1、实验实验 示波器示波器的使用的使用 一、一、实验目的实验目的(1)了解示波器的原理。(2)学会使用示波器的扫描应用和X-Y方式应用。二、二、实验仪器实验仪器示波器、信号源和甲电池等。三、三、实验原理实验原理电子示波器(简称示波器)是一种能将随时间变化的电压信号直观地显示在荧光屏上的仪器。示波器由示波管、Y轴系统、X轴系统等组成。如图3-14-1所示是示波器的原理框图。图 3-14-1 示波器的原理框图 1.1.示波器的聚焦和偏转原理示波器的聚焦和偏转原理示波器中用于显示波形的真空玻璃管称为阴极射线管,简称示波管,如图3-14-2所示。示波管的正面是一个涂有荧光物质的圆形屏,当管中的高速运动的电
2、子打上去时,就会发出荧光。一般的示波器都是热阴极。阴极由灯丝通电后加热,阴极上的电子由于热运动而脱离阴极,称为热激发。由于示波器中的第二阳极电压比阴极电压高上千伏特。因此,电子被加速后轰击到荧光屏上,使该处的荧光物质发光。图 3-14-2 示波管结构示意图 1).辉度辉度设电子由阴极热激发时的速度为V0,电子到达第二阴极的速度为V2,阴极和阳极之间的电压为U2,则有：22022e2121UmVmV式中,m是电子的质量,且V0V2,所以电子到达第二阳极(即到达荧光屏)上的速度V2为 VeUm222 2).电聚焦电聚焦 在两个第二阳极A2之间设有一个特殊形状的第一阳极，给第一阳极加上比第二阳极低的
3、电位（例如第二阳极1200V，第一阳极255V），由于第一阳极和第二阳极之间有电位差，其特殊形状的电极构成电子透镜，如光学透镜能会聚光一样，电子透镜能会聚射向荧光屏的电子束。电子透镜聚焦条件由第二阳极A2上的电位U2和第一阳极A1上的电位U1之比决定，调节聚焦U1和辅助聚焦U2就是调节两电位之比，这就是示波器的电聚焦原理。3)电偏转 由阴极热激发的电子经第二阳极加速后,在到达荧光屏之前,还要经过由水平偏转极板和垂直偏转极板所围成的空间。在偏转极板上加上几十伏特的偏转电压。当电子穿过偏转极板中间时,由于受电场力的作用而使电子束偏离直线。偏转电压越大,电场力越大,荧光屏上的亮点偏离荧光屏中心越远,
4、这就是电偏转原理。2.2.示波器的扫描原理示波器的扫描原理如果只在竖直偏转板(Y轴)上加一正弦波电压,则电子束将随电压的变化只在竖直方向上往复运动,则由荧光屏上看到的是一条竖直亮线，如图3-14-3所示。图 3-14-3 只在Y偏转板加一正弦波电压的情形 要想显示波形,必须同时在水平偏转板上加一扫描电压,使电子束的亮点沿水平方向拉开。这种扫描电压的特点是:电压随时间成线性关系增加到最大值,然后突然回到最小值,此后再重复变化。这种扫描电压随时间变化的关系曲线形同“锯齿”,故称为“锯齿波电压”,如图3-14-4所示。如果只在水平偏转板(X轴)加上这样的锯齿波电压,则电子束随电压的变化只在水平方向上
5、往复运动,则由荧光屏上看到的是一条水平亮线。如图3-14-4所示为只在水平偏转板上加一锯齿波电压的情形。图 3-14-4 锯齿波波形图 如果在竖直偏转板(Y轴)上加正弦波电压,同时在水平偏转板(X轴)上加锯齿波电压,则电子束同时受竖直和水平两个方向电场力的作用,电子的运动是两相互垂直运动的合成。当锯齿波电压与正弦波电压变化周期相等时,在荧光屏上能显示完整周期的正弦波电压的波形图。如图3-14-5所示为示波器显示正弦波形的原理图。图 3-14-5 示波器显示正弦波形的原理图 1)连续扫描如果正弦波和锯齿波电压的周期稍有不同,则在荧光屏上显示的是移动着的不稳定波形。这种情况可以用图3-14-6所示
6、情形进行说明。设X轴所加的锯齿波电压周期Tx比Y轴所加的正弦波电压周期Ty稍小,如Tx/Ty=7/8,则在第一扫描周期(第一个锯齿波)内,荧光屏上显示正弦信号04点之间的曲线段;在第二周期(第二个锯齿波)内,显示48点之间的曲线段;在第三周期(第三个锯齿波)内,显示811点之间的曲线段。其中,第一个曲线段的终点和第二个曲线段的起点对应相同的Y偏转电压。第二个曲线段的终点和第三个曲线段的起点对应相同的Y偏转电压。这样,在荧光屏上显示的波形不重叠,好像波形在向右移动。如果Tx和Ty的差别稍大一些,则由于荧光屏的余辉和人眼的视觉暂留,在荧光屏上看到的将是多个波形在屏上的叠加结果。其原因是扫描电压的周
