示波器地使用电子教案设计.docx

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示波器地使用电子教案设计

中原工学院理学院教案专用纸第1页

【课题】示波器的使用（3学时）

【目的】1、了解示波器的主要组成部分，扫描和整步的作用

原理，加深对振动合成的理解。

2、熟练使用示波器观察信号特征（正弦波、三角波、方波），利用李萨如图形测量信号频率。

【重点】了解示波器的基本结构、工作原理及使用方法。

。

【难点】1、熟练掌握示波器各主要旋钮的作用和用法。

2、能使用示波器观察信号特征（正弦波、三角波、方波），且会利用李萨如图形测量信号频率。

【前言】

电子射线示波器是常用的电子仪器之一。

它可以将电压随时间的变化规律显示在荧光屏上，还可以用来显示两个相关的电学量之间的函数关系。

示波器不仅可以显示电信号的波形，通过适当的换能装置，也可以显示非电信号的波形。

信号的波形显示出来之后，我们就可以很直观地观察分析它们的变化规律，并测量它们的大小、频率、位相等参数。

示波器是观察和测量电学量以及研究其它可转化为电压变化的非电学物理量的重要工具，广泛地应用在工业、科研、国防等领域。

【教学内容】

一．示波器的基本结构

1．阴极射线管

大多数示波器都是由阴极射线管来显示波形的。

阴极射线管主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成，基本结构如图1所示，示波器的基本结构见图2。

其中灯丝、阴极、阳极构成电子枪。

灯丝通电后呈炙热状态，它能使阴极受热而发射电子，由于阳极电势高于阴极，所以电子在阳极的加速作用下快速运动，当轰击到荧光屏上时，电子会使荧光物质发光，在屏上就能看到一个亮点。

中原工学院理学院教案专用纸第2页

偏转系统由两组互相垂直的电极板构成，图中X1、X2为水平偏转电极板；Y1、Y2为垂直偏转电极板。

若在X1、X2间加上电压，就会在水平方向上产生一个电场，电子束通过时受到电场的作用，运动方向会在水平方向发生偏移，从而引起荧光屏上亮点的位置发生偏移，其偏移距离与偏转电压大小成正比。

这样，我们就可以通过改变偏转电压来控制亮点在荧光屏上的位置。

图1示波管结构

图2示波器的基本结构简图

中原工学院理学院教案专用纸第3页

2．扫描发生器

将V=f（t）的交流电压信号加到Y偏转板上，X偏转板由示波器内部加上扫描电压，荧光屏上将显示一波形图，图3为一实例。

实际上这波形图正是f（t）函数曲线的一部分。

在说明屏上图形形成的原理之前，回忆一个中学的实验。

在中学物理课中，我们曾经做过演示振动图形的沙斗实验，它的装置如图4所示。

图中P为硬纸板，能在X方向上作匀速直线运动。

S为沙斗，斗内装上细沙土，细沙能从斗的下端慢慢漏出，沙斗通过细绳连结在支架的H处，构成单摆。

设此摆在与X轴垂直的Y方向上振动，P在X方向匀速运动，那么在硬纸板上将有漏沙的径迹，即是单摆的振动图线，这是一条正弦曲线。

根据曲线和匀速运动的速率V不难求得振动周期（或频率）和振幅等物理量的大小。

示波器屏上图形形成的原理和沙斗实验中纸板上漏沙径迹的道理相同。

在示波器的X偏转板上，加上和时间成正比变化的锯齿形电压信号（图5）。

开始X1、X2间电压为-E，屏上光点被推到最左侧，以后X1、X2间的电压匀速增加（类似于沙斗实验中匀速推动纸板），屏上光点在沿y轴振动的同时，匀速向右移动，留下了亮的图线——亮点的径迹（相当于纸板上的沙的径迹）。

