示波器實(shí)驗(yàn)報(bào)告

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　　示波器實(shí)驗(yàn)報(bào)告

　　【實(shí)驗(yàn)題目】 示波器的原理和使用

　　【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/strong>

　　1.了解示波器的基本機(jī)構(gòu)和工作原理，掌握使用示波器和信號(hào)發(fā)生器的基本方法。

　　2.學(xué)會(huì)使用示波器觀測(cè)電信號(hào)波形和電壓副值以及頻率。

　　3.學(xué)會(huì)使用示波器觀察李薩如圖并測(cè)頻率。

　　【實(shí)驗(yàn)原理】

　　1.示波器都包括幾個(gè)基本組成部分：

　　示波管(陰極射線管)、垂直放大電路(Y放大)、水平放大電路(X放大)、掃描信號(hào)電路(鋸齒波發(fā)生器)、同步電路、電源等。

　　2.李薩如圖形的原理：

　　如果示波器的X和Y輸入時(shí)頻率相同或成簡(jiǎn)單整數(shù)比的兩個(gè)正弦電壓，則熒光屏上將呈現(xiàn)特殊的光點(diǎn)軌跡，這種軌跡圖稱為李薩如圖形。

　　如果作一個(gè)限制光點(diǎn)x、y方向變化范圍的假想方框，則圖形與此框相切時(shí)，橫邊上的切點(diǎn)數(shù)nx與豎邊上的切點(diǎn)數(shù)ny之比恰好等于Y與X輸入的兩正弦信號(hào)的頻率之比，即fy:fx=nx:ny。

　　【實(shí)驗(yàn)儀器】

　　示波器×1，信號(hào)發(fā)生器×2，信號(hào)線×2。

　　【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】

　　1.基礎(chǔ)操作：

　　了解示波器工作原理的基礎(chǔ)上閱讀所用機(jī)器的說明書，了解每個(gè)旋鈕的作用。其中最主要也是經(jīng)常使用的旋鈕為橫向和縱向兩個(gè)。橫向旋鈕是控制掃描時(shí)間的旋鈕，調(diào)節(jié)時(shí)表現(xiàn)為熒光屏上顯示波形發(fā)生橫向的壓縮或展開;縱向旋鈕是調(diào)節(jié)垂直放大電路的旋鈕，調(diào)節(jié)時(shí)表現(xiàn)為熒光屏上顯示波形發(fā)生縱向的展開或壓縮，次旋鈕為兩個(gè)，分別控制示波器的兩個(gè)輸入信號(hào)。

　　明確操作步驟及注意事項(xiàng)后，接通示波器電源開關(guān)。先找到掃描線并調(diào)至清晰。

　　2.觀測(cè)李薩如圖形：

　　向CH1、CH2分別輸入兩個(gè)信號(hào)源的正弦波，“掃描時(shí)間”的“粗調(diào)”旋鈕置于“X-Y”方式(即使兩路信號(hào)進(jìn)行合成)。調(diào)出不同比值的李薩如圖形來，畫出草圖，并分析圖形的特點(diǎn)與兩個(gè)信號(hào)頻率之間的關(guān)系。繪出所觀察到的各種頻率比的李薩如圖形。

　　設(shè)fx=1000Hz為約定真值，依次求出另一信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率fy，并與該信號(hào)發(fā)生器讀數(shù)值f′y進(jìn)行比較，一一求出它們的相對(duì)誤差。

　　【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)】

　　【實(shí)驗(yàn)結(jié)果】

　　【誤差分析】

　　1.兩臺(tái)信號(hào)發(fā)生器不協(xié)調(diào)。

　　2.桌面振動(dòng)造成的影響。

　　3.示波器上顯示的熒光線較粗，取電壓值時(shí)的熒光線間寬度不準(zhǔn)，使電壓值不準(zhǔn)。

　　4.取正弦周期時(shí)肉眼調(diào)節(jié)兩熒光線間寬度不準(zhǔn)，導(dǎo)致周期不準(zhǔn)。

　　5.機(jī)器系統(tǒng)存在系統(tǒng)誤差。

　　6.fy選取時(shí)上下跳動(dòng)，可能取值不準(zhǔn)。

　　相關(guān)知識(shí)

