学生示波器的使用

学生示波器的使用•示波器是用来直接观测电信号随时间变化的情况的电子仪器.振动、温度、光等的变化，都可以通过各种传感器转化为电压的变化，然后用示波器来对比、分析、测量，这是万用表等普通仪表所做不到的.现代示波器甚至可以把波形储存起来，供以后的分析使用.有的可以做自动提取数据，并进行自动分析，大大地方便了使用.但示波器的基本原理和基本操作都是相同的，熟练掌握学生示波器的使用对于以后的学习、工作都有重要的作用.示波管扫描原理•由电子枪发出的电子束穿过Y、X偏转板打在荧光屏上.当Y偏转电极加上电压时，电子束的偏转角度和偏转位移的大小随输入电压而变化，在荧光屏上产生的亮斑可以沿竖直方向上下移动；当X偏转电极加上电压时，电子束沿水平方向偏移.如果这个电压是变化的，则电子束造成的亮斑就沿水平方向移动，我们称之为“扫描”.示波原理•如果我们让Y偏转电极加上需要显示的信号电压，同时在X偏转电极上加上扫描电压，电子束产生的亮斑在两个电压的共同作用下，既随Y信号电压上下移动，又在X信号的作用下向右匀速运动，就可以在荧光屏上“画出”电压信号的波形图来.偏转量与偏转电压的关系22lLyly偏转量与偏转电压的关系•若Y偏转板的两板间距为d，电子的质量为m，经过加速电场以后进入偏转板的初速度为v0，则有：②•对于电子枪，设加速电场的电压为U1，由于逸出的热电子初动能可以忽略不计，所以有：③22201122eUlyatmdv20112mveU偏转量与偏转电压的关系•由此可以得到：④⑤式代入①式，可得⑤221144eUllyUeUddU12222llLlLyyUldU偏转量与偏转电压的关系•我们得到一个重要结果，当电子枪的加速电压一定时：•这个结论无论对于x偏转还是y偏转都是成立的。yyUxxU偏转量与偏转电压的关系如果加在y偏转电极上的电压是个交变电压：则上式表明荧光屏上的亮斑会随输入电压的变化而上下振动。sinmyUtsinymuUt扫描显示原理•为了使电压波形图显示在示波器的荧光屏上，应该使亮斑在水平方向上匀速运动。•由可知X方向的电压应该随时间均匀变化，这样扫描亮斑的移动速度才是匀速的。xxU扫描显示原理•当亮斑移动到荧光屏的最右侧时，又必须使它迅速回到左侧，重新开始另一个周期的扫描，因此，X轴上的扫描电压一般如图所示，电压与时间成线性关系，我们常常形象地称之为“锯齿电压”X扫描电压信号扫描电压Y输入电压UX-UXmUxT2T3Tt图4UX-UymUymT2TttX扫描电压信号扫描电压Y输入电压当扫描电压周期为输入电压周期的两倍时将一次显示两个波形UX-UXmUXmT2T3T图4UX-UymUymT2Ttt扫描周期与输入电压周期必须成比例•扫描周期与信号周期相等时.•扫描周期等于信号周期的2倍时.只有当扫描周期与输入电压周期成比例时才能通过同步显示出稳定的波形图线扫描频率设置不当产生的情况图6（a）•扫描电压频率远小于输入信号频率的情况（这时可能同步也可能不同步），波形太密集。图6（b）•扫描频率大于信号频率时：信号一定不能同步，不能显示出稳定的波形图象“扫描范围”和“扫描微调”旋钮•锯齿电压由示波器里的扫描信号发生器产生，其周期可以通过“扫描范围”旋钮和“扫描微调”旋钮调节.“扫描范围”调节钮每变化一挡，扫描频率变化10倍，因此“扫描范围”调节钮相当于粗调，需要“扫描微调旋钮”配合进行细调，才能精确调准所需的扫描频率.“扫描范围”和“扫描微调”旋钮•J2459学生用示波器的扫描频率可调范围是10Hz～100kHz.•当扫描范围旋钮置于最右边的“外X挡”时，机内扫描信号发生器停止工作，水平扫描信号由机外的其他仪器产生并可通过“X输入端”直接送入“X通道（水平）放大器”，从而完成一些特殊的显示.