实验十一 示波器的原理和使用 - 图文

视信号提供稳定触发的耦合方式.

图11—4

(3)“扫描方式”键:设有“常态”和“自动”两种方式.这两种方式,都可在一定范围的触发电平(其范围依触发信号幅度而不同)作用下获得触发扫描.其中,“常态”方式:只有在触发信号(可以是直流或各种频率信号)作用且触发电平在合适范围内时,才能获得触发扫描.但,若无触发信号或触发电平不合适时,就得不到触发而停止扫描(此时,屏上无光迹).另一种,“自动”方式:当系统不能实施触发的情况(即无触发信号输入,或者虽有50Hz以上的触发信号输入,但触发电平不在合适范围内)时,就自动转换为自激扫描状态,输出连续不断的锯齿波去扫描,因此,荧光屏上仍能显示扫迹(或水平亮线,或不稳定波形).

(4)“触发电平/触发极性”钮:用来调节触发电平和转换触发极性.调节触发电平是用来确定扫描起始点[所对应]的触发电平.当“触发极性”钮“拉出”时,触发点位于触发信号的上升沿,称为正极性(或正斜率)触发;当该钮“推入”时,触发点位于触发信号的下降沿,称为负极性(或负斜率)触发.所以,用该“电平、极性’’钮,调节触发电平并改换其“推拉”状态,不仅能获得触发扫描同步而观测到稳定波形,还可任意选择(或移位)扫描起始点,使它处在[信号一个周期中的]任何相位点上.

二、示波测量

用示波器可以测定电压、电流、时间[间隔]、频率、相位差、电阻\电抗、电容、电感、互感等许多电学量,下面仅介绍:示波测量电压、时间正间隔],观测X-Y函数图形。 (1) 测电压

示波器测电压的原理,是基于电子束的偏转大小正比于被测电压值.在测量直流电压值或正负对称的简谐波电压幅度时,在X偏转板上可以不加扫描电压. 当偏转因数为K时,被测直流电压UY使电子束偏转Y,则

Uy=KY. (11.6) ~若被测电压为简谐波U,则其有效值为

Ue=Upp/22=Kypp/22 (11.7)

其中,Upp为电压峰峰值,Ypp为峰峰间距.

如果被测交变电压还不能肯定是正负对称的波形,或是随时间变化复杂的脉冲波形时,则必须在X偏转板上加锯齿波扫描电压予以显示其波形的情况下,才可测定电压幅度或任意时刻的电压瞬时值.在这一点上,示波器具有一般电测仪表无法比拟的独特优点。

在用示波器测电压时,若想直接用标定的偏转因数值,则在测量操作时,必须把“偏

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转因数”(14)/(19)的“微调”钮顺时针旋到底关闭至校正位.若“微调”在其他位置时,必须先加标准电压,用(11.1)式校正该状态下的偏转因数,并“微调”保持该状态不变的条件下,测量电压才有意义。 示波器测电压的误差:在忽略示波器放大系统产生的信号畸变、示波器输入阻抗对被测电路电压分布的影响、以及电子束偏转的非线性误差等因素的情况下,示波器测电压的误差取决于偏转因数的误差和偏转值的测量误差. (2)测时间[间隔]

用示波器可直观地测定时间[间隔].在荧光屏上,信号某两点之间的时间[间隔]?t,等于该两点间距L乘以观测时的厘米扫描时间to,即

?t=Lto (11.8) 观测的两点,正好是周期性信号相邻的两个同相位点,且间距为L(单位cm),则周期 T=Lto (11.9) 由测得的周期T可以算出其频率f。有时,为减少测周期读数误差,可观测n个周期总长度Ln,则

nT=Lnto, T= Lnto/n

同频率的两个简谐信号之间相位差为

?= ?t. 3600/T (11.10) 其中?t(s)为两信号的对应同相位点间时间[间隔],T为它们的周期(参见图11-6) 用示波器测时间[间隔]时,要注意把厘米“扫描时间”微调钮关闭至校正位,用标定的to值测定.关于?t的测量误差:若忽略扫描的非线性和被观测信号经Y通道系统时的非线性畸变等因素情况下,?t的测量误差取决于to值的误差和间距L的测量误差. 用示波器测?t时,可先用标准频率函数发生器,对其t。值进行校正. (3) 观测X—Y函数图形

在X,Y偏转板上分别加频率为fx,fy的两个简谐波信号时,则电子束受合成场控制,沿其合成振动(即X—Y函数)轨迹运动,荧光屏上描画出两个正交谐振的合成振动图形,这种图形称为李萨如图形,其形状随两个信号的频率和相位差的不同而不同(参见图11—7).如果两个谐振动的频率比为简单整数比m:n(m=1,2,3,…;n=1,2,

图11-6 图11—8

3,),且两信号间相位差?恒定不变时,屏上会显示稳定的李萨如图形.根据李萨如图形的形状可以确定两信号的频率比为

fY:fx=m:n, (11.11)

其中,m为水平线与图形相交的点数,n为垂直线与图形相交的点数.若其中一个频率(fY )为已知,则用(5,11)式可确定未知频率(fx).