　　1 示波器工作原理

　　示波器是利用電子示波管的特性，將人眼無法直接觀測(cè)的交變電信號(hào)轉(zhuǎn)換成圖像，顯示在熒光屏上以便測(cè)量的電子測(cè)量?jī)x器。它是觀察數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析實(shí)驗(yàn)中的問題、測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果必不可少的重要儀器。示波器由示波管和電源系統(tǒng)、同步系統(tǒng)、X軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、Y軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、延遲掃描系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源組成。

　　1.1 示波管

　　陰極射線管(CRT)簡(jiǎn)稱示波管，是示波器的核心。它將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。正如圖1所示，電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三部分密封在一個(gè)真空玻璃殼內(nèi)，構(gòu)成了一個(gè)完整的示波管。

　　1.熒光屏

　　現(xiàn)在的示波管屏面通常是矩形平面，內(nèi)表面沉積一層磷光材料構(gòu)成熒光膜。在熒光膜上常又增加一層蒸發(fā)鋁膜。高速電子穿過鋁膜，撞擊熒光粉而發(fā)光形成亮點(diǎn)。鋁膜具有內(nèi)反射作用，有利于提高亮點(diǎn)的'輝度。鋁膜還有散熱等其他作用。

　　當(dāng)電子停止轟擊后，亮點(diǎn)不能立即消失而要保留一段時(shí)間。亮點(diǎn)輝度下降到原始值的10%所經(jīng)過的時(shí)間叫做“余輝時(shí)間”。余輝時(shí)間短于10μs為極短余輝，10μs—1ms為短余輝，1ms—0.1s為中余輝，0.1s-1s為長(zhǎng)余輝，大于1s為極長(zhǎng)余輝。一般的示波器配備中余輝示波管，高頻示波器選用短余輝，低頻示波器選用長(zhǎng)余輝。

　　由于所用磷光材料不同，熒光屏上能發(fā)出不同顏色的光。一般示波器多采用發(fā)綠光的示波管，以保護(hù)人的眼睛。

　　2.電子槍及聚焦

　　電子槍由燈絲(F)、陰極(K)、柵極(G1)、前加速極(G2)(或稱第二柵極)、第一陽極(A1)和第二陽極(A2)組成。它的作用是發(fā)射電子并形成很細(xì)的高速電子束。燈絲通電加熱陰極，陰極受熱發(fā)射電子。柵極是一個(gè)頂部有小孔的金屬園筒，套在陰極外面。由于柵極電位比陰極低，對(duì)陰極發(fā)射的電子起控制作用，一般只有運(yùn)動(dòng)初速度大的少量電子，在陽極電壓的作用下能穿過柵極小孔，奔向熒光屏。初速度小的電子仍返回陰極。如果柵極電位過低，則全部電子返回陰極，即管子截止。調(diào)節(jié)電路中的W1電位器，可以改變柵極電位，控制射向熒光屏的電子流密度，從而達(dá)到調(diào)節(jié)亮點(diǎn)的輝度。第一陽極、第二陽極和前加速極都是與陰極在同一條軸線上的三個(gè)金屬圓筒。前加速極G2與A2相連，所加電位比A1高。G2的正電位對(duì)陰極電子奔向熒光屏起加速作用。

　　電子束從陰極奔向熒光屏的過程中，經(jīng)過兩次聚焦過程。第一次聚焦由K、G1、G2完成，K、K、G1、G2叫做示波管的第一電子透鏡。第二次聚焦發(fā)生在G2、A1、A2區(qū)域，調(diào)節(jié)第二陽極A2的電位，能使電子束正好會(huì)聚于熒光屏上的一點(diǎn)，這是第二次聚焦。A1上的電壓叫做聚焦電壓，A1又被叫做聚焦極。有時(shí)調(diào)節(jié)A1電壓仍不能滿足良好聚焦，需微調(diào)第二陽極A2的電壓，A2又叫做輔助聚焦極。

　　3.偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)