示波器的电原理与使用•在示波器里，为了推动X、Y偏转板工作，只靠输入信号直接推动往往是不够的，所以需要对输入的Y信号和扫描电路产生的X扫描信号进行放大，因此在示波器中设置了两个放大电路，我们称之为Y通道放大电路和X通道放大电路.示波器的电原理与使用•Y通道放大电路的放大倍数很高，因此示波器才能显示出微小的输入电压.•示波器能够显示出来的最小电压越低，我们就说这个示波器的灵敏度越高.•我们可以用“mV/格”或“mV/div”来表示示波器的灵敏度.•J2459学生示波器的最高灵敏度（衰减调节钮放在“1”挡，Y增益调节旋钮顺时针旋足时）被校准为50mVpp/格.衰减旋钮的作用•因为示波器的灵敏度都设计得很高，这就带来了一个问题：如果输入信号本来就比较大，经示波器的放大电路的放大后的信号电压就会过大.•为了解决这个问题，常常在输入电路中，加入了一个衰减器，使用它对输入信号进行衰减，得到幅度合适的信号以后，再让信号进入Y放大电路进行放大和显示。这就是输入“衰减”控制电路，它实际上是个分压器。衰减旋钮的作用•在J2459示波器中，衰减调节旋钮共有四个挡，分别是“1”、“10”、“100”和“1000”.当该旋钮置于“1”位置时，表示进入放大电路的信号衰减为原来的1/1，也就是说不衰减；当衰减调节钮置于“10”位置时，表示输入信号将衰减为原来的1/10.余可类推…….所以，当衰减调节钮置于“1”的位置时，示波器的灵敏度最高.当该钮置于“1000”位置时，灵敏度最低.•衰减挡的数字表示的是衰减的比率，而不是放大的倍数.“增益”调节旋钮的作用•经过衰减调节钮调节后进入放大电路放大以后，再去驱动偏转板的信号幅度随着衰减调节钮的位置不同做每挡10倍的变化.可能会造成有些信号的显示在某一挡显示时过大，在另一挡显示时，幅度又过小.为了解决这个问题，在示波器的放大电路中，加入了放大倍数调节环节，这就是“Y增益”旋钮和“X增益”旋钮。“增益”调节旋钮的作用•使用增益调节钮可以对示波器显示的电压波形幅度在一定范围内进行调节，与输入衰减调节配合，可以使波形在Y方向上有合适的幅度•“输入衰减”和“增益”调节可以理解为就是对显示波形的粗调和微调，两者必须互相配合同时调节。•“增益”是一个专业名词，可以把它理解为就是放大电路的放大量.“Y增益”旋钮调节效果示意图，可以使显示的波形y方向幅度合适“X增益”调节效果示意图.可以使显示的波形在X方向上得到合适的宽度“竖直位移”和“水平位移”调节•“竖直位移”和“水平位移”两个旋钮，它们在电路中的作用效果是改变Y（或X）偏转板的两板间（预加）的直流电压，从而使扫描线发生平移.要注意平移调节的过程中，图象的大小是不变的.“X位移”调节效果示意图“Y位移”调节效果示意图“同步”开关的作用•同步极性选择开关用于控制扫描电路扫描的起点.当扫描同步极性选择开关位于“＋”位置时，显示的波形从正半周开始扫描，当位于“－”位置时，显示的波形从负半周开始扫描.“同步”开关的作用•如图为一个非正弦信号的显示示意图，左图为“＋”同步时显示的波形，右图为“－”同步时的情况.需要注意的是，同步极性变化时，显示的波形只是扫描起点的不同而并非图形的上下或左右的对称翻转图10“同步”选择开关调节效果示意图.置于“+”位置时，从输入信号的正半周开始扫描，置于“－”时，从输入信号的负半周开始扫描.交直流选择（DC/AC）开关的作用•当交直流选择开关置于“DC”位置时，Y输入所加的信号不论是直流信号还是交流信号都能进入示波器进行放大和显示.如果输入的电压既有交流成分又有直流成分，则显示的交流信号部分的波形就会随直流电压信号的电压大小和极性的不同而上移或下移；•当置于“AC”位置时，输入信号通过一个电容器才进入电路，这时即使信号电压中存在直流分量，显示的也只是隔断了直流部分的纯交流信号，显示的波形图线水平轴在屏中央.