255389annizj电子测量仪器教案-第4章

课题第四章电子示波器4.1概述4.2示波器测试的基本原理（一）教学目标知识与能力：1．掌握电子示波器的定义、分类等。2．理解阴极射线示波管和波形显示的原理。过程与方法：通过观察和讲解，情感、态度与价值观：培养学生的严谨的科学态度教学重点阴极射线示波管和波形显示的原理。教学难点阴极射线示波管和波形显示的原理。新授课4.1概述显示器：阴极射线示波管。实质：电过程图像（通过阴极射线示波器来实现）。用途：测量信号的波形；测量信号的电压、频率、周期、相位差等。利用传感器，还可测量各种非电量。示波器工作方式：X-Y，反映两个信号之间的函数关系。分类：通用示波器（包括简易示波器、慢扫描示波器、多线示波器和多踪示波器等）；取样示波器；存储示波器；特种示波器等。4.2示波测试的基本原理4.2.1阴极射线示波管示波器管：静电偏转的阴极射线示波管。电气结构：电子枪、偏转系统和荧光屏。整个密封在玻璃壳内，成为大型的电真空器件。实质：电信号光信号。普通示波器的结构示意图及供电电路如图所示。1．电子枪组成：灯丝（F）、阴极（K）、控制栅极（G）、第一阳极（A1）、第二阳极（A2）和后加速极（A3）。作用：发射电子并形成很细的高速电子束，撞击荧光屏而发光。灯丝：加热阴极。阴极：发射电子，控制射向荧光屏的电子流密度，改变荧光屏亮点的辉度。控制栅极：控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变荧光屏亮点的辉度。（实现：调节电位器RP1，改变栅、阴极之间的电位差）。第一阳极和第二阳极：加速电子束，聚焦作用。RP2“聚焦”电位器：改变第一阳极的电位。RP3“辅助聚焦”电位器：改变第二阳极的电位。调节RP2和RP3：使电子束在荧光屏上会聚成点，保证清晰度。注意：示波管的“辉度”与“聚焦”相互关连的。在使用示波器时，这二者经常要配合调节。后加速极A3（位于荧光屏与偏转板之间）：加速电子束，增加光迹辉度。练习习题小结1．电子示波器（简称示波器）：利用印记涉嫌示波管作为显示器的一种电子测量仪器。它可以把人眼看不见的电过程转换成具体的可见图像，主要用于被测信号的波形，并可以通过显示的波形测量被测信号的电压、频率、周期、相位差等。利用传感器，示波器还可测量各种非电量。2．示波器分类：通用示波器（包括简易示波器、慢扫描示波器、多线示波器和多踪示波器等）；取样示波器；存储示波器；特种示波器等。3．示波器电器结构包括：电子枪、偏转系统和荧光屏。布置作业习题课题4.2示波器测试的基本原理（二）教学目标知识与能力：阴极射线示波管和波形显示的原理。过程与方法：通过观察和讲解，情感、态度与价值观：培养学生的严谨的科学态度教学重点阴极射线示波管和波形显示的原理。教学难点阴极射线示波管和波形显示的原理。新授课2．偏转系统垂直偏转在前（靠近第二阳极），水平偏转板在后。两对偏转板各自形成静电场，分别控制电子束在垂直和水平方向的偏转。电子束在偏转电场作用下的运动规律（以垂直偏转板为例），其偏转距离y可用下式来表示。y=SyUy式中Sy——垂直偏转灵敏度，单位：每伏厘米，符号：cm/V；Uy——加于垂直两偏转板上的电压，单位：伏，符号：V。Sy表示：加在垂直偏转板上的每伏电压所能引起的偏转距离（示波测量方法的理论基础）。注意：此结论也适于交流电压。示波器垂直偏转因数Dy：yy1SD单位：V/cm。表示：光点在Y方向偏转1cm所需加在Y轴偏转板上的电压值（峰-峰值）。3．荧光屏原理：荧光膜（高速电子束轰击）电子光点余辉当电子束随信号电压偏转时，光点轨迹移动形成信号波形。注意：不应当使亮点长时间停留于一个位置（原因：高速电子束轰击荧光屏，产生热，过热会减弱磷光物质的发光效率，严重时烧成一个黑斑）。有效面积：中间平整的部分（矩形的较之圆形平有效面积较大）。使用时，应尽量使波形映现在有效面积内。外刻度片：在荧光屏的外边加一块用有机玻璃，标有垂直和水平方向的刻度。