示波器的使用实验

 示波器的使用实验
1．了解示波器的主要结构和显示波形的基本原理。
2．学会使用示波器和信号发生器。
3．用示波器观察李萨如图形以及利用李萨如图形测量正弦信号的频率。
实验器材
通用示波器，低频信号发生器、连接线等。
实验原理
电子示波器（简称示波器）能够简便地显示各种电信号的波形，一切可以转化为电压的电学量和非电学量及它们随时间作周期性变化的过程都可以用示波器来观测，示波器是一种用途十分广泛的测量仪器。
一、示波器的基本结构
示波器的主要部分有示波管、带衰减器的Y轴放大器、带衰减器的X轴放大器、扫描发生器（锯齿波发生器）、触发同步和电源等，其结构方框图如图1６－1所示。为了适应各种测量的要求，示波器的电路组成是多样而复杂的，这里仅就主要部分加以介绍。
1．示波管
如图1６－1所示，示波管主要包括电子枪、偏转系统和荧光屏三部分，全都密封在玻璃外壳内，里面抽成高真空。下面分别说明各部分的作用。

（1）荧光屏：它是示波器的显示部分，当加速聚焦后的电子打到荧光上时，屏上所涂的荧光物质就会发光，从而显示出电子束的位置。当电子停止作用后，荧光剂的发光需经一定时间才会停止，称为余辉效应。
（2）电子枪：由灯丝H、阴极K、控制栅极G、第一阳极A1、第二阳极A2五部分组成。灯丝通电后加热阴极。阴极是一个表面涂有氧化物的金属筒，被加热后发射电子。控制栅极是一个顶端有小孔的圆筒，套在阴极外面。它的电位比阴极低，对阴极发射出来的电子起控制作用，只有初速度较大的电子才能穿过栅极顶端的小孔然后在阳极加速下奔向荧光屏。示波器面板上的“亮度”调整就是通过调节电位以控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变了屏上的光斑亮度。阳极电位比阴极电位高很多，电子被它们之间的电场加速形成射线。当控制栅极、第一阳极、第二阳极之间的电位调节合适时，电子枪内的电场对电子射线有聚焦作用，所以第一阳极也称聚焦阳极。第二阳极电位更高，又称加速阳极。面板上的“聚焦”调节，就是调第一阳极电位，使荧光屏上的光斑成为明亮、清晰的小圆点。有的示波器还有“辅助聚焦”，实际是调节第二阳极电位。
（3）偏转系统：它由两对相互垂直的偏转板组成，一对垂直偏转板Y，一对水平偏转板X。在偏转板上加以适当电压，电子束通过时，其运动方向发生偏转，从而使电子束在荧光屏上的光斑位置也发生改变。
容易证明，光点在荧光屏上偏移的距离与偏转板上所加的电压成正比，因而可将电压的测量转化为屏上光点偏移距离的测量，这就是示波器测量电压的原理。
2．信号放大器和衰减器
示波管本身相当于一个多量程电压表，这一作用是靠信号放大器和衰减器实现的。由于示波管本身的X及Y轴偏转板的灵敏度不高（约0.1—1mm/V），当加在偏转板的信号过小时，要预先将小的信号电压加以放大后再加到偏转板上。为此设置X轴及Y轴电压放大器。衰减器的作用是使过大的输入信号电压变小以适应放大器的要求，否则放大器不能正常工作，使输入信号发生畸变，甚至使仪器受损。对一般示波器来说，X轴和Y轴都设置有衰减器，以满足各种测量的需要。
3．扫描系统
扫描系统也称时基电路，用来产生一个随时间作线性变化的扫描电压，这种扫描电压随时间变化的关系如同锯齿，故称锯齿波电压，这个电压经X轴放大器放大后加到示波管的水平偏转板上，使电子束产生水平扫描。这样，屏上的水平坐标变成时间坐标，Y轴输入的被测信号波形就可以在时间轴上展开。扫描系统是示波器显示被测电压波形必需的重要组成部分。
二、示波器显示波形的原理
如果只在竖直偏转板上加一交变的正弦电压，则电子束的亮点将随电压的变化在竖直方向来回运动，如果电压频率较高，则看到的是一条竖直亮线，如图1６－2所示。要能显示波形，必须同时在水平偏转板上加一扫描电压，使电子束的亮点沿水平方向拉开。这种扫描电压的特点是电压随时间成线性关系增加到最大值，最后突然回到最小，此后再重复地变化。这种扫描电压即前面所说的“锯齿波电压”，如图1６－3所示。当只有锯齿波电压加在水平偏转板上时，如果频率足够高，则荧光屏上只显示一条水平亮线。
如果在竖直偏转板上（简称Y轴）加正弦电压，同时在水平偏转板上（简称X轴）加锯齿波电压，电子受竖直、水平两个方向的力的作用，电子的运动就是两相互垂直的运动的合成。当锯齿波电压比正弦电压变化周期稍大时，在荧光屏上将能显示出完整周期的所加正弦电压的波形图。如图1６－4所示。
三、同步的概念
如果正弦波和锯齿波电压的周期稍微不同，屏上出现的是一移动着的不稳定图形。这种情形可用图1６－5说明。设锯齿波电压的周期Tx比正弦波电压周期Ty稍小，比方说Tx/Ty=7/8。在第一扫描周期内，屏上显示正弦信号0—4点之间的曲线段；在第二周期内，显示4—8点之间的曲线段，起点在4处；第三周期内，显示8—11点之间的曲线段，起点在8处。这样，屏上显示的波形每次都不重叠，好象波形在向右移动。同理，如果Tx比Ty稍大，则好象在向左移动。以上描述的情况在示波器使用过程中经常会出现。其原因是扫描电压的周期与被测信号的周期不相等或不成整数倍，以致每次扫描开始时波形曲线上的起点均不一样所造成的。为了使屏上的图形稳定，必须使Tx/Ty=n（n＝1，2，3，…），n是屏上显示完整波形的个数。