当X1、X2间电压达最大值+E时，亮点移到最右侧，与此同时X1、X2间电压迅速降到-E，又将亮点移到最左侧，再重复上述过程。

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示波器显示波形实质：

沿Y轴方向的简谐运动与沿X轴方向的匀速运动合成的一种合运动。

显示稳定波形的条件：

扫描电压周期应为被测信号周期的整数倍。

3.同步扫描（其目的是保证扫描周期是信号周期的整数倍）

若没有“扫描”（横向的扫描电压），被测信号随时间规律变化规律就显示不出来；如果没有“整步”，就得不到稳定的波形图像。

为了达到“整步”目的，示波器采用三种方式：

“内整步”：

将待测信号一部分加到扫描发生器，当待测信号频率fy有微小变化，它将迫使扫描频率fx追踪其变化，保证波形的完整稳定；“外整步”：

从外部电路中取出信号加到扫描发生器，迫使扫描频率fx变化，保证波形的完整稳定；“电源整步”：

整步信号从电源变压器获得。

一般在观察信号时，都采用“内整步”（或称为“内触发”）。

二．示波器的调节

熟练掌握示波器的使用，首先应该了解示波器面板上各个旋钮的功能。

图6所示为该示波器的前面板图。

①电源开关（POWER）

②电源指示灯

③基线旋转（TRACEROTATION）：

用于调节扫描线使其和水平刻度线平行，以克服外磁场变化带来的基线倾斜。

④辉度控制（INTENSITY）：

顺时针旋转，扫描线辉度增加。

避免过亮，防止灼伤眼睛与荧光屏。

⑤聚焦控制（FOCUS）：

用于调节扫描线聚焦，应调节到扫描线最细为止

⑥校正方波输出（CAL0.5V）0.5V、1kHz方波信号的输出端。

⑦扫描时间选择开关（TIME/DIY）用于选择扫描时间因数，从0.2µs~0.2s/DIY共19档。

中原工学院理学院教案专用纸第5页

图6DC4322B型双踪示波器前面板图

置“X－Y”位置时，示波器工作在X－Y状态（此时应关闭水平扩展开关）。

⑧扫描微调（SWPVAR）

此旋钮开关在校正位置时，扫描因数从扫描时间选择开关读出。

当开关不在校正位置时，可连续微调扫描因数。

反时针旋转到底时扫描因数扩大2.5倍以上。

⑨位移/扩展

未拉出时用于调节水平移动扫描线位置；拉出后将扫描扩展10倍。

⑩触发方式选择（TRIGMODE）

自动（AUTO）：

本状态下仪器在有触发信号时，同正常的触发扫描，波形可稳定显示。

在无信号输入时，可显示扫描线。

常态（NORM）：

有触发信号时才产生扫描；在没有信号和非同步状态下，没有扫描线。

当信号频率很低（25Hz以下）影响同步时，宜采用本触发方式。

电视场（TV—V）：

用于观察电视信号中的全场信号波形。

电视行（TV—H）：

用于观察电视信号中的行信号波形。

注：

TV—V和TV—H触发仅适用于负同步信号的电视信号。

触发电平控制（LEVEL）（PULLSLOPE）

a．通过调节触发电平可确定波形扫描的起始点；

按进去为正极性触发（常用），拉出来为负极性触发。

中原工学院理学院教案专用纸第6页

外触发输入插座（TRELIN）

用于外触发信号的输入。

触发源选择开关（SOURCE）

用于选择扫描触发信号源，分下述三种：

内（INT）：

取加到Y1或Y2的信号作为触发源；

电源（LINE）：

取交流电源信号作为触发源；

外（EXT）：

取加到外触发输入端的外触发信号作为触发源。

用于特殊信号的触发。

、

伏/度选择开关（VOLTS/DIY）

用于选择垂直偏转因数。

可以方便地观察到垂直放大器上的各种幅度范围的波形。

当使用10：

1输入探级时，要将屏幕显示幅度值×10。

、

微调/扩展控制开关（VAPPULL×5GAIN）

当旋转微调钮时，可小范围地连续改变垂直偏转灵敏度。

将此旋钮反时针旋到底，其变化范围大于2.5倍。

此旋钮用于比较波形或同时观察两个通道方波上升时间。

通常将这个旋钮顺时针旋到底（校准位置）。

此旋钮被拉出时，垂直系统的增益扩展5倍，最高灵敏度达1mV/div.

