用示波器測量信號的電壓及頻率

1、用示波器測量信號的電壓及頻率長江大學(xué) 馬天寶 應(yīng)物1203班1、示波器和使用-【實驗?zāi)康摹?了解示波器的大致結(jié)構(gòu)和工作原理。2學(xué)習(xí)低頻信號發(fā)生器和雙蹤示波器的使用方法。3使用示波器觀察電信號的波形，測量電信號的電壓和頻率?！緦嶒炘怼恳?、示波器原理1示波器的基本結(jié)構(gòu)示波器的種類很多，但其基本原理和基本結(jié)構(gòu)大致相同，主要由示波管、電子放大系統(tǒng)、掃描觸發(fā)系統(tǒng)、電源等幾部分組成，如圖4.9-1所示。（1）示波管示波管又稱陰極射線管，簡稱CRT，其基本結(jié)構(gòu)如圖4.9-2所示，主要包括電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三個部分。電子槍：由燈絲、陽極、控制柵極、第一陽極、第二陽極五部分組成。燈絲通電后，加熱陰極。陰

2、極是一個表面涂有氧化物的金屬圓筒，被加熱后發(fā)射電子?？刂茤艠O是一個頂端有小孔的圓筒，套在陰極外面，它的電位相對陰極為負(fù)，只有初速達(dá)到一定的電子才能穿過柵極頂端的小孔。因此，改變柵極的電位，可以控制通過柵極的電子數(shù)，從而控制到達(dá)熒光屏的電子數(shù)目，改變屏上光斑的亮度。示波器面板上的“亮度”旋鈕就是起這一作用的。陽極電位比陰極高得多，對通過柵極的電子進(jìn)行加速。被加速的電子在運動過程中會向四周發(fā)散，如果不對其進(jìn)行聚焦，在熒光屏上看到的將是模糊一片。聚焦任務(wù)是由陰極、柵極、陽極共同形成的一種特殊分布的靜電場來完成的。這一靜電場是由這些電極的幾何形狀、相對位置及電位決定的。示波器面板上的“聚焦”旋鈕就是改

3、變第一陽極電位用的，而“輔助聚焦”就是調(diào)節(jié)第二陽極電位用的。偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)：它由兩對互相垂直的平行偏轉(zhuǎn)板水平偏轉(zhuǎn)板和豎直偏轉(zhuǎn)板組成。只有在偏轉(zhuǎn)板上加上一定的電壓，才會使電子束的運動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而使熒光屏上光斑的位置發(fā)生改變。通常，在水平偏轉(zhuǎn)板上加掃描信號，豎直偏轉(zhuǎn)板上加被測信號。熒光屏：示波管前端的玻璃屏上涂有熒光粉，電子打上去它就會發(fā)光，形成光斑。熒光材料不同，發(fā)光的顏色不同，發(fā)光的延續(xù)時間（余輝時間）也不同。玻璃屏上帶有刻度，供測量時使用。（2）電子放大系統(tǒng)為了使電子束獲得明顯的偏移，必須在偏轉(zhuǎn)板上加上足夠的電壓。被測信號一般比較弱，必須進(jìn)行放大。豎直（Y軸）放大器和水平（X軸）放大器就是起

4、這一作用的。（3）掃描與觸發(fā)系統(tǒng)掃描發(fā)生器的作用是產(chǎn)生一個與時間成正比的電壓作為掃描信號。觸發(fā)電路的作用是形成觸發(fā)信號。當(dāng)示波器工作在“自激”方式時，掃描發(fā)生器始終有掃描信號輸出；當(dāng)示波器工作在“DC”或“AC” 方式時，掃描發(fā)生器必須有觸發(fā)信號的激勵才產(chǎn)生掃描信號。一般地，示波器工作在內(nèi)觸發(fā)方式，觸發(fā)信號由被測信號產(chǎn)生，以保證掃描信號與被測信號同步。當(dāng)示波器工作在外觸發(fā)方式時，觸發(fā)信號由外部輸入信號產(chǎn)生。2波形顯示原理如果只在豎直偏轉(zhuǎn)板上加一正弦信號，則電子束的亮點將隨電壓的變化在豎直方向來回運動；如果頻率較高，則看到的是一條豎直亮線，如圖4.9-3所示。要能顯示波形，應(yīng)使電子束在水平方向上