为了获得一定数量的波形，示波器上设有“扫描时间”（或“扫描范围”）、“扫描微调”旋钮，用来调节锯齿波电压的周期Tx（或频率fx），使之与被测信号的周期Ty（或频率fy）成合适的关系，从而在示波器屏上得到所需数目的完整的被测波形。输入Y轴的被测信号与示波器内部的锯齿波电压是互相独立的。由于环境或其它因素的影响，它们的周期（或频率）可能发生微小的改变。这时，虽然可通过调节扫描旋钮将周期调到整数倍的关系，但过一会儿又变了，波形又移动起来。在观察高频信号时这种问题尤为突出。为此示波器内装有扫描同步装置，让锯齿波电压的扫描起点自动跟着被测信号改变，这就称为整步（或同步）。有的示波器中，需要让扫描电压与外部某一信号同步，因此设有“触发选择”键，可选择外触发工作状态，相应设有“外触发”信号输入端。
实验装置
一、XJ4318型示波器（如图1６－6所示）各旋钮的用途及使用方法
1．内刻度坐标线：它消除了光迹和刻度线之间的观察误差，测量上升时间的信号幅度和测量点位置在左边指出。
2．电源指示器：它是一个发光二极管，在仪器电源通过时发红光。
3．电源开关：它用于接通和关断仪器的电源，按入为接通，弹出为关断。
4．AC、⊥、DC开关：可使输入端成为交流耦合、接地、直流耦合。
5．偏转因数开关：改变输入偏转因数5mV/DIV—5V/DIV，按1—2—5进制共分10个档级。
6．PULL×5：改变Y轴放大器的发射极电阻，使偏转灵敏度提高5倍。
7．输入：作垂直被测信号的输入端。
8．微调：调节显示波形的幅度，顺时针方向增大，顺时针方向旋足并接通开关为“标准”位置。
9．仪器测量接地装置。
10．PULL×10：改变水平放大器的反馈电阻使水平放大器放大量提高10倍，相应地也使扫描速度及水平偏转灵敏度提高10倍。
11．t/DIV开关：为扫描时间因数档级开关，从0.2μs—0.2s/DIV按1—2—5进制，共十九档，当开关顺时针旋足是X—Y或外X状态。
12．微调：用以连续改变扫描速度的细调装置。顺时针方向旋足并接通开关为“校准”位置。
13．外触发输入：供扫描外触发输入信号的输入端用。
14．触发源开关：选择扫描触发信号的来源，内为内触发，触发信号来自Y放大器；外为外触发，信号来自外触发输入；电源为电源触发，信号来自电源波形，当垂直输入信号和电源频率成倍数关系时这种触发源是有用的。
15．内触发选择开关：是选择扫描内触发信号源。
    CH1—加到CH1输入连接器的信号是触发信号源。
    CH2—加到CH2输入连接器的信号是触发信号源。
    VERT—垂直方式内触发源取自垂直方式开关所选择的信号。
16．CAL0.5：为探极校准信号输出，输出0.5Up-p幅度方波，频率为1KHz。
17．聚焦：调节聚焦可使光点圆而小，达到波形清晰。
18．标尺亮度：控制坐标片标尺的亮度，顺时针方向旋转为增亮。
19．亮度：控制荧光屏上光迹的明暗程度，顺时针方向旋转为增亮，光点停留在荧光屏上不动时，宜将亮度减弱或熄灭，以延长示波器使用寿命。
20．位移：控制显示迹线在荧光屏上Y轴方向的位置，顺时针方向迹线向上，逆时针方向迹线向下。
21．垂直方式开关：五位按钮开关，用来选择垂直放大系统的工作方式。
    CH1—显示通道CH1输入信号。
    ALT—交替显示CH1、CH2输入信号，交替过程出现于扫描结束后回扫的一段时间里，该方式在扫描速度从0.2μs/DIV到0.5ms/DIV范围内同时观察两个输入信号。
    CHOP—在扫描过程中，显示过程在CH1和CH2之间转换，转换频率约500KHz。该方式在扫描速度从1ms/DIV到0.2s/DIV范围内同时观察两个输入信号。
    CH2—显示通道CH2输入信号。
    ALL OUT ADD—使CH1信号与CH2信号相加（CH2极性“+”）或相减（CH2极性（“－”）。
22．CH2极性：控制CH2在荧光屏上显示波形的极性“+”或“－”。
23．X位移：控制光迹在荧光屏X方向的位置，在X—Y方式用作水平位移。顺时针方向光迹向右，逆时针方向光迹向左。
24．触发方式开关：五位按钮开关，用于选择扫描工作方式。
    AUTO—扫描电路处于自激状态。
    NORM—扫描电路处于触发状态。
    TV—V—电路处于电视场同步。
    TV—H—电路处于电视行同步。
25．+、－极性开关：供选择扫描触发极性，测量正脉冲前沿及负脉冲后沿宜用“+”，测量负脉冲前沿及正脉冲后沿宜用“－”。
26．电平锁定：调节和确定扫描触发点在触发信号上的位置，电平电位器顺时针方向旋足并接通开关为锁定位置，此时触发点将自动处于被测波形中心电平附近。
二、XD2信号发生器
这是一种正弦信号发生器，它能产生频率为1Hz到1MHz的正弦电压。它的频率比较稳定，输出幅度可调。面板上的电压表指示是在输出衰减前的信号电压有效值。面板布置如图1６－7所示。
频率范围共分六档。每一档中，又由右上方三个旋钮来调节信号频率。例如当各旋钮的位置处于图中位置时，输出信号频率的读数为                                     
          