通道1输入端：

被测信号由此输入y1通道。

当示波器在X-Y方式时，输入到此端的信号作为X轴信号。

通道2输入端：

被测信号由此输入y2通道。

当示波器在X-Y方式时，输入到此端的信号作为Y轴信号。

、

输入耦合开关（AC-GND-DC）：

用以选择被测信号馈至Y轴放大器输入端的耦合方式。

AC：

在此耦合方式时，耦合交流分量，隔离输入信号的直

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流分量，是屏幕上显示的信号波形位置不变直流电平的影响。

GND：

再次位置时垂直放大器输入端接地。

DC：

在此耦合方式时，输入信号直接加到垂直放大器输入端，其中包括直流成分。

、

位移/直流偏量（POSITION）（PULLDCOFFSET）

位移用于调节屏幕上Y1信号垂直方向的位移。

顺时针旋转扫描线上移，逆时针旋转扫描线下移。

拉出此旋钮可测得显示波形各部分的幅值（通常这个旋钮是按进去的）。

位移/拉一倒相（POSITION）（PULLINVERT）

位移用于调节屏幕上Y2信号垂直方向的位移。

拉出旋钮，输入到Y2的信号极性被倒相。

当仪器处于（Y1）+（Y2）的方式时，利用该功能即可得到（Y1）－（Y2）的信号差。

、

直流平衡调节控制（DCBAL）

用于直流平衡调节，方法如下：

a．置Y1和Y2输入耦合开关接地，置触发方式开关为自动，然后移扫描线到刻度中心（垂直方向）。

b．将V/DIY开关在5mV和10mV档之间变换，调直流平衡，直至扫描线无任何位移即可。

工作方法开关（MODE）

用于选择垂直偏转系统的工作方式。

Y1：

只有加到Y1通道的信号能显示。

Y2：

只有加到Y2通道的信号能显示。

交替（ALT）：

加到Y1和Y2通道的信号能交替显示在荧光屏上，这个工作方式通常用于观察加在两通道上信号频率较高的情况。

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断续（CUOP）：

在这个工作方式时，加到Y1和Y2的信号受约250kHz自激振荡电子开关的控制，同时显示在荧光屏上。

这个方式用于观察两通信号频率较低的情况。

相加（AD）：

显示加到Y1和Y2上信号的代数和。

内触发选择开关（INTTRIG）

本开关是用于选择不同的内触发信号源。

Y1：

取加到Y1的信号作触发信号。

Y2：

取加到Y2的信号作触发信号。

组合方式（VERTMODE）：

用于同时观察两个波形，同步触发信号交替取自Y1和Y2。

接地端（GND）

三垂直偏转因数和水平偏转因数

1.垂直偏转因数选择（VOLTS／DIV）和微调单位输入信号作用下,光点在屏幕上偏移的距离称为偏移灵敏度,这一定义对X轴和Y轴都适用。

灵敏度的倒数称为偏转因数。

垂直灵敏度的单位是为cm/V,cm／mV或者DIV／mV,DIV／V,垂直偏转因数的单位是V／cm,mV／cm或者V／DIV,mV／DIV。

实际上因习惯用法和测量电压读数的方便,有时也把偏转因数当灵敏度。

双踪示波器中每个通道各有一个垂直偏转因数选择波段开关。

一般按1,2,5方式从5mV／DIV到5V／DIV分为10档。

波段开关指示的值代表荧光屏上垂直方向一格的电压值。

例如波段开关置于1V／DIV档时,如果屏幕上信号光点移动一格,则代表输入信号电压变化1V。

每个波段开关上往往还有一个小旋钮,微调每档垂直偏转因数。

将它沿顺时针方向旋到底,处于“校准”位置,此时垂直偏转因数值与波段开关所指示的值一致。

逆时针旋转此旋钮,能够微调垂直偏转因数。

垂直偏转因数微调后,会造成与波段开关

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的指示值不一致,这点应引起注意。

许多示波器具有垂直扩展功能,当微调旋钮被拉出时,垂直灵敏度扩大若干倍（偏转因数缩小若干倍）。

例如,如果波段开关指示的偏转因数是1V/DIV,采用×5扩展状态时,垂直偏转因数是0．2V／DIV。

在做数字电路实验时,在屏幕上被测信号的垂直移动距离与+5V信号的垂直移动距离之比常被用于判断被测信号的电压值。

