用示波器测量信号的电压及频率.docx
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用示波器测量信号的电压及频率
用示波器测量信号的电压及频率
长江大学马天宝应物1203班
1、示波器和使用
-【实验目的】
1．了解示波器的大致结构和工作原理。
2．学习低频信号发生器和双踪示波器的使用方法。
3．使用示波器观察电信号的波形，测量电信号的电压和频率。
【实验原理】
一、示波器原理
1．示波器的基本结构
示波器的种类很多，但其基本原理和基本结构大致相同，主要由示波管、电子放大系统、扫描触发系统、电源等几部分组成，如图所示。
（1）示波管
示波管又称阴极射线管，简称CRT，其基本结构如图所示，主要包括电子枪、偏转系统和荧光屏三个部分。
电子枪：
由灯丝、阳极、控制栅极、第一阳极、第二阳极五部分组成。
灯丝通电后，加热阴极。
阴极是一个表面涂有氧化物的金属圆筒，被加热后发射电子。
控制栅极是一个顶端有小孔的圆筒，套在阴极外面，它的电位相对阴极为负，只有初速达到一定的电子才能穿过栅极顶端的小孔。
因此，改变栅极的电位，可以控制通过栅极的电子数，从而控制到达荧光屏的电子数目，改变屏上光斑的亮度。
示波器面板上的“亮度”旋钮就是起这一作用的。
阳极电位比阴极高得多，对通过栅极的电子进行加速。
被加速的电子在运动过程中会向四周发散，如果不对其进行聚焦，在荧光屏上看到的将是模糊一片。
聚焦任务是由阴极、栅极、阳极共同形成的一种特殊分布的静电场来完成的。
这一静电场是由这些电极的几何形状、相对位置及电位决定的。
示波器面板上的“聚焦”旋钮就是改变第一阳极电位用的，而“辅助聚焦”就是调节第二阳极电位用的。
偏转系统：
它由两对互相垂直的平行偏转板——水平偏转板和竖直偏转板组成。
只有在偏转板上加上一定的电压，才会使电子束的运动方向发生偏转，从而使荧光屏上光斑的位置发生改变。
通常，在水平偏转板上加扫描信号，竖直偏转板上加被测信号。
荧光屏：
示波管前端的玻璃屏上涂有荧光粉，电子打上去它就会发光，形成光斑。
荧光材料不同，发光的颜色不同，发光的延续时间（余辉时间）也不同。
玻璃屏上带有刻度，供测量时使用。
（2）电子放大系统
为了使电子束获得明显的偏移，必须在偏转板上加上足够的电压。
被测信号一般比较弱，必须进行放大。
竖直（Y轴）放大器和水平（X轴）放大器就是起这一作用的。
（3）扫描与触发系统
扫描发生器的作用是产生一个与时间成正比的电压作为扫描信号。
触发电路的作用是形成触发信号。
当示波器工作在“自激”方式时，扫描发生器始终有扫描信号输出；当示波器工作在“DC”或“AC”方式时，扫描发生器必须有触发信号的激励才产生扫描信号。
一般地，示波器工作在内触发方式，触发信号由被测信号产生，以保证扫描信号与被测信号同步。
当示波器工作在外触发方式时，触发信号由外部输入信号产生。
2．波形显示原理
如果只在竖直偏转板上加一正弦信号，则电子束的亮点将随电压的变化在竖直方向来回运动；如果频率较高，则看到的是一条竖直亮线，如图所示。
要能显示波形，应使电子束在水平方向上也要有偏移，这就必须同时在水平偏转板上加扫描电压。
扫描电压的特点是其幅值随时间线性增加到最大，又突然回到最小，此后再重复变化。
在扫描信号的作用下，光点从左向右运动到最大位移，再突然回到左端起点，开始下一周期。
我们把这一过程称为扫描。
扫描电压的变化曲线形同锯齿，如图所示，所以称为锯齿波。
