示波器的使用.docx

示波器的使用.docx

《示波器的使用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《示波器的使用.docx（14页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

示波器的使用

示波器的使用

一、实验目的

1.了解示波器的结构和波形显示原理。

2.了解示波器的扫描、触发系统。

3.学习并掌握双踪示波器和低频信号发生器的使用方法。

4.学习电物理量的示波器测量方法。

二、实验原理

1示波器工作原理简介

示波器是一种广泛应用于科研、生产实践和实验教学的综合性电子图示测量仪器。

它既可以定性观察电压、电流的波形和元件的特性曲线，还可以定量测量信号的振幅、周期、频率、相位等。

如果与传感器配合，也可用于非电量的测量。

示波器具有频响范围宽和输入阻抗高的特点。

本实验将简单介绍示波器的基本工作原理以及KENWOODCS-4125型示波器的使用方法。

示波器一般由以下几部分构成：

示波管，Y轴放大和X轴放大系统，扫描、触发系统，电源等。

示波管的结构如图3-1所示。

图3-1示波管结构图

示波管中的阴极被灯丝加热后发射出电子，经过聚焦和加速电子射线穿过加有电压uY和uX的垂直偏转板和水平偏转板，（因为偏转板上施加了电压uY和uX，所以偏转板之间就建立了电场）向电位高的极板方向偏转，打到荧光屏上偏离中心的某一位置，致使荧光物质发光形成光点。

光点在荧光屏上Y轴方向的位移与uY成正比，X轴方向的位移与uX成正比，有关比例系数被称为Y轴灵敏度和X轴灵敏度，分别用V/DIV和s/DIV来表示。

因此，亮点的运动轨迹就描绘出被观察信号的波形。

当X和Y两对偏转板上都不加电压时，电子束将垂直射到荧光屏中心，在荧光屏正中心形成亮点。

Y轴放大系统把被测信号放大后送至示波管的垂直偏转板上，用它可调节波形显示的大小。

X轴放大器和触发器一起用来产生扫描信号，以便能够观察到以时间为横坐标的波形。

为了在示波器上观察到稳定不动的信号波形，用被测信号或其它信号来控制扫描电压的产生时刻，称为扫描触发。

该系统的主要作用是用来产生锯齿波信号，并保证被测信号波形与扫描信号波形之间有确定的相位关系。

扫描系统所需的触发信号可选用内触发信号，也可选用外触发信号，一般多选用内触发信号进行扫描显示，仅在同步困难时才选用外触发的方式。

当被测信号达到某一选择的电平时，触发电路就输出一个脉冲信号去启动扫描电路使光点开始水平扫描，如图3-2所示。

图3-2触发扫描原理

触发系统包括触发信号源、触发方式、触发电平和触发极性。

合理选择触发信号源，对正确观察被测信号之间的相位关系是十分重要的。

选择触发信号源时，应注意与示波器的垂直工作方式相对应。

当示波器的垂直工作方式选自双踪显示ALT时，通道1和通道2（记为CH1通道和CH2通道）可同时显示各自的被测信号，但两个通道都取其自身信号作为触发信号来产生扫描所需的锯齿波，无共同的相位起点，因此无法对CH1通道和CH2通道的输入信号进行相位比较。

为了对它们进行时间和相位的比较，彼此就必须有共同起点。

因此，当垂直工作方式选择ALT时，必须选用CH1通道或CH2通道的信号作为触发信号。

利用示波器对脉冲波进行观测时，示波器触发方式的选择是十分重要的，如果选择不当，将无法对被测波形进行观察和测量，或者得到错误的测量结果。

一般的通用示波器都有两种不同的触发方式可供选择。

若将触发方式选择开关置于自动“AUTO”的位置，示波器便能够自动地、连续不断地产生扫描波形，从而使示波屏上始终有扫描迹线存在。

调节触发信号电平LEVEL旋钮可获得稳定波形，若无触发信号时则显示不稳定波形。

示波器的这种扫描方式只能用于测量低频正弦信号，在进行脉冲波测量时，则利用它帮助寻找零电平基线。

若将触发方式选择开关置于“NORM”的位置，与“AUTO”不同的是只有当输入触发信号来到时才有扫描波产生，一旦输入的触发信号消失扫描也将随之停止。

处在这种工作状态的下示波器，平时无扫描迹线显示，只有当触发信号到来时才有扫描迹线出现，调节触发信号电平LEVEL旋钮可获得稳定的波形，若无触发信号时则不显示辉线。

这种工作方式既可用于测量低频正弦信号，也可用于测量高频正弦信号，其突出的优点是能用于测量非周期甚至是单次出现的脉冲信号及其参数。

触发电平（LEVEL）旋钮用于设定在触发信号波形的那一点上被触发而开始扫描，触发极性（SLOPE）用于选择触发扫描信号的极性。

如何在示波器上观察到电压波形呢？

将被测电压信号uY加到Y偏转板上，同时将触发器产生的锯齿波电压信号uX加到X偏转板上。

电子束在锯齿波信号作用下，将沿着水平方向匀速移动，而Y偏转板上的被测电压信号使电子束上、下移动，在X和Y两对偏转板的共同作用下，荧光屏上电子束运动的轨迹便可以显示被测电压信号uY（t）的波形，见图3-3。

