实验九 电子示波器的原理与使用

电子示波器的原理与使用

电学量测量是现代生产和科学研究中应用很广泛的一种实验方法和技术。除用一些常用仪器测量电学量外，对非电学量的测量也是很重要的实用技术。本实验学习使用的阴极射线（电子射线）示波器，简称示波器，不但可以直接观察电学量—电压的波形，并测定电压信号的幅度和频率等，而且可以对一切可以转化为电压的电学量（如电流、电功率、阻抗等）、非电学量（如温度、位移、速度、压力、光强、磁场、频率等）以及它们随时间的变化过程进行观测，是一用途广泛的现代观测工具。

实验目的

1．了解通用示波器的结构和工作原理．

2．初步掌握通用示波器各个旋钮的作用和使用方法．

3．学习利用示波器观察电信号的波形，测量电压、频率和相位。

实验仪器

通用示波器、音频信号发生器、数字频率计，晶体管毫伏计。

实验原理

电子示波器(阴极射线示波器)简称为示波器，它可显示电信号变化过程的图形(又称波形)，又可显示两个相关量的函数图形。由于电学量、磁学量和各种非电量转换来的电信号均可利用示波器进行观察和测量，所以示波器是现代科学技术各领域中应用非常广泛的测量工具。

—、示波器的构造和工作原理

最简单的示波器应包括以下五个部分(如图1所示)：①示波管，②扫描发生器，③同步电路，④水平轴和垂直轴放大器，⑤电源供给。下面分别加以简单说明：

图1 示波器方框图

1．示波管

示波管是示波器进行图形显示的核心部分，在一个抽成高真空的玻璃泡中，装有各种电极（图2)，按其功能可分为三部分．

①电子枪用以产生定向运动的高速电子，电子枪包括三个电极：

热阴极——这是一个罩在灯丝外面的小金属圆筒，其前端涂有氧化物，当灯丝中通入电流时，阴极受热而发射电子并形成电子流。

控制栅极——这是前瑞开有小孔的金属圆筒，套在阴极外侧，电子可以从小孔中通过．在工作时栅极电势低于阴极，即调节栅极电势的高低可以控制到达荧光屏的电子流强度，使屏上光点的亮度(辉度)发生变化，此即“辉度调节”．

阳极——这也是由开有小孔的圆筒组成，阳极电压(对阴极)约1000V，可使电子流获得很高的速度，而且阳极区的不均匀电场还能将由栅极过来的散开的电子流聚焦成一窄细的电子束，改变阳极电压可以调节电子束的聚焦程度，即荧光屏上光点的大小，称为“聚焦调节”．

图2 示波管结构图

②偏转极

图20—2中的X1X2、Y1Y2为两对互相垂直的极板，X1X2为水平偏转板、Y1Y2为垂直偏转板。偏转板不加电压时，光点在荧光屏中央，如果X1X2加直流电压(设X2电势高于X1)，则电子束穿过X1X2间时向右偏转，屏上光点向右移动，当Y1Y2加直流电压(设Y2电势高于Y1)，电了束穿过时向上偏转，屏上光点向上移动，光点移动的距离和所加电压的高低成正比(图3)。当偏转板上加交变电压时，电子束穿过时将上下(或左右)摆动，屏上光点则出现振动．由于屏上荧光余辉和人眼的视觉残留，当振动较快时我们看到屏上出现一亮线，亮线的长度则和交变电压的峰—峰值成正比．

图3光点的偏移

③荧光屏

阴极射线管的前端的内表面涂有发光物质，高速运动的电子打在其上，其动能被发光物质吸收而发光，在电子轰击停止后，发光仍维持—段时间，称为余辉，余辉时间的长短和发光物质的成分有关。

2．扫描发生器

图4 波形的扫描和形成

在示波器的X偏转板上，加上和时间成正比变化的锯齿形电压信号(图4)．开始X1X2间电压为-E，屏上光点被推到最左侧、以后X1，X2间的电压匀速增加，屏上光点沿Y轴振

动的同时，匀速向右移动，留下了亮的图线—一亮点的径迹。当X1X2间的电压达最大值十E 时，亮点移到最右侧，与此同时X1X2间电压迅速降到—E，又将亮点移到最左侧，再重复上述过程．

将加到Y偏转板上的电压信号，在屏上展开成为函数曲线图形的过程称为扫描，所加的锯齿形电压称为扫描电压，示波器由扫描发生器提供扫描电压．

3．同步电路

为了观察到稳定的波形，要求每次扫描起点的相位应等于前次扫描终点的相位，或简单讲，要求扫描电压周期T x为被测电压周期T y的n倍（n＝1、2、3、…)，同步电路就是为了实现以上目的而设计的．

4．水平轴与垂直轴放大器

为了观察电压幅度不同的电信号波形，示波器内设有衰减器和放大器，对观察的小信号放大，大信号衰减。

5．电源供给保障了示波器各部件的正常工作。

二、示被器的应用

示波器能够正确地显示各种波形的特性，因而可用来监视各种信号及跟踪其变化规律．利用示波器还可将待测的波形与己知的波形进行比较，粗略地测量波形的幅度、频率和相位等各种参量．

