4.4 阴极射线示波器
示波器是一种显示各种电压波形的仪器,它利用被测电压信号产生的电场对示波管中电子运动的影响来反映被测信号电压的瞬变过程。 由于电子质量小、惯性小、比荷大,因此它具有较宽的频率响应,可用以观察变化极快的电压瞬变过程。 一切能转换为电压信号的电学量(如电流、电功率、阻抗等)和非电学量(如温度、位移、速度、压力、光强、磁场、频率等),其随时间的瞬变过程都可以用示波器进行观察、测量和分析。
【实验目的】
①了解示波器的基本结构,掌握示波器的调节和使用。
②学习用示波器观察电压波形和李萨如图形。
③学习用示波器测量电信号的方法。
【预习思考题】
①示波器为什么能把看不见的变化电压显示成看得见的图像?
②观察信号发生器输出的各种信号时,“Y 输入”接________,“X 输入”接________;观察李萨如图形时,“Y 输入”接______________,“X 输入”接______________。
【实验原理】
1.示波器的基本结构及工作原理
示波器由示波管、扫描发生器、同步电路、水平轴和垂直轴放大器以及电源5 部分组成,如图4.9 所示。
图4.9 示波器的基本结构
1)示波管
示波管是示波器进行图形显示的核心部分,在一个抽成高真空的玻璃管中,装有各种电极,如图4.10 所示,按其功能可分为3 部分。
图4.10 示波管结构
(1)电子枪
用以产生定向移动的高速电子,它包括以下3 个电极。
①热阴极K:一个罩在灯丝外面的小金属圆筒,其前端涂有氧化物,当灯丝F 通入电流时,阴极板受热而发射电子,并形成电子流。
②控制栅极板G(辉度调节):一个前端开有小孔的金属圆筒,罩在阴极板的外侧,电子可从小孔中通过,在工作时栅极板电势低于阴极板电势,即调节栅极板电势的高低可以控制到达荧光屏的电子流强度,使屏上光点的亮度发生变化,也就是“辉度调节”。
③阳极板A1、A2(聚焦调节):也是一个前端开有小孔的金属圆筒,阳极板上加有高压(约1 000 V),且其区域内的电场不均匀。 一是使电子流获得高速,二是将由栅极板过来的已散开的电子流聚焦成一束很细窄的电子射线束。 改变阳极板的电压可以调节电子束的聚焦程度,即荧光屏上光点的大小,称为“聚焦调节”。
(2)偏转系统
偏转系统由两对相互垂直的极板X1X2(水平X)和Y1Y2(竖直Y)构成,当两对偏转极板上均不加电压时,电子束穿过极板间时不发生偏转,光点在荧光屏的中央,如图4.11(a)所示;当在X1X2 极板上加直流电压(设UX1＞UX2)时,电子束穿过X1、X2 两极板时向左偏转,屏上光点向左移动,如图4.11(b)所示;当在Y1Y2 极板上加直流电压(设UY1 ＞UY2)时,则电子束穿过Y1、Y2 两板间时向上偏转,屏上光点向上移动,如图4.11(c)所示;当在X1X2(或Y1Y2)极板上加交变电压时,则电子束穿过偏转极板间时将水平(或上下)周期运动,即屏上光点水平(或上下)振动,如振动较快,即屏上出现一条水平(或竖直)亮度线,如图4.11(d)(e)所示。
图4.11 电子束偏转示意图
(3)荧光屏
阴极射线管的前端,内表面涂有发光物质。 高速运动的电子打在荧光屏上,动能被发光物质吸收而发光,在电子轰击停止后,发光仍持续一段时间,称为余辉,余辉时间的长短和发光物质的成分有关。 荧光屏不仅能将电子的动能转换成光能,同时还转换成热能。 因此荧光屏上的光点长时间停在固定位置,可能将该处的发光物质烧毁,形成一暗斑,所以在操作时注意不要使光点长时间停留在一处。
2)扫描发生器
若将随时间作正弦变化的电压信号uy=Uysin ωt 加在Y 偏转板上,荧光屏上显示出一条垂直亮度线,看不到正弦曲线。 在上述条件下,若同时再在X 偏转板上加入一个与时间成正比的线性电压ux=K·t,则电子束在竖直方向上作简谐振动的同时,还在水平方向上作自左向右的匀速运动,这样就能在荧光屏上显示出信号电压uy 和时间t 的正弦变化曲线,其原理如图4.12 所示。