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图11—7

用李萨如图形不仅能测未知频率,还可以测定两信号间相位差.在X—Y函数显示方式下,把同频率信号u1,u2通过CH1和CH2分别加到Y,X偏转板时,荧光屏上会出现如图11—8所示椭圆.u1,u2之间的相位差可用下式

?=arcsin(xx0). (11.12)

求出.其中x为椭圆与x轴的交点到原点距离,xo为最大水平偏转距离.当u1,u2同相位时,?=0,x=0,此时,李萨如图形呈一条斜线.

[实验内容]

先把有关键钮调至其预置状态,再按以下步骤做实验:

1.准备按上述示波器的使用步骤(1),

1.按示波器的使用步骤(2),反复练习迅速寻找扫描线并调至清晰.

2.练习迅速调出稳定的波形.取函数发生器信号频率为50Hz,1kHz,50kHz,按上述示波器使用步骤(3)(4)(5),调节出稳定波形.固定f=1kHz,调出稳定波形后,进行以下操做:

(a)改变“触发源”选择状态; (b)调节“触发电平”,改换“触发极性”钮推拉状态; (c)“扫描方式”分别选择“自动”和“常态”;

(d)“扫描时间”的“粗调”和“微调”选不同位置; ’ (e)“偏转因数”的“粗调”和“微调”选不同位置.

观测并记录这些调控键钮对波形的稳定性或形状(宽度、幅度)的影响或变化,由此总结这 些键钮的功能及有关使用方法.

3.观测信号波形并测量峰-峰值和频率(以CH1为例)

调节信号发生器,使其输出电压为6V,频率为1000HZ的正弦波。通过CH1(13)输入,取偏转因数(10)为2.0V/cm挡(或1.0;V/em挡),“微调”钮(14)逆时针旋到底置于校正位置,测定被测交流信号的幅度(Upp)及其有效值。选厘米扫描时间为0.2ms/cm,挡,“扫描微调”弹出扫描非校准键(21),使之处于校准的位置,测出对应一个周期的水平距离L,用(11.3)式算出该位置下的厘米扫描时间.或用示波器的读数功能读出信号频率.

4.观测李萨如图形.

“X-Y”按键(30)按下,内部扫描电路断开;触发源开关(29)设定为“CH1(X-Y)”位置,垂直方式开关(42)选择“X-Y”,此时,CH1为X轴,CH2为Y轴;CH2输入选函数发生器信号(fY),CH1“X方式” (fX)选函数发生器背后(20)端输出信号作为被测信号,观测三种fY:fX比值下的李萨如图形,描画图形,确定比值,由已知fy算出待测fX.

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5.测绘半波整流的波形及观测滤波效果.

[思考题]

1.写出操作步骤:

(1)怎样迅速找出清晰的扫描线? (2)怎样迅速调出稳定的波形?

(3)怎样测定信号(DC,AC)的幅度? (4)怎样测定时间[间隔](或频率、相位差)? (5)怎样观测李萨如图形? 2.回答问题:

(1)“扫描方式”的“自动”和“常态”有何异同?

(2)触发电平在多大范围内调节才能使波形稳定?为什么?

(3)用何种扫描方式时,荧光屏上观察到的正弦波不断向右,或向左移动?这是什么原因?如何调节才能使波形稳定?

(4)将“垂直方式”选“双踪”显示时,两个通道输入的波形,能否同时稳定地显示?在什么情况下,两通道波形能同时稳定地显示?

(5)本实验中观测李萨如图形时,为什么图形总在变化?调控触发系统的各键钮能否使图形稳定?能观测到稳定李萨如图形的条件是什么?

[数据处理]

1.观察波形及电压和频率的测量

(1) 在坐标纸上将观察到的正弦波形用曲线板按1:1的比例给出。 (2) 电压和频率测量数据记录参考表 YB1600信号发生器上的读数 电压Up-p 2 频率f(HZ) 50 /示波器观测数据 V/DIV 0.5 /Y(偏转格数) 3.80 电压Up-p 1.90 /TIME/DIV 5 L(偏转格数) 4 频率f/ (HZ) 50 比较UP-P 与UP-P ,f和 f;若把UP-P和f作为约定真值,分析示波器在测量上的误差。

电压的误差:E?

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UP?P'?UP?PP?PU?100%?1.90?2.02.0?100%?5%

2.绘出所观测到的各种频率比的李莎如图形

把信号发生器背后的50HZ的正弦波信号为约定真值fx,依次求算信号发生器的输出频率fy,并与该信号发生器读数值f/y进行比较,求出它们的相对误差,并讨论。

nx:ny 图形 1:1 1:2 1:3 2:3 Fy=nxnyfx 50 52 100 101 1% 150 151 0.67% 75 76 1.3% F/y E=fy?fy/fy?100% 4%

3.绘出整流、滤波波形图(讨论之)。

输入正弦波图形:

半波整流图型:

滤波图形:

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