如果只有扫描信号加在偏转板上，在频率足够高时，屏上只能看到一条水平亮线。
如果在竖直偏转板（称Y轴）上加正弦电压，水平偏转板（称X轴）上加锯齿波电压，光点的运动将是两互相垂直运动的合成。
若锯齿波电压的周期与正弦波电压的周期相等或锯齿波电压的周期稍大，则屏上将显示一个完整周期的波形，如图所示。
当正弦波与锯齿波的周期稍微不同时，则在下一扫描周期显示的波形与本次扫描周期显示的波形不能重叠，如图所示，这样，在屏上看到的就是移动着的不稳定图形。
欲使前后两个扫描周期内的波形重合，使波形稳定，解决的办法有两个：
（1）使锯齿波的周期等于正弦波的周期的整数倍，即Tx=nTy，此时，示波器上显示n个完整的正弦波形。
示波器面板上的“扫描微调”旋钮就是用来调节锯齿波的周期，使之满足上述关系的。
（2）使扫描电压的起点自动跟随Y轴信号改变。
这可以通过触发信号的激励作用来做到，即通过由Y轴信号所形成的触发信号使扫描信号在Y轴信号回到起点时自动回到起点。
这种使扫描信号的周期等于被测信号的周期或扫描信号的起点自动跟随Y轴信号改变的现象称为“同步”（或整步）。
一般示波器只有一个电子枪，要能在屏上同时显示两路信号的图像，必须在人眼的视觉暂留时间内分别显示两波形在屏上不同的位置，这是通过电子开关来完成的。
电子开关是一个自动的快速单刀双掷开关，它把Y1通道和Y2通道的信号轮流送入Y轴放大器，在屏上轮流显示。
由于视觉暂留，观察者可以同时看到两路波形，即双踪显示。
双踪显示有“交替”和“断续”两种方式。
“交替”方式是在本次扫描时显示Y1通道信号，下次扫描时显示Y2通道信号，反复进行。
“断续”方式是在每次扫描中，高速轮流显示Y1通道和Y2通道的信号，以虚线显示在屏上。
由于虚线密集，使图形看起来连续。
二、测量原理
1．测量信号的电压和周期
用示波器测量信号的电压，一般是测量其峰—峰值Upp，即信号的波峰到波谷之间的电压值。
在选择适当的通道偏转因数和扫描时基因数后，只要从屏上读出峰—峰值对应的垂直距离Y（cm）和一个周期对应的水平距离X（cm），即可求出信号的电压和周期。
（）
（）
正弦信号的有效值Ueff和峰—峰值Upp的关系为
（）
有时，被测信号电压比较高，必须经过衰减后才能输入示波器的Y通道。
衰减倍数用分贝数表示，其定义为
（）
式中，U0为未衰减时的信号电压值，U为示波器测得的衰减后的电压值。
根据衰减的分贝数和示波器测得的值U，就可得到被测信号的电压值。
2．测量信号的频率
（1）李萨如图形
设两个互相垂直的振动为
式中，f1、f2为两振动的频率，?
1、?
2为两振动的初相。
当f1=f2时合成振动的轨迹方程为
（）
（）式是一个椭圆方程。
当?
2-?
1=0或±?
时，椭圆退化为一条直线；当?
2-?
1=±?
/2时，合成轨迹为一正椭圆。
当f1≠f2时，合成振动的轨迹比较复杂，但当f1与f2成简单的整数比时，合成振动的轨迹为封闭的稳定几何图形，这些图形称为李萨如图形，如图所示。
从图形中，人们总结出如下规律：
如果作一个限制光点在x，y方向运动的假想矩形框，则图形与此矩形框相切时，横边上的切点数nx与竖边上的切点数ny之比恰好等于两振动的频率之比，即
或
因此，若已知其中一个信号的频率，从李萨如图形上数得切点数nx和ny，就可以求出另一待测信号的频率。
（2）拍
设两个同方向的简谐振动为
选某一时刻两振动相位相同时作为计时起点，则?
2=?
1=?
