|
|
发表于 2009-12-7 09:25:03
|
|阅读模式
一， 示波器的作用
示波器是一种用途很广的电子测量仪器。利用它可以测出电信号的一系列参数，如信号电压（或电流）的幅度、周期（或频率）、相位等。
二， 示波器的原理简述
通用示波器的结构包括垂直放大、水平放大、扫描、触发、示波管及电源等六个部分，方框图如图1所示。
图1示波器结构方框图
现将各部分的主要作用简述如下:
1. 电子示波管
如图2.1.2所示,它主要由电子枪、偏转系统、荧光屏三部分组成。电子枪包括灯丝、阴极、栅极和阳极。偏转系统包括Y轴偏转板和X轴偏转板两部分，它们能将电子枪发射出来的电子束，按照加于偏转板上的电压信号作出相应的偏移。荧光屏是位于示波管顶端涂有荧光物质的透明玻璃屏，当电子枪发射出来的电子束轰击到屏时，荧光屏被击中的点上会发光。
2. 水平(X)、垂直（Y）放大器
电子示波管的灵敏度比较低，假如偏转板上没有足够的控制电压，就不能明显地观察到光点的移位。为了保证有足够的偏转电压，必须设置放大器将被观察的电信号加以放大。
3. 扫描发生器
它的作用是形成一线性电压模拟时间轴,以展示被观察的电信号随时间而变化的情况。
图2电子示波管结构图
4. 波形的形成
在正常情况下, 荧光屏光点的相对移位是和输入到示波器X轴或Y轴上的电压成正比的。例如,一正弦信号电压Uy = sinωt,如图2.1.3(a) 所示。图中Y轴表示电压的大小，X轴表示时间，现把Uy 送至示波器的Y轴偏转板上，荧光屏上看到的是一根竖着的直线。这可以从图2.1.3中来理解：当to时，Y轴偏转板上的电压Uy 为零，光点无偏移地停在荧光屏O点处。当t1时，Uy 正向增大， 光点偏移至A点。t2时，Uy 达到正向最大值，光点偏移至B点。t3时,Uy 下降，但仍然是正电压，光点回到A点。t4时，电压为零，光点回到原点。可见，光点移动距离与所加电压成正比，故可用来测量电压幅值。
图.3 正弦波
同理，在负半周，t5、t6、t7、t8各时刻光点相继经过C、D、C、O各点。
上述正弦波电压持续加在垂直偏转板上，光点不断地上下来回移动，只要移动速度足够快，利用视觉暂留效应，在荧光屏上看到的将是一根竖着的直线，如图2.1.3(b) 所示。
为了显示正弦波形，在示波器的水平偏转板上需要加线性变化的锯齿波信号电压。如果Y轴偏转板上无信号，单独在X轴偏转板上加锯齿波电压，则荧光屏上也观测到一条直线，只是成水平直线，其形成过程如下：
在 时， 是负电压，光点在荧光屏上的A点，此后，电压直线上升。当 时，光点移到 B点。 时，电压上升到零值，光点在中心C点处。当 时，光点移到 D点。 时，电压上升到最大值，光点达到E点。然后电压迅速退回到负值，光点也就由E点迅速回到A点，如此不断反复，荧光屏上可以观察到一条水平直线，如图4 所示。
图.4 锯齿电压波
如果将被观察的正弦波电压Uy 加在Y轴偏转板上,同时又将扫描电压Ux加在X轴偏转板上,使正弦波的频率与扫描电压波的重复频率相等,那么在荧光屏上就能观察到一个完整的正弦波, 如图2.1.5 所示。其合成过程如下:
在t0时，Uy ＝0，Y轴方向无偏移，而Ux为负值，光点沿X轴向右偏移，位于荧光屏上的A点。在t1时，Uy上升，光点向上移，同时Ux也上升，光点又要向右移，合成结果使光点移至荧光屏上的B点。以后，在t2 、t3 、t4 各时刻，光点相继沿C、D、E各点移动。t4 以后，由于 迅速返回至原始状态，光点将从E点迅速返回A点。接着正弦波重新开始第二个周期，扫描电压开始第二次扫描，荧光屏上呈现与第一次相重叠的正弦波形。如此不断重复，荧光屏上可观察到一个稳定的正弦波。