1．观察波形

示被器的种类很多，性能上差异也较大，以下的讨论均以通用示波器SB—10为准进行，在操作上和实验室提供的仪器可能不同，但基本思想是相同的．

使用示波器前将各旋钮放在左右可调的中间位置，然后接通电源，预热一分钟；将待测信号接到“Y输入”，“X轴衰减”接“扫描”，“整步选择”接‘内十”或“内一”，即内部同步．这样，在荧光屏上就能出现无规则的不稳定的波形：

调节“Y轴增幅”和“Y轴衰减”以及“Y轴移位”；调节“X轴移位”和“扫描范围”，使得波形大小和位置适中，并出现2至3个完整波形，如图5所示．此时，波形可能“走动”，调节“整步调节”和“扫描微调”就能使波形稳定下来．

以上是粗调示波器的几个重要步骤．为了使显示的波形清晰、稳定和幅度适中，再重新仔细调节示波器各旋钮，边调边观察．反复练习后就能比较熟练地掌握用示波器观察待测信

号波形的方法．

图5 用SB-10型示波器观察波形

2．电压测量

用示波器不仅能较准确地测量直流电压，还能测量交流电压和非正弦波的电压．设屏上波形如图6所示，根据屏上的坐标刻度，读出信号波形的峰—峰间垂直距离y D ，V/div 的

档级标称值为y d ，则：

峰—峰值：

Up-p =y d mV/div ×y D div ×10 （1）

所以其有效值按公式(U 有效值=

2

2p p U )就可计算出来．

3．测量频率或周期

图 正弦波形幅度比较

用示波器测量频率或周期必须知道X 抽的扫描速率，即X 方向每分度相当于多少秒或者微秒．假定图6所示的X 扫描速率t/div 开关档级标称值为x d ，根据屏上的横坐标刻度，读出一个周期的水平距离x D ，则：

周期： T =x d ms/ div ×x D div （2） 因此频率

T

f 1

=

就可计算出来．注意：当显示波形的个数较多时，周期可很据测量几个周期的时间除以ｎ来计算，保证周期有较高的精度。

4．李萨如图法测量频率

因为稳定的标准频率容易得到，示波器判别合成的波形(利萨如图形)非常直观、灵敏和准确，所以测频率时都要用到它，在复杂信号的频谱分析中也要用到它．测量线路如图7，图中待测频率ｆＹ接在Ｙ输入端，已知频率ｆＸ的信号作为标准正弦信号接在Ｘ输入端，“Ｘ轴衰减”可拨在“1”或“10”或“１００”位置，如果出现如图8所示的波形．则ｆＹ＝ｎｆＸ，从利萨如图形在Ｘ轴和Ｙ轴上的切点数，可知比值ｆＹ／ｆＸ，一般的计算公式为

轴切点数

与轴切点数

与Y X f f X Y =

（1）

图7 利萨如图形的观察

图8 几种相位和频比的利萨如图形

注意：由于两种信号的频率不会非常稳定和严格相等，因此得到的利萨如图形不很稳定，经常会出现上下左右来回地或定向地滚动现象． 5.测量两个正弦信号的相位差

图9 相位差的计算

根据利萨如图形可以计算出相位差，见图9所示的图形

令 wt a y sin = （2）

?+=wt b x sin(） （3）

则y 与x 的相位差为?。假定波形在X 轴线上的截距为2x 0，则对X 轴上的P 点

0sin ==wt a y 因而0=wt ，所以??sin )sin(0b wt b x =+=

则

b x

b x 00arcsin arcsin

-=π?和 （4）

实验内容

1．观察波形．调节音频信号发生器的输出幅度，用(晶体管)毫伏表测量它的幅度有效值，使它等于1.00V ，然后用示波器观察它的波形．

2．用“比较信号”对Y 轴分度，记下示波器使用的灵敏度S(V ．div -1

)，然后测量上述波形的蜂—峰值，将其换算到有效值，与1．00V 比较是否符合．

3．用“扫描速率”测量上述波形的周期，然后换算到频率，试与频率计的读数进行比较．

4．用利萨如图形测量上述波形的频率． 5 用利萨如图形测量移相器的相位差．

图10 移相器的线路和矢量图

?值，但是不改移相器的构造如图10所示，调节可变电阻R2可改变U OA与U OD的相位差

变U OA与U OD的幅度大小，当R2＝0时，U OA与U OD相差1800，当R2足够大，U OA =U OD，即D

?值可取自0到近1800范围．

点顺时针转到A点，U OA与U OD相位相同，因此

将示波器接地端钮与移相器0点相连；Y和X输入端分别与A和D点相连，适当调节Y和X的增益和衰减旋钮，就可看到稳定的利萨如图形．根据(4)式计算三种不同的相位差．

思考题

1.最简单的示波器包括那几个部分？

2．扫描发生器的输出波形是什么形状？为什么？如果用50Hz的交流信号作为扫描披，那么正弦电压信号在示波管荧光屏上将显示出怎样的波形?

3．同步电路的作用是什么“内”和“外”同步的作用是什么？

4．示波器的水平轴和垂直轴设有放大器为何还要衰减器？

5．示波器的主要功能是什么？

6．观察波形的几个主要步骤是什么？

7．怎样用示波器测量待测信号的峰—峰值?

8．怎样用示波器测量振荡波形的周期?

实验数据处理：

1、待测波形观测的数据记录表