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1、实验3 示波器和万用电表的使用【实验目的】1 了解示波器显示波形的原理（电偏转、扫描、同步、整步）；2 了解双踪示波器和万用电表的使用方法；3 学习用示波器测交流信号电压、频率和相位差。【仪器用具】SS7802双踪示波器、YB1610型功率函数信号发生器、MY61万用电表。【原理概述】电子示波器是用来直接显示、观察和测量电压波形及其参数的电子仪器。一切可转化为电压的电学量（如电流、电阻等）和非电学量（如温度、压力、磁场、光强等）以及它们的动态过程均可由示波器来观察和测量。现代示波器的频率响应可从直流至Hz；它可观察连续信号，也可捕捉到单个的快速脉冲信号并将它贮存起来，定格在屏幕上供仔细分析研究
2、；它还能在屏幕上测量电压、时间、频率等各种参数。示波器是用途极为广泛的一种通用现代测量工具。（一） 示波器的结构电子示波器主要由四大部分组成：阴极射线示波器系统；扫描、触发系统；放大系统；电源系统。下面主要介绍与示波器显示波形原理相关的几个部分。1. 示波管内部结构示波管内部结构如图1所示。阴极被加热发射出大量电子，聚焦、加速后高速轰击荧光屏，发生荧光。在靠近阴极处设置控制栅极，调节其电位（相对阴极为负电位）来控制电子束流的强度，使荧光“辉度”改变。图1在电子束路径两旁设置两对平行板电极，改变加在其上的电压，可控制电子束的运动。 2. 电偏转在示波管内，有两对平行板电极，垂直方向的一对平行板电
3、极称为水平（或）偏转板，简称为横偏板。水平方向的一对平行板电极称为垂直（或）偏转板，简称为纵偏板。在偏转板上加电压时，其电场致使飞速运动的电子束（及其在屏上的光点）沿水平、垂直方向发生偏移，这种现象称为电偏移。若幅度为(V)的电压使电子束沿纵向（或横向）偏转(cm)，则定义为偏转电压灵敏度，简称为灵敏度，记作，即 （V/cm，读作：伏每厘米） （1）偏转电压灵敏度（也称伏/格值）表示：使电子束沿纵向（或横向）偏转1cm（即一格）的电压幅度。显然，偏转电压灵敏度为(V/cm)时，使电子束偏转(cm)的电压幅度为： （） （2）用（2）式，从电子束的偏转厘米数，可测出被测电压值。3. 扫描若仅在横
4、偏板上加周期性变化的电压，则电子束（或光点）沿水平方向作周而复始的往返运动，其位移随电压增大而增大（电压达到最大值时它也达到最大），随电压减小而减小。而当电压恢复到起始值时，电子束（或光点）便回到起始位置。电子束（或光点）的这种周而复始的往返运动称为扫描。此时称为扫描电压。当扫描较快（频率较高）时，荧光屏上仅显示一条水平亮线成为扫描线。若是如图2中所示的周期为的线性锯齿波电压，则电子束的水平位移，即位移与时间成线性关系。若在横偏板上加的扫描电压，使电子束在（S：秒）内沿水平方向位移(cm)，则为每厘米扫描时间，简称为厘米扫描时间。记作，即 （S/cm，读作：秒每厘米） （3）厘米扫描时间（也称
5、时间/格值）表示：电子束沿水平方向扫描1cm（即1格）的时间。显然。厘米扫描时间为( S/cm)时，电子束沿水平方向扫描（cm）所用的时间为： （S） （4）用（4）式，从电子束横向扫描距离，可测定时间间隔。4. 示波器显示波形原理在纵偏板上加周期为的被观测的信号（如正弦波），而在横偏板上加周期为的线性锯齿波扫描电压时，后者使方向振动沿方向展开，呈现二维平面图形。当，（如图2所示）时，每次锯齿波的扫描起始点会准确落到被观测信号的同相位点上，于是周而复始扫出完全相同的波形，从而稳定地显示，即扫描电压和被观测的信号达到同步，成为扫描同步。但若（如图3所示）时，则每次扫描起始点会落在非 图 2 图
6、3同相位点上，于是每次扫出的波形不重复，其结果屏上波形在不断地在移动（或向右、或向左），无法观测到稳定的波形，即扫描不同步。由此可见，扫描显示稳定波形的条件（即扫描同步条件）是：扫描电压周期为被观测信号周期的整数倍，即 ，或 （5）实际中，由于被观测信号和锯齿波的周期很难严格地满足（5）式的要求，所以仅通过用手调节示波器的“扫描时间”（即调整锯齿波周期）旋钮的方法是无法实现扫描同步的。5. 整步 示波器实现扫描同步的过程称为整步。常用示波器实现扫描同步可有两种方式：触发扫描和连续扫描，这里只介绍触发扫描。SS7802示波器通过其触发系统实施触发扫描来实现扫描同步。触发扫描同步原理：由输入的被观
