物理实验报告-示波器的使用 物理实验报告示波器的使用中实验原理

      （一）实验名称：示波器的使用

      我们常用的同步示波器是利用示波管内电子束在电场中的偏转,显示随时间变化的电信号的一种观测仪器。它不仅可以定性观察电路(或元件)中传输的周期信号，而且还可以定量测量各种稳态的电学量，如电压、周期、波形的宽度及上升、下降时间等。自1931年美国研制出第一台示波器至今已有70年，它在各个研究领域都取得了广泛的应用，根据不同信号的应用，示波器发展成为多种类型，如慢扫描示波器、取样示波器、记忆示波器等，它们的显像原理是不同的。已成为科学研究、实验教学、医药卫生、电工电子和仪器仪表等各个研究领域和行业最常用的仪器。

      （2）实验目的

      1、了解示波器的基本结构和工作原理，掌握示波器的调节和使用方法；

      2、掌握用示波器观察各种电信号波形、测量电压和频率的方法；

      3、掌握观察利萨如图形的方法，并能用利萨如图形测量未知正弦信号的频率。

      （3）实验仪器

      示波器、信号发生器、公共信号源

      （4）实验原理

      1、示波器的基本结构

      示波器的结构如图1所示，由示波管(又称阴极射线管)、放大系统、衰减系统、扫描和同步系统及

      电源等部分组成。

      图1 示波器的结构图

      为了适应多种量程，对于不同大小的信号，经衰减器分压后，得到大小相同的信号，经过放大器后产生大约20V左右电压送至示波管的偏转板。

      示波管是示波器的基本构件，它由电子枪、偏转板和荧光屏三部分组成，被封装在高真空的玻璃管内，结构如图2所示。电子枪是示波管的核心部分，由阴极、栅极和阳极组成。

      图2 示波管的结构

      (1)阴极――阴极射线源：由灯丝(F)和阴极(K)构成，阴极表面涂有脱出功较低的钡、锶氧化物。灯丝通电后，阴极被加热，大量的电子从阴极表面逸出，在真空中自由运动从而实现电子发射。

      (2)栅极――辉度控制：由第一栅极G1(又称控制极)和第二栅极G2(又称加速极)构成。栅极是由一个顶部有小孔的金属圆筒，它的电极低于阴极，

      具有反推电子作用，只有少量的电子能通过栅极。调节栅极电压可控制通过栅极的电子束强弱，从而实现辉度调节。在G1的控制下，只有少量电子通过栅极，G2与A2相连，所加相位比A1高，G2的正电位对阴极发射的电子奔向荧光屏起加速作用。

      (3)第一阳极――聚焦：第一阳极(A1)程圆柱形(或圆形)，有好几个间壁，第一阳极上加有几百伏的电压，形成一个聚焦的电场。当电子束通过此聚焦电场时，在电场力的作用下，电子汇合于一点，结果在荧光屏上得到一个又小又亮的光电，调节加在A1上的电压可达到聚焦的目的。

      (4)第二阳极――电子的加速：第二阳极(A2)上加有1000V以上的电压。聚焦后的电子经过这个高

      电压场的加速获得足够的能量，使其成为一束高速的电子流。这些能量很大的电子打在荧光屏上可引起荧光物质发光。能量越大就越亮，但不能太大，否则将因发光强度过大导致烧坏荧光屏。一般来说，A2上的电压在1500V左右即可。

      (5)偏转板：由两对相互垂直的金属板构成，在两对金属板上分别加以直流电压以控制电子束的位置。适当调节这个电压可以把光点或波形移到荧光屏的中间部位。偏转板除了直流电压外，还有待测物理量的信号电压，在信号电压的作用下，光点将随信号电压变化而变化，形成一个反映信号电压的波形。

      (6)荧光屏：荧光屏(P)上面涂有硅酸锌、钨酸镉、钨酸钙等磷光物质，能在高能电子轰击下发

      光。辉光的强度取决于电子的能量和数量。在电子射线停止作用前，磷光要经过一段时间才熄灭，这个时间称为余辉时间。余辉使我们能在屏上观察到光电的连续轨迹。

      自阴极发射的电子束，经过第一栅极(G1)、第二栅极(G2)、第一阳极(A1)、第二阳极(A2)的加速和聚焦后，形成一个细电子束。垂直偏转板(常称作y轴)及水平偏转板(常称x轴)所形成的二维电场，使电子束发生位移，位移的大小与x、y偏转板上所加的电压有关：