图4.12 示波器显示正弦波的原理
设开始时X1X2 间的电压为零,显示屏上的光点在最左侧,之后X1X2 间的电压匀速增加,显示屏上的光点在沿Y 轴方向振动的同时,匀速向右移动,留下了亮的图线——亮点的径迹;当X1X2 间的电压增加到最大值时,显示屏上的光点移到最右侧,与此同时X1X2 间的电压降到零,显示屏上的光点又移到最左侧;随着时间的推移,依次不断重复上述过程,显示屏上便可显示出正弦波形来。 所以在显示屏上看到的正弦曲线实际上是两个相互垂直的运动的合成轨迹。
将加到Y 偏转板上的电压信号,在显示屏上展开成为函数曲线图形的过程称为扫描,获得扫描的方法是在X1X2 偏转板上加的与时间成正比增加的周期性电压信号,这个周期性变化的锯齿形的电压称为扫描电压,如图4.13 所示。 扫描电压由扫描发生器提供。
图4.13 扫描电压
3)同步电路
由图4.12 可知,如果Tx=2Ty,在荧光屏上就显示出两个完整的正弦波;同理,如果Tx=3Ty,则在荧光屏显示出3 个完整的波形。 以此类推,如果要示波器显示出完整而稳定的波形,扫描电压的周期Tx 必须为Y 偏转板电压周期Ty 的整数倍数,即
式4.18 中,n 为荧光屏上所显出的完整波形的数目,fy 为加在Y 偏转板上电压的频率,fx为扫描电压的频率。 稍有差异,波形就不稳定,甚至更为复杂。 为此,在示波器上专门设置一种电路,来控制扫描电压的频率fx,使fx 随着被观测信号的频率fy 变化,即用Y 轴信号频率去控制扫描发生器的频率,使之始终满足整数倍的关系,此作用称为“同步”, 该电路称为“同步电路”。 使用示波器的关键,就是调节扫描电压的频率,使之与信号频率之间成整数倍关系,并加上“同步”作用,迫使这种关系保持稳定。
综上所述,示波管显示稳定波形的条件是:
①在X 偏转板上加锯齿波形的扫描电压。
②在Y 偏转板上加适当大小的待测电压信号。
③扫描电压周期为待测信号周期的整数倍。
4)水平轴及垂直轴放大器
加在水平与垂直偏转板上的信号电压必须足够大,才能使电子束偏转一定角度。 因此,必须将输入的弱信号经放大器放大,并用水平及垂直增幅旋钮来调节放大量。 如输入信号过强,则需要分压电路进行衰减。
5)电源
电源是用以供给示波管及各部分电路所需要的各种交直流电源。
2.信号电压、频率的测量
把待测信号电压输入示波器的Y 轴输入端。 调节示波器面板上各开关旋钮到适当的位置,荧光屏上显示一稳定波形。 根据荧光屏上的坐标格划线刻度,测出显示波形的电压值和周期值。
(1)测量电压
把待测信号输入示波器的Y 轴输入端,将Y 轴输入耦合方式选择键“AC”键按下,Y 轴垂直偏转因数旋钮“VOLTS/DIV”旋到适当位置,调节有关控制开关及旋钮使显示波形稳定,读取所显示波形波峰与波谷之间的垂直距离所占格数值DY(DIV),读取信号输入通道垂直偏转因数旋钮的挡位数α,如图4.14 所示,则
峰-峰值电压
图4.14 测量正弦信号的电压、频率
在测量被测信号的电压时,应通过调节Y 轴垂直偏转因数旋钮“VOLTS/DIV”的挡位,使波形幅度尽量放大,但是不能超出显示屏幕。 (为什么?)
(2)测量频率
把待测信号输入示波器的Y 轴输入端,将扫描时间因数旋钮“SEC/DIV”旋到适当的位置,调节有关控制开关及旋钮使显示波形稳定,读取被测信号一个周期的波形所占格数DX(DIV), 读取扫描时间因数旋钮“SEC/DIV”的挡位数β,如图4.14 所示,则
信号周期
信号频率
在测量被测信号的周期和频率时,应通过调节扫描时间因数旋钮“SEC/DIV”使被测信号相邻两个波峰的水平距离尽量拉大,但是不能超过屏幕。 (为什么?)