7、测信号提供触发信号，送至触发电路，当其电平达到某一选择的触发电平（如图4中的A点电平）时，触发电路便输出触发脉冲，用它去启动扫描电路进行扫描（即光点启动，由A点自左至右移动，直至A点）。当扫描电压由最大值迅速恢复到启动电压值时，光点从A点迅速返回到A点。其中，锯齿波在该周期内的扫描期间，扫描电路不再受期间到来的触发脉冲（如图4中虚线所示脉冲）的任何影响，直至本次扫描结束。之后等到下一个触发脉冲到来时，它又重新启动扫描电路进行下一次扫描。因每一个触发脉冲产生于同触发电平所对应的触发信号的同相位（）点，故每次扫描的起始点会准确地落在同相位点上，于是每次扫出的波形完全重复而稳定地显示被观测信号的波形
8、。这就是触发扫描实现同步的原理。图4为了在各种不同情况下确保获得触发扫描来实现同步，在示波器面板上设置：“触发信号源”（SOURCE）、“触发耦合方式”（COUPL）、“扫描模式”（SWEEP MODE）、“触发电平/触发极性”（TRIG LEVEL/SLOPE）等开关和旋钮，供观测者选择与调控。 （1）“触发信号源”（SOURCE）按键：当它选择“CH”或“CH”时为内触发，这时系统从经过前置放大后的通道1、通道2信号中取出部分信号作为触发信号；当它选择“LINE”时，是以电源频率作为触发信号，适合观察以电源频率触发的信号；当它选择 “EXT”时，是以从外接接口输入的外信号作为触发信号源；当
9、它选择“VERT”时，是以叠加的一小部分信号作为触发信号。（2）“触发耦合方式”（COUPL）按键：用来选择触发信号与触发电路间耦合方式。当它选择“AC”时，对内触发为交流耦合，隔离触发信号中的直流成分；当它选择“DC”时，通过触发信号的所有成分；当它选择“HF REJ”时，将触发信号中10KHz以上的成分衰减掉；当它选择“LF REJ”时，将触发信号中10Hz以下的成分衰减掉。（3）“扫描方式”（SWEEP MODE）按键：设有“自动”（AUTO）、“常态”（NORM）、“单次扫描”（SGL/RST）三种方式。这三种方式，都可以在一定范围内的触发电平（其范围依触发信号幅度而不同）作用下获得触
10、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，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；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，荧光屏上仍能出现扫迹（或水平亮线，或不稳定波形）。第三种“单次扫描”方式：等待触发信号到来时才进行一次扫描，再次按下此按键，再等待进行下一次扫描。（4）“触发电平”（TRIG LEVEL）旋钮和“触发极性”（SLOPE
11、）按键，它们是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“触发电平”旋钮由0+时，扫描从触发信号的正半周开始；当旋钮从0时，扫描从触发信号的负半周开始。当“触发极性”按键按下时，触发点位于触发信号的上升沿，称为正极性（或正向斜率）触发；当该按键弹出时，触发点位于触发信号的下降沿，称为负极性（或负向斜率触发）。所以，用这两个旋钮和按键，调节触发电平并改换其“触发极性”状态，不仅能获得触发扫描同步而观测到稳定的波形，还可任意选择（或移位）扫描起始点，使它处在一个信号周期中的任何相位点上。为了观测到稳定的波形（即为实现扫描同步），在SS7802示波器的使用操
12、作时，要求：“触发信号源”的选择，必须保证由被观测信号提供触发信号，以确保获得触发扫描同步（在“双踪”显示时，内触发源应选择频率较低的通道，而在双踪显示法测相位差时，内触发源应选择相位超前的通道）。必须调节“触发电平”旋钮，使触发电平选在合适的范围内，否则无法获得触发扫描，也就无法实现扫描同步（至于“触发极性”的“推拉”状态，可按观测之需要来选择）。在用内触发观测低于50Hz信号时，“扫描”方式应选择“常态”。在观测缓慢变化（”号，不微调时是“=”号。MAG10 （扫速放大）：按下此按钮，扫描速度放大10倍，屏幕中心波形向左右展开，屏幕右下角显示“MAG”字母。ALT CHOP（交替断续模式）