，若两振动的振幅也相同（A1=A2=A），则合成振动可以表示为
当f1与f2的差值远小于f1、f2时，合成振动的振幅▕2Acos[π（f2-f1）t]▏随时间缓慢地呈周期性变化，这种现象称为拍，振幅变化的频率叫拍频
（）
图所示为拍的形成的示意图，其中，t=0时，y1与y2的相位差为π。
如果信号频率f1已知且连续可调，则通过改变f1观察拍频的变化，可以判断出待测信号频率f2是大于f1还是小于f1，然后根据测得的拍频f3和（7）式就可求出待测信号的频率。
【实验仪器】
DF4320型双通道示波器，EE1641B函数信号发生器，连接线若干
一、DF4320型双通道示波器
DF4320型双通道示波器的面板图入图所示，各部件名称及作用介绍如下：
1、亮度（intensity）：
用于调节光点亮度。
2、聚焦（focus）：
用于调节光点大小。
3、轨迹旋转（tracerotation）：
可调节波形与水平刻度线的角度。
4、电源指示灯（powerindicator）
5、电源开关（power）
6、校准信号（probeadjust）：
提供、频率为1kHz的方波信号。
7、8．垂直移位（verticalposition）旋钮：
改变波形的在屏上的竖直位置。
9．垂直方式按钮（verticalmode）：
共5个按钮。
按下CH1或CH2时，单独显示通道1或通道2的信号；按下ALT时，两个通道交替显示；按下CHOP时，示波器处于断续工作方式；按下ADD时，显示两个通道信号的代数和。
10．通道2极性（CH2NORM/invert）：
改变通道2信号的极性。
当垂直方式置“ADD”时，选择“NORM”，屏上显示两通道信号的和；选择“invert”,屏上显示两通道信号的差。
11、12．电压衰减（volts/div）旋钮：
即偏转因数。
用于调节垂直偏转灵敏度，它指示竖直方向每厘米代表的电压值。
对于一定的输入信号，调节它，可改变波形在竖直方向的幅度。
13、14．微调（variable）旋钮：
用于连续调节垂直偏转灵敏度。
15、16．耦合方式（AC-GND-DC）按钮：
输入信号的耦合方式。
置“AC”时，交流输入，直流成分被隔断；置“DC”时，直流输入；置“GND”时，接地，输入零信号。
17、18．通道1（CH1ORX）和通道2（CH2ORY）信号输入插孔。
19．水平移位（horizontal）旋钮：
调节它可使波形水平移动。
20．电平（level）旋钮：
用来调节被测信号在某一电平触发扫描。
21．触发极性（slope）：
用于选择触发信号的上升沿或下降沿去触发扫描。
22．扫描方式（sweepmode）按钮：
选择“AUTO”（自动）时扫描发生器自动工作，屏上始终有扫描线；选择“NORM”（常态）时，必须有触发信号扫描发生器才有扫描信号输出；选择“SINGLE”（单次）时，触发信号只触发一次扫描，下次扫描需再按动一次该键。
23．被触发或准备指示灯（trig’dready）：
在被触发扫描时，指示灯亮；在单次扫描时，指示灯亮表示扫描电路在触发等待状态。
24．扫描速率（sec/div）旋钮：
即扫描时基因数。
用于调节扫描速度，其数值的倒数即扫描速率。
它指示水平方向每厘米代表的时间值，其范围从μs/div到div。
25．扫描微调、扩展（variablepull×5）旋钮：
用于连续调节扫描速度。
当旋钮被拉出时，扫描速度扩大5倍。
在测量时间（周期）时，该旋钮应关上。
26．触发源（triggersource）按钮：
用于选择产生触发的源信号。
有四种方式选择：
CH1、CH2、LINE、EXT。
在单踪显示时，无论选择CH1还是CH2，触发信号都来自被显示的通道。
27．触发耦合（coupling）按钮。
有“AC/DC”和“TV”
28．接地（⊥）。
29．外触发输入（EXTinput）插座
30．Z轴输入（Zaxisinput）亮度调制信号输入插座
31．电源插座
32．电源设置
33．保险丝座
二、EE1641B函数信号发生器
EE1641B函数信号发生器可以输出频率在─2MHz的正弦波、三角波、方波信号等，其面板图如图所示，各部件的作用如下：
1．频率显示窗口：
显示输出信号频率值（或外测频值）。
2．信号幅度显示窗口：
显示输出信号的幅度值。
3．扫描宽度调节旋钮：
调节它，可以改变内扫描时间的长短。
4．速率调节旋钮：
用以调节扫频输出的扫频范围。
5．外部输入插座：
外扫描控制信号或外测频信号输入端。
6．TTL信号输出端：
输出标准TTL脉冲信号，输出阻抗为600Ω。
7．函数信号输出端：
1MΩ负载时，输出20Vp-p，50Ω负载时，输出10Vp-p。
8．函数信号输出幅度调节旋钮。
9．函数输出信号直流电平预置调节旋钮
10．波形对称性调节旋钮：
调节它可改变输出波形的对称性。
当它置于“OFF”时，输出对称波形。
11．输出衰减旋钮：
有20dB和40dB两档选择。
12．输出波形选择：
