第三章 电磁学基本实验 (6)Word文档下载推荐.doc
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外触发
扫描
发生器
放大
或衰减
触发
同步
X轴输入
Y轴输入
亮度
聚焦
辅助聚焦
电源
Y
X
H
K
G
A1
A2
电子枪
图3—2—6—1示波器结构方框图
（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
t
Ux
图3—2—6—3
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（3—2—6—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（3—2—6—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。
Uy
图3—2—6—2
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Uy
1
2
3
4
5
6
7
8
图3—2—6—4
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（3—2—6—4）所示。
三、同步的概念
Ty
Tx
9
10
11
12
4,11
图3—2—6—5
Tx=－Ty
７
８
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（3—2—6—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。
四、利用示波器测量波形幅度、周期、频率和相位等参数的基本方法：
1）距离测量法（测电压和周期）：
如图（3—2—6—6）所示，先利用屏幕前的刻度标尺分别读出与电压峰峰值（最大峰位到最小谷位）对应的垂直距离及N个周期波形所对应的水平距离，则
（a）（b）
3—2—6—6
峰峰值电压UPP=（div）×
偏转因数K（V/div）
交流有效值
周期T=（div）×
扫描速度P（ms/div）
频率f=1/T（Hz）
2）李萨如图法（测位相差）：
把两个信号分别加到X轴（CH1）和Y轴（CH2）输入端，则屏幕上光点的运动轨迹是两个互相垂直的谐振动的合成。
当两个正弦信号频率之比为整数时，其轨迹是一个稳定的闭合曲线。
这种曲线称为利萨如图。
本实验通过移相器（如图（3—2—6—7））产生两个同频率、有一定位相差的信号uPO和uAO，将X轴（外接）和Y轴接地端共同接到移相器的O点，另一端分别接到A点和P点，选择合适的灵敏度，直到在示波器上观察到一个稳定、大小适中的利萨如图，测出相应的XO、a和b值，计算出相位差和（当长轴在二、四象限时）。
图（3—2—6—7）移相器电路图（3—2—6—8）
[仪器描述]
1、示波器面板的简单介绍：
图（3—2—6—9）YB4325二踪示波器操作面板示意图
（一）示波管电路部分：
2辉度旋钮旋钮（INTENSITY）：
控制光点和扫描线的亮度
4聚焦旋钮（FOCUS）：
调节使光迹清晰
（二）垂直方向部分：
13通道1输入端（CH1INPUT（X））用于垂直方向的输入，在X-Y方式时，作为X轴输入端。
17通道2输入端（CH1INPUT（Y））在X-Y方式时，作为Y轴输入端。
11、12、16、18交流－直流－接地（AC、DC、GND）输入信号与放大器连接方式选择开关：
交流（AC）：
放大器输入端与信号连接经电容器耦合；
接地（GND）：
输入信号与放大器断开，放大器的输入端接地；
直流（DC）：
放大器输入与信号输入端直接耦合。
10、15衰减器开关（VOLTS/DIV）--用于选择垂直偏转系数，顺时针转如果使用的是10：
1的探极，计算时将幅度×
10。
14、19垂直微调旋钮（VARIBLE）－用于连续改变电压偏转系数，此旋钮在正常情况下应顺时针方向旋到底至”校准”，这样才能按V/div在屏幕上的指示值直接计算被测信号的电压值。
43、40垂直移位（POSITION）－调光迹的垂直位置
42垂直方式工作开关（VERITALMODE）－选择垂直方向的工作方式
通道1（CH1）:
屏幕上仅显示CH1的信号；
通道2（CH2）:
屏幕上仅显示CH2的信号；
X－Y方式：
屏幕上显示CH1和CH2信号的合成。
（三）水平方向部分（HORIZONTAL）：
20主扫描时间系数选择开关（TIME/DIV）--范围0.1us－0.5s/div，顺时针转至”校准”，这样才能按S/div在屏幕上的指示值直接计算被测信号的周期。
36．扩展控制键（MAG×
10）：
按下去，扫描因素×
10扩展，扫描时间是Time/div开关指示值的1/10
30X-Y控制键：
按入此键，垂直偏转信号接入CH2输入端，水平信号接入CH1输入端
24扫描微调控制键（VARIBLE）此旋钮以顺时针方向旋转到底时，处于校准状态，扫描由TIME/div开关指示。
37水平移位（POSITION）用于调节光迹在水平方向移动。
（四）触发系统：
29触发源选择开关（SOURCE）:
通道1X-Y（CH1,X-Y）－CH1通道信号为触发信号，当工作方式在X-Y方式时，拨动开关应设置于此档；
通道2（CH2）：
CH2通道的输入信号是触发信号
32电平锁定（LOCK）：
无论信号如何变化，触发电平自动保持在最佳位置，不需要人工调节电平
34释抑（HOLDOFF）：
当信号波形复杂，用电平旋钮不能稳定触发时，可用“释抑”旋钮使波形稳定同步
31触发方式选择（TRIGMODE）：
自动（AUTO）：
在“自动”扫描方式时，扫描电路自动进行扫描。
在没有信号输入或输入信号没有被触发同步时，屏幕上仍然可以显示扫描基线；
常态（NORM）：
有触发信号才能扫描，当输入信号的频率低于50Hz时，用“常态”触发。
（五）读出功能部分：
（35）光标测量
光标开关：
打开/关闭光标测量功能。
光标功能－电压差测量
时间差测量
光标－－（基准）：
按此键选择移动的光标,被选中的光标带有三角形标志
（38）位移－旋转此控制旋钮可将选择的光标定位
2、XD2信号发生器
图（3—2—6—10）
指示灯
保险
阻尼
快
慢
频率范围
输出细调
输出衰减
输
出
频率调节
Hz
KHz
XD2信号发生器
90
V
×
0.1
0.01
20
30
40
50
60
70
80
13
14
100
1000
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（3—2—6—10）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。
[实验内容]
1．信号源的调节（正弦波V＝3.00V，f＝3000Hz）；
2．测量交流信号的电压；
3．测量交流信号的频率，为减少测量误差每次可选择6－8个波长进行测量；
4．用利萨如图形法测量两相同频率信号的位相差；
[注意事项]
1．进行测量前要先熟悉示波器面板各按钮和旋钮的功能。
2．转动旋钮时不可太用力。
3．避免亮点在荧光屏上长时间停留，特别是“X－Y”不要随便按下。
[预习思考题]
1.示波器主要包含几个部分？
各部分的功能？
2.简述面板上各旋钮的作用。
3.简述示波器显示电压－时间波形的原理，它与沙斗实验有什么相同之处？
4.观察波形的重要步骤是什么？
5.如何运用示波器测量交流电压信号的有效电压、频率、相位差？
[复习思考题]
1．示波器上观察到的正弦波形不断向右移动，说明扫描频率偏低还是偏高，为什么？
2．Y轴有信号输入，然而屏上只有一条水平直线，可能是什么原因？
如何调节才能使波形沿Y轴展开？
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