      式(1)中的Sy和Dy为y轴偏转板的偏转灵敏度和偏转因数，Sx和Dx为x轴偏转板的偏转灵敏度和偏转因数。它们均与偏转板的参数有关，是示波器的主要技术指标之一。 

      2、双踪示波器的原理

      电子开关使两个待测电压信号和周期性地轮流作用在Y偏转板，这样在荧光屏上忽而显示信号波形，忽而显示信号波形。由于荧光屏荧光物质的余辉及人眼视觉滞留效应，荧光屏上看到的是两个波形。当扫描信号的周期与被测信号的周期一致或是整数倍，屏上一般会显示出完整周期的正弦波形。

      图3双踪示波器原理方框图

      3、示波器显示波形的原理

      由式(1)，y轴或x轴的位移与所加电压有关。如图4所示，在x轴偏转板上加一个随时间t按一定比例增加的电压Vx，光点从A点到B点移动。如果光点到达B点后，Vx降为零(图中坐标轴上的Tx点)，那么光点就返回到A点。若此后Vx再按上述规律变化(Vx与Tx相同)，光点会重新由A移动到B。这样Vx周期性变化( 锯齿波)，并且由于发光

      物质的特性使光迹有一定的保留时间，于是就得到一条“扫描线”，称为时间基线。

      图4 波形显示原理

      如果在x轴加有锯齿形扫描电压的同时，在y轴上加一正弦变化的电压[如图(4)b]，则电子束受到水平电场和垂直电场的共同作用而呈现二维图形。为得到可观测的图形，必须使电子束的偏转多次重叠出现，即重复扫描。

      很明显，为得到清洗稳定的波形，上述扫描电压的周期Tx (或频率fx)与被测信号的周期Ty(或fy)必须满足：

      以保证Tx轴的起点始终与y轴周期信号固定一点想对应(称“同步”)，波形才稳定，否则波形就不稳定而无法观测。

      由于扫描电压发生器的扫描频率fx不会很稳定，因此为保证式(2)始终成立，示波器需要设置扫描电压同步电路，即触发电路，如图(1)所示。利用它提供一种触发信号来使扫描电压频率与外加信号同步，从而获得稳定的信号图形。图1中设置了三种同步触发方式：外信号触发、被测信号触

      发(内触发)、50Hz市电触发。

      实际使用的示波器由于用途不同，它的示波管及放大电路等也不尽相同。因此示波器有一系列的技术特性指标，如输入阻抗、频带宽度、余辉时间、扫描电压线性度、y轴和x轴范围等。

      用x 轴时基测时间参数

      在实验中或工程技术上都经常用示波器来测量信号的时间参数，如信号的周期或频率，信号波形的宽度、上升时间或下降时间，信号的占空比(宽度/周期)等。如雷达通过测量发射脉冲与反射(接受)脉冲信号的时间差来实现测距离，其他无线电测距、声纳测潜艇位置等都属于这一原理。

      从式(2)出发，设待测信号接y轴输入端，则Ty是

      待测信号的周期，Tx是x轴扫描信号的周期，N是一个扫描周期内所显示的待测信号的波形周期数。如荧光屏上显示2个信号波形，扫描信号周期是10ms，则待测信号的周期是5ms。

      X轴扫描信号的周期实际上是以时基单位(时间/cm)来标示的，一般示波管荧光屏的直径以10cm居多，则式(2)的Tx，由时基乘上10cm，如时基为0.1ms/cm，则扫描信号的周期为1ms。为此在实际测量中，将式(2)改成(3)的形式

      Ty = 时基单位×波形厘米数            (3)

