示波器原理及使用方法

实验简介实验原理实验目的实验内容实验仪器实验数据预习题思考题实验简介示波器是显示电信号随时间变化波形的一种观测仪器。它不仅可以定性观察电路的动态过程，还可以定量测量电信号的电压、电流、周期、频率、相位等各种参数。配合各种传感器，还可以用于各种非电量的测量，如压力、声光信号和人体各种生理参数。它是实验室或生产设备中最常用的仪器设备之一实验目的1、了解示波器显示波形的原理，了解示波器各主要组成部分及它们之间的联系和配合；2、熟悉使用示波器的基本方法，学会用示波器测量波形的电压幅度和周期；3、观察李萨如图形。实验原理示波器由示波管、扫描同步系统、Y轴和X轴放大系统和电源四部分组成，其原理框图如图8-1所示。下面只介绍前二部分的作用。1、示波管如图8-2所示，左端为一电子枪，电子枪加热后发出一束电子，电子经电场加速以高速打在荧光屏上，在屏上形成一亮点在一定范围内，亮点的位移与偏转板上所加电压成正比。2、波形显示原理（1）如果在Y轴偏转板上加正弦电压，波形如图8-4（a），而X轴偏转板不加任何电压，则电子束的亮点在纵方向随时间作正弦式振荡，在横方向不动。我们看到的将是一条垂直的亮线，如图8-4（a）。图8-4（a）如果在X轴偏转板加上波形为锯齿形的电压，如图8-4（b）所示。这时电子束在荧光屏上的亮点，在波形线性上升时由左匀速地向右运动，当电压突然返回（t=t1）时，亮点到达右端后马上回到左端。这一过程不断重复，亮点只在横向运动，在荧光屏上看到的是一条水平线，如图8-4（b）。图8-4（b）（2）如果在Y轴偏转板上加正弦电压，又在X轴偏转板上加锯齿形电压，则荧光屏上的亮点将同时进行方向互相垂直的两种位移，其合成原理如图8-5所示，描出了正弦图形。如果正弦波与锯齿波的周期（频率）相同，这个正弦图形将稳定地停在荧光屏上。3.扫描与同步的作用（1）要想看到Y轴偏转板电压的图形，必须加上X轴偏转板电压把它展开，这个过程称为扫描。如果要显示的波形不畸变，扫描必须是线性的，即必须加锯齿波。（2）要使显示的波形稳定，Y轴偏转板电压频率与X轴偏转板电压频率的比值必须是整数，即n=1,2,3,…（8－1）要满足式(8-1),需在示波器内部加装了自动频率跟踪的装置，称为“同步”。在人工调节到接近满足式（8—1）的条件下，再加入“同步”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。nffxy4.李萨如图形的原理（1）如果示波器的X和Y输入是频率相同或成简单整数比的两个正弦电压，则屏上将呈现特殊的光点轨迹，这种光点轨迹图形称为李萨如图形。频率比不同的将成为不同的李萨如图形，如表8—1所示。表8-1李萨如图形举例表从中可总结出如下规律：如果作一个限制光点x、y方向变化范围的假想方框，则图形与此框相切时，横边上切点数nx与竖边切点数ny之比恰好等于Y轴和X轴输入的两正弦信号的频率比，即用(8－2)yxxynnffyxxynnffyxxynnffyxxynnffyxxynnff=1/2=1/3=3/2=2/1李萨如图形可以用来测量未知频率。若已知其中一个信号的频率，数出图上的切点数nx和ny，便可由式（8-2）算出另一个待测信号的频率。实验仪器GOS6021型二踪示波器DF1641D型数字函数信号发生。示波器屏幕实验内容1、示波器的调整和正弦波形的显示（1）熟读示波器的使用说明，掌握示波器的性能及使用方法。（2）把信号发生器输出接到示波器的Y轴输入上，接通电源开关，把示波器和信号发生器的各旋钮调到正常使用位置，使在荧光屏上显示便于观测的稳定波形。2、示波器的定标和波形电压、周期的测量（1）把Y轴放大和扫描频率的旋钮都放在校准位置。（2）把校准信号输出端接到Y轴输入插座.（3）把信号发生器的正弦电压接到Y轴输入端，用示波器测量正弦电压的幅值和周期，并和信号发生器上显示的频率值比较。（4）选择不同幅值和频率的3种正弦波，重复步骤（3），记下测量结果。坐标法测量波的周期和幅度方法思路：已知某一单位长度，求某一长度的长。方法：用比例法。示波器坐标法测量方法：单位长度量示波器能给告知，而波的周期和幅度的“长度”可以读取。示范注意读数的估读，一般是3位数，最后一位是偶数。实验测量光标法测量周期和幅度•光标的使用：调用光标区的二个按钮和调节旋钮•光标的数据读取：读取显示屏左上角的具体数据。3、观察李萨如图形（1）将正弦电压输入到Y轴CH1插座和X轴CH2插座，垂直方式按下X-Y按键，水平方式选择开关按下X-Y按键。（2）调节CH1和CH2中偏转因数开关及微调使荧光屏上两路显示的波形幅度相近。（3）Y通道信号频率作为待测频率，调节Ｘ通道的信号发生器的频率，出现稳定的李萨如图形后，记下5种李萨如图形及相应的信号发生器显示的频率值（见表４）。李萨如图形观察实验数据1.数据记录自拟数据记录表格（1）用光标方法测量正弦信号周期数据记录；（2）用坐标法测量正弦信号周期数据记录；（3）用光标和用坐标两种方法测量正弦信号电压峰峰值数据记录；（4）李萨如图形数据记录。2.数据处理自拟数据处理表格（1）求出示波器测量的波形周期；（2）求出示波器测量的波形频率；（3）与信号发生器频率比，求出示波器测量波形频率的百分差。（4）李萨如图形求未知信号的频率。（5）与参考值比，求百分差。注意事项不要使光点长时间停留在荧光屏上一点，避免烧坏示波器的荧光屏。表1:光标法测量周期、频率测量值计算值标频f0周期数n△T周期T=△T/n频率fEp=(f-f0)/f0×100%50015003000表2：坐标法测量周期、频率测量值计算值标频f0周期数n单位格时间△t波长所占格数N周期T=N*△t/n频率f=1/TEP=(f-f0)/f0×100%50015003000表3光标法测量电压测量值计算值标压U0△VUP-P＝△V有效值U=0.71×UP-P/2EP=（UP-P-U0）/U0×100%5.010.115.0测量值计算值标压U0波幅所占格数n单位格电压△UUP-P=△U×n有效值U=0.71×UP-P/2EP=（UP-P-U0）/U0×100%5.010.115.0表4：坐标法测量电压测量值计算值李萨如图形与Ｘ轴切点数nx与Ｙ轴切点数ny0yfxfxyyxnnff%100xxxpfffE表5：用李萨如图形测量信号频率预习题1.如果示波器是良好的，但由于各个旋钮位置并未调好，荧光屏上看不见亮点，问哪几个旋钮位置不合适可能会造成这种情况？应该怎样操作才能找到亮点？2.示波器和信号发生器都良好，但显示屏始终显示是二条直线，这是什么原因造成的？如何解决？思考题1.如何使图像稳定？主要调节哪几个旋钮？2.示波器的扫描频率远大于或远小于Y轴正弦波信号的频率时，屏上图形将是什么情形？