧光屏的 X轴上的波长大小,从而测出它的周期和频 率。 示波器设有扫描速度选档旋钮,扫描速度可用 vt来表示,vt表征示波器展开被测信 号波形的能力,它的定义是: 单位时间内亮点在荧光屏上 X轴方向移动的距离,其单位 为cm/s。 扫描速度的倒数Kt 1 称为时基因数,它的定义是: 亮点在X轴方向移动一 vt 个单位距离所需的时间,其单位为 s/cm(或为ms/cm 、μs/cm)。 虽然扫描速度和时基 因数是两个不同的概念,但是在实用上常习惯地将时基因数作为示波器扫描速度的标称 而不加区别。 显然,Kt是X轴上的时间分度值。 因此,对于一个被显示的信号,只要 从荧光屏的刻度板上量出其波长 ,则其周期T为 T Kt (5-6) 该信号的频率为 f 1 1 (5-7) T Kt ②利用李萨如图形测量正弦信号的频率 如果在示波器的Y轴和X轴偏转板上都加上正弦信号电压, 那么荧光屏上亮点的运 动将是两个互相垂直的振动的合成。 当两个正弦信号的频率相等或成简单整数比时,荧 光屏上亮点的合成轨迹为一稳定的闭合曲线,称为李萨如图形。 李萨如图形可用来测量 未知频率。 令fY、fX分别代表Y轴和X轴偏转板上输入信号的频率, nY、nX分别代 表Y方向和X方向的切线与图形相切的切点数,则有 fY nX (5-8) fX nY 如果fX已知,从荧光屏上的图形求出 nY和nX,由(5-8)式即可求得 fY。 因此,利用 李萨如图形可以测量正弦信号的频率。 几个常用的李萨如图形如图5-7所示,供参考。 图5-7几种简单的李萨如图形 【仪器介绍】 1.SS-7802型示波器介绍 本实验使用日本岩崎公司生产的 ss-7802型双踪示波器,这是一种通用示波器,能 同时观测二个不同电信号的瞬变过程。 它的结构原理如前所述,它的面板如图 5-8所示, 面板上各旋钮和按键按其功能分成了 9大部分,并分别用虚线框框起来,这 9大部分的 作用可参ss-7802型示波器使用指南和有关说明。 要补充说明的是,当按下 A ,并使示 波器处于AUTO或NORM的扫描模式时,示波器的水平偏转通道( x通道)接机内扫 描信号(锯齿波),示波器的CH1、CH2通道均为垂直偏转通道( y通道),需外接信号 电压;当示波器处于 x-y模式时,示波器的x通道断开机内扫描信号(锯齿波) ,需外接 信号电压,此时CH1通道为x通道,CH2通道为y通道。 由于此时扫描信号(锯齿波) 已撤去,因此扫描时基因数旋钮已不起作用,示波器的 x、y通道均需外接信号电压。 8 9 6 IWATSU OSCILLOSCOPE SS-7802 20MHz FUNCTION TRIGLEVEL POSITION COARSE READY TRIG'D FINE 5 CURSORS SLOPE MAG 10 TIME/DIV V.tOFFTCK/C2 +/ AVARIABLE HOLDOFF SOURCECOUPL TV SLOW FAST SWEEPMODE HORIZDISPLAY AUTO NORMSGL/RST A X-Y ALTCHOP POSITIONCH1 POSITION CH2 7 ADD CH1+CH2 INV VOLTS/DIV VOLTS/DIV DC/AC VARIABLE DC/AC VARIABLE GND GND 5V 2mV 5V 2mV 4 POWERINTEN READOUT FOCUSSCALE 1M PF400VMAX 1M PF400VMAX 1M PF400VMAX BEAMFIND ON/OFF TRACE CAL ! ! ! STBYON ROTATION CAT CAT CAT 1KHz0.6V CH1 X CH2 EXT TRIG 123 图5-8SS-7802型示波 图5-9屏幕显示数字的意义 SS-7802型示波器使用指南 按键/旋钮 英文名 中文名 操作方法 功 能 部位序号 ① POWER 电源开关 按下 按下后仪器接通~220V市电 INTEN 亮度 旋转 顺时针旋转,扫迹亮度增加 READOUT 文字显示 旋转 调整屏幕上显示的文字亮度 ② FOCUS 聚焦 旋转 调整扫迹以及文字的清晰程度 SCALE 刻度 旋转 调整屏幕上刻度线的亮度 TRACE 扫迹旋转 用改锥旋 当扫迹不水平时,可用它调整。 