内刻度片：有的分度刻在荧光屏玻璃内侧（优点：消除波形与刻度片不再同一平面上所造成的视觉误差）。4.2.2波形显示原理1．波形显示电子束受ux和uy共同作用的结果。观测原理：偏转特性（即：电子束的偏转距离正比于加到偏转板上的电压大小）。电子束沿两个方向的运动是相互独立的，亮点的位置取决于同时加在两副偏转板上的电压，当不加任何信号或分别为等电位时，亮点则处于中心位置。当只在垂直板上加一个随时间做周期性变化的被测电压，则电子束沿垂直方向运动，其轨迹为一水平线段（水平亦同）。两种情况分别如图（a）和（b）所示。要显示被测电压随时间变化的波形，就要把屏幕作为一个直角坐标，其垂直轴作为电压轴，水平轴作为时间轴，使电子束在垂直方向偏转距离正比与被测电压的瞬时值，水平方向作恒速运动。则必须在示波器的水平偏转板上加随时间线性变化的扫描锯齿波电压。练习习题小结1．扫描：当仅在水平偏转板上加锯齿波电压时，亮点沿水平方向从左至右恒速运动。当扫描电压达到最大时，亮点亦达最大偏移，然后从该点迅速返回至起始点。若扫描电压重复变化，在屏幕上就显示一条亮线，这个过程称为“扫描”。2．扫描正程：亮点由左边起始点到达最右端的过程称为“扫描正程”。3．扫描回程（扫描逆程）：从最右端迅速返回起始点的过程叫做“扫描回程”或“扫描逆程”。4．扫描线：上述水平亮线称“扫描线”。5．电子束在偏转电场作用下其偏转距离y可用下式来表示y=SyUy布置作业习题课题4.2示波器测试的基本原理（三）教学目标知识与能力：阴极射线示波管和波形显示的原理。过程与方法：通过观察和讲解，情感、态度与价值观：培养学生的严谨的科学态度教学重点阴极射线示波管和波形显示的原理。教学难点阴极射线示波管和波形显示的原理。新授课2．扫描扫描电压：观察信号时，在垂直偏转板上加锯齿波电压。理想的锯齿波如图所示。扫描：在水平偏转板上加锯齿波电压时，亮点沿水平方向从左至右恒速运动。当电压达到最大时，亮点达最大偏移，然后迅速返回至起始点。若电压重复变化，在屏幕上就显示一条亮线，这个过程称为“扫描”。亮点由左边起始点到达最右端的过程称为“扫描正程”，反之叫做“扫描回程”或“扫描逆程”。上述水平亮线称“扫描线”。注意：应将正程形成的光迹增辉或逆程形成的光迹隐去，只显示扫描正程时得到的被测信号波形（目的：使波形清晰）。波形扫描：在水平偏转板有扫描电压作用的同时，若在垂直转板上加被测信号电压，就可以将其波形显示在荧光屏上，如图所示。如果扫描电压ux的周期Tx正好等于被测电压uy的周期Ty，则在uy与ux共同作用下，亮点的光迹正好是一条与uy相同的曲线，亮点从O点经1、2、3至4点的移动为正程。从4点迅速返回O点的移动为回程。图中的回程时间为零。屏幕的X轴看作时间轴。亮点在水平偏转的距离大小代表了时间的长短，故也称为扫描线为时间基线。3．同步如果使Tx=2Ty，则在荧光屏上显示如图的波形。由于波形多次重复出现，而且重叠在一起，所以可观察到一个稳定的波形（图中显示两个周期的波形）。结论：增加显示波形的周期数，则应增加扫描电压ux的周期（即降低ux的频率）。荧光屏显示被测信号的周期个数就等于Tx与Ty之比n（n为正整数）。如果Tx不是Ty的整数倍，会有什么结果呢？下图所示是yx87TT时情况。结论：波形向左或向右跑动的原因：Tx与Ty不成整数倍的关系，形成每次扫描的起始点不对应被测信号相同相位点。获得稳定的波形，则必使Tx=nTy，这就是同步。电子束在被测电压与同步扫描电压的共同作用下，亮点在荧光屏上所描绘的图形反映了被测信号随时间的变化过程，多次重复就形成稳定的波形。练习习题小结1．扫描：当仅在水平偏转板上加锯齿波电压时，亮点沿水平方向从左至右恒速运动。当扫描电压达到最大时，亮点亦达最大偏移，然后从该点迅速返回至起始点。若扫描电压重复变化，在屏幕上就显示一条亮线，这个过程称为“扫描”。2．扫描正程：亮点由左边起始点到达最右端的过程称为“扫描正程”。3．扫描回程（扫描逆程）：从最右端迅速返回起始点的过程叫做“扫描回程”或“扫描逆程”。