实验6模拟示波器的使用

实验6 模拟示波器的使用

示波器是一种用途广泛的电子测量仪器，它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象，便于人们研究各种电现象的变化过程。根据示波器对信号的处理方式，可将示波器分为模拟示波器和数字示波器。本实验主要使用模拟示波器。

一、实验目的

1.理解示波器能显示电压随时间变化图形的基本原理；

2.掌握示波器的基本结构，熟悉示波器面板基本功能控制键的作用；

3.能熟练地用示波器观察信号电压的波形；

4.学会用示波器测量交、直流信号电压的峰值和频率。

二、实验仪器

本实验使用的仪器是GOS-6021型双踪示波器，F05型函数信号发生器，实验板等，如图4-6-1所示。

图4-6-1 实验设备实物图

三、仪器介绍

(一)示波器的原理方框图

示波器的规格和型号很多，但不论什么示波器都包含：显示系统、放大与衰减系统、扫描与同步系统等基本部分，简单的原理方框图见图4-6-2。

图4-6-2 示波器的原理方框图

(二)示波管的基本结构及作用

电子示波管（简称示波管）是示波器的核心部件，其基本结构如图4-6-3所示。示波管的外观是一个呈喇叭形的玻璃泡，里面抽成真空。示波管由电子枪、偏转板和荧光屏三个部分组成。

图4-6-3 示波管结构简图

1.电子枪由灯丝（H）、阴极（C）、控制栅极（G）、第一加速阳极（A1）、聚焦电极（F A）和第二加速阳极（A2）等同轴金属圆筒组成。当灯丝（H）通过加热电流，阴极（C）被加热后，筒端氧化物涂层内的自由电子获得较高的动能，从表面逸出。由于阳极电位比阴极高很多，在阴、阳极之间形成强电场，由阴极逸出的电子被电场加速，穿过控制栅极（G）的小孔，以高速度（数量级107m／s）再穿过A1，F A 及A2筒内的限制孔，形成一束电子射线，最后打在荧光屏上显示一个光点。光点的亮度取决于电子束的强度，电子束的强度是由栅极（G）来控制的。栅极（G）相对于阴极（C）为负电位，两者相距很近，其间形成的电场对电子有排斥作用，因而，调节栅极电位的高低，就可以控制电子枪发射并最终打在荧光屏上的电子数量，从而能连续改变屏上光点的亮度。聚焦电极（F A）和第二阳极（A2）之间的电位差形成的电场，类似于光学中的会聚透镜的作用，适当调节两者之间的电位差来调节其间的电场，可使电子射线束正好聚焦于荧光屏上，成为明亮清晰的小圆点。

2.偏转板在电子枪和荧光屏之间装有两对互相垂直的平行板电容器，称为偏转板。一对是水平放置的，是垂直偏转板（Y偏转板）；另一对是竖直放置的，是水平偏转板（X偏转板）。当两对偏转板上加有直流电压时，其间的电场可以控制电子束的位置，适当调节这个电压值，可以把光点或波形移到荧光屏中间的部位。偏转板上除了直流电压外，如果还加有被测物理量的信号电压，则光点随信号的变化而变动，形成一个反映信号电压的波形。可以证明，偏转板上加的电压越大，屏上光点的位移也越大，两者是线性关系。因此，示波管能作为测量电压的工具。为了防止偏转大的电子易被偏转板端头阻挡，以及电子束经过边缘非均匀电场时，位移与电压的线性关系遭到破坏的情况，通常将两偏转板的出口端折成喇叭状。

3.荧光屏这是示波器的显示部分。在示波管顶部的玻璃内壁上涂有一层荧光剂，在高能电子的轰击下发出可见光。这样，就能把肉眼看不见的电子束的运动变成光点的运动，显示出被测信号的信息。荧光屏上涂硅酸锌时，荧光呈绿色，多为观测时使用：涂钨酸钙时，荧光呈蓝色，多为照相时使用。荧光要经过一定的时间才熄灭，这个时间称为余辉时间。依靠余辉（且电压频率足够高）我们才得以在屏上观察到光点的连续轨迹，而不是看到一个光点的运动。