上述两者是在频率相同情况下，荧光屏显示出一个周期的正弦波。如果正弦波频率 是扫描波重复频率 的二倍时，即 fy=2fx ，则在荧光屏上看到的将是2个周期的正弦波，从而可知，当 = n 时，在荧光屏上将呈现出n个周期的正弦波。
可以设想，如果fy 与fx 不是成整数倍的关系（n不是整教），波形就不能完全重叠。为了解决这个问题, 通常是把输入Y轴的信号电压作用在扫描发生器上，使扫描频率fy 跟随信号频率fx 作些微小改变，以保持fy与fx成整数倍关系，这个作用称之为"同步"。现代示波器中经常采用的是"触发同步"，所"触发同步"，是当输入Y轴的信号电压瞬时值达到一定幅值时，触动扫描发生器，产生一个锯齿波电压。这个锯齿波扫描结束后，扫描发生器将处于等待下次触发信号的状态。可见，扫描电压的起始点与输人信号电压的某一瞬时保持同步，保证了波形的稳定。
图.5 单周波的合成过程
三、实验仪器设备
名 称 参考型号 数量 用 途
示波器 COS5020B 1 观察信号波形
低频信号发生器 XD2 1 信号源
晶体管毫伏表 DA16B 1 测电压（有效值）
四、练习内容及方法
1.按示波器说明书要求（参阅 6.4有关示波器的使用说明）认清示波器各控制旋钮的位置和作用。开启电源，调节辉度、聚焦、水平和垂直移位，将同步极性开关、扫描（电压）t／cm和电平、稳定度等旋钮置于适当位置，使荧光屏上呈现一条清晰的水平线。反复练习上述操作，以求熟练。
2.电压测量
（1）测量前校准。校准要求和方法因使用不同的示波器而各不相同，具体步骤请参阅6.4中的有关说明。
（2）交流电压Vp－p测量
①将示波器的耦合选择开关置"AC"。低频信号发生器输出电压为0.2V（有效值）,频率为f=1kHz的音频信号，送入Y轴。
②根据被测信号的幅度和频率，合理选择Y轴衰减和X轴时基档级开关，并调节电平旋钮，使波形稳定如图6所示。
图.6 Y轴灵敏度X轴时基校准
③读出被测信号Vp-p
例：如果荧光屏上波形的峰-峰值为Ddiv(设D=3), Y轴灵敏度为0.02V/div,则测得
Vp-p = 0.02V/div×Ddiv = 0.02D(V)
= 0.2×3(V) = 0.6(V)
式中0.02V/div是示波器无衰减的灵敏度,即每格代表20mv;D为被测量信号在Y轴方向峰-峰之间距离，单位为格（即div）。
④令低频信号发生器输出电压分别为1 v ,2 v ,3 v ,4 v ,5 v , f = 1KHZ ,测量其相应的电压峰-峰值Vp-p 。并填入表2.1.1
表2.1.1
输出电压（v） 1 2 3 4 5
D (div)
A（ v/div）
Vp-p
⑤用示波器测量低频信号发生器的幅频特性曲线
测量时，先将低频信号发生器输出衰减置于0dB档，在输出信号频率为1kHZ的情况下，调节输出微调电位器，使低频信号发生器的指示电压表的指针指在中间，然后保持输出微调电位器不变。改变低频信号发生器的输出频率，使其分别为20HZ，50HZ，100HZ，200Hz，1kHz,1.5kHz,2.5kHz,5kHz,10kHz，……，用示波器测出相应的电压Vp-p，同时记下相应的低频信号发生器电表指示值Ve（有效值）, 填入表2.1.2中，从而绘出幅频特性曲线：Vp-p～㏒f 及Ve～㏒f
表2.1.2
低频信号发生器f信( Hz ) 20 50 100 200 1k 1.5k 2.5k 5k 10k ...