3.李萨如图形
在X 轴输入端输入正弦信号,频率为fX,在Y 轴输入端输入另一个正弦信号,频率为fY,当两者的频率成简单整数倍关系时,荧光屏上就显示一稳定的图形,称为李萨如图形,如图4.15 所示。
若以NX 和NY 分别表示水平切线和垂直切线对图形的切点数,则其切点数NX、NY 与fX、 fY 的关系是
图4.15 李萨如图形
如果fY 已知,从荧光屏上的图形找出NX 和NY,由式(4.19)可算出fX。 所以,观察李萨如图形同样可以测量待测信号的频率。
例如,Y 偏转板上输入fY=50 Hz,改变fX,使显示屏上显示比较稳定的李萨如图形,如图4.15 所示,其中NX=1,NY=2,则待测信号的频率为
【实验仪器】
双踪示波器、函数信号发生器、专用导线若干等。
【实验内容及步骤】
1.示波器的基本操作
①熟悉示波器各旋钮的作用,按表4.4 设置示波器的开关及控制旋钮或按键。
表4.4 示波器的基本操作方法
②接通电源,电源指示灯量。 稍等20 s 后,示波器显示屏上显示光迹,如60 s 后仍未显示光迹,应按表4.4 检查开关及控制旋钮或按键的位置。
③通过连接电缆将示波器的探极校准信号输入至CH1 通道,调节电平旋钮使波形稳定,分别调节Y 轴、X 轴的位移旋钮,使波形与图4.16 相吻合。 以同样方法检查CH2 通道。
图4.16 补偿适中
上述为示波器的基本操作步骤。 CH2 的单通道操作方法与CH1 类似,进一步的操作方法在下面内容中逐一学习。
2.示波器实现X-Y 状态下的操作
在熟悉示波器、信号发生器各旋钮作用的基础上,先后调出“一个亮点”“一条水平亮线”“一条垂直亮线”“若干个李萨如图形”并分别加以解释。
示波器操作:按下X-Y 控制键“30”,实现X-Y 状态,即CH1 通道“13”自动与X 轴偏转板接通,CH2 通道“17”自动与Y 轴偏转板接通。
(1)“一个亮点”的调节
X、Y 轴偏转板上不加电压信号。 示波器操作:将触发方式选择“31”的自动键按下;CH1通道与CH2 通道各输入端不输入电压信号;先后适当调节辉度旋钮“2”、聚焦旋钮“4”、水平位移调节旋钮“35”、竖直位移旋钮“40”,观察示波器显示屏上所显示的亮度点情况,并将所显亮度点调节到示波器显示屏正中央处。
(2)“一条水平亮线”的调节
信号发生器操作:选择正弦波形——按下对应波形键“5”,选择适当频率——由频率范围选择键“7”、频率调节旋钮“3”调节,选择适当电压——由幅度调节旋钮“12”调节。
示波器操作:由信号发生器电压输出端“13”通过探头导线给示波器CH1 通道“13”输入正弦波电压信号,适当调节CH1 通道的衰减器旋钮“10”,在示波器显示屏上便可观察到合适的“一条水平亮度线”。
(3)“一条垂直亮线”的调节
在完成(1)的基础上,向Y 轴偏转板加正弦波电压信号。
信号发生器操作同上;示波器操作:由信号发生器电压输出端“13”通过探头导线给示波器CH2 通道“17”输入正弦波电压信号,适当调节CH2 通道的衰减器旋钮“15”,在示波器显示屏上便可观察到合适的“一条垂直亮度线”。
(4)“李萨如图形”的调节
示波器操作:适当调节CH1 通道和CH2 通道的衰减器旋钮“10” “15”。
信号发生器操作:由信号发生器后面板正弦波(50 Hz、2 V)输出端口“20”和前面板电压输出端口“13”通过探头导线同时分别给示波器CH1 通道“13”和CH2 通道“17”输入正弦波电压信号,调节信号发生器所输出信号的频率,同时观察示波器显示屏上波形到基本稳定即可,并将有关图形及参数按表4.5 填入。
3.示波器实现非X-Y 状态下的操作
示波器操作:再次将X-Y 控制键“30”按下(即该键弹起),便实现非X-Y 状态(即由扫描发生器在X 轴偏转板上自动加一扫描电压)。
1)稳定正弦波形的调节
(1)“一条正弦波形线”的调节
①在X 轴偏转板上加一扫描电压信号。 示波器操作:将扫描速率旋钮“20”顺(或逆)时针方向旋转到适当位置,便由扫描发生器在X 轴偏转板上自动加一扫描电压。
②在Y 轴偏转板上加一待测正弦波电压信号。 信号发生器操作:选择正弦波形——按下对应波形键“5”,选择适当频率——由频率范围选择键“7”、频率调节旋钮“3”调节,选择适当电压——由幅度调节旋钮“12”调节。 示波器操作:将垂直方式工作开关“42”打向CH1 位置,由信号发生器给示波器CH1 通道“13”输入正弦波电压信号(提示:或将垂直方式工作开关“42”打向CH2 位置,由信号发生器给示波器CH2 通道“17”输入也可实现)。
③实现同步(保持扫描电压信号周期Tx 为待测正弦波电压信号周期Ty 的整数倍,即Tx=nTy)。 示波器操作:调节触发电平控制选钮“33”到适当位置,此时在示波器显示屏上便可观察到一条稳定的正弦波形线(当触发方式选择“31”的自动键和常态键均按下时,示波器工作在锁定状态下,此时无须调节触发电平即可自动实现同步)。
