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大学物理实验讲义实验09 示波器原理和使用.docx
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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),
Y
轴和
X
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 SS—7802 型通用示波器为例,说明示波器的原理和使用方法,并介绍 GFG
—8016G 型数字式函数信号发生器的使用方法。
【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】
SS—7802 型示波器(或 DS-5000 型存储示波器)、GFG—8016G 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
Y
轴放大和
X
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
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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,所以偏转板是用来控制亮点位置的。两对偏转板中,横方向的一
对称为
X
轴偏转板(或叫水平偏转板),纵方向的一对称为
Y
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“
X
轴移位”和“
Y
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
Y
轴放大和
X
轴放大两部分)
示波器的输入分为
Y
轴、
X
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
Y
轴偏转板或
X
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
“
Y
轴增益”或“
X
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
Y
轴和
X
轴输入端
还设置有衰减器,如果信号电压过大,可利用
Y
轴(或
X
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
X
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:
t
t t t
),然后又突然返回负
电压从负开始( t
)随时间成正比地增加到正(
0
0
1
t
t t t
)……,如此重复,这时,荧光
( t
屏上的亮点从左(t
然后再从左端匀速地向右运动( t
)。再从此开始与时间成正比地增加(
1
1
2
),到右端后马上回到左端(t t ),
t
t t t
)匀速地向右运动(
0
0
1
1
)……, 不断重复前述过程。亮点只在水平
t t
1
2
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
Y
轴偏转板上加上正弦电压,如图 5-4(a)所示,而
X
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
Y
轴偏转板上加上正弦电压,在
X
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
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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Y 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, X 轴偏转板上的锯
齿形电压使亮点从原点 0 向右移,而Y 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
Y
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T 与信号电压的周期T 相等时,荧光屏上可以稳
X
Y
定的显示出一个波长的信号波形。如果扫描电压的周期T 是信号电压的周期T 的两倍
X
),则在荧光屏上可以看到两个波长的信号波形,同理,若
Y
2T
T nT
(即T
,
(5-1)
(5-2)
X
则荧光屏上将显示出 个波长的信号波形。即
Y
X
Y
n
T nT
n 1,2,3,……
X
Y
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
f nf
Y
n 1,2,3,……
X
(5-2)式中, f 为加在Y 轴偏转板上的信号电压的频率, f 为加在 X 轴偏转板上的
Y
扫描电压的频率。
X
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 T 与信号
X
电压的周期T 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。
Y
例如,当T <T <2T 时,第一次扫描显示的波形如图5-6 中 0~4 所示,而第二次扫描
Y
X
Y
显示的波形如图 5-6 中 4‘~8 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T <T <2T 时,显示的波形会不断向右移动。而实际上,
X
Y
X
由于产生 f 和 f 的振荡源是互相独立的振荡源,它们之间的频率比不会自然满足简单
Y
X
整数比,所以示波器中的锯齿形扫描电压的频率必须可调。除了人工调节之外,在示波
器内部还加装了自动频率跟踪的装置,称为“整步”。在人工调节到接近满足(5-2)式
的条件时,再加入“整步”的作用,扫描电压的周期就能准确地等于待测电压周期的整
数倍,从而获得稳定的波形。
T T 2T
图 5-6
时波形向左移动
y
x
y
如果所加信号 f 为三角波(或方波)电压的频率, f 为扫描电压的频率,则可在
Y
荧光屏上观察到三角波(或方波)信号的波形。
X
(4)电源部分
电源部分的作用是将市电 220V 的交流电压转变为各个数值不等的直流电压,以满
足示波器各部分电路工作的需要。
2. 示波器的基本测量方法
(1)如何测量电信号的电压幅度
对于待测电信号,可测出其在荧光屏的Y 轴上的波形幅度大小,从而测出它的电压
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春哥111
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