5、也要有偏移，這就必須同時在水平偏轉(zhuǎn)板上加掃描電壓。掃描電壓的特點是其幅值隨時間線性增加到最大，又突然回到最小，此后再重復(fù)變化。在掃描信號的作用下，光點從左向右運動到最大位移，再突然回到左端起點，開始下一周期。我們把這一過程稱為掃描。掃描電壓的變化曲線形同鋸齒，如圖4.9-4所示，所以稱為鋸齒波。如果只有掃描信號加在偏轉(zhuǎn)板上，在頻率足夠高時，屏上只能看到一條水平亮線。如果在豎直偏轉(zhuǎn)板（稱Y軸）上加正弦電壓，水平偏轉(zhuǎn)板（稱X軸）上加鋸齒波電壓，光點的運動將是兩互相垂直運動的合成。若鋸齒波電壓的周期與正弦波電壓的周期相等或鋸齒波電壓的周期稍大，則屏上將顯示一個完整周期的波形，如圖4.9-5所示。當(dāng)正

6、弦波與鋸齒波的周期稍微不同時，則在下一掃描周期顯示的波形與本次掃描周期顯示的波形不能重疊，如圖4.9-6所示，這樣，在屏上看到的就是移動著的不穩(wěn)定圖形。欲使前后兩個掃描周期內(nèi)的波形重合，使波形穩(wěn)定，解決的辦法有兩個：（1）使鋸齒波的周期等于正弦波的周期的整數(shù)倍，即Tx=nTy，此時，示波器上顯示n個完整的正弦波形。示波器面板上的“掃描微調(diào)”旋鈕就是用來調(diào)節(jié)鋸齒波的周期，使之滿足上述關(guān)系的。（2）使掃描電壓的起點自動跟隨Y軸信號改變。這可以通過觸發(fā)信號的激勵作用來做到，即通過由Y軸信號所形成的觸發(fā)信號使掃描信號在Y軸信號回到起點時自動回到起點。這種使掃描信號的周期等于被測信號的周期或掃描信號的起

7、點自動跟隨Y軸信號改變的現(xiàn)象稱為“同步”（或整步）。一般示波器只有一個電子槍，要能在屏上同時顯示兩路信號的圖像，必須在人眼的視覺暫留時間內(nèi)分別顯示兩波形在屏上不同的位置，這是通過電子開關(guān)來完成的。電子開關(guān)是一個自動的快速單刀雙擲開關(guān)，它把Y1通道和Y2通道的信號輪流送入Y軸放大器，在屏上輪流顯示。由于視覺暫留，觀察者可以同時看到兩路波形，即雙蹤顯示。雙蹤顯示有“交替”和“斷續(xù)”兩種方式?！敖惶妗狈绞绞窃诒敬螔呙钑r顯示Y1通道信號，下次掃描時顯示Y2通道信號，反復(fù)進(jìn)行?！皵嗬m(xù)”方式是在每次掃描中，高速輪流顯示Y1通道和Y2通道的信號，以虛線顯示在屏上。由于虛線密集，使圖形看起來連續(xù)。二、測量原理

8、1測量信號的電壓和周期用示波器測量信號的電壓，一般是測量其峰峰值Upp，即信號的波峰到波谷之間的電壓值。在選擇適當(dāng)?shù)耐ǖ榔D(zhuǎn)因數(shù)和掃描時基因數(shù)后，只要從屏上讀出峰峰值對應(yīng)的垂直距離Y(cm)和一個周期對應(yīng)的水平距離X(cm)，即可求出信號的電壓和周期。 （4.9-1） （4.9-2）正弦信號的有效值Ueff和峰峰值Upp的關(guān)系為 （4.9-3）有時，被測信號電壓比較高，必須經(jīng)過衰減后才能輸入示波器的Y通道。衰減倍數(shù)用分貝數(shù)表示，其定義為 （4.9-4）式中，U0為未衰減時的信號電壓值，U為示波器測得的衰減后的電壓值。根據(jù)衰減的分貝數(shù)和示波器測得的值U，就可得到被測信號的電壓值。2測量信號的頻率