(2)测量待测信号的峰-峰值电压UP-P 及频率f
①测量频率f。
示波器操作:在已调出稳定、合适的正弦波形线的基础上,顺时针方向旋转扫描速率的微调旋钮“24”至满度(即校准)状态;适当调节水平位移旋钮“35”、竖直位移旋钮“40”或“43”到便于读取格数为止;读取示波器显示屏上所显波形一个周期的所占格数DX、扫描速率旋钮“20”的挡位数β,并填入表4.5 中。
②测量峰-峰值电压UP-P。
示波器操作:在已调出稳定、合适正弦波形线的基础上,顺时针方向旋转所显示波形信号对应的输入通道(CH1 或CH2)的垂直灵敏度微调旋钮“14”或“19”至满度(即校准)状态;适当调节水平位移旋钮“35”、竖直位移旋钮“40”或“43”到便于读取格数为止;读取示波器显示屏上所显波形波峰与波谷之间的垂直距离所占格数DY、信号输入通道灵敏度旋钮挡位数α,并填入表4.6 中。
2)“一条稳定方波波形线”的调节
信号发生器操作:选择方波波形——按下对应波形键“5”即可。 测量信号的峰-峰值电压UP-P 及频率f,填入表4.6 中。
3)“一条稳定三角波形线”的调节
信号发生器操作:选择三角波波形——按下对应波形键“5”即可。 测量信号的峰-峰值电压UP-P 及频率f,填入表4.6 中。
4.注意事项
①必须先弄清你所使用的示波器、信号发生器的型号与面板上各旋钮的作用后再开始实验。
②荧光屏上的光点亮度不可调得太强(即“辉度”旋钮隐条的适中),切不可将光点固定在荧光屏上某一点的时间过长,以免损坏荧光屏。
③示波器上所有开关与旋钮都有一定的强度与调节角度,使用时应轻轻地缓慢旋转,不能用力过猛或随意乱旋动。
【数据处理与分析】
1.观察李萨如图形并测量频率
表4.5 各种李萨如图形及其相关参数对应表
2.观察信号源的三种波形并测量UP-P 及f
表4.6 测量待测信号源三种信号的电压UP-P、周期T 及频率f
【课后讨论】
①示波器打开电源后,荧光屏上既无光点又无扫描线,可能的原因是什么? 应该怎样处理?
②若扫描信号周期远小于待测信号周期,荧光屏上将看到什么图形? 反之又如何?
③若待测信号的电压较大(但不损坏示波器),荧光屏上将看到什么图形? 如何处理?
④为什么增大DY、多测量几个周期,可以减小电压和频率的测量误差?
【附】
YB4320G 型双踪示波器
YB4320G 型双踪示波器面板图如图4.17 所示。
图4.17 YB4320G 型双踪示波器
1.主机电源
2.垂直方向部分(VERTICAL)
13-通道1 输入端[CH1 INPUT(X)]:该输入端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[CH2 INPUT(Y)],和通道1 一样,但在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由电容器来耦合;
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。
CH1:通道1 选择,屏幕上仅显示CH1 信号;
CH2:通道2 选择,屏幕上仅显示CH2 信号;双踪:双踪选择,屏幕上显示双踪,自动以交替或断续方式,同时显示CH1 和CH2 上的信号;
叠加:显示CH1 和CH2 输入信号的代数和。
3.水平方向部分(HORIZONTAL)
4.触发系统(TRIGGER)
数字示波器
数字示波器是集数据采集、A/D 转换、软件编程等一系列的技术制造出来的高性能示波器。 数字示波器一般支持多级菜单,能提供给用户多种选择和多种分析功能。 还有一些示波器可以提供存储,实现对波形的保存和处理。
DS1102E 型数字示波器面板如图4.18 所示。
图4.18 DS1102E 型数字示波器
1.示波器自检和校准
提示:示波器一开机,调出出厂设置,可以恢复正常运行,实验室使用开路电缆,探头衰减系数应设为1X。
2.波形显示的自动设置
①将被测信号(自身校正信号)连接到信号输入通道。
③示波器将自动设置垂直、水平和触发控制。
3.示波器垂直系统
①将“CH1”或“CH2”的输入连线接到探头补偿器的连接器上。
4. “CH1”“CH2”通道设置
5.示波器水平系统
MFG-8216A 函数信号发生器
1.MFG-8216A 函数信号发生器面板
MFG-8216A 函数信号发生器面板如图4.19 所示。
图4.19 MFG-8216A 函数信号发生器面板
2.基本技术参数
频率范围:0.3 Hz ～3 MHz/0.5 Hz ～5 MHz(7 段选择)。
输出波形:正弦波、三角波、方波、Ramp、TTL 和CMOS 输出。
输出振幅:≥10 Vpp(50 Ω 负载时)。
输出阻抗:50 Ω±10%。
衰减量:(-20 ±1)dB。
显示器:6 位数LED 显示。