双踪示波器的使用

3.12双踪示波器的使用

示波器是一种用来展示和观测电信号的电子仪器，它可以直接测量信号电压的大小和周期，因此，一切可以转化为电压的电学量、非电学量（如电流、电功率、阻抗、温度、位移、压力、磁场等）以及它们随时间变化的过程都可用示波器来观测。由于电子射线的惯性小，又能在荧光屏上显示出可见的图像，所以特别适用于观测瞬时变化的过程，这是示波器重要的优点。

本实验通过使用双踪示波器观察电信号波形及测量电信号的电压及频率，了解示波器图像跟踪测量技术（请阅读4.2.1节），掌握示波器的原理及使用方法（请阅读附录Ⅰ中有关示波器的内容）。

【目的与要求】

1．了解示波器的基本结构和工作原理、掌握示波器的调节和使用；

2．掌握用示波器观察电信号波形的方法；

3.掌握用示波器测量电信号的电压和频率的方法；

4.了解示波器图像跟踪测量技术。

【仪器与装置】

SR-071A型双踪示波器、XFD-6型低频讯号发生器、整流滤波线路板等。

【原理】

示波器的规格和型号很多，但不管哪种示波器都有图 3.12-1所示的几个基本组成部分：示波管、竖直放大器（Y轴放大器）、水平放大器（X轴放大器）、扫描发生器、触发同步和直流电源等部分。

1.示波管的基本结构

示波管的基本结构如图3.12-2所示，主要包括电子枪、偏转系统和荧光屏三个部分，全都密封在玻璃外壳内，里面抽成高真空。

（1）电子枪：由灯丝、阴极、控制栅极、第一阳极和第二阳极五部分组成，阴极是一个表面涂有氧化层的金属圆筒，被灯丝通电加热后发射电子。控制栅极是一个顶端有小孔的圆筒，套在阴极外面，它的电位比阴极稍低，对阴极发射出来的电子起控制作用，只有初速度较大的电子才能穿过栅极顶端的小孔，然后在阳极加速下奔向荧光屏，示波器面板上的“亮度”调整旋钮就是通过调节栅极电位以控制射向荧光屏的电子流密度从而改变屏上光斑的亮度。阳极电位比阴极电位高很多，电子被它们之间的电场加速形成射线。当控制栅极、第一阳极与第二阳极之间电位调节合适时，电子枪内的电场对电子射线有聚焦作用所以第一阳极也称聚焦阳极，第二阳极电位更高，又称加速阳极，面板上的“聚焦”调节旋钮，就是调节第一阳极电位，使荧光屏上的光斑成为明亮、清晰的小圆点，有的示波器还有“辅助聚焦”，实际是调节第二阳极电位。

（2）偏转系统：它由两对互相垂直的偏转板组成，一对竖直偏转板，一对水平偏转板，在偏转板上加上适当电压，当电子束通过时运动方向将发生偏转，从而使电子束在荧光屏上产生的光斑位置也发生改变。

（3）荧光屏：屏上涂有荧光粉，电子打上去它就发光，形成光斑。不同材料的荧光粉发光的颜色不同，发光过程的延续时间（一般称为余辉时间）也不同。荧光屏前有一块透明的、带刻度的坐标板，供测量光点位置用，在性能较好的示波管中，通常将刻度线直接刻在屏玻璃内表面上，使与荧光粉紧贴在一起，以消除视差，使光点位置的测量更准确。

2．示波器显示波形的原理

（1）扫描作用:

如果只在竖直偏转板上加一交变的正弦电压，则电子束的亮点将随电压的变化在竖直方向来回运动，如果电压频率较高，则看到的将是一条竖直亮线。如图3.12-3（a）所示。

要显示出波形，必须同时在水平偏转板上加一个扫描电压，使电子束的亮点同时沿着水平方向拉开。这种扫描电压的特点是电压随时间成线性关系增加到最大值，然后突然回到最小，此后再重复地变化。扫描电压随时间变化的关系曲线形同“锯齿”故称“锯齿波电压”，如图3.12-3（b）所示。产生锯齿波电压的电路在

图3.11-1中用“扫描电路”方框表示。当只有锯齿波电压加在水平偏转板上，如果频率足够高，则会在荧光屏上显示一条水平亮线。

如果在竖直偏转板上（简称Y 轴）加正弦电压，同时在水平偏转板上（简称X 轴）加锯齿波电压，电子同时受竖直、水平两个方向的力的作用，则电子的运动为两相互垂直的运动的合成。当锯齿波电压与正弦电压变化周期相等时，在荧光屏上将能显示出一个完整的正弦电压的波形图（随着时间的推移X 和Y 信号同步周期性地出现），如图3.12-4所示。

（2）触发扫描:

普通示波器的扫描电压是采用自激锯齿波振荡器产生的连续信号，当Y 轴输入信号时，就显示波形，当Y 轴未输入信号时，就显示一条水平线，这种扫描方式称为连续扫描，连续扫描对于显示正弦波、对称方波、三角波等是比较合适的，但如用来显示很窄的脉冲信号时，就很不理想，因为难以看清脉冲的前后沿等情况，为此，必须采用触发扫描方式，所谓触发扫描，就是使扫描电路在被测脉冲信号或与之有一定关系的外来脉冲信号的触发下，才产生扫描电压，经过一定时间后又自动恢复到起始状态，完成一次扫描，然后等待下一个脉冲的到来，再重新进行一次扫描。因为扫描的起点由触发信号控制，因此，每次显示的波形必定重合，图象必然稳定，现代通用示波器一般都有触发扫描功能。

（3）同步作用:

要在示波器荧屏上获得稳定的波形，被测信号的频率Y f 必须为扫描电压（锯齿波）频率X f 的整数倍（N

倍），即有

X Y Nf f （3.12-1）

因为只有满足上述条件，锯齿波在被测信号的每周或每隔若干周的同一点上开始扫描，即两者保持固定的相位关系，使每次荧光屏上显示的图象重合（即对X 的每一个扫描周期，Y 有完全相同的波列对应）才可看到稳定的被测信号波形。

如果被测信号与锯齿波两者频率不满足上述整倍数的关系，或两者中的任一频率发生变化，则锯齿波每次扫描就不在信号波形的同一点上开始，而每次扫描显示的图形就不能重合，结果荧光屏上呈现向左或向右移动的波形，这样就难以对信号进行观察和测量。

在实验电路中，由于电源电压不稳定或其他原因，都会引起被测信号和扫描信号频率的变化，这种变化随时可能发生，依靠人工手动调节“扫描微调”旋钮，无法始终保持两者整数比的关系，所以必须设法使两者频率自动保持整数比，为此，可利用被测信号电压或与此有关的电压，去强迫控制锯齿波的频率，使之与被测信号频率保持整数比，这就是同步（或称为整步），用来控制锯齿波频率的信号则称为同步信号。

需要指出的是同步信号的幅度必须适当，太小达不到同步的目的，太大则使锯齿波发生畸变，必然引起被