信号发生器的输出电压是经过内部衰减器后输出的。输出信号的大小由面板上电压表读数和衰减倍数的大小决定。由于衰减倍数范围较大，故取其对数值刻在“输出衰减”旋钮周围。衰减倍数用分贝（dB）值表示，其定义为
                
其中U为未经衰减器的电压，由面板上电压表读出，示值为有效值。U出为经过衰减器后的输出电压有效值。
实验步骤
(一)清点主要仪器
1.示波器(  )  2.函数发生器(  )
（二）观察与测量
1．观察信号发生器波形
（1）将信号发生器的输出端接到示波器Y轴输入端上。
（2）开启信号发生器，调节示波器（注意信号发生器频率与扫描频率），观察正弦波形，并使其稳定。
2．测量正弦波电压
在示波器上调节出大小适中、稳定的正弦波形，选择其中一个完整的波形，先测算出正弦波电压峰—峰值Up-p，即
                    Up-p＝（垂直距离DIV）×（档位V/DIV）×（探头衰减率）
然后求出正弦波电压有效值U为
               
3．测量正弦波周期和频率
在示波器上调节出大小适中、稳定的正弦波形，选择其中一个完整的波形，先测算出正弦波的周期T，即
                    T＝（水平距离DIV）×（档位t/DIV）
然后求出正弦波的频率 。
4．利用李萨如图形测量频率
设将未知频率fy的电压Uy和已知频率fx的电压Ux（均为正弦电压），分别送到示波器的Y轴和X轴，则由于两个电压的频率、振幅和相位的不同，在荧光屏上将显示各种不同波形，一般得不到稳定的图形，但当两电压的频率成简单整数比时，将出现稳定的封闭曲线，称为李萨如图形。根据这个图形可以确定两电压的频率比，从而确定待测频率的大小。
图16－8列出各种不同的频率比在不同相位差时的李萨如图形，不难得出：
      
所以未知频率
               
但应指出水平、垂直直线不应通过图形的交叉点。
测量方法如下：
（1）将一台信号发生器的输出端接到示波器Y轴输入端上，并调节信号发生器输出电压的频率为50Hz，作为待测信号频率。把另一信号发生器的输出端接到示波器X轴输入端上作为标准信号频率。
（2）分别调节与X轴相连的信号发生器输出正弦波的频率fx约为25Hz、50Hz、100Hz、150Hz、200Hz等。观察各种李萨如图形，微调fx使其图形稳定时，记录fx的确切值，再分别读出水平线和垂直线与图形的交点数。由此求出各频率比及被测频率fy，记录于下表中。
（3）观察时图形大小不适中，可调节“V／DIV”和与X轴相连的信号发生器输出电压。

标准信号频率fx （Hz） 25 50 100 150 200
李萨如图形（稳定时）     
     
待测电压频率
    
fy的平均值（Hz） 
注意事项
1.为了保护荧光屏不被灼伤,示波器上光点的亮度不可调得太强,也不能让亮点长时间停在荧光屏的一点上。
    2.示波器上所有开关与旋钮都有一定的强度和调节角度，调节时不要用力过猛。
    3.注意公共端的使用，接线时严禁短路。
思考讨论
1. 示波器为什么能显示被测信号的波形？
2. 荧光屏上无光点出现，有几种可能的原因？怎样调节才能使光点出现？
3. 荧光屏上波形移动，可能是什么原因引起的？