常州工程学院物理实验教案05示波器的使用

实验五示波器的使用【实验目的】 1、了解示波器的结构和原理； 2、掌握示波器的基本操作方法； 3、利用示波器观察李萨如图形，学会一种测量简谐振动频率的方法。【实验原理】 1、示波器的结构与工作原理图 4­1 示波管的结构示意图如图 5­1 所示。在灯丝 HH 中通以一定的电流将阴极K 加热时，阴极 K 就有电子发射出来，这些电子穿过控制栅极 G，在加速区（A1、A2、 A3）聚焦、加速后，飞向荧光屏上的 P 点，使屏 L 的荧光物质发光而形成亮点。调节阳极 A2 的电压，可以改变 A2 与 A1、A3 之间的电场，以改变电子束的收缩程度，从而控制荧光屏上光点直径的大小，这个过程称为聚焦。为了控制荧光屏上亮点的位置，示波管内装有两对相互垂直的偏转板，即 X 轴（X1、X2）偏转板和 Y轴（Y1、Y2）偏转板。如果在偏转板上加有电压，电子束通过偏转板时将受电场力的作用而发生偏转，荧光屏上亮点的位置也随之改变。如下图 5­2 所示，如果在 X 轴偏转板上加一锯齿波电压（Y 轴偏转板上不加任何电压），这时荧光屏上的亮点由 A匀速地向 B 移动，到 B 后又马上返回 A，并不断重复这一过程。我们把电子射线沿 X 轴方向从左到右作匀速的移动过程称为扫描。由于荧光材料具有一定的余辉时间，于是在荧光屏上呈现出一条水平的扫描亮线。图 4­2 此时再在Y 偏转板上加一正弦交流信号电压，如图 4­2 所示，则电子束不仅受到水平电场力的作用，而且还受到竖直方向的电场力的作用。若正弦交流信号电压与锯齿波电压的周期完全相同，或者后者是前者的整数倍，则荧光屏上可显示出一个或整数个完整的正弦波波形。由此可见，在 X 偏转板上加一锯齿波电压的情况下，示波管荧光屏上所显示的波形就是加在 Y 偏转板上的待测信号的波形，这就是示波器显示波形的基本原理。为了观测幅度不同的信号，示波器内设有放大和衰减系统。对输入的小信号进行放大；对输入的大信号进行衰减，以便在荧光屏上显示出适中的波形。 1、李萨如图形如果示波器的 X、Y轴同时输入的都是正弦交流信号电压，荧光屏上亮点的轨迹将是两个相互垂直的简谐振动合成的结果。特别当两个正弦交流信号电压的频率相等或成简单整数比时，亮点的轨迹为一稳定的曲线，这种合振动的图形称为李萨如图形，如表 4­1 李萨如图形的形状与X、 Y 轴输入的正弦交流信号的频率之间有一个简单的关系式，即 Y X X Y N N f f=式中 fX、fY 分别为 X、Y 轴输入的两个正弦交流信号电压的频率；NX、NY 分别为 X、Y 方向切线对李萨如图形的切点数。利用李萨如图形的这一特征，就可用已知信号电压的频率（如 fY〕测量未知信号电压的频率（如 fX）。【实验仪器】（1）示波器表 4­22、功率函数信号发生器面板控制器说明 DCY－3A型功率函数信号发生器面板控制的作用分别叙述如下：．l、电源开：仪器电源开关，当此开关向“电源开”位置时，显示屏显示出红光，开关板向其反方向，表示此时电源关断。 2、频率范围：仪器输出信号频率范围选择开关，其中由 5．0HZ～500KHZ分 11 档调节频率粗调，并从分档中再设频率细调，FA 为第一细调。它由一只多圈电位器组成，可连续旋转调整 10 圈来改变频率，FC 为第二细调，能对输出信号作 0．IHZ细调。 3、正弦波幅度：正弦波信号输出幅度调节器，可改变正弦波的幅度大小，分一 40～＋10dB 及功率档，和 0～9dB 细调。 4、输出：（a）“ ”为方波输出接口。（b）“/V”为三角波输出接口。（c）“ ”为正弦波输出接口。（d）“ ”输出接地端。 5、输入：当本仪器川作频率计时，将被测信号接到该端子。 6、频率显示：计频显示方式选择开关。当开关板向“内”时为显示本机输出信号的频率，当开关极向“外”时为外测频率，该开关同时也是“外测信号输入”选择开关。