2.时基选择（TIME／DIV）和微调时基选择和微调的使用方法与垂直偏转因数选择和微调类似。

时基选择也通过一个波段开关实现,按1、2、5方式把时基分为若干档。

波段开关的指示值代表光点在水平方向移动一个格的时间值。

例如在1μS／DIV档,光点在屏上移动一格代表时间值1μS。

“微调”旋钮用于时基校准和微调。

沿顺时针方向旋到底处于校准位置时,屏幕上显示的时基值与波段开关所示的标称值一致。

逆时针旋转旋钮,则对时基微调。

旋钮拔出后处于扫描扩展状态。

通常为×10扩展,即水平灵敏度扩大10倍,时基缩小到1／10。

例如在2μS/DIV档,扫描扩展状态下荧光屏上水平一格代表的时间值等于2μS×（1/10）=0.2μS。

四.李萨如图，用李萨如图测量信号频率

把两个正弦信号分别加到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。

这种曲线称为李萨如图，如图7所示。

【实验仪器】：

双踪示波器，函数信号发生器

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图7李萨如图形

【实验步骤】

1.操作前先熟悉面板上各旋钮的位置和功能，首先将各旋钮置于左右可调的中间位置。

打开电源开关，预热20秒后进行操作。

将信号源的正弦波输出与示波器的CH1通道相连，将示波器的输入信号耦合置“AC”，按下“CH1”键，适当调整CH1通道的灵敏度和扫描频率，如果波形不稳定，适当调节电平，直到出现稳定的正弦波形，并记录该波形。

2.按上面的方法分别观察记录一定频率的方波和三角波。

4.首先确定垂直微调增益处于“校准”位置，然后测算出从波峰到波谷信号所占据的垂直格数。

最后记录垂直衰减器旋钮的档位设定值与探头的衰减倍数。

则信号峰-峰值电压为：

VP-P=垂直格数×档位设定值×衰减倍数。

同样确定水平微调增益处于“校准”位置，然后测算出信号一个完整周期所占据的水平格数。

最后扫描时间旋钮档位设定值。

则信号周期为：

T=水平格数×档位设定值。

3.将“CH1”和“CH2”同时按下，并选择“X-Y”方式，将信号源选择正弦波输出，接CH1通道，改变其频率，观察李萨如图形，记录下来，计算各个图形下信号源正弦波的频率，已知CH2通道正弦信号频率为50Hz.

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【数据记录和数据处理】

1）观察记录波形：

正弦波、三角波、方波。

画在实验手册上；

2）用函数信2）用函数发生器产生一正弦波用示波器观察并记录，计算信号峰－峰值VP-P、频率f、周期T；

3）观察教材给出的6个李萨如图形，记录在实验手册上，根据

分别计算每一个信号的频率

【注意事项】

1、荧光屏上光点（扫描线）亮度不可调得过亮，并且不可将光点（或亮线）固定在荧光屏上某一点时间过久，以免损坏荧光屏。

2、示波器和函数信号发生器上所有开关及旋钮都有一定的调节限度，调节时不能用力太猛。

3、双踪示波器的两路输入端Y1、Y2有一公共接地端，同时使用Y1和Y2时，接线时应防止将外电路短路。

【思考题】

1）为什么示波器的扫描信号必须是锯齿波？

提示：

以正弦波信号的观察为例来讨论，设正弦波

（1），扫描信号为

（2），示波器上显示的图形为电子的运动轨迹，应该为一正弦波，振幅为A，其数学表达式为

（3），比较

（1）式和（3）式得：

，显然，扫描信号在一个周期内的变化是线性的，信号呈锯齿状。

2）若示波器一切正常，但开机后看不见光迹和光点，可能的原因有那些？

提示：

可能的原因有：

辉度不够；上下调节不到位；左右调节不到位。

3）若发现示波器上的图形向右运动，扫描信号的频率与待测电信号的频率有什么关系？

提示：

扫描信号的频率大于待测电信号的频率。

中原工学院理学院教案专用纸第12页

4）如何使用示波器测量两个频率相同的正弦信号的相位差？

提示：

两正弦信号分别接入“X输入”和“Y输入”，按下“CH1”和“双踪”按钮，然后选择“断续”，“扫描频率旋钮”选择扫描方式。

记录两个波形在水平轴上的交点间的间隔时间t，若正弦信号的频率为f，则它们的相位差为

。