18示波器折基本原理及使用

1、实验18 示波器的基本原理及使用学习重点1. 了解通用示波器的结构和基本原理；2. 初步掌握通用示波器各旋钮的作用和使用方法； 3.学习用示波器观察电信号波形,学会用李萨如图形测频率的方法。实验器材 通用示波器(XJ4238型二踪示波器)，信号发生器，交流半波、全波整流器，移相器等。实验原理示波器是一种用途广泛的电子测量仪器，主要用来观察信号的波形。将被测量的电压信号(或其它电量，非电量转换成电压信号)随时间变化的瞬时规律，用图形表示出来,这样就可以比较形象地观察到被测物理量的变化情况.示波器除了直接观察被测信号外,还可以进行波形参数的定量测试,如测量电压,电流.,周期,频率,相位,频率特性等;利用换能器,传感器还可以用来测量温度,压力,振动,密度,声,光,热和磁效应等.现代示波器不仅是一种显示波形的模拟仪器,而且具有数字测量的功能，因而在医学、机械、农业、物理、宇航等各种科学领域中得到越来越多的应用。按其用途与特点，示波器可以分为通用示波器、多束示波器、取样示波器、记忆与存贮示波器和特种示波器五大类型。本实验主要介绍通用示波器的基本原理和调节使用方法。1 示波器的基本组成通用示波器由

2、主机、Y通道（垂直通道）及X通道（水平通道）三大部份组成。通用示波器的方框图结构如图6-34-1所示。 （1）主机部份Y前置放大器Y输出放大器延迟线X放大器-E W1 W2 W3校准信号发生器校准输出同步触发电路扫描发生器同步输入 内 外Y输入Y通道X输入 A1 A2 Y2A3 +EX通道 6.3VY1辉度 聚焦 辅助聚焦扫描电 源Z通道 图6-34-1 示波器的基本组成方框图(1) 主机部分主机主要包括示波管、Z通道、校准信号发生器和电源等。 示波管 示波管是示波器的核心部件。它是由电子枪、偏转板和荧光屏三部份组成被密封在一个特殊的玻璃壳里，形成真空器件，作为示波器的显示器。 电子枪的任务是产生聚集电子流，让会聚点刚好落在荧光屏上。它是由灯丝H、阴极K、栅极G和第一、二阳极A1、A2组成。灯丝H通电发热对涂有氧化物的阴极K加温，使阴极发射出电子，通过栅极G后射向荧光屏，在栅极上加有比阴极略低的电位，改变这个电位可以控制射向荧光屏的电子流强度，也就控制了荧光屏上的亮点的辉度。在示波器面板上的“辉度”控制旋钮，实际上就是调节栅极之间电位的电位器W1，第一阳极A1对阴极而言有数百伏的正电压

3、，第二阳极A2加有比A1更高的正电压（约115KV），其作用一方面使电子流进入A1、A2后受到加速，另一方面由于A1、A2特殊的几何结构形成一个电场，犹如一个电子透镜，使电子流聚集成极细的电子束。示波器面板上的“聚集”控制旋钮就是调节第一阳极A1电压的电位器W2；“辅助聚集”就是调节第二阳极A2电位的电位器W3。示波器内有两对相互垂直的偏转板，一对称为垂直偏转板Y1、Y2，用来控制电子束上下移动；另一对称为水平偏转板X1、X2，用来控制电子束沿水平方向左右移动。靠近电子枪的一对是Y轴偏转板，后面一对是X轴偏转板，由于Y轴偏转板放在前面，因此可以做得比较窄，从而获得较少的极间电容和较高的偏转灵敏度。示波管屏面玻璃的内侧涂有荧光屏物质，构成荧光屏。它在受到电子枪射出的高速电子束轰击时，即能发出可见光（称为荧光）点。为了增加光点的亮度通常在荧光屏附近还有一个后加速阳极A3，可达数千至上万伏的电压。A3是由靠近荧光屏玻璃壳内壁涂敷石墨形成。为了观察亮点移动的完整轨迹，要求荧光物质发出的亮点有一定的余辉，以便使亮点的轨迹构成连续曲线。根据亮点余辉的长短，分为极短余辉、短余辉、中余辉与长余辉等，不

4、同余辉的示波器用以观察不同变化速度的电信号。使用时应防止过强的电子束长时间轰击屏上一个部位，以免损坏荧光物质。造成荧光屏上出现黑斑点。 Z通道 Z通道用来传输和放大增辉信号。 校准信号发生器 校准信号发生器是一个幅度和频率准确的已知内部信号源，用以校准示波器的X、Y轴刻度，或者用来与被测信号相比较，也可以作为标准信号源输出使用。 电源 示波器的电源包括低压电源和高压电源两部份。 低压电源用来供给示波器各单元电路的低压直流电源。直流高压电源的获得有两种方法：其一：直接将220伏的电网电压通过变压器变成高压，整流、滤波、稳压而获得直流高压；其二：采用直流变换器，将直流低压变换成变高频高压，经高频滤波整流稳压变成直流变压。由于这种变换器的内阻很高。变频滤波元件的容量很小，即使发生人体意外接触，也会因输出电压急剧下降，甚至高频停整而免除危险。 （2）Y通道（垂直通道）部分 Y通道是被测信号的主要传输通道，它使示波器屏幕上的 Y轴坐标正比于信号的瞬时值。Y通道同时产生一个内触发（同步）信号去控制X通道，使X通道内的扫描发生器产生的锯齿波信号与被测信号同步。 Y通道部分主要包括输入电路，前置放大器