另一只开关用来作计频取样时间选择的，即其板向“ Is”时取样时间为 1 秒，显示屏很快便可指示出被测信号的频率，开关板向“ 10s”时这样可以将测量频率的分辨率提高到 0．IH 要较长时间方可指示读数，而且要取样二至三次，其读数方稳定。这一点一定要注意，（该档一般使用在低频范围）。 7、安全接地点：该点在仪器的后面，用来接地线的接口，以防仪器漏电起安全保护作用。 8、Fuse：仪器的用电保险管座，逆时针旋开，更换保险管时使用，注意换保险管时应拨下“电源”插头。 9、电源插头：仪器的外接工作电源接口。 3、ZL­1整流波形仪1．将 K1 拨到下方交流，其余 K2、K3、K4 拨到下方断开，整流输出接示波器输入，可观察到 8V交流波形。 2．在观察交流波形的基础上，将 K1 拨到上方半波波形位置，可观察到半波整流波形。 3．在观察半波波形的基础上，将 K2 拨到上方全波波形位置，可观察到全波整流波形。 4．在观察全波波形的基础上，将 K3 拨到上方一次滤波位置，可观察到全波整流后，经电容一次滤波的全波波形。 5．在观察一次滤波的基础上，将 K4 拨到上方二次滤波位置，可观察到全波整流经 л 形滤波后平滑的输出波形。 6. 6V输出可作为一组独立交流电源使用。【操作方法】（一）调节 1、电源电压的设置本示波器具有二种电源电压设置，在接通电源前，应根据当地标准参见仪器后盖提示将开关置合适档位，并选择合适的保险丝装入保险丝盒。 2、面板一般功能的检查（l）将有关控制件位置表 3－2位置（2）接通电源，电源指示灯亮、稍等预热，屏幕中出现光迹，分别调节亮度和聚焦旋钮，使光迹的亮度适中、清晰。（3）通过连接电缆将本机校准信号输入至 CH1 通道。（4）调节电平旋钮使波形稳定，分别调节垂直移位和水平移位，使波形与图 4­3 吻合。（5）将连接电缆换至 CH2 通道插座，垂直方式置“CH2”，重复（4）操作图 4­3 3、亮度控制调节辉度电位器，使屏幕显示的轨迹、亮度适中。一般观察不宜太亮，以避免荧光屏过早老化。高亮度的显示用于观察一些低重复频率信号的快速显示。 4、垂直系统的操作（1）垂直方式的选择。当只需观察一路信号时，将“MODE”开关按人‘CH1”或“CH2”，此时被选中的通道有效，被测信号可从通道端口输入；当需要同时观察两路信号时，将“ MODE” 开关置交替“ ALT”，该方式使两个通道的信号被得到交替的显示，交替显示的频率受扫描周期控制。当扫速在低速档时，交替方式的显示将会出现闪烁，此时应将开关置连续“ CHOP”位置；当需要观察两路信号的代数和时，将“ MODE”开关置 “ADD”位置，在选择该方式时，两个通道的衰减设置必须一致。（2）输入耦合选择直流（DC）耦合：适用于观察包含直流成份的被测信号，如信号的逻辑电平和静态信号的直流电平，当被测信号的频率很低时，也必须采用该方式。交流（AC）耦合：信号中的直流成份被隔断，用于观察信号的交流成份，如观察较高直流电平中的小信号。接地（GND）：通道输入端接地（输入信号断开）用于确定输入为零时光迹所在位置。 5、水平系统的操作扫描速度的设定：扫速范围从0．5 μs／diV到 0．5S／diV按 1 一 2 一 5 进位分 18 档步进，微调“VARIABLE”提供至少 2．5 倍的连续调节，根据被测信号频率的高低，选择合适的档级，在微调顺时针旋足至校正位置时，可根据度盘的指示值和波形在水平输方向上的距离读出被测信号的时间参数，当需要观察波形的某一个细节时，可拉出扩展旋钮，此时原波形在水平方向被扩展 10 倍。 6、触发控制（1）扫描方式的选择（SWEEP MODE）自动（AUTO）：当无触发信号输入时，屏幕上显示扫描光迹，一旦有触发信号输入，电路自动转换为触发扫描状态，调节电平可使波形稳定地显示在屏幕上，此方式是观察频变在50Hz 以上信号的最常用的一种方式。常态（N0RM）：无信号输入时，屏幕上无光这显示，有信号输入时，触发电平调节在合适位置上，电路被触发扫描，当被测信号频率低于 50HZ 时，必须选择该方式。