13、：按下此按钮，只有一个通道作扫描；再按下，各通道同时作扫描。（6） 触发部分TRIG LEVEL （触发电平）：旋转此按钮，调节触发电平，使图形稳定。SLOPE （触发沿选择）：选择触发沿，上升沿+，下降沿。SOURCE （触发源选择）：每按一次此按钮，可以改变选择触发信号来源（CH、 CH、LINE、VERT或EXT）。“LINE”是以电源频率作为触发源，“EXT”为外输入信号触发，触发源符号显示在屏幕左上方扫描因子值后面。COUPL （触发耦合方式）：按下可选择触发耦合模式（AC、DC、HF-R、LF-R）。TV （视频触发模式选择）：每按一次此按钮，可以选择视频触发的各种模式（BOTH、
14、ODD、EVEN或TV-H）。READY（单次触发状态指示）：指示灯亮时，处于单次触发准备状态，触发后指示灯变暗。TRIGD （触发指示）：触发脉冲来时，灯亮，此时所示图形才稳定。（7） 水平显示部分A （扫描显示）：按下此按钮后，显示或波形。 （显示）：按下此按钮，CH信号加到轴（水平轴），CH、 CH或ADD信号加到轴（垂直轴）。用于观察李萨如图形或磁滞回线等。（8） 扫描模式 AUTO或NORM（自动/正常）：任一按钮按下均为连续扫描状态，相应指示灯亮。“AUTO”适用于50Hz以上信号，“NORM”适用于低频信号。 SGL/RST （单次扫描）：按下此按钮，选择单次扫描，且处于等待状态
15、，“READY”灯亮，单扫之后指示灯熄灭。（9） 功能选择FUNCTION （功能选择键）：用于光标测量调节使用，具体使用说明如下：按下按钮以选择（时间间隔测量）、（电压差测量）或OFF（关闭测量），当选择时，屏幕显示两条竖直的可水平移动的测量光标、；当选择时，屏幕显示两条水平的可垂直移动的测量光标、。转动“FUNCTION”旋钮，可调整光标位置。每按一次“FUNCTION”测量光标按原转动方向移动一步，持续按下“FUNCTION”，光标快速移动。测量：按下按钮，以选择测量方式，此时屏幕下方倒数第二行显示=V，=V，按下TCK/C2按钮，以选择“V-TRACK”（光标跟踪方式），屏幕右上角显示
16、“f:V-TRACK”，此时转动“FUNCTION”旋钮，使两条水平的测量光标、同时沿垂直方向移动，将移至某一个测量点之后，再按TCK/C2按钮，选择“V-C2”（只移动光标），屏幕右上角显示“f:V-C2”，转动“FUNCTION”旋钮，移动光标至另一个测量点，被观测信号波形两个测量点之间的电压差即显示在屏幕的下方，为CH信号的测量值，为CH信号的测量值。图6屏幕显示的数字意义 测量：按下按钮，以选择测量方式，此时屏幕下方倒数第三行显示=mS（S），=KHz。按下TCK/C2按钮以选择“H-TRACK”（光标跟踪方式），屏幕右上角显示“f:H-TRACK”，转动“FUNCTION”旋钮，使两
17、条竖直光标、一起沿水平方向移动，将移至某一个测量点之后，再按下TCK/C2按钮，以选择“H-C2”方式，屏幕右上角显示“f:H-C2”，转动“FUNCTION”旋钮，只移动光标，将移动至另一个测量点，则两点之间的时间差即测量出来。测量结果显示于屏幕下方倒数第三行（S,mS或S），为其倒数（Hz）。若为信号周期，则是信号的频率。的测量用于测量某一个信号的周期、频率和两个信号的位相差。频率测量：屏幕下方倒数第三行右侧显示的f=Hz为CH或CH输入信号的频率。2. SS7802示波器的使用步骤（1） 开机前预置：“亮度”（INTEN）旋钮顺时针旋至较大位置；“垂直位置”、“水平位置”（POSITIO
18、N）旋至中间位置；垂直通道选择“CH”或“CH”；“扫描显示方式选择“A”；“扫描方式”选择“AUTO”。（2） 按下电源开关（POWER），约经十几秒钟后，屏幕上会出现扫描线。若无扫描线，则将CH、 CH两个通道的“GND”按钮按下（接地，排除外界干扰），在“扫描方式”为“AUTO”（自动）状态下，仔细调节“垂直位置”、“水平位置”（POSITION）、“亮度”（INTEN）旋钮找出扫描线并调至中间位置，再调节“聚焦”（FOCUS）和亮度（INTEN），使扫描线细而清晰。（3） 将两个通道的“GND”弹出。“触发源”（SOURCE）选择“CH”或“CH”；“触发耦合方式”（COUPL）选择“
