大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)之模擬示波器

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)之模擬示波器第1頁/共49頁示波器的調(diào)整與使用實(shí)驗(yàn)簡介實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)步驟注意事項(xiàng)第2頁/共49頁實(shí)驗(yàn)簡介

示波器全名為陰極射線示波器。它是觀察和測量電信號的一種電子儀器。一切可以轉(zhuǎn)化為電壓的其它電學(xué)量（如電流、電功率、阻抗、位相等）和非電學(xué)量（溫度、位移、時(shí)間、壓強(qiáng)、磁場、頻率等）以及它們隨時(shí)間的變化過程，可以用示波器來進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，還可以用來測量電路網(wǎng)絡(luò)的頻率特性和伏安特性，已成為科學(xué)研究、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、醫(yī)藥衛(wèi)生、電工電子和儀器儀表等各個研究領(lǐng)域和行業(yè)最常用的儀器。它是一種用途非常廣泛的現(xiàn)代測量工具。第3頁/共49頁基本特點(diǎn)：輸入阻抗高，對被測信號影響小，有較強(qiáng)的過載能力，測量靈敏度高?？娠@示信號波形、測量信號瞬時(shí)值。工作速度快、頻帶寬，便于觀察高速變化的信號?？娠@示任意兩個信號的電壓或電流的函數(shù)關(guān)系，故可作為信號的X-Y記錄儀。第4頁/共49頁電子示波器的分類按示波器的性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分類：1．通用示波器：采用單束示波管，是一種寬頻帶的示波器，常用的是雙蹤示波器，使用的極為廣泛，可以對一般電信號進(jìn)行定性和定量的分析。2．多束示波器：采用多束示波管，通過電子開關(guān)進(jìn)行切換，觀察兩個以上的波形，比較兩個以上的信號很方便。3．取樣示波器：便于觀察和測量高頻信號。4．記憶示波器：采用記憶示波管實(shí)現(xiàn)信息的存儲。第5頁/共49頁5．特種示波器：具有特殊的功能用途，例如：矢量示波器，高壓示波器，心電圖示波器等。6．?dāng)?shù)字存儲示波器：能夠?qū)⒉洞俚降男盘栠M(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，寫入存儲器，需要讀出時(shí)，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換還原成模擬信號，在示波器上顯示出來。7．邏輯示波器：（邏輯分析儀）。8.虛擬示波器：通過軟件實(shí)現(xiàn)示波器的全部功能。9.網(wǎng)絡(luò)示波器：將示波器接入互聯(lián)網(wǎng)中，便于高速傳遞測量的信息和應(yīng)用各種數(shù)據(jù)處理軟件。第6頁/共49頁實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私馐静ㄆ鞯慕Y(jié)構(gòu)和顯示波形的基本工作原理，及掃描原理。學(xué)習(xí)示波器、低頻信號發(fā)生器的使用方法。學(xué)習(xí)使用示波器測量觀察信號的電壓、頻率、位相差的一些方法第7頁/共49頁實(shí)驗(yàn)儀器GOS-630FC型雙蹤示波器

YB1602H信號發(fā)生器

(Q9)連接線數(shù)條第8頁/共49頁實(shí)驗(yàn)原理示波器的基本結(jié)構(gòu)包括：陰極射線示波管（電子槍、X、Y偏轉(zhuǎn)板、熒光屏）