9、（1）李薩如圖形設(shè)兩個互相垂直的振動為式中，f1、f2為兩振動的頻率，j1、j2為兩振動的初相。當(dāng)f1=f2時合成振動的軌跡方程為 （4.9-5）（4.9-5）式是一個橢圓方程。當(dāng)j2-j1=0或±p時，橢圓退化為一條直線；當(dāng)j2-j1=±p/2時，合成軌跡為一正橢圓。當(dāng)f1f2時，合成振動的軌跡比較復(fù)雜，但當(dāng)f1與f2成簡單的整數(shù)比時，合成振動的軌跡為封閉的穩(wěn)定幾何圖形，這些圖形稱為李薩如圖形，如圖4.9-7所示。從圖形中，人們總結(jié)出如下規(guī)律：如果作一個限制光點在x，y方向運動的假想矩形框，則圖形與此矩形框相切時，橫邊上的切點數(shù)nx與豎邊上的切點數(shù)ny之比恰好等于兩振動的

10、頻率之比，即 (4.9-6) 或 因此，若已知其中一個信號的頻率，從李薩如圖形上數(shù)得切點數(shù)nx和ny，就可以求出另一待測信號的頻率。（2）拍設(shè)兩個同方向的簡諧振動為選某一時刻兩振動相位相同時作為計時起點，則j2=j1=j，若兩振動的振幅也相同（A1=A2=A），則合成振動可以表示為當(dāng)f1與f2的差值遠(yuǎn)小于f1、f2時，合成振動的振幅2Acos(f2-f1)t 隨時間緩慢地呈周期性變化，這種現(xiàn)象稱為拍，振幅變化的頻率叫拍頻 （4.9-7）圖4.9-8所示為拍的形成的示意圖，其中，t=0時，y1與y2的相位差為。如果信號頻率f1已知且連續(xù)可調(diào)，則通過改變f1觀察拍頻的變化，可以判斷出待測信號頻率f

11、2是大于f1還是小于f1，然后根據(jù)測得的拍頻f3和(7)式就可求出待測信號的頻率。【實驗儀器】DF4320型雙通道示波器，EE1641B函數(shù)信號發(fā)生器，連接線若干一、DF4320型雙通道示波器DF4320型雙通道示波器的面板圖入圖4.9-9所示，各部件名稱及作用介紹如下：1、亮度(intensity)：用于調(diào)節(jié)光點亮度。2、聚焦(focus)：用于調(diào)節(jié)光點大小。3、軌跡旋轉(zhuǎn)(trace rotation)：可調(diào)節(jié)波形與水平刻度線的角度。4、電源指示燈(power indicator)5、電源開關(guān)(power)6、校準(zhǔn)信號(probe adjust)：提供0.5V、頻率為1kHz的方波信號。7、

12、8垂直移位 (vertical position) 旋鈕：改變波形的在屏上的豎直位置。9垂直方式按鈕(vertical mode)：共5個按鈕。按下CH1或CH2時，單獨顯示通道1或通道2的信號；按下ALT時，兩個通道交替顯示；按下CHOP時，示波器處于斷續(xù)工作方式；按下ADD時，顯示兩個通道信號的代數(shù)和。10通道2極性(CH2 NORM/invert)：改變通道2信號的極性。當(dāng)垂直方式置“ADD”時，選擇“NORM”，屏上顯示兩通道信號的和；選擇“invert”, 屏上顯示兩通道信號的差。11、12電壓衰減(volts/div) 旋鈕：即偏轉(zhuǎn)因數(shù)。用于調(diào)節(jié)垂直偏轉(zhuǎn)靈敏度，它指示豎直方向每厘米