4．扫描线：上述水平亮线称“扫描线”。5．电子束在偏转电场作用下其偏转距离y可用下式来表示y=SyUy布置作业习题课题4.3通用示波器（一）教学目标知识与能力：掌握通用示波器的基本组成、主要性能指标。过程与方法：通过观察和讲解，情感、态度与价值观：培养学生的严谨的科学态度教学重点掌握通用示波器的基本组成、主要性能指标。教学难点掌握通用示波器的基本组成、主要性能指标。新授课4.3通用示波器4.3.1通用示波器的基本组成1．通用示波器的组成框图组成框图如图所示。（1）Y系统（垂直系统）组成：衰减器、放大器及延迟线等。作用：放大被测信号电压，以驱动电子束作垂直偏转。（2）X系统（水平系统）组成：同步触发电路、扫描发生器及X放大器。扫描发生器及X放大器的作用：产生扫描锯齿波加以放大，以驱动电子束进行水平扫描。同步触发电路：保证波形稳定。（3）主机系统组成：示波管、增辉电路、电源和校准信号发生器。增辉电路的作用：在扫描正程使光迹加亮，或在扫描回程使光迹消隐。电源电路：将交流电变换成多种高、低压电源。校准信号发生器：提供幅度、周期都很准确的方波信号，用作校准性能指标。2．通用示波器的主要技术性能（1）Y通道的频域与时域响应①频域响应（频带宽度）：上限频率fH与下限频率fL之差（fL一般为0Hz，可用上限频率fH来表示）。②瞬态响应（时域相应）：Y通道放大电路在方波脉冲输入信号作用下的过渡特性。表示参数：上升时间（tr）、下降时间（tf）等。fH与tr的联系：fHtr≈350式中fH——示波器的频带宽度，单位为兆赫，符号为MHz；tr——Y通道的上升时间，单位为纳秒，符号为ns。两者决定了最高信号频率（指周期性连续信号）和脉冲的最小宽度。（2）偏转因数定义：输入信号在无衰减的情况下，亮点在屏幕的Y方向上偏转单位长度所需的电压峰-峰值。单位：Vp-p/cm或Vp-p/div。下限：示波器观测微弱信号的能力；上限：输入端所允许加的最大电压（峰-峰值）。（3）输入阻抗包括：输入电阻Ri(越大越好)和输入电容Ci（越小越好）。（4）扫描速度表示：时基因数（定义：在无扩展情况下，亮点在X方向偏转单位距离所需的时间，“t/cm(div)”量度；t可取s、ms或s。）扫描速度越高（即t/cm值越小），能够展开高频率信号或窄脉冲信号的能力越强；反之，观测缓慢变化的信号，则要求极慢的扫描速度。观测很宽频率范围的信号，要求有很宽范围的扫描速度。练习习题小结1．（1）Y系统（垂直系统）组成：Y系统由衰减器、放大器及延迟线。主要作用：放大被测信号电压，使之达到适当幅度，以驱动电子束作垂直偏转。（2）X系统（水平系统）组成：同步触发电路、扫描发生器及放大器。扫描发生器及X放大器的作用：产生扫描锯齿波加以放大，以驱动电子束进行水平扫描。同步触发电路：保证荧光屏上显示的波形稳定。布置作业习题课题4.3通用示波器（二）教学目标知识与能力：掌握示波器的垂直系统和水平系统基本组成、输入电路及各部件的作用。过程与方法：通过观察和讲解，情感、态度与价值观：培养学生的严谨的科学态度教学重点示波器的垂直系统和水平系统基本组成、输入电路及各部件的作用。教学难点示波器的垂直系统和水平系统基本组成、输入电路及各部件的作用。新授课4.3.2示波器的垂直系统（Y通道）使显示的波形接近被测信号的波形，则要求Y通道必须再现输入信号。Y通道作用：要探测被测信号，对它进行不失真的衰减和放大；具有倒相作用，将被测信号对称地加到Y偏转板；Y通道还应有延时功能，为了和X通道相配合，并能向其提供内触发源。基本组成如图。1．输入电路作用：引入被测信号；阻抗变换、电压变换。平衡对称输出优点：适当的输入阻抗、高的灵敏度、大的过载能力、适当的耦合方式，靠近被测信号源。输入电路组成框图如图所示。（1）探头作用：直接探测被测信号，提供高输入阻抗，减小波形失真及展宽示波器的工作频率等。分类：有源探头和无源探头。无源探头：由R、C组成，其原理电路如图所示。C：可变电容，调整对频率