交直流选择（DC/AC）开关的作用图7a“DC/AC”选择开关置于“DC”位置时，如果输入的信号既有交流成分又有直流成分，显示的交变波形会按比例上移（或下移）.图7b“DC/AC”选择开关置于“AC”档时，即使输入信号中有直流电压成分，也不会显示出来，示波器只显示交流信号部分。辅助电路部分辅助电路部分主要包括电源、开关、指示灯、辉度、聚焦、辅助聚焦等.有下列几项需要注意：辅助电路部分•为了防止示波管的阴极过早老化，接通电源之前，必须将“辉度调节”旋钮调在最低位置（反时针转到底），接通电源，待示波器预热一、两分钟后，再调节辉度调节旋钮，使屏幕上出现的亮斑亮度合适.示波器中的电子电路也必须经过几分钟的预热后才进入比较稳定（这时亮斑的位置较为稳定）的状态.辅助电路部分•“聚焦”和“辅助聚焦”需要互相配合反复调节才能得到合适的亮斑－－小而圆的亮点。•由于辉度调节钮的位置会影响亮斑的聚焦情况，所以，每次开机或重调示波器的辉度后，都应该重新调整聚焦和辅助聚焦旋钮，使亮斑最圆最小.辅助电路部分•如果示波器的显示屏上的亮斑长时间停留在某一点上不动，应把亮斑的辉度减弱，以免该点的荧光粉老化，日久在该处会出现黑斑.例题与练习1•如图所示（a）是示波器面板，图（b）是信号源。（1）若要观测此信号的正弦交流信号的波形（正弦交流信号的电压u随时间作周期性变化的图象），ab如图所示，应将信号源的a端与示波器面板上的_____接线柱相连，b端与_____接线柱相连。例题与练习1（图）ab例题与练习1（2）若示波器的输入波形如图所示，•要将波形上移，应调节面板上的_____旋钮；要使波形横向展宽，应调节_____旋钮；•要使屏上能够显示3个完整的波形，应调节____旋钮例题与练习2•在观察亮斑在竖直方向的偏移时，如果把y增益调节旋钮顺时针转到底，衰减调节旋钮处在“1”的位置，给示波器输入0.1V的直流电压，发现亮斑正好偏移两格。如果给示波器输入另一直流电压，当衰减调节旋钮处于“100”挡时，荧光屏上亮斑也恰好偏移两格，则在一直流电压的值是________.例题3.如图所示为示波器的部分构造，真空室中电极K连续不断地发射电子（初速不计），经过电压为U0的加速电场后，由小孔C沿水平金属板A、B间的中心轴线射入两板间，板长为l，两板相距为d，电子穿过两板后，打在荧光屏上，屏到两板边缘的距离为L，A、B间不加电压时，电子打在荧光屏的中点O，屏上a、b两点到O点的距离均为S/2。若在A、B两板间加上变化的电压，在每个电子通过极板的极短时间内，电场可视为恒定的。现要求t=0时，进入两板间的电子打在屏上的a点，然后在时间T内亮点匀速上移到b点，在屏上形成一条竖直亮线，亮点到b点后又立即跳回到a点，以后不断重复这一过程。设电子的电荷量为e，质量为m2S（1）求出A、B间所在电压的最大值。（2）写出加在A、B两板间电压U与时间t的关系式。（3）画出U—t图象。2S（1）设电子经加速电场加速后速度大小为v0，根据动能定理：设电子在偏转电场中运动时间为t1，侧移量为y1，则:则：2000021,2eUeUmvvm201111,2lvtyat221200124eUllUymdvdU设电子打在荧屏上的侧移量为y，则当时，U最大，11022(2)2,42lLyLlLlLllUyylylldU2sy02(2)msdUULll（2）依题意得，亮点移动速度（T为偏转电压变化的周期），则svT00044()(2)(2)24()(2)2dUdUsUyvtLllLlldUsstLllT（3）U—t图象如图所示