实验十一 示波器的原理和使用.doc

实验十一示波器的原理和使用
示波器是用来直接显示、观察和测量电压波形及其参数的电子仪器。一切可转化为电压的电学量(如电流、电阻等)和非电学量(如温度、压力、磁场、光强等),它们的动态过程均可用示波器来观察和测量。所以,示波器是用途极为广泛的一种通用现代测量工具。
[实验目的]
(电偏转、扫描、同步);
;
、时间[间隔](或频率、相位差)。
[实验原理]
示波器的结构原理
示波器的规格和型号很多,但不管什么示波器都包括图11—1所示的几个基本组成部分: 示波管、电压放大器(X、Y方向)、同步扫描系统和直流电源等。
示波管
电源供给
X
轴输入
X
Y
Y
X
同步扫描电路
Y轴输入
Y
A
Y
B
关
开
子
电
路
电
大
放
直
垂
路
电
大
放
平
水
图11—1 示波器的方框原理图
示波管
示波管是示波器的核心,由电子枪、偏转板和荧光屏三部分组成,其内部结构如图11—2所示。
图 11—2 示波管内部结构图
电子枪:阴极被加热发射出大量电子,经聚焦、加速后高速轰击荧光屏,发出荧光。在靠近阴极处设置控制栅极,调节其电位(相对阴极为负电位)来控制电子束流强度,使荧光“辉度”改变。经过栅极的电子流经加速电场加速,并受到第一阳极和第二阳极的电场作用。适当选取第一阳极和第二阳极的电压,就可使电子流成为电子束,且聚焦于荧光屏上。所以,第一阳极又称为聚焦电极,第二阳极又称为辅助聚焦电极,改变其电压过程就称为聚焦调节和辅助聚焦调节。
偏转系统:它由两对相互垂直的偏转板组成,一对为垂直偏转板,另一对为水平偏转板。若两对偏转板上的电压均为零,电子束应打在荧光屏的中心,屏上会出现一个亮点。如在两对偏转板上加以电压,电子束通过电场时,其运动方向会发生偏转。适当改变其大小,就可使电子束打在荧光屏上的亮点出现在荧光屏的任何位置。
荧光屏:屏上涂有荧光粉,电子打上去就会发光,形成亮点。荧光屏前有一块透明的、带刻度的坐标板,供测定光点位置用。为了消除视差,在性能较好的示波管中,将刻度线直接刻在荧光屏玻璃内表面上与荧光粉紧贴在一起,这样光点位置将测量得更准。
(2)电压放大器
示波器的输入分为X、Y通道。双踪示波器有两个Y输入通道(其中有一个通道经控制可加在X偏转板上)。输入信号经过输入衰减器衰减后送至电压放大器放大,其放大量可调。放大后的信号电压加在示波管的相应偏转板上,用以控制亮点在相应方向上的位移。显然,各部分位移的变化规律与相应的输入信号变化规律是一致的。
衰减器的作用是使输入信号衰减,以适应电压放大器的要求,衰减量的大小也作为标定待测信号幅度的尺度。
(3)扫描、同步系统
扫描、同步系统是示波器的关键部分,它的功能是获得锯齿波电压信号,并用Y通道输入信号或外部专用信号去控制锯齿波电压信号的周期,使其为Y通道输入信号周期的整倍数。在一个周期内,锯齿波电压幅度是随时间线性增大的。若将这种电压加在X偏转板上,可使光点匀速地沿X方向从左端向右端作周期性运动,这个过程称为“扫描”。当锯齿波的频率足够高且Y轴无信号时,在荧光屏上将出现一条水平的亮线——时间基线。锯齿电压通过锯齿波发生器获得,其激发方式有两种:一种是“自动”,产生连续锯齿波,称为连续扫描,比较适合于正弦波、对称方波、三角波等;一种是通过触发电路“触发”,产生单个锯齿波,称为触发扫描或等待扫描,适合于观察前后沿很陡的窄脉冲波形。现代通用示波器都具有触发扫描功能。
(4)电源
电源为示波器各部分提供能量。

图11—3锯齿波电压
电压Ux
时间t
如果在Y偏转板上加上一个随时间作正弦变化的电压, ,我们在荧光屏上仅看到一条铅直的亮线,而看不到正弦曲线。只有同时在X偏转板上加上一个与时间成正比的锯齿波电压(见图11—3),才能在荧光屏上显示出信号电压和时间t关系曲线,其原理如图11—4所示。
设在开始时刻a,电压和均为零,荧光屏上亮点在A处,时间由 a到 b,在只有电压作用时,亮点沿铅直方向的位移为,屏上亮点处,而在同时加入后,电子束既受作用向上,同时又受作用向右偏转(亮点水平位移为bBx),因而亮点不在处,而在B处。随时间推移,依此类推,便可显示出正弦波形来。所以,在荧光屏上看到的正弦波曲线实际上是两个相互垂直的运动(和)合成的轨迹。
由上可见,要想观测加在Y偏转板上电压的变化规律,必须在X偏转板上加上锯齿形电压,把产生的垂直亮线“展开”。这个展开过程称为“扫描”,锯齿形电压又称扫描电压。

图11—4示波器显示波形原理

只有被观察信号的周