      式中的波形厘米数，可以是信号一个周期的读数(可测待测信号的周期)、正脉冲(或负脉冲)的信号宽度的读数或待测信号波形的其他参数。 

      4、用李萨如图形测信号的频率

      如果将不同的信号分别输入y轴和x轴的输入端，当两个信号的频率满足一定关系时，荧光屏上会显示出李萨如图形。可用测李萨如图形的相位参数或波形的切点数来测量时间参数。

      两个互相垂直的振动(有相同的自变量)的合成为李萨如图形。

      ①频率相同而振幅和相位不同时，两正交正弦电压的合成图形。设此两正弦电压分别为：

      消去自变量t，得到轨迹方程：

      这是一个椭圆方程。当两个正交电压的相位差φ取0~2π的不同值时，合成的图形如图5所示。

      图5 不同φ的李萨如图形

      ②两正交正弦电压的相位差一定，频率比为一个有理数时，合成的图形为一条稳定的闭合曲线。图6是几种频率比时的图形，频率比与图形的切点数之间有下列关系：

      图6 不同频率比的李萨如图形

      （5）实验内容和步骤

      1.按示波器面板设置，垂直Y向调整功能，水平X向(扫描)调整功能，辅助功能三大区域，熟悉各区按钮功能，设置好各开关或旋钮的状态；

      2.调节、观察待测信号；

      3.两个信号源的两个输出分别接到CH1和CH2。两个通道的AC⊥DC按钮开关都处于AC.观察CH1的波形，观察CH2的波形，观察CH1和CH2的同时显示(双踪显示)。要求能观测到1-2个完整的稳定波形。

      测量交流电压

      将示波器的耦合选择开关置"AC".据被测信号的幅度，合理选择Y轴衰减和X轴时基档级开关，并调节电平旋钮，使波形稳定。上、下调节波的位置，将波形的最低点与示波器上某一水平线相切。水平调节波的位置是最高点与Y轴重合。按公式=V(V/p)×（p）计算电压。将测量结果填入表中。

      测量周期

      调节波形使之关于X轴上、下对称，读出一个波长两点间的距离(格数)。按公式T＝ Time/p（us/p）×（p），计算周期。

      观察李萨如图

      将“TIME/DIV”旋钮旋到“X-Y”位置，此时CH1通道转变为水平输入端（X轴），CH2通道为垂直输入端（Y轴）。两个信号源分别接到CH1和CH2，调节两信号源的频率，使比值为1:1、2:1和3:1，观察和记录李萨如图。

      注意事项 

      1．信号发生器、示波器预热3分钟以后才能正常工作。 

      2．测信号电压时，一定要将电压衰减旋纽的微调顺时针旋足（校正位置）；测信号周期时，一定要将扫描速率旋纽的微调顺时针旋足（校正位置）； 

      3．不要频繁开关机，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，如果暂时不用，把辉度降到最低即可；

      4．转动旋钮和按键时必须有的放矢，不要将开关和旋钮强行旋转、死拉硬拧，以免损坏按键、旋钮和示波器，示波器探头与插座的配合方式类似于挂口灯泡与灯座的锁扣配合方式，切忌生拉硬拽。

      （六）数据记录

      （7）误差分析

      环境或其他因素的影响，波形会移动；

      实验室电压不稳定；

      读数出现误差。

      （8）思考题回答

      1.简述示波器显示u-t图形（即电信号波形）的原理。

      在x轴偏转板上加锯齿型的扫描电压，使光点能够从左至右做匀速周期性运动。

      2.怎样用示波器定量地测量交流信号的电压有效值和频率？

          根据信号在采样点上的重复规律就可以算出信号频率，然后根据波形做积分计算，就可以得出起有效值。

      3.观察两个信号的合成李萨如图形时，应如何操作示波器？

          将两信号分别接入CH1和CH2，对应做好记录。将的屏幕显示波形，选择列表里，选

      中CH1，CH2下面的X-Y。

      4.为了使李萨如图形稳定下来，能否使用示波器上的同步旋钮？为什么？

          不能；同步旋钮是使每次扫描都扫描同一个起始相位.使一个示波器内只有一个稳定的图形,但从李萨如图形的形成原理来看,调同步旋钮式不能使它稳定下来的.应该是调频率.

      5.用示波器观测周期为0.2ms的正弦电压，若在荧光屏上呈现了3个完整而稳定的正弦波形，扫描电压的周期等于多少毫秒？

       T=3*0.2ms=0.6ms

      （九）实验记录