大学物理实验讲义实验09示波器基本原理和使用.doc
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1、.*实验5 示波器原理和使用示波器是利用示波管内电子射线的偏转,在荧光屏上显示出电信号波形的仪器。用它能直接观察电信号的波形,也能测定电信号的幅度、周期、频率和相位,凡能转化为电压信号的其它电学量(电流、电功率、阻抗等)和非电学量(温度、位移、速度、压力、声强、光强、磁场等),其随时间的变化都能用示波器来观测。由于电子射线的惯性小,示波器扫描发生器的频率较高(可达几百兆赫),轴和轴放大器的增益很大,输入阻抗高,所以示波器特别适合于观测瞬时变化的过程,并可测量微伏级的电压,而对被测试系统的影响很小。因此示波器是一种应用广泛的综合性电信号测试仪器。示波器按用途和特点可以分为:通用示波器。它是根据波
2、形显示基本原理而构成的示波器。取样示波器,它是先将高频信号取样,变为波形与原始信号相似的低频信号,再应用基本原理显示波形的示波器。与通用示波器相比,取样示波器具有频带极宽的优点。记忆与存储示波器。这两种示波器均有存储信号的功能,前者是采用记忆示波管,后者是采用数字存储器来存储信息。专用示波器。为满足特殊需要而设计的示波器,如电视示波器、高压示波器等。智能示波器。这种示波器内采用了微处理器,具有自动操作、数字化处理、存储及显示等功能。它是当前发展起来的新型示波器。也是示波器发展的方向。本实验以SS7802型通用示波器为例,说明示波器的原理和使用方法,并介绍GFG8016G型数字式函数信号发生器的
3、使用方法。【实验目的】1了解示波器显示图象的原理。2较熟练地掌握示波器的调整和使用方法。3掌握函数信号发生器的使用方法。4学习用示波器观察电信号的波形,测量电信号的电压幅度和频率。【仪器用具】SS7802型示波器(或DS-5000型存储示波器)、GFG8016G型数字式函数信号发生器(或SPF05A型数字合成函数信号发生器)。【实验原理】1. 示波器的基本结构和工作原理示波器内部结构复杂,型号很多,但从功能上看,大致可分为示波管、电压放大装置(包括轴放大和轴放大两部分)、扫描与整步装置和电源四个部分。如图5-1所示。(1)示波管:它包括电子枪、偏转板和荧光屏三部分。图5-1 示波器结构方框图示
4、波管是示波器的核心,它的构造如图5-2所示,左端为一电子枪,电子枪又包括旁热式阴极、加热阴极的灯丝、控制栅极和第一、第二阳极等,阴极经灯丝加热后发出一束电子,电子被第一和第二阳极电场加速及聚焦后,形成一束很细的高速电子流打在右端的荧光屏上,屏上的荧光物图5-2 示波管的构造发光形成一亮点。调节第一阳极电压(即调“聚焦”旋钮)和调节第二阳极电压 ( 即调“辅助聚焦”旋钮)可达到聚焦的目的,使荧光屏上出现清晰的图象。在电子枪和荧光屏之间装有两对相互垂直的平行板,称为偏转板。如果板上加有电压,则电子束经过偏转板时受正电极吸引,受负电极排斥,从而使电子束在荧光屏上的亮点位置也跟着改变,所以偏转板是用来
5、控制亮点位置的。两对偏转板中,横方向的一对称为轴偏转板(或叫水平偏转板),纵方向的一对称为轴偏转板(或叫垂直偏转板)。在一定范围内,亮点的位移与偏转板上所加电压成正比,调节“轴移位”和“轴移位”旋钮可以改变亮点的位置。由于控制栅极的电位低于阴极,调节栅极电位可控制穿过栅极的电子数,即控制了电子流的强度。荧光屏上亮点的亮度决定于射到屏上电子的数目和能量(由加速阳极的电压决定),从而调节栅极电位(即调“辉度”旋钮)可以改变亮点的亮度。(2)电压放大装置(包括轴放大和轴放大两部分)示波器的输入分为轴、轴两个通道,输入信号电压经输入端的衰减器衰减后,送到电压放大器放大。放大后的信号电压最终加到示波器的
6、轴偏转板或轴偏转板上,亮点随信号电压的变化沿左右或上下作直线运动,形成一条水平或垂直亮线。调节“轴增益”或“轴增益”旋钮,可以控制输入信号的放大幅度(注意只是将显示比例放大或缩小,而不能改变信号电压本身的幅值大小)。在示波器的轴和轴输入端还设置有衰减器,如果信号电压过大,可利用轴(或轴)衰减器使信号电压变小,以适应电压放大器的要求。这些都是通过“V/cm”偏转灵敏度选择开关实现。(3)扫描与整步装置这是示波器的关键部分。它主要由锯齿波电压发生器(即扫描电压发生器)构成。图5-3 锯齿波波形图如果在轴偏转板上加上锯齿形电压,如图5-3(a)所示,锯齿形电压的特点是:电压从负开始()随时间成正比地