图3-3正弦波形合成图

电子束在锯齿波电压的控制下，周而复始地从左到右沿X轴等速移动，这个过程被称之为“扫描”。

由于光点在X轴的位置与时间有关，所以光点扫描的轨迹也称为“时间基线”，简称时基。

光点在荧光屏上的位置可通过调节Y轴和X轴两个方向的位移来决定，当将被测信号的频率等于扫描信号频率的整数倍时，将显示出稳定的波形，改变扫描信号的频率就可以实现波形的基本稳定，并且波形的周期数等于频率的倍数。

示波器的横向扫描方式一般有两种。

一种叫“连续扫描”，即扫描发生器处于连续工作状态，它产生周期为T的周期性锯齿波电压信号，在此电压驱使下，光点在屏上连续地扫描，即使没有外加信号，屏上也能显示出一条时基线。

另一种叫“触发扫描”，这种扫描方式的特点是扫描发生器平时处于等待状态，只当有触发脉冲输入时才产生一个扫描电压。

故当无外加信号触发它时，屏上不会出现时基线。

2．正弦信号

按正弦规律变化的电压或电流，统称为正弦信号。

正弦电流可表示为

式中：

Im为i的最大值，或称振幅；ω为角频率，ω=2πf，f为频率；ψi称为初相，用弧度或度表示。

正弦电流的波形如图3-4所示。

图3-4正弦信号波形

正弦信号的大小也可以用有效值表示。

周期信号x（t）的有效值X定义为

式中T为周期。

对正弦电流，可求得有效值

交流电表的刻度一般是按有效值来标定的，通常所讲的正弦电压或电流的大小，如交流220V、980V指的是有效值。

正弦电流又可表示为

两个相同频率正弦量的“前后”关系用初相之差表示，称为相位差，记为。

设

u和i的相位差为

当＞0时，称u超前i的相位角为，或i滞后u的相位角为；当=0时，称u和i同相；当=π时，称u和i反相，如图3-5所示，相位差与计时起点无关。

（a）（b）（c）

图3-5u与i的相位差（a）u超前i；（b）同相；（c）反相

3．电气物理量的示波器测量

⑴电压的测量

参看图3-6。

直接从示波器屏幕上读出被测电压所占的格数h，再换算成电压值，即

式中：

Um为被测电压的振幅（V）；DY是示波器Y轴的偏转灵敏度（V／DIV）（注意将示波器输入衰减微调旋钮顺时针旋到底，置于CAL位置）；h为被测电压最大值所占格数（DIV），通常1DIV的长度等于1cm。