(三)示波器控制电路的功能

示波器控制电路主要包括垂直（也称“Y轴”）放大电路、水平（“X轴”）放大电路、扫描整步电路等，如图4-6-4所示。

图4-6-4 示波器控制电路

1.Y轴放大电路一般示波管垂直与水平偏转板本身的灵敏度不高，当加在偏转板上的信号电压较小时，电子束不能发生足够的偏转，以致屏上光点位移很小。为了在荧光屏上得到便于观测的图形，需要预先把小的输入信号电压经过放大后再加到偏转板上，为此设置垂直放大电路与水平放大电路。示波器灵敏度单位为V／div或mV／div（div为荧光屏上一格的长度。ldiv=0.6cm）。例如某示波器的垂直输入灵敏度为Sy=l0mV／div，即当Y轴输入被测信号的峰-峰值为l0mV，荧光屏Y方向显示光迹长度应为一格。

此外，还要求垂直放大电路有一定的频率响应，足够大的增益调整范围和比较高的输入阻抗。输入阻抗是表示示波器对被测系统影响程度大小的指标。输入阻抗愈高，对待测系统的影响愈小。

2.扫描与整步—般信号的波形是指它的瞬时值随时间变化的规律，但不是说信号本身实际存在着能够看得见的这种图像。例如：正弦电压U y=U m sinωt，，是指这种电压的瞬时值随时间变化的规律是正弦规律。如果只在示波器的Y偏转板上加上这一正弦电压，X偏转板上不加电压，则电子束的亮点只在Y 轴方向作简谐振动。如果频率较高，由于余辉和视觉停留的效应，在荧光屏上，能看到一条竖直的亮线，但看不到正弦波形，如图4-6-5所示。要想在荧光屏上展现出与这种电压变化规律相对应的正弦波形，那就必须在X偏转板上也加上电压，使电子束的光点在沿Y轴方向运动的同时，又能沿X轴方向运动，把竖直亮线“展开”。并且，由于Y偏转板轴上的电压是随时间变化，因此，就要求光点在X轴上的移动能够代表时间t，即X偏转板上所加的电压与时间的关系应该是线性的。同时，这种线性电压不应是随时间无限增加的，而应是线性增加到它的最大值后突然返回到最小值，再重复上述过程。显然，X偏转板上所加的电压随时间变化规律的关系曲线应该形同“锯齿”，故称“锯齿波电压”。如果在Y偏转板上不加信号电压，只在X偏转板上加锯齿波电压，则电子亮点只在X轴方向来回运动，荧光屏上只显示出一条水平亮线。如图4-6-6所示。

图4-6-5 Y方向谐振动图4-6-6 锯齿波

由上可知，要求观测加在Y偏转板上的信号电压随时间变化的规律，必须在Y偏转板上加信号电压的同时，在X偏转板上加锯齿波电压，把信号图像“展开”。这个展开的周期过程称为“扫描”。锯齿波电压又称为扫描电压。“扫描”也可这样描述：它是光点沿X轴正方向线性增长到最大值时突然反跳回原点的周期过程。这两种说法的本意是相同的。

四、实验原理

(一)示波器显示波形原理

由示波器的结构和控制电路的功能可知，示波器

上的波形是Y轴和X轴输入电压共同作用的结果。Y

轴输入正弦波，X轴输入锯齿波，则屏幕上显示正弦

波。

现用一个例子来具体说明如何扫描出被测波形

的。如图4-6-7所示，设Y偏转板上加—正弦电压U y，

水平偏转板上加一锯齿波电压U x两者周期相同（T x=

T y）。在t=0时刻，U x=U y=0，光点在屏上A点（称为

起扫点）；在t=c时刻，U y随时间上升到最大值U ym，

到达图（a）中Y方向的C y点，U x增加到U xc，到达

图（b）中X方向的C x点，两者合成使光点运动到图图4-6-7 示波器显示波形原理