7、增加到正(),然后又突然返回负()。再从此开始与时间成正比地增加(),如此重复,这时,荧光屏上的亮点从左()匀速地向右运动(),到右端后马上回到左端(),然后再从左端匀速地向右运动(), 不断重复前述过程。亮点只在水平方向运动,我们在荧光屏上看到的便是一条水平线,如图5-3(b)所示。如果在轴偏转板上加上正弦电压,如图5-4(a)所示,而轴偏转板上不加任何电压,则亮点的运动是在纵方向作正弦式振荡,在横方向不动,我们看到的是一条垂直的亮线,如图5-4(b)所示。图5-4 正弦波波形图如果在轴偏转板上加上正弦电压,在轴偏转板上加上锯齿形电压,则荧光屏上的亮点将同时进行方向互相垂直的两种位移,我们看
8、到的将是亮点的合成位移,即正弦图形。用示波器观察波形的原理可用图5-5来说明。简谐振动可用一个作匀速圆周运动的质点在某方向上的投影来代表,这个圆称为简谐振动的参考圆。在轴偏转板上加上正弦电压时,可以用参考点在垂直方向投影的运动来代表。我们假定信号电压与扫描电压的周期相同,起始点也相同,都是从零开始的,我们把这两个电压的周期分成八等份,分别用1,2,3,8表示。从图5-5看到,当时间从0到1时,轴偏转板上的锯齿形电压使亮点从原点0向右移,而轴偏转板上的交流电压正好是正半周,它要亮点向上移,合成的结果电子束就打在荧光屏的“1”位置上。当时间到达2时,亮点就打在“2”位置上,因为两对偏转板上所加的电
9、压是连续不断的,所以亮点的移动也是连续不断的,结果绘出如图5-5中从“0”到“8”的一条正弦曲线。当锯齿形电压从最大突然跳回零时,亮点立即从“8” 突然跳回到“0”,这时轴偏转板上的交流电压也正好回到第二个周期的零点上,因此在第二个周期中画出的曲线正好和第一个周期的完全重合。这样不断重复,所以我们可以在荧光屏上看见一条稳定的正弦曲线。图5-5 示波器显示波形原理图上面讨论的是在扫描电压的周期与信号电压的周期相等时,荧光屏上可以稳定的显示出一个波长的信号波形。如果扫描电压的周期是信号电压的周期的两倍(即),则在荧光屏上可以看到两个波长的信号波形,同理,若,则荧光屏上将显示出个波长的信号波形。即
10、1,2,3, (5-1)由于周期和频率具有互为倒数的关系,因此上式也可以表示为 1,2,3, (5-2)(5-2)式中,为加在轴偏转板上的信号电压的频率,为加在轴偏转板上的扫描电压的频率。如上所述,为了在荧光屏上观察到稳定的波形,必须使扫描电压的周期与信号电压的周期相等或成整数倍关系,否则稍有偏差,所显示的波形就会向左或向右移动。例如,当 2时,第一次扫描显示的波形如图5-6中04所示,而第二次扫描显示的波形如图5-6中48所示。两次扫描显示的波形不相重合,其结果是好象波形在不断地向左移动。同理,当号,不微调是=号。MAG10扫速放大按按下后,扫描速度放大10倍,屏幕中心波形向左右展开。屏幕右
11、下角显示MAG。 触 发 部 分TRIG LEVEL触发电平旋转调节触发电平,可使图象稳定。SLOPE触发沿选择按选择触发,上升沿+,下降沿SOURCE触发源选择 每按一下,改变一次选择触发信号来源(CH1、CH2、LINE或EXT),LINE是以电源频率作触发源,EXT为外触发。触发源符号显示在屏幕左上扫描因子后。COUPL耦合方式按选择触发耦合模式(AC、DC、HF-R、LF-R)TV视频触发模式选择按视频触发模式有BOTH、ODD、EVEN或T V-HREADY单次触发状态指示指示灯亮与灭亮时,处于单次触发准备状态,触发后灯变暗。TRIGD触发指示亮与灭触发脉冲来时,灯亮。此时所示的图形
12、才稳定。水平显示 A 扫描显示按按后显示Y1,Y2或Y1、Y2波形。X-YX-Y显示按按下后,CH1信号加到X轴(水平轴)。CH1、CH2或ADD信号加到Y轴(垂直轴)。用于观察李萨如图或磁滞回线等。扫描模式AUTO或NORM自动/正常按任一按下均为连续扫描状态,相应指示灯亮。AUTO适用于50Hz以上信号。NORM适合于低频信号。SGL/RST单次按按下选择单次扫描状态,且处于等待状态,READY灯亮,单扫后灯灭。光标测量功能FUNCTION这部分的作用及用法详见下面的光标测量功能简介SS-7802示波器的光标测量部分功能简介 FUNCTION,功能选择键,可用于光标测量调节上,使用说明如下
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