電壓放大器（帶衰減器的X和Y軸放大器）

同步、掃描電路電源第9頁/共49頁實(shí)驗(yàn)原理一、組成：如圖所示，它由示波管（CRT）、垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、水平偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，同步控制系統(tǒng)，以及輝度控制電路、電源系統(tǒng)等幾部分組成。1.陰極射線示波管是個電真空器件，玻璃殼內(nèi)有熒光屏、電子槍和偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)幾個部分。⑴熒光屏示波管前方內(nèi)部，涂有熒光材料。當(dāng)高速電子流打上時(shí)，熒光物質(zhì)會發(fā)光。發(fā)光的強(qiáng)弱（波形亮度），取決于電子流的強(qiáng)度。第10頁/共49頁⑵電子槍由燈絲、陰極、柵極、第一陽極和第二陽極構(gòu)成。主要功能:產(chǎn)生一束強(qiáng)度可以調(diào)節(jié)的高速電子流，并且使電子束可以聚焦在屏幕上。燈絲加熱后，陰極發(fā)射出大量的電子。這些電子在兩個陽極的加速下，將以很高的速度射向熒光屏。柵極處于第一陽極和陰極之間，使之相對于陰極處于負(fù)電勢。改變它負(fù)的程度（通過示波器面板上的“亮度”旋鈕調(diào)節(jié)），就可以控制電子束的強(qiáng)度，從而改變熒光屏上的光點(diǎn)和波形的亮度?？刂坪玫谝魂枠O和第二陽極間的電勢差（示波器面板上的“聚焦”旋鈕調(diào)節(jié)），可以使電子束恰好聚焦到熒光屏上，此時(shí)屏上的光點(diǎn)最小，波形線條細(xì)銳清晰。⑶第11頁/共49頁⑶偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)X和Y是一對互相垂直放置的偏轉(zhuǎn)板。在水平偏轉(zhuǎn)板X間加電壓時(shí)，通過期間的電子束就會在偏轉(zhuǎn)板間電場的作用下，在水平方向上發(fā)生偏轉(zhuǎn)，也就是使熒光屏上的光點(diǎn)發(fā)生水平移動。其移動大小，取決于偏轉(zhuǎn)板電壓的高低，二者成正比關(guān)系。在垂直偏轉(zhuǎn)板Y間加電壓，則通過其間的電子束就會在偏轉(zhuǎn)板間電場的作用下，發(fā)生垂直方向的偏轉(zhuǎn)，使熒光屏上的光點(diǎn)發(fā)生垂直移動，其移動大小，取決于偏轉(zhuǎn)板電壓的高低，二者成正比關(guān)系。在偏轉(zhuǎn)板間加一個直流電壓（通過示波器面板上的“水平位置”和“垂直位置”旋鈕調(diào)節(jié)），可改變光點(diǎn)的基礎(chǔ)位置。加變化電壓時(shí)，光點(diǎn)移動的距離也跟著變化，而且光點(diǎn)位置變化的規(guī)律與所加電壓的變化的規(guī)律是一致的。第12頁/共49頁圖電子示波器的基本組成框圖第13頁/共49頁實(shí)驗(yàn)原理第14頁/共49頁實(shí)驗(yàn)原理第15頁/共49頁X軸方向偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)原理第16頁/共49頁Y軸方向偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)原理第17頁/共49頁

示波管（CRT）結(jié)構(gòu)簡介G：控制柵極電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、熒光屏G：控制柵極G：控制柵極K

GA1

A2共同完成聚焦G：控制柵極K：陰極F：燈絲G：對應(yīng)亮度旋鈕K

GA1

A2共同完成聚焦熒光屏X：水平偏轉(zhuǎn)板Y：豎直偏轉(zhuǎn)板A1：第一陽極G：控制柵極A2：第二陽極G：控制柵極第18頁/共49頁

掃描原理只在豎直偏轉(zhuǎn)板上加正弦電壓的情形只在水平偏轉(zhuǎn)板上加一鋸齒波電壓的情形示波器顯示正弦波原理圖第19頁/共49頁

同步（整步）原理掃描時(shí)由于鋸齒波周期性復(fù)原，要求光點(diǎn)所畫的軌跡和第一周期的完全重合，再由視覺殘留，觀察到一個穩(wěn)定的波形。Tx=nTy,fy=nfx觸發(fā)同步電路，它從垂直放大電路中取出部分待測信號，輸入到掃描發(fā)生器，迫使鋸齒波與待測信號同步，此稱為“內(nèi)同步”.操作時(shí)使用“電平”（LEVEL）旋鈕。第20頁/共49頁AC常態(tài)觸發(fā)耦合方式（COUPLING）