13、代表的電壓值。對于一定的輸入信號，調(diào)節(jié)它，可改變波形在豎直方向的幅度。13、14微調(diào)(variable) 旋鈕：用于連續(xù)調(diào)節(jié)垂直偏轉(zhuǎn)靈敏度。15、16耦合方式(AC-GND-DC)按鈕：輸入信號的耦合方式。置“AC”時，交流輸入，直流成分被隔斷；置“DC”時，直流輸入；置“GND”時，接地，輸入零信號。17、18通道1（CH1 OR X）和通道2（CH2 OR Y）信號輸入插孔。19水平移位(horizontal) 旋鈕：調(diào)節(jié)它可使波形水平移動。20電平(level) 旋鈕：用來調(diào)節(jié)被測信號在某一電平觸發(fā)掃描。21觸發(fā)極性(slope)：用于選擇觸發(fā)信號的上升沿或下降沿去觸發(fā)掃描。22掃描方式

14、(sweep mode)按鈕：選擇“AUTO”（自動）時掃描發(fā)生器自動工作，屏上始終有掃描線；選擇“NORM”（常態(tài)）時，必須有觸發(fā)信號掃描發(fā)生器才有掃描信號輸出；選擇“SINGLE”（單次）時，觸發(fā)信號只觸發(fā)一次掃描，下次掃描需再按動一次該鍵。23被觸發(fā)或準(zhǔn)備指示燈(trigd ready)：在被觸發(fā)掃描時，指示燈亮；在單次掃描時，指示燈亮表示掃描電路在觸發(fā)等待狀態(tài)。24掃描速率(sec/div)旋鈕：即掃描時基因數(shù)。用于調(diào)節(jié)掃描速度，其數(shù)值的倒數(shù)即掃描速率。它指示水平方向每厘米代表的時間值，其范圍從0.1s/div到0.2s/div。25掃描微調(diào)、擴(kuò)展(variable pull×

15、;5) 旋鈕：用于連續(xù)調(diào)節(jié)掃描速度。當(dāng)旋鈕被拉出時，掃描速度擴(kuò)大5倍。在測量時間（周期）時，該旋鈕應(yīng)關(guān)上。26觸發(fā)源（trigger source）按鈕：用于選擇產(chǎn)生觸發(fā)的源信號。有四種方式選擇：CH1、CH2、LINE、EXT。在單蹤顯示時，無論選擇CH1還是CH2，觸發(fā)信號都來自被顯示的通道。27觸發(fā)耦合(coupling)按鈕。有“AC/DC”和“TV”28接地()。29外觸發(fā)輸入(EXT input)插座30Z軸輸入(Z axis input)亮度調(diào)制信號輸入插座31電源插座32電源設(shè)置33保險絲座二、EE1641B函數(shù)信號發(fā)生器EE1641B函數(shù)信號發(fā)生器可以輸出頻率在0.2Hz2M

16、Hz的正弦波、三角波、方波信號等，其面板圖如圖4.9-10所示，各部件的作用如下：1頻率顯示窗口：顯示輸出信號頻率值（或外測頻值）。2信號幅度顯示窗口：顯示輸出信號的幅度值。3掃描寬度調(diào)節(jié)旋鈕：調(diào)節(jié)它，可以改變內(nèi)掃描時間的長短。4速率調(diào)節(jié)旋鈕：用以調(diào)節(jié)掃頻輸出的掃頻范圍。5外部輸入插座：外掃描控制信號或外測頻信號輸入端。 6TTL信號輸出端：輸出標(biāo)準(zhǔn)TTL脈沖信號，輸出阻抗為600。7函數(shù)信號輸出端：1M負(fù)載時，輸出20Vp-p，50負(fù)載時，輸出10Vp-p。8函數(shù)信號輸出幅度調(diào)節(jié)旋鈕。9函數(shù)輸出信號直流電平預(yù)置調(diào)節(jié)旋鈕10波形對稱性調(diào)節(jié)旋鈕：調(diào)節(jié)它可改變輸出波形的對稱性。當(dāng)它置于“OFF”時