7、期Tx与被测信号的周期Ty不相等或不成整数倍关系,以至于每次扫描的起点在Y轴上都不相同。图 3-14-6 不稳定波形的形成 为了获得稳定波形(单一波形),每次扫描在Y 轴上应有相同的起点。在连续扫描中,锯齿波的周期称为扫描周期。扫描周期Tx和Y轴上被测信号周期Ty之间应满足:YXnTT(n是整数)在示波器上设有扫描范围和扫描微调以及整步调节,用来调节Tx,使之满足Tx=nTy,从而在示波器上得到完全重叠的波形,看到的是单一稳定的波形。这称为同步扫描。上面所述的X轴锯齿波是一个紧接一个产生的,称为连续扫描方式。2)触发扫描方式为了获得稳定波形(单一波形),每次扫描在Y轴上应有相同的起点。在示波器
8、的扫描方式中,另一种称为触发扫描方式。在触发扫描方式中,X轴所加的锯齿波Ux和Y轴待测电压Uy之间的关系如图3-14-7所示。在触发扫描方式中，锯齿波的起点由被测信号的某一斜率和电平点触发产生,一个锯齿波显示一屏。一个锯齿波结束后,等候待测信号Uy相同的斜率和电平点再次触发产生下一个锯齿波。由于每屏波形起点对应待测信号Uy相同的斜率和电平点(每屏有相同的起点),所以波形自然稳定(各屏重叠)。图 3-14-7 触发扫描波形 3.X-Y方式方式(李萨如图形李萨如图形)如果示波器的X轴和Y轴输入的是频率相同或成整数比关系的两个正弦电压,则荧光屏上将呈现特殊形状的光点的轨迹,这种轨迹称为李萨如图形。频
9、率比不同时,将形成不同的李萨如图形。图3-14-8所示为频率比成简单整数比关系的几组李萨如图形。从图中可总结出如下规律:yxyxnnff:其中,nx为水平线与轨迹相切的切点数;ny为竖直线与轨迹相切的切点数。利用李萨如图形能方便准确地比较两交变信号的频率。图 3-14-8 李萨如图形 4示波器的测量原理示波器的测量原理示波器除了能直观地显示之外，其测量内容可归结为两类：电压和时间的测量，而电压和间的测量最后都归结为屏上波形长度的测量。（1）电压的测量 示波器屏上光点Y轴偏转距离DY正比于输入电压UY，比例系数KY称为电压偏转因数，有DY=KYUY,Y轴电压偏转因数KY的单位为：V/DIV。（2
10、）时间的测量 在触发扫描方式的示波器中，每个锯齿波的长度是确定的（在连续扫描方式中锯齿波的长度不确定），也就是说，在触发扫描方式的示波器中，每一屏的时间是确定的。利用波形在X轴上的长度，可以测量屏上波形两点之间的时间间隔。在扫描方式时，示波器屏上光点X轴偏转距离DX正比于时间t，比例系数KS称为时基因数，有DX=KSt，时基因数KS的单位为：S/DIV。在触发扫描方式的示波器中，一般在出厂时Y轴的电压偏转因数和X轴扫描的时基因数都已标定了。四、四、实验内容实验内容(1)示波器的光点调节。调节示波器的亮度和聚焦。(2)Y轴系统调节。把待测信号接到Y轴,选择Y轴输入方式为交流耦合或直流耦合方式。调
11、节Y轴电压偏转因数(或Y轴衰减),使信号在荧光屏内大小适中。(3)扫描方式的X轴系统调节。选择扫描方式为“内”方式。(如果是连续扫描示波器,选择合适的扫描范围,调节扫描微调或同步调节,应能显示出稳定波形。)选择触发斜率的正负,调节触发电平,即可显示出波形。(4)观测李萨如图形。观测李萨如图形时,示波器应设在X-Y方式。五、五、问题讨论问题讨论(1)用示波器的连续扫描方式时,为什么不能观察到不足一个周期的稳定信号(信号是连续的)？(2)用示波器的触发扫描方式，如何观察不足一个周期的信号(信号是连续的)？(3)如何用示波器测量信号的电压峰值？(4)如何用示波器测量直流电平？(5)如何用示波器的触发扫描方式测频率？(6)用示波器的连续扫描方式测频率还需要什么设备？