　　偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制電子射線方向，使熒光屏上的光點(diǎn)隨外加信號(hào)的變化描繪出被測(cè)信號(hào)的波形。圖8.1中，Y1、Y2和Xl、X2兩對(duì)互相垂直的偏轉(zhuǎn)板組成偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。Y軸偏轉(zhuǎn)板在前，X軸偏轉(zhuǎn)板在后，因此Y軸靈敏度高(被測(cè)信號(hào)經(jīng)處理后加到Y(jié)軸)。兩對(duì)偏轉(zhuǎn)板分別加上電壓，使兩對(duì)偏轉(zhuǎn)板間各自形成電場(chǎng)，分別控制電子束在垂直方向和水平方向偏轉(zhuǎn)。

　　4.示波管的電源

　　為使示波管正常工作，對(duì)電源供給有一定要求。規(guī)定第二陽極與偏轉(zhuǎn)板之間電位相近，偏轉(zhuǎn)板的平均電位為零或接近為零。陰極必須工作在負(fù)電位上。柵極G1相對(duì)陰極為負(fù)電位(—30V~—100V)，而且可調(diào)，以實(shí)現(xiàn)輝度調(diào)節(jié)。第一陽極為正電位(約+100V~+600V)，也應(yīng)可調(diào)，用作聚焦調(diào)節(jié)。第二陽極與前加速極相連，對(duì)陰極為正高壓(約+1000V)，相對(duì)于地電位的可調(diào)范圍為±50V。由于示波管各電極電流很小，可以用公共高壓經(jīng)電阻分壓器供電。

　　1.2 示波器的基本組成

　　從上一小節(jié)可以看出，只要控制X軸偏轉(zhuǎn)板和Y軸偏轉(zhuǎn)板上的電壓，就能控制示波管顯示的圖形形狀。我們知道，一個(gè)電子信號(hào)是時(shí)間的函數(shù)f(t)，它隨時(shí)間的變化而變化。因此，只要在示波管的X軸偏轉(zhuǎn)板上加一個(gè)與時(shí)間變量成正比的電壓，在y軸加上被測(cè)信號(hào)(經(jīng)過比例放大或者縮小)，示波管屏幕上就會(huì)顯示出被測(cè)信號(hào)隨時(shí)間變化的圖形。電信號(hào)中，在一段時(shí)間內(nèi)與時(shí)間變量成正比的信號(hào)是鋸齒波。

　　示波器的基本組成框圖如圖2所示。它由示波管、Y軸系統(tǒng)、X軸系統(tǒng)、Z軸系統(tǒng)和電源等五部分組成。

　　被測(cè)信號(hào)①接到“Y"輸入端，經(jīng)Y軸衰減器適當(dāng)衰減后送至Y1放大器(前置放大)，推挽輸出信號(hào)②和③。經(jīng)延遲級(jí)延遲Г1時(shí)間，到Y(jié)2放大器。放大后產(chǎn)生足夠大的信號(hào)④和⑤，加到示波管的Y軸偏轉(zhuǎn)板上。為了在屏幕上顯示出完整的穩(wěn)定波形，將Y軸的被測(cè)信號(hào)③引入X軸系統(tǒng)的觸發(fā)電路，在引入信號(hào)的正(或者負(fù))極性的某一電平值產(chǎn)生觸發(fā)脈沖⑥，啟動(dòng)鋸齒波掃描電路(時(shí)基發(fā)生器)，產(chǎn)生掃描電壓⑦。由于從觸發(fā)到啟動(dòng)掃描有一時(shí)間延遲Г2，為保證Y軸信號(hào)到達(dá)熒光屏之前X軸開始掃描，Y軸的延遲時(shí)間Г1應(yīng)稍大于X軸的延遲時(shí)間Г2。掃描電壓⑦經(jīng)X軸放大器放大，產(chǎn)生推挽輸出⑨和⑩，加到示波管的X軸偏轉(zhuǎn)板上。z軸系統(tǒng)用于放大掃描電壓正程，并且變成正向矩形波，送到示波管柵極。這使得在掃描正程顯示的波形有某一固定輝度，而在掃描回程進(jìn)行抹跡。

　　以上是示波器的基本工作原理。雙蹤顯示則是利用電子開關(guān)將Y軸輸入的兩個(gè)不同的被測(cè)信號(hào)分別