Vp-p （V）
Ve （V）
3. 时间测量
时间测量是指X轴读数,量程由X轴的时基扫描速度开关"t/div"决定。
（1）测量前校准
方法与步骤请参阅6.4示波器的使用说明。
图7交流幅度测量 图8 时间测量
（2）测量信号波形任意两点间的时间间隔t。
将被测信号送入Y轴，调节有关旋钮，使其在荧光屏上呈现稳定波形，如图2.1.8所示，然后 测量P、Q两点的时间间隔t。
①．测出P、Q间在屏幕X轴上的距离B(div)。
②．记录"t／div"扫描档级指示值，如为"A（ms/div）"。
用公式t ＝ A（ms/div）× B（div）= A× B（ms），计算时间间隔。
例如：若测得B = 5div，而"t／div"指在0.1（ms／div）时，则
t = 0.1（ms／div）× 5（div）= 0.5（ms）
表明图2.1.8中P、Q两点间的时间间隔是0.5毫秒
4. 频率测量
（1）用X轴时基（t／div）测量
利用f=1/T 关系，先按时间测量方法，测出周期T,即可求出频率。
根据表2.1.3所给数据，改变低频信号发生器的输出频率分别为50、100、200、……、分别测量波形中相邻峰-峰（或谷一谷）之间在屏幕上的距离 B（div），并将B和A(t/div)值填人表表
2.1.3中，计算出相应的T和f校。
（2）用李沙育法测量
若有二个不同频率的信号，分别同时加入示波器X轴和Y轴输入端，如图2.1.9所示。在屏幕上显示的图形将取决于不同频率比及初相如图2.1.10和图2.1.11所示。
表2.1.3
低频信号发生器 ( Hz ) 50 100 200 300 500 1K 5K 10K 15K 20K
一周的间距B(div)
A(t/div)
T = A(t/div) B(div)
f校=( Hz )
图.9 李沙育法图形法测试仪器连接
图.10 频率比为1不同相位差的李沙育法图形
在李沙育法图中确定频率比值的方法，是在图形中的水平与垂直方向上作两条互相垂直的直线，这两条直线都不通过李沙育法图形中的任何一个交点，设水平线与李沙育法图形的交点数为 ，垂直线与李沙育法图形的交点数为 ，则两个交点数之比与频率比有如下关系
假设 是已知的频率，由上式可以确定被测的频率：
图11 不同频率比的李沙育法图形
以电源频率为标准从X轴输入，将被测频率的信号输入Y轴，校测低频信号发生器的低段频率刻度：
表2.1.4
低频信号发生器 ( Hz ) 25( Hz ) 50( Hz ) 100( Hz ) 150( Hz ) 200( Hz ) 250( Hz ) 300( Hz )
f校=1/T ( Hz )
5.相位测量
在许多场合下，可利用示波器测量某一电路的相移。例如一正弦波电流通过一个RC电路，测量它的电压与电流之间相位关系。假设交流电压和电流分别为
则相移
（1） 直接比较法
按图2连接电路。同时将A端、B端电压分别送入双踪示波器之X轴和Y轴,若A信号电压在屏幕上显示的周期宽度在X轴上刻度为X div值。读测A信号电压与B信号电压两个相应特定点P、P′的间距D div，则两信号电压之间的相移为θ=(D/X)* 360°
图12 测相位连接电路
图13测量相位差
如图.13所示。
（2） 李沙育图形法
将A信号送入X轴，B信号送入Y轴，将时基扫描速度开关"t/div"置于"X-Y"档，如图2.1.13所示。分别控制输入信号幅度及示波器的V/div档级，使图形约占示波器屏幕有效面积的1/3。若李沙育图形在X轴上的截距为b，在X轴上的最大偏移为a。则两信号电压之间的相移为
θ= arcsin(b/a)
为了减少测量误差，可按图14所示用2a、2b值计算
图14李沙育法图形
五，总结
1.总结如何正确使用示波器。
2.作出低频信号发生器的幅频特性Vp-p～㏒ (或 Ve～㏒ )和频率校正曲线 f信～f校。
3.测出 F= 1KHz下的R(10KΩ)、C(0.01μF)电路的相移，并与计算值比较。
六、思考题
1.欲测量信号波形上任意两点间的电压应如何测量？
2.若被测信号频率远大于示波器锯齿波扫描频率，则示波管屏幕上将呈何波形？反之又如何？
资料来源 网络 本人编辑 |
|
IP卡
狗仔卡
