大学物理实验讲义实验示波器原理和使用

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（0tt）随时间成正比地增加到正（10ttt），然后又突然返回负（1tt）。再从此开始与时间成正比地增加（21ttt）……,如此重复，这时，荧光屏上的亮点从左（0tt）匀速地向右运动（10ttt），到右端后马上回到左端（1tt），然后再从左端匀速地向右运动（21ttt）……,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XT与信号电压的周期YT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XT是信号电压的周期YT的两倍（即YXTT2），则在荧光屏上可以看到两个波长的信号波形，同理，若YXnTT，则荧光屏上将显示出n个波长的信号波形。即YXnTTn1，2，3，……(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XYnffn1，2，3，……(5-2)（5-2）式中，Yf为加在Y轴偏转板上的信号电压的频率，Xf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XT与信号电压的周期YT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YTXT2YT时，第一次扫描显示的波形如图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XTYT2XT时，显示的波形会不断向右移动。而实际上，由于产生Yf和Xf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5-6T2yxyTT时波形向左移动如果所加信号Yf为三角波（或方波）电压的频率，Xf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UK来表示，其单位是V/cm。UK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，UK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PPA（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PPU，即PPUPPAKU（5-3）对于正弦信号，其电压有效值U与PPU的关系为PPUU221（5-4）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PPUPPAKU10（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tv来表示，tv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ttvK1称为时基因数，它的定义是：亮点在X轴方向移动一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，tK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tKT（5-6）该信号的频率为tKTf11（5-7）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Yf、Xf分别代表Y轴和X轴偏转板上输入信号的频率，Yn、Xn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YXXYnnff（5-8）如果Xf已知，从荧光屏上的图形求出Yn和Xn，由（5-8）式即可求得Yf。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。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/旋钮部位序号英文名中文名操作方法功能①POWER电源开关按下按下后仪器接通~220V市电②INTEN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FOCUS聚焦旋转调整扫迹以及文字的清晰程度S