图3-6电压的测量

例如，若输入通道垂直衰减开关的灵敏度置于2V／DIV档，屏幕上显示被测电压最大值的高度为2DIV，则

电压的最大值为Um=2×2V=4V

电压的有效值为

测量精度取决于示波器的分辨率和输入衰减器以及Y轴放大器的总电压增益的稳定性等。

2周期和频率的测量

如图3-7所示，直接从示波器屏幕上读出被测信号一个周期所占的格数，再换算成周期值，即

T=DX×h

式中：

T为被测信号的周期；DX为示波器扫描速度开关的偏转灵敏度（注意将扫描速度微调旋钮置于CAL位置）；h为被测信号一个周期所占的格数。

图3-7周期的测量

例如，若扫描速度开关的偏转灵敏度置于0.2ms／DIV档，屏幕显示被测信号一个周期所占的格数为5DIV，则周期和频率分别为

T=0.2×5ms=1.0ms

f=1/T=1000Hz

3相位差的测量

方法一：

双踪法

把要比较的两个正弦信号分别送入示波器的CH1通道和CH2通道，并将触发信号源选择开关置于CH1或CH2位置，屏幕上直接显示两个信号的波形，如图3-8所示。

其中：

A（格数）为两个波形相应点的距离；B（格数）为正弦波信号一个周期的距离。

为了提高测量的准确度，可以利用示波器的水平扩展功能键（×10MAX）来测量两个正弦信号相应点的距离A。

图3-8双踪法测量相位差

方法二：

振幅测量法

用示波器的CH1和CH2通道分别观察某电路中电压和电流波形，如图3-9（a）所示。

调节示波器CH1或CH2通道的垂直灵敏度旋钮及微调旋钮，使示波器上显示的电压和电流波形幅度相等，如图3-9（b）所示，可求得电压和电流波形的相位差

这样，只要测出图3-9（b）所示波形中H和h所占的格数，就可计算出相位差。

图3-9振幅法测量相位角

方法三：

李沙育图形法

把两个频率相同的正弦信号u1和u2分别送到示波器的CH1通道和CH2通道，在X-Y工作方式下，示波器屏幕上显示的曲线被称为李沙育图形。

一般情况下，该图形为一椭圆或直线，椭圆的形状和两个输入信号的振幅、相位差有关。

如果取u2的初相为零，则u1和u2可分别表示为

图3-10分别显示了u1和u2不同相位差时的李沙育图形。

图3-10典型值椭圆形状

根据示波器的工作原理可知，荧光屏上光点的位移正比于输入信号的瞬时值。

因此有

式中：

y和x分别为光点在垂直和水平方向的位移，Ym和Xm为最大值。

由上式得

显然，该式是一广义的椭圆方程，其图形如图3-11所示。

从示波器上可读出（0，y0）和（x0，0），代入上式得

图3-11李沙育图形法测量相位差

三、实验设备

双踪示波器1台

低频信号发生器1台

电阻箱1只

电容箱1只

四、实验演示

解说词：

“示波器的使用”这个实验的主要内容有机内方波的测量，正弦波的测量及相位差的测量。

（主要用到示波器、信号发生器、电阻箱及电容箱。

）具体操作步骤如下：

1熟悉示波器面板上各旋钮的作用，参照有关示波器附录中“开机前的准备工作”所述，首先调出一条清晰的水平扫描基线（基线特写镜头）。

2．将示波器CAL端子的标准方波信号输入到示波器1通道（电路连线镜头），然后把观察到的信号波形（方波特写镜头）定量画在坐标纸上，并计算出该方波信号的周期、频率和方波信号的峰-峰值Up-p。

3．参考图3-12连线（电路图特写），形成这样的电路（电路连线镜头）。

调节信号发生器，使输出为正弦波信号（正弦波特写镜头），输出电压的有效值Us和频率f按表3-1取值（表格特写），用示波器观察us波形，在示波器上显示一个或多个稳定的信号波形，并将有关参数记录在表3-2中（表格特写）。

表3-1Us和f的取值

电源电压Us

4V

1V

输出信号频率f

100Hz

2kHz

信号源输出衰减（dB）

0dB

10dB

表3-2示波器旋钮的位置

示波器对应旋钮位置

波形显示所占格数

垂直灵敏度开关

V/DIV

垂直灵敏度微调旋钮

VARIABLE

扫描速率开关

TIME/DIV

扫描速率微调旋钮

VARIABLE

触发信号源

SOURCE

触发方式

MODE

垂直方向

水平方向

图3-12信号源与示波器的连接

4．按图3-13连线（电路图特写），形成这样的电路（电路连线镜头）。

其中us为500Hz正弦电压，取R=1000Ω，C=0.9185μF（教竿分指向9处）。

图3-13RC串联电路

先用示波器观察并记录us和uR波形（教竿指向波形），用双踪法测量us和uR的相位差；

再用示波器观察并记录uC和uR波形（教竿指向波形），用李沙育图形法计算出uC和uR的相位差。

注意：

由于示波器CH1和CH2通道的负端相通，所以在观察uC和uR波形时，应该选择图3-13（电路图特写）中结点b作为示波器的“公共”端。

正确的连接方式是示波器CH1通道的正端接结点a，CH2通道的正端接信号源的负端，CH1或CH2的负端接结点b。

但这样做会使得uR的波形反相，只要按下CH2通道的极性键“CH2INV”（教竿指向该处），便可得到两个信号正确的相位关系。

五、注意事项

⒈低频信号发生器的输出端不允许短接。

⒉示波器输入信号的电压请勿超过规定的最大值。

⒊为防止显示器的荧光屏烧毁，波形显示的亮度要适中。

⒋用示波器的X-Y方式时，请勿使用×10MAG功能，以避免波形中有干扰信号产生。

⒌示波器暂时不用时，不必关机，只须将“辉度”调暗一些。

⒍示波器上所有开关和旋钮都有一定的调节范围，按顺时针或逆时针方向调节时不可用力过猛。

⒎通常电子仪器交流电源的干扰会通过变压器原、副边之间杂散电容耦合到副边，在仪器地端存在一些干扰信号。

该信号如果被串入被测通路中，就会造成测量误差。

因此，实验中如果同时存在多台电子仪器，一般应将各仪器的地连接在一起。

六、思考题回答

1.预习附录中有关示波器和信号源的内容。

2.在示波器上观察到的信号波形不断向右或向左移动，这是什么原因？

调节什么旋钮才能使波形稳定？

3.简述示波器波形显示原理。

4.“触发电平”旋钮的作用是什么？

采用示波器的X-Y工作方式时“触发电平”旋钮还有作用吗，为什么？

5.测量信号的最大值和频率时应注意什么问题？

6.调节示波器的电平（LEVEL）旋钮，是为了得到波形。

7.当示波器已经正常显示波形时，将扫描速度开关SWEEPTIME／DIV位置从0.5ms位置转到0.1ms位置，屏上显示波形是增多还是减少？

8.用示波器定量测量波形幅度和周期时，要获得精确的读数应注意把和旋钮调到测量（CAL）位置。