厦门大学电子实验实验3报告

实验三示波器的应用一、实验目的1．了解示波器的基本工作原理和主要技术指标2．掌握示波器的使用方法3．应用示波器测量各种信号的波形参数二、实验原理1.数字示波器显示波形原理2.示波器是将入的周期性电信号以图像形式展现在显示器上，以便对电信号进行观察和测量的仪器。示波器显示屏必须加有幅度随时间线性增长的周期性锯齿波电压，才能让显示屏的光点反复自左端移向右端，屏幕上就出现一条水平光线，成为扫描线或时间基线。为使在显示屏上观察到稳定的波形。必须使锯齿波的周期Tx和被测信号的周期Ty相等或成整数倍关系。即Tx=nTy.3.数字存储示波器的原理：数字储存示波器的主要有信号调理部分，采集储存部分，出发部分，软件处理部分和其他部分组成。4.示波器的主要技术特性：（1）模拟带宽：由前置放大器的带宽决定。（2）采样速率：由模数转换电路决定。（3）存储深度：由存储决定。（4）触发能力：由触发电路类型决定。5.示波器的使用方法6.打开电源开关（POWER）30秒后，屏幕上应有光迹，否则检查有关控制旋钮的位置。7.将示波器探头街道被测信号，确定触发源选择（Trigger）在所接通道位置。8.键入相应的通道开关，启动该通道工作。9.将垂直和水平灵敏度选择调到合适的位置，Vpp/8≤选择Y轴灵敏度；T/10≤选择X轴灵敏度。屏幕上应有被测信号波形。10.若需测量信号各点电平，耦合方式应选DC耦合，若只需要观测信号幅度，则选AC耦合。11.调节Y和X位移旋钮将波形调到便于测量的位置。三、实验仪器双踪示波器函数信号发生器四位半数字万用表四、实验内容1、校验示波器的灵敏度对于首次接触的示波器，必须对其灵敏度进行校验。在示波器正常显示状态下，将探头接示波器本身提供的校准方波信号源，采用自动或手动方法观察校准信号，如果测量得到的波形幅度频率与校准信号（f=1kHZ,VPP=2.5V）相同，说明示波器准确，若不同，应记下其误差。2、调整测量含有直流电平的信号若要求信号发生器输出的方波信号，则调整测量方法为（1）令信号发生器输出方波，调整信号频率为1khz（2）调整信号幅度为4V，偏移量为1V，或者通过设置高，低电平的方法设置VH=3VVL=-1V（3）连接示波器和信号发生器，令两仪器COM端相接，并将示波器探头接信号发生器信号输出端（4）示波器设置直流耦合，手动或者自动观测信号发生器的输出信号。分别改变波形输出类型，此时示波器上分别显示图5所示的波形。3、正弦电压的测量信号发生器输出正弦信号，用数字万用表和示波器按下表测量，然后计算相应的电压均方根值，并与数字表测量值相比。表一信号幅度的测量输出值VPP=4V，VL=-1VVPP=1V，VL=-0.25V数字表测量值DC1.0153V0.2584V数字表测量值AC1.4266V0.3583V数字表测量均方根值1.7536V0.4425V示波器测量直流电平0.965V0.23V示波器测量VPP值4.2V1.15V示波器测量均方根值1.71V0.431V计算该信号均方根值1.80V0.48V4、正弦信号周期和频率的测量按表2改变上一步骤所用的信号发生器的频率，并保持其他参数不变，测量其周期，并换算成频率，并与信号发生器的频率显示值相比较。频率显示值Hz100Hz1kHz10kHz50kHz测量周期10.004ms1.0013ms100.18us19.980us计算频率99.96Hz998.7Hz9.982kHz50.05kHz5、示波器的双踪显示（1）按图搭接电路，测试装置连接。（2）将上一步骤所用信号改为f=50kHz,示波器采用双通道工作，分别调节CH1和CH2的Y灵敏度和上下位移，使显示波形高度和位置适中，调节X灵敏度，使波形显示1~2个周期，用光标法测出tΦ。则V0滞后于Vi的相位差Φ=360*tΦ/T.调整电位器，测出tΦ最大值，并计算出Φ值。由实验测得tΦ=4.1us.T=20us.