順時(shí)針旋足微調(diào)（VIRIABLE）CH1觸發(fā)源（TRIGGERSOURCE）0.1V(X)電壓衰減（VOLTS/DIV）0.5ms掃描速率（SEC/DIV）CH1垂直方式（MODE）觸發(fā)極性（SLOPE）居中位移（三只）（POSITION）自動掃描方式（SWEEPMODE）居中聚焦（FOCUS）DC輸入耦合居中亮度（INTENSITV）作用位置控制件名稱作用位置控制件名稱4、測量前示波器面板控件的位置注意：測量時(shí)對控件進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)第21頁/共49頁面板主要按鈕垂直系統(tǒng)水平系統(tǒng)t/DIV：調(diào)節(jié)掃描速率，指示水平方向每格的掃描時(shí)間V/DIV：調(diào)節(jié)垂直偏轉(zhuǎn)靈敏度,指示垂直方向每格的偏轉(zhuǎn)電壓值觸發(fā)電路電平（LEVEL）：調(diào)節(jié)被測信號在某一電平觸發(fā)描。按照箭頭方向旋到底。X-Y工作方式X-Y：顯示兩個相關(guān)量的函數(shù)圖形。CH1輸入x軸信號，同時(shí)設(shè)置為X-Y狀態(tài)。第22頁/共49頁2、測量正弦信號電壓與周期測量原理

偏轉(zhuǎn)因數(shù)V/div時(shí)基因數(shù)T/div電壓：Upp=2×4=8V假設(shè)：“

V/div”

檔位置于2V/div

“TIME/div”的檔位在0.5ms/div

周期T=6×0.5=3mS頻率f=1/T=333HZ

第23頁/共49頁4格1.6格T=1.6×t/divUPP=4×v/div第24頁/共49頁

將不同信號源信號分別輸入CH1和CH2通道，掃描速率旋鈕置X-Y（逆時(shí)針到底）狀態(tài)，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，調(diào)節(jié)CH1和CH2頻率比觀察李薩如圖。3、測量信號的頻率

觀察李薩如圖形

兩個相互垂直的諧振動合成時(shí)，若其頻率fx與fy

成簡單的整數(shù)比，合成的軌跡是封閉的穩(wěn)定幾何圖形，稱為李薩如圖。

第25頁/共49頁第26頁/共49頁測量信號頻率測量原理

調(diào)出=1:1、1:2、2:3、3:4的李薩如圖形，在下表中描下李薩如圖形并記下相應(yīng)CH2通道信號的頻率fy

第27頁/共49頁第28頁/共49頁五、思考題1、如果打開示波器電源后，看不到掃描線也看不到光點(diǎn)，可有那些原因？

2、當(dāng)Y軸輸入端有信號，但屏上只有一條水平線時(shí)，是什么原因？應(yīng)如何調(diào)節(jié)才能使波形沿Y軸展開？3、如何用示波器測量兩正弦信號的相位差？四、注意事項(xiàng)

測信號電壓和周期時(shí)，一定要將電壓衰減旋紐的微調(diào)和掃描速率旋紐的微調(diào)順時(shí)針旋足（校正位置）。4、觀察李薩如圖形時(shí)，能否用示波器的“同步”把圖形穩(wěn)定下來？李薩如圖形為什么一般都在動？主要原因是什么？（做實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)回答）第29頁/共49頁實(shí)驗(yàn)原理

要觀察加在Y軸上電壓隨時(shí)間變化的規(guī)律，必須同時(shí)在X軸上加上鋸齒波電壓，把Y軸信號產(chǎn)生的豎直亮線按時(shí)間展開，這個展開的過程叫“掃描”為了使屏上的圖形穩(wěn)定，必須使Y軸上電壓和鋸齒波電壓頻率、相位固定，并且它們的頻率滿足：fy/fx=n，n=1，2，3，…

式中n為屏上顯示的完整波形個數(shù)。這種使兩者頻率成整數(shù)倍關(guān)系且相位差恒定的調(diào)節(jié)過程稱為“同步”。第30頁/共49頁正弦波合成實(shí)驗(yàn)原理第31頁/共49頁開關(guān)第二通道接口第一通道接口一通道偏轉(zhuǎn)因數(shù)選擇開關(guān)二通道偏轉(zhuǎn)因數(shù)選擇開關(guān)時(shí)基掃描