ROTATETION ③ CAL 校准信号接口 连线 输出1KHZ、0.6V方波校准信号 ┻ 地线接口 连线 机壳接地端 ④ CH1/CH2 输入接口 连线 Y1/Y2输入接口,接输入信号 轴 垂 POSITION 位置 旋钮 垂直位置调节 按下,相应通道工作,屏幕最下一行左边显示该通道 CH1,CH2 通道1,2 按 直 数1: 或2: 。 ⑤ 水 平 部 分 ⑥ 触 发 部 分 ⑦ 水平 显示 ⑧ 扫描 模式 VOLTS/DIV Y轴灵敏度 旋转/按 (VARLABLE) 调节及微调 DC/AC 直流/交流 按 GND 接地 按 ADD 相加 按 INV 反相 按 POSITION 位置 旋转 FINE 位置微调 按下 TIME/DIV 时间分度调节 旋转/按 MAG×10 扫速放大 按 TRIGLEVEL 触发电平 旋转 SLOPE 触发沿选择 按 每按一下, SOURCE 触发源选择 改变一次 COUPL 耦合方式 按 TV 视频触发 按 模式选择 READY 单次触发 指示灯 状态指示 亮与灭 TRIG’D 触发指示 亮与灭 A 扫描显示 按 X-Y X-Y显示 按 AUTO或 自动/正常 按 NORM 调节Y轴灵敏度,调节时,屏幕左下边通道数电 压/分度因子值相应改变,按下再旋转,可作灵敏度微调,此时不能进行Y轴信号幅度测量 直流时,信号直接输入,屏幕上电压/分度因子值 后电压单位为V;交流时,信号通过电容输入,分 度因子的电压单位为 ~ v。 按下后相应输入端接地,输入信号与 Y轴放大器 断开,屏幕左下分度因子后显示⊥符号。 按下后,屏幕显示 Y1+Y2波形,同时屏幕下方通 道2数前出+号即显示+2: 按下后,Y2波形反相,同时屏幕下方显示+2: ↓, 若此时ADD也按下则屏幕显示 Y1—Y2波形。 水平位置调节 按下,FINE指示灯亮时转动 POSITION,可作水 平位置微调,再按一次, FINE灯灭。 旋转时,调节选择扫描速度,按下后再旋转可作微 调,扫描时间因子值显示在屏幕左上角, 单位是S、 ms或μs,微调时数值前为>号,不微调是=号。 按下后,扫描速度放大 10倍,屏幕中心波形向左 右展开。 屏幕右下角显示 MAG。 调节触发电平,可使图象稳定。 选择触发,上升沿+,下降沿— 选择触发信号来源(CH1、CH2、LINE或EXT), LINE是以电源频率作触发源,EXT为外触发。 触发源符号显示在屏幕左上扫描因子后。 选择触发耦合模式(AC、DC、HF-R、LF-R)视频触发模式有BOTH、ODD、EVEN或TV-H 亮时,处于单次触发准备状态,触发后灯变暗。 触发脉冲来时,灯亮。 此时所示的图形才稳定。 按后显示Y1,Y2或Y1、Y2波形。 按下后,CH1信号加到X轴(水平轴)。 CH1、CH2 或ADD信号加到Y轴(垂直轴)。 用于观察李萨如图或磁滞回线等。 任一按下均为连续扫描状态,相应指示灯亮。 AUTO适用于50Hz以上信号。 NORM适合于低频信号。 SGL/RST 按下选择单次扫描状态,且处于等待状态,READY 单次 按 灯亮,单扫后灯灭。 ⑨ 这部分的作用及用法详见下面的光标测量功能简 光标测FUNCTION 介 量功能 SS-7802示波器的光标测量部分功能简介 ⑨FUNCTION,功能选择键,可用于光标测量调节上,使用说明如下: (1)按下V-t-OFF以选择t(时间间隔测量)、V(电压差测量)或OFF(关闭测 量)。 当选择t时,屏幕显示两条竖直的水平测量光标H1、H2,选择V时,屏幕显示 两条水平的垂直测量光标V1、V2。 (2)转动FUNCTION,可调整光标位置。 每按一次FUNCTION,测
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