5、，延迟线，输出放大器和内触发放大器等几个部份。输入电路用来探测Y轴输入信号，包括探头，步进衰减器和阻抗变换器；前置放大器用来放大输入信号，输出放大器用来推动示波器的Y轴偏转；延迟线用来补偿X通道的时延，使信号在Y通道中具有一定的延迟，并向X通道送出同步或触发信号，以便能观测到脉冲信号的前沿；内触发放大器为同步触发电路提供足够大的内触发信号。 示波器的Y通道除单通道外，还设有多通道，以同时观测和比较多个被测信号。 （3）X通道（水平通道）部分 X通道为示波器产生与触发信号有固定时间关系的锯齿波电压（或称扫描电压）。这个电压加到示波器的X轴偏转板上，使电子束沿水平方向随时间线性的偏移，形成时间基线。X通道同时产生一个增辉信号，经过增辉通道（Z通道）送到示波器的控制栅极，使示波管中的电子束只在扫描正程时间（电子束从显示屏左端扫到右端的时间）内出现，以获得稳定清晰的图像，X通道必须选择适当的同步或触发信号。X通道部分主要包括扫描发生器，同步触发电路和X放大器。X放大器的作用是推动示波管的水平偏转板。2示波器显示波形的原理 示波器是如何描绘被测信号图像的呢？下面就来讨论直流电压和交变电压作用时，

6、电子束运动的轨迹。 当示波管的垂直和水平偏转板都没有加电压时，电子束穿过它们之间将不发生偏转，直射至荧光屏，而在屏幕的中心位置上出显一个亮点。如果只在垂直偏转板上加电压，则电子束受电场力作用而发生垂直偏转，这时亮点沿垂直方向移动。同理，在水平偏转板上加直流电压，光点将在水平方向移动，偏移的距离跟加在两偏转板上的电压成正比例。当两对偏转板上同时加直流电压时，则光点将按电场合力的方向移动。因此。只要在两对偏转板上加不同极性，不同大小的直流电压。光点就能显示在屏幕的任何位置上，示波器面板上的“Y轴位移”和“X轴位移”旋纽就是调节这两对偏转板上直流电压 的电位器。 由于偏转板上的电压能控制电子束在荧光屏上移动的轨迹，即光点显示在荧光屏上的位置，那么，若在示波器的Y轴输入端加上一个正弦电压信号UY，电子束的垂直偏转距离则正比1 2 3 4 5 5 6 7 8 9 锯齿波电压 UXt1 3 5 7 9 tTY TX1 3 5 5 7 9Y UY 正弦电压信号2 62 6X4 84 8 图6-34-2 示波器的波形显示原理图 于正弦信号的瞬时值；同时再在示波管的水平偏转板上加上一个锯齿波电压信号UX

7、，因电子束的水平偏转距离则正比于时间。这样，在示波管的屏幕上就会显示出正弦信号的波形 ，如图6-34-2所示。 当锯齿波电压的周期TX等于输入正弦信号的周期TY时，每次出现的正弦波轨迹正好完全重合，这时在荧光屏上将显示出正弦信号的一个周期稳定的波形图像。 在分析波形显示的过程中，可将图6-34-2中的正弦电压信号Uy分割成若干小段，即把时间轴（X轴）分割为8段，分别用1、2、39点表示不同时刻。当T=1时，Y轴与X轴偏转板上都等于0，荧光屏上的光点在“1”点；当T=2时，Y轴和X轴偏转板上都加有正向电压，荧光屏上的光点向右上方移动，光点的位置为“2”；以下依次类推，则在荧光屏上形成了与Y轴偏转板上所加信号相同的波形。当光点到达“5”点时，Y轴的正弦信号变化一周，X轴上的锯齿波电压立即回到0，光点也迅速回到左边“1”点的位置（假定忽略光点回程所需时间）。第二个周期又进行同样的移动，只要保持光点每次移动的起始点一样，光点移动的轨迹完全相同，荧光屏上就可显示一个完整稳定的正弦信号波形。这种使光点在X轴上移动的作用称为“扫描”。锯齿波电压叫做扫描电压。因为X轴上加的锯齿波电压代表时间基线，所以

8、X轴又可以称之为“时基”。 上面讨论了扫描电压周期Tx等于被测信号周期Ty的情况。当Tx Ty时，荧光屏上显示的波形又会出现什么情况呢？下面将分析TxTy.,Tx Ty （b）Tx Ty，Ux完成一次扫描之后，Uy的波形已到M点，光点回到左边时，不是在A1位置，而是在A2位置，并从A2位置开始下一周期的扫描；描绘出M点以后的Uy波形。这样延续下去起始点总是没有重合的时候，从荧光屏上看到的是不断往左移动的波形。同样当Tx Ty时，各次扫描的波形起始点也不重合，在屏幕上看到的则是不断住右移动的波形，如图6-34-3（b）所示 当Tx = 2Ty时，Ux经过一次扫描后，Vy的波形出现两个完整同期，刚好回到起始点M，下次扫描开始的起始位置与上一次的刚好重合，于是荧光屏上出现完整稳定的两个周期的Ty波形，如图6-34-3（c）所示。 由以上分析可以得出结论：当Tx与Ty成简单的整数倍关系时，即Tx= nTy（ n =1.2.3），荧光屏上就能够描绘出Uy稳定完整的n个波形；当破坏这个整数倍关系时，即TxTy时；显示出的波形就不稳定或不完整。这是因为在连续扫描时，荧光屏显示的波形不是一次扫描的结果，而是反复扫描轨迹重合的结果。通常把Tx与Ty成整数倍的关系称之为扫描电压与被测信号“同步”。3示波器的同步方式 从上面得知，要使示波器显示稳定而清晰的波形，必须保证扫描电压的周期与被测信号的周期成整数倍关系（即Tx= nTy）.要满足这个条件不是简单地调整扫描速度就能完成的（即调整微

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