聚焦輝度實(shí)驗(yàn)原理V－252型示波器介紹不同型號和規(guī)格的示波器，雖然旋鈕的排列不同，但其名稱和作用都基本相同。通用雙通道示波器第32頁/共49頁AC—只能輸入交流信號，信號中的直流成份被除去DC—信號中的交流、直流成份同時(shí)被輸入、觀察。GND—Y軸信號輸入端接地（信號無法輸入）-顯示CH1信號的波形-顯示CH2信號的波形-顯示“CH1+CH2”疊加信號的波形-交替顯示CH1和CH2信號的波形-以250KHz切換顯示CH1和CH2信號的波形CH1CH2CHOPADDALT第33頁/共49頁頻率范圍選擇信號輸出函數(shù)選擇信號發(fā)生器第34頁/共49頁實(shí)驗(yàn)儀器同軸電纜第35頁/共49頁信號輸入接口（CH1CH2)

通道選擇開關(guān)（CH1CH2DUALADD）Y1，Y2通道輸入信號耦合開關(guān)（ACDCGND)Y1，Y2通道偏轉(zhuǎn)因數(shù)選擇開關(guān)（Volits/div)

選擇不同的檔位能把信號在空間上放大或縮小，而不改變信號本身的大小。同時(shí)偏轉(zhuǎn)因數(shù)發(fā)生變化，偏轉(zhuǎn)因數(shù)表示每一縱格代表的電壓值。

用于測量時(shí)，要把微調(diào)校準(zhǔn)（順時(shí)針轉(zhuǎn)到頭）

垂直通道偏轉(zhuǎn)因數(shù)*格數(shù)=電壓值（Up-p)

位移（Position)

調(diào)整光跡垂直方向的位移和水平方向的位移

合成（X-Y）

用于觀察加在x軸和y軸上的兩個信號合成后圖形信號輸入控制第36頁/共49頁掃描與同步控制

掃描時(shí)間因數(shù)選擇開關(guān)和微調(diào)（Time/div)

用于調(diào)節(jié)掃描電壓的周期

測頻率時(shí)要把對應(yīng)微調(diào)校準(zhǔn)

頻率=1/掃描時(shí)間偏轉(zhuǎn)因數(shù)*格數(shù)

（掃描時(shí)間偏轉(zhuǎn)因數(shù)指屏幕上一橫格代表的時(shí)間大小）觸發(fā)源選擇（Source)

當(dāng)調(diào)整Time/div,不能使信號穩(wěn)定時(shí)，就要把觸發(fā)源選成自己的通道。電平（Level）

當(dāng)使用觸發(fā)源后，信號還是不能穩(wěn)定，就要使用電平旋鈕，將電平指到正中間。

第37頁/共49頁

在示波管的X，Y偏轉(zhuǎn)板上加上正弦電壓，合成后，當(dāng)兩電壓信號頻率成簡單整數(shù)比時(shí)，屏上則顯示出一系列不同的封閉圖形（李薩茹圖形）。

李薩如圖形測頻率第38頁/共49頁實(shí)驗(yàn)內(nèi)容李薩如圖形的觀察

在示波器的X、Y輸入端分別加上兩個正弦電壓信號，當(dāng)兩電壓信號的頻率成整數(shù)比時(shí)，光點(diǎn)將走一個特殊形狀的軌跡，叫李薩如圖。其圖的形狀由兩信號頻率比及相位差而定。李薩如圖中，水平切點(diǎn)數(shù)與豎直切點(diǎn)數(shù)之比恰好與頻率成反比，即第39頁/共49頁相位差角

1∶1

1∶2

1∶3

2∶3

0

π/4

π/2

3π/4

π

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容第40頁/共49頁測兩個同頻率正弦信號的位相差方法一：波形比較法實(shí)驗(yàn)內(nèi)容第41頁/共49頁