（2）触发源的选择（TRIGGER SOURCE）触发源有四种方式选择：当垂直方式工作于“交替”或“断续”时，触发源选择某一通道，可用于两通道时间或相位的比较。在单踪显示时，选择 CH1 其触发信号来自 CH1，选择 CH2 其触发信号来自 CH2。《3》极性的选择（SLOPE）用于选择触发信号的上升或下降沿去触发扫描。（4）电平的设置（LEVEI。）用于调节被测信号在某一合适的电平上起动扫描。 7、信号连接（1）探极操作本示波器附件中有 2 根衰减比为 10：1 和 1：1 可转换的探极，为了减少对被测电路的影响，一般使用应将探级衰减比置10：1位置，此时探头的输入阻抗为 10MQ//16．2PF；衰减比置 1：1 时。用于观察一些微弱信号，但此时的输入阻抗已被降低为 IMΩ ，输入电容将达到 27PF，因此在测量时应考虑对被测电路的影响。为了提高测量精度，探头的接地和被测电路应尽量采取最短的连接。对于一些较大信号的粗略测量，例如 5V逻辑电平，可将仪器前面板接地插座与被测电路的地线连接，探头的接地线可以不用，但用这种联接方式测量快速信号将会产生较大的误差。（2）探极的调整由于示波器输入特性的差异，在使用探极（10：1）测量以前，应首先对探极补偿进行检查或调整。（二）测量 1、测量前的检查和调整为了使仪器获得最高的测量精度，并避免产生某些明显误差，在测量前应对如下项目进行检查或调整。 ○ 1光迹旋转（TRACE  ROTAT10N）在正常情况下，被显示波形的水平方向应与屏幕的水平刻度线平行，但由于地磁或其他某原因造成误差，可按下列步骤检查或调整。（1）预置仪器控制件，使屏幕获得一个扫描基线。（2）调节垂直移位使扫描基线与水平刻度平行，如不平行，用起子调整前面板 “TRACE ROTAT10N”控制器。（3）在精确测量数据之前，仪器最好开机预热30分钟。 ○ 2．探头补偿探头的调整用于补偿由于示波器输入特性的差异而产生的误差。调整方法如下：（1）按表 3­2 设置面板控制件，并获得一扫描基线。（2）设置“VOLTS／DIV”为“0．IV”（10XPROBE 档）。（3）将 CH1 的探头插入插座，探头衰减置 10 X档，并与本机校准信号 “PROBE ADJUST”联接。（4）按第三章内容操作有关控制件，使屏幕获得图 4－4 波形。图 4­4 探头补偿波形（5）观察波形补偿是否适中，否则，调探头补偿元件。见下图 2、幅值的测量 ○ 1峰一峰电压的测量对被测信号波形峰一峰电压的测量，步骤如下：（1）将信号输入至 CH1 或 CH2 插座，将垂直方式置选用的通道。（2）设置电压衰减器并观察波形，使被显示的波形幅度 5 格左右，将衰振微调顺时针旋足（校正位置）。（3）调整触发电平，使波形稳定。（4）调整扫速控制器，使屏幕显示至少一个波形周期。（5）调整垂直移位，使波形的底部在屏幕中某一水平座标上。（6）调整水平移位，使波形顶部在屏幕中央的垂直座标上。（7）测量垂直方向 A－B 两点的格数。（8）按下面公式计算被测信号的峰一峰电压值（VP 一 P）。 VP 一 P=垂直方向的格数×垂直偏转因数例如：在图 4­5 中，测出 A 上两点的垂直格数为 4.6 格，垂直偏转因数为 5V／ diV，则： Vp­p ＝4.6×5＝23（V）图 4­5 峰一峰电压的测量 ○ 2直流电压的测量直流电压的测量步骤如下：（1）设置面板控制器，使屏幕显示一扫描基线。（2）设置被选用通道的耦合方式为“ GND ’！（3）调节垂直移位，使扫描基线在某一水平座标上，定义此时的电压为零。（4）将信号馈入被选用的通道插座。（5）将输入耦合置“DC”，调整电压衰减器，使扫描基数偏移在屏幕中一个合适的位置上。（微调顺时针旋足）（6）测量扫描线在垂直方向偏移基线的距离。（7）按下式计算被测直流电压值： V＝垂直方向格数×垂直偏移因素×偏转方向（十或一）例如：在图 4－6 中。测出扫描基线比原基线上移 3.8格，偏转因数为 2V／diV，则： V＝3.8×