用来选择输出信号的波形。
13．“扫描/计数”按钮，用于选择扫描方式和外测频方式。
14．频段选择：
选择输出信号的频段，每按压一次，改变一个频段。
15．频率调节：
调节输出信号的频率。
16．电源开关
【实验内容】
1．使用练习
（1）开机准备。
开机前，把示波器面板上的旋钮调到如下位置
亮度（intensity）旋钮居中
聚焦（focus）旋钮居中
垂直移位（verticalposition）旋钮居中
水平移位（horizontal）旋钮居中
垂直方式（verticalmode）按钮CH1
扫描方式（sweepmode）按钮自动
扫描速率（sec/div）旋钮到底
扫描微调、扩展（variablepull×5）旋钮关（顺时针）
触发耦合（coupling）按钮AC常态
触发源（triggersource）按钮CH1
触发极性（slope）上升沿
输入耦合（AC-GND-DC）DC
（2）打开电源开关，电源指示灯亮，稍等预热，屏上出现亮点。
分别调节亮度和聚焦旋钮，使光点亮度适中、清晰。
（3）观察交流信号波形。
打开信号发生器电源开关，将其输出接CH1。
调信号发生器频率为1kHz，输出电压调为，输出衰减置20dB，CH1通道偏转因数旋钮（volts/div）调为div，扫描速率（sec/div）旋钮调为cm，观察示波器上的波形。
若波形不稳定，调节电平旋钮使之稳定。
将扫描速率（sec/div）旋钮改为cm，再观察示波器上的波形。
2．测量信号的电压与周期
（1）校准。
将校准信号（probeadjust）接入CH1，偏转因数置cm，扫描速率（sec/div）旋钮调为cm，观察信号幅度（5cm）及信号一个周期的长度（2cm）值是否正确？
若不正确，请老师校准。
（2）测量。
按前述（3）调好信号发生器，CH1通道偏转因数（volts/div）置为50mV/div，选择合适的扫描速率（sec/div）值，使屏上刻度范围内出现一个完整波形，记下信号峰-峰值长度Y和一个周期的长度X。
3．观察李萨如图形，测信号频率。
（1）将待测信号输入CH1通道，使示波器显示出信号波形，并估算其频率大致值。
（2）将标准已知频率信号输入CH2通道，扫描速率（sec/div）旋钮置X-Y（逆时针到底），调节信号幅度或改变通道偏转因数，使图形不超出荧光屏视场。
（3）根据待测信号频率的粗测值，调节CH2通道信号的频率，使示波器屏上分别出现=1:
1、1:
2、2:
3、3:
4的李萨如图形。
描下李萨如图形，并记下相应的CH2通道信号的频率值fx。
4．用“拍”现象测正弦信号的频率
（1）将待测信号输入CH1通道，垂直方式（verticalmode）选CH1，选择适当的偏转因数和扫描速率，使屏上出现合适的稳定的正弦波图形估算信号的大致频率。
（2）将可调标准信号源信号输入CH2通道，垂直方式（verticalmode）选CH2，调节信号源，使其输出信号的频率和幅度与待测信号的大致相同。
（3）垂直方式选ADD，通道2极性选NORM，扫描速率调到合适值。
调可调标准信号源信号频率，使屏上出现稳定的“拍”波形。
记下此时一个“拍”波形的长度X1、标准信号源频率f1和扫描速率值。
缓慢改变标准信号源频率，得到另一稳定的“拍”波形，记下此时一个“拍”波形的长度X2、标准信号源频率f2和扫描速率值。
注意事项：
1．不要使光点过亮，特别是光点不动时，应使亮度减弱，以免损伤荧光屏。
2．动旋钮和按键时必是有的放矢，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。
3．测信号周期时，一定要将扫描微调、扩展（variablepull×5）旋钮（顺时针）关上。
【数据处理】
1．正弦信号电压与周期测量数据表
表4-22
信号发生器
示波器
测量结果
频率（Hz）
电表
示数
（V）
输出
衰减
（dB）
输出
电压
（V）
偏转因数
（V/
cm）
Y
（cm）
Upp
（V）
扫描
速率
（ms/
cm）
X
（cm）
T
（ms）
Ueff
（V）
T
（ms）
2．用李萨如图形测正弦信号频率
表4-23
nx：
ny
李萨如
图形
nx
ny
fx（Hz）
fy（Hz）
3．用“拍”现象测正弦信号的频率
表4-24
标准信号频率
（Hz）
扫描速率
（ms/cm）
拍长度X
（cm）
拍周期T3
（ms）
拍频f3
（Hz）
测量结果fx
（Hz）
1
2
【预习思考题】
1．观察波形的几个重要步骤是什么？
2．如果用正弦信号做扫描波，那么，正弦信号在屏幕上显示的波形是怎样的？
3．如果打开示波器电源后，看不到扫描线也看不到光点，可能有那些原因？
【实验后思考题】
1．如何测定扫描波的频率？
2．能否用示波器测市电的频率？
3．如何用示波器测量两正弦信号的相位差？
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