则Φ=360*tΦ/T=73.8°6、示波器的外扫描工作模式在外扫描工作模式，则CH1的输入信号代替示波器内部的锯齿波作X轴扫描信号，此时水平轴变成CH1的电压轴，X轴上各点的电压值，用CH1的Y灵敏度来测量，垂直轴仍为CH2的电压轴，Y轴上各点的电压值，仍用CH2的Y灵敏度来测量。用X-Y功能，可以观察到关于Vi,Vo波形的李萨如图形。五、示波器的通用使用方法示波器种类、型号很多，功能也不同。数字电路实验中使用较多的是20MHz或者40MHz的双踪示波器。这些示波器用法大同小异。概念上介绍示波器在数字电路实验中的常用功能。2.1荧光屏荧光屏是示波管的显示部分。屏上水平方向和垂直方向各有多条刻度线，指示出信号波形的电压和时间之间的关系。水平方向指示时间，垂直方向指示电压。水平方向分为10格，垂直方向分为8格，每格又分为5份。垂直方向标有0％，10％，90％，100％等标志，水平方向标有10％，90％标志，供测直流电平、交流信号幅度、延迟时间等参数使用。根据被测信号在屏幕上占的格数乘以适当的比例常数(V／DIV，TIME／DIV)能得出电压值与时间值。2．2示波管和电源系统1．电源(Power)示波器主电源开关。当此开关按下时，电源指示灯亮，表示电源接通。2．辉度(Intensity)旋转此旋钮能改变光点和扫描线的亮度。观察低频信号时可小些，高频信号时大些。一般不应太亮，以保护荧光屏。3．聚焦(Focus)聚焦旋钮调节电子束截面大小，将扫描线聚焦成最清晰状态。4．标尺亮度(Illuminance)此旋钮调节荧光屏后面的照明灯亮度。正常室内光线下，照明灯暗一些好。室内光线不足的环境中，可适当调亮照明灯。2．3垂直偏转因数和水平偏转因数1．垂直偏转因数选择(VOLTS／DIV)和微调在单位输入信号作用下，光点在屏幕上偏移的距离称为偏移灵敏度，这一定义对X轴和Y轴都适用。灵敏度的倒数称为偏转因数。垂直灵敏度的单位是为cm/V，cm／mV或者DIV／mV，DIV／V，垂直偏转因数的单位是V／cm，mV／cm或者V／DIV，mV／DIV。实际上因习惯用法和测量电压读数的方便，有时也把偏转因数当灵敏度。踪示波器中每个通道各有一个垂直偏转因数选择波段开关。一般按1，2，5方式从5mV／DIV到5V／DIV分为10档。波段开关指示的值代表荧光屏上垂直方向一格的电压值。例如波段开关置于1V／DIV档时，如果屏幕上信号光点移动一格，则代表输入信号电压变化1V。每个波段开关上往往还有一个小旋钮，微调每档垂直偏转因数。将它沿顺时针方向旋到底，处于“校准”位置，此时垂直偏转因数值与波段开关所指示的值一致。逆时针旋转此旋钮，能够微调垂直偏转因数。垂直偏转因数微调后，会造成与波段开关的指示值不一致，这点应引起注意。许多示波器具有垂直扩展功能，当微调旋钮被拉出时，垂直灵敏度扩大若干倍(偏转因数缩小若干倍)。例如，如果波段开关指示的偏转因数是1V/DIV，采用×5扩展状态时，垂直偏转因数是0．2V／DIV。在做数字电路实验时，在屏幕上被测信号的垂直移动距离与+5V信号的垂直移动距离之比常被用于判断被测信号的电压值。2．时基选择(TIME／DIV)和微调时基选择和微调的使用方法与垂直偏转因数选择和微调类似。时基选择也通过一个波段开关实现，按1、2、5方式把时基分为若干档。波段开关的指示值代表光点在水平方向移动一个格的时间值。例如在1μS／DIV档，光点在屏上移动一格代表时间值1μS。“微调”旋钮用于时基校准和微调。沿顺时针方向旋到底处于校准位置时，屏幕上显示的时基值与波段开关所示的标称值一致。逆时针旋转旋钮，则对时基微调。旋钮拔出后处于扫描扩展状态。通常为×10扩展，即水平灵敏度扩大10倍，时基缩小到1／10。例如在2μS/DIV档，扫描扩展状态下荧光屏上水平一格代表的时间值等于2μS×(1/10)=0.2μSTDS实验台上有10MHz、1MHz、500kHz、100kHz的时钟信号，由石英晶体振荡器和分频器产生，准确度很高，可用来校准示波器的时基。