17、，輸出對稱波形。11輸出衰減旋鈕：有20dB和40dB兩檔選擇。12輸出波形選擇：用來選擇輸出信號的波形。13“掃描/計數(shù)”按鈕，用于選擇掃描方式和外測頻方式。14頻段選擇：選擇輸出信號的頻段，每按壓一次，改變一個頻段。15頻率調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)輸出信號的頻率。16電源開關(guān)【實驗內(nèi)容】1使用練習(xí)（1）開機(jī)準(zhǔn)備。開機(jī)前，把示波器面板上的旋鈕調(diào)到如下位置亮度(intensity) 旋鈕 居中聚焦(focus) 旋鈕 居中垂直移位 (vertical position) 旋鈕 居中水平移位(horizontal) 旋鈕 居中垂直方式 (vertical mode) 按鈕 CH1掃描方式(sweep mode

18、)按鈕 自動掃描速率(sec/div)旋鈕 到底掃描微調(diào)、擴(kuò)展(variable pull×5) 旋鈕 關(guān)(順時針)觸發(fā)耦合(coupling)按鈕 AC常態(tài)觸發(fā)源（trigger source）按鈕 CH1觸發(fā)極性（slope） 上升沿輸入耦合（AC-GND-DC） DC（2）打開電源開關(guān)，電源指示燈亮，稍等預(yù)熱，屏上出現(xiàn)亮點。分別調(diào)節(jié)亮度和聚焦旋鈕，使光點亮度適中、清晰。（3）觀察交流信號波形。打開信號發(fā)生器電源開關(guān)，將其輸出接CH1。調(diào)信號發(fā)生器頻率為1kHz，輸出電壓調(diào)為4.0V，輸出衰減置20dB，CH1通道偏轉(zhuǎn)因數(shù)旋鈕(volts/div)調(diào)為0.2V/div，掃描速率(

19、sec/div)旋鈕調(diào)為0.5ms/cm，觀察示波器上的波形。若波形不穩(wěn)定，調(diào)節(jié)電平旋鈕使之穩(wěn)定。將掃描速率(sec/div)旋鈕改為0.2ms/cm，再觀察示波器上的波形。2測量信號的電壓與周期（1）校準(zhǔn)。將校準(zhǔn)信號(probe adjust)接入CH1，偏轉(zhuǎn)因數(shù)置0.1V/cm，掃描速率(sec/div)旋鈕調(diào)為0.5ms/cm，觀察信號幅度（5cm）及信號一個周期的長度（2cm）值是否正確？若不正確，請老師校準(zhǔn)。（2）測量。按前述（3）調(diào)好信號發(fā)生器，CH1通道偏轉(zhuǎn)因數(shù)(volts/div)置為50mV/div，選擇合適的掃描速率(sec/div)值，使屏上刻度范圍內(nèi)出現(xiàn)一個完整波形，記

20、下信號峰-峰值長度Y和一個周期的長度X。3觀察李薩如圖形，測信號頻率。（1）將待測信號輸入CH1通道，使示波器顯示出信號波形，并估算其頻率大致值。（2）將標(biāo)準(zhǔn)已知頻率信號輸入CH2通道，掃描速率(sec/div)旋鈕置X-Y（逆時針到底），調(diào)節(jié)信號幅度或改變通道偏轉(zhuǎn)因數(shù)，使圖形不超出熒光屏視場。（3）根據(jù)待測信號頻率的粗測值，調(diào)節(jié)CH2通道信號的頻率，使示波器屏上分別出現(xiàn) =1:1、1:2、2:3、3:4的李薩如圖形。描下李薩如圖形，并記下相應(yīng)的CH2通道信號的頻率值fx。4用“拍”現(xiàn)象測正弦信號的頻率（1）將待測信號輸入CH1通道，垂直方式 (vertical mode)選CH1，選擇適當(dāng)?shù)钠D(zhuǎn)因數(shù)和掃描速率，使屏上出現(xiàn)合適的穩(wěn)定的正弦波圖形估算信號的大致頻率。（2）將可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)信號源信號輸入CH2通道，垂直方式 (vertical mode)選CH2，調(diào)節(jié)信號源，使其輸出信號的頻率和幅度與待測信號的大致相同