示波器的标准信号源CAL，专门用于校准示波器的时基和垂直偏转因数。例如COS5041型示波器标准信号源提供一个VP-P=2V,f=1kHz的方波信号。示波器前面板上的位移(Position)旋钮调节信号波形在荧光屏上的位置。旋转水平位移旋钮(标有水平双向箭头)左右移动信号波形，旋转垂直位移旋钮(标有垂直双向箭头)上下移动信号波形。2.4输入通道和输入耦合选择1．输入通道选择输入通道至少有三种选择方式：通道1(CH1)、通道2(CH2)、双通道(DUAL)。选择通道1时，示波器仅显示通道1的信号。选择通道2时，示波器仅显示通道2的信号。选择双通道时，示波器同时显示通道1信号和通道2信号。测试信号时，首先要将示波器的地与被测电路的地连接在一起。根据输入通道的选择，将示波器探头插到相应通道插座上，示波器探头上的地与被测电路的地连接在一起，示波器探头接触被测点。示波器探头上有一双位开关。此开关拨到“×1”位置时，被测信号无衰减送到示波器，从荧光屏上读出的电压值是信号的实际电压值。此开关拨到“×10位置时，被测信号衰减为1／10，然后送往示波器，从荧光屏上读出的电压值乘以10才是信号的实际电压值。2．输入耦合方式输入耦合方式有三种选择：交流(AC)、地(GND)、直流(DC)。当选择“地”时，扫描线显示出“示波器地”在荧光屏上的位置。直流耦合用于测定信号直流绝对值和观测极低频信号。交流耦合用于观测交流和含有直流成分的交流信号。在数字电路实验中，一般选择“直流”方式，以便观测信号的绝对电压值。2.5触发第一节指出，被测信号从Y轴输入后，一部分送到示波管的Y轴偏转板上，驱动光点在荧光屏上按比例沿垂直方向移动；另一部分分流到x轴偏转系统产生触发脉冲，触发扫描发生器，产生重复的锯齿波电压加到示波管的X偏转板上，使光点沿水平方向移动，两者合一，光点在荧光屏上描绘出的图形就是被测信号图形。由此可知，正确的触发方式直接影响到示波器的有效操作。为了在荧光屏上得到稳定的、清晰的信号波形，掌握基本的触发功能及其操作方法是十分重要的。1．触发源(Source)选择要使屏幕上显示稳定的波形，则需将被测信号本身或者与被测信号有一定时间关系的触发信号加到触发电路。触发源选择确定触发信号由何处供给。通常有三种触发源：内触发(INT)、电源触发(LINE)、外触发EXT)。内触发使用被测信号作为触发信号，是经常使用的一种触发方式。由于触发信号本身是被测信号的一部分，在屏幕上可以显示出非常稳定的波形。双踪示波器中通道1或者通道2都可以选作触发信号。电源触发使用交流电源频率信号作为触发信号。这种方法在测量与交流电源频率有关的信号时是有效的。特别在测量音频电路、闸流管的低电平交流噪音时更为有效。外触发使用外加信号作为触发信号，外加信号从外触发输入端输入。外触发信号与被测信号间应具有周期性的关系。由于被测信号没有用作触发信号，所以何时开始扫描与被测信号无关。正确选择触发信号对波形显示的稳定、清晰有很大关系。例如在数字电路的测量中，对一个简单的周期信号而言，选择内触发可能好一些，而对于一个具有复杂周期的信号，且存在一个与它有周期关系的信号时，选用外触发可能更好。2．触发耦合(Coupling)方式选择触发信号到触发电路的耦合方式有多种，目的是为了触发信号的稳定、可靠。这里介绍常用的几种。AC耦合又称电容耦合。它只允许用触发信号的交流分量触发，触发信号的直流分量被隔断。通常在不考虑DC分量时使用这种耦合方式，以形成稳定触发。但是如果触发信号的频率小于10Hz，会造成触发困难。直流耦合(DC)不隔断触发信号的直流分量。当触发信号的频率较低或者触发信号的占空比很大时，使用直流耦合较好。低频抑制(LFR)触发时触发信号经过高通滤波器加到触发电路，触发信号的低频成分被抑制；高频抑制(HFR)触发时，触发信号通过低通滤波器加到触发电路，触发信号的高频成分被抑制。此外还有用于电视维修的电视同步(TV)触发。这些触发耦合方式各有自己的适用范围，需在使用中去体会。3．触发电平