19、AC”；选择两个通道的“DC/AC”为“AC“（或“DC”）。由“输入端接口”（CH/CH）输入被观测的信号（注意：输入线与函数发生器输出线连接时，地端线接地端线即“黑夹子”接“黑夹子”，非地端线接非地端线即“红夹子”接“红夹子”，以防通过供电系统地线造成短路），选择示波器合适的“电压灵敏度”（VOLTS/DIV），同时配合调节函数发生器的输出幅度，使屏幕上的波形幅度高低适中。（4） 调节水平“时间分度”（TIME/DIV）旋钮，使波形简单且相对稳定。（5） 调节“触发电平”（TRIG LEVEL）旋钮，使波形完全稳定（再按需要选择“触发极性”“SLOPE”的极性，取得所需要的极性。（三） 用
20、示波器测量电学量用示波器可以测定电压、电流、时间间隔、频率、相位差、电阻、阻抗、电抗、电容、电感、互感等许多电学量。因示波器是一种对电压敏感的电子仪器，故这些量的示波测量，都可归结为对电压的测量。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。当电压灵敏度为K（V/cm）时，被测直流电压使电子束偏转y(cm)，则： (V) （6）若被测电压为简谐波，则其有效值为： （7）其中，为电压的峰峰值，为峰峰间隔。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
21、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，若想直接用标定的电压灵敏度值，则在测量操作时，必须先用已知的标准电压，用（1）式，校正该状态下的电压灵敏度，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电压灵敏度的误差和偏转值的测量误差。2 测频率用示波器测频率有许多种方法，这里介绍其中两种方法：（1） 测周期法：当厘米扫描
22、时间为（S/cm）时，n个周期为(S)的被测信号所对应水平距离为L(cm)，则，n=1，2，3，于是： ， （8）若取n=1，则，。（2） 李萨如图形法：参阅下面（四）部分的内容。3 测相位差用示波器测两个信号的相位差有多种方法，下面介绍图7其中两种。 （1） 双踪显示法：在双踪显示方式下，把两个同频率的信号和，通过示波器的两个输入接口CH、CH加到示波器的y偏转板上，屏幕上出现的图形如图7所示。 和之间的相位差，可用下式计算 （9）其中，L为信号一个周期所对应的水平距离，为两个信号之间的水平距离。由的定义可知，若，则的相位超前于，在示波器屏幕上观察到的波形位于的左侧，则取正值；若，则的相位落
23、后于，在示波器屏幕上观察到的波形位于的右侧，则取负值。（2） 李萨如图形法：在函数显示方式下，把同频率信号、通过示波器的CH、CH接口加到示波器的y偏转板上，屏幕上出现的图形如图8所示的椭圆。和之间的相位差可用下式计算： （10）图8其中，为椭圆与x轴交点到原点的距离，为最大的水平距离。当、同相位时，即李萨如图形成为一条斜线。图9所示为李萨如图形与相位差角的关系。图形角图9（四） 用示波器观察李萨如图形在偏转板上分别加上频率为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
24、同（图10所示）。如果两个谐振动的频率比为简单的整数比m/n（m=1，2，3；n=1，2，3），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个信号的频率比为： （11）其中，m为水平线与图形相交点数，n为垂直线与图形相交点数（注意：水平线与垂直线都不通过李萨如图形中的任何一个交点，也不与图形相切）。若其中一个频率（如）为已知，则用（11）式可确定未知频率（），因此用李萨如图形可以测定未知信号的频率。图形图10【实验内容】实验前，要求了解并掌握好SS-7802示波器的使用方法，同时还要掌握数字万用表、GFG-8219函数发生器的使用方法（参阅“电磁学实验
25、基本知识”有关部分内容）。1 按上述示波器的使用步骤（1），将示波器有关的开关、旋钮调至预置状态，再按步骤（2），反复练习迅速寻找出扫描线并调到清晰。2 练习迅速调出稳定的波形调节函数发生器的正弦波信号频率为100Hz、1KHz、30KHz，分别输给示波器，按上述示波器的使用步骤（3）、（4）、（5），调整出稳定的波形。固定1KHz，调出稳定的波形后，分别：（a）改变“触发源”（SOURCE）的各种选择状态；（b）调节触发电平（TRIG LEVEL），改换“触发沿极性”（SLOPE）按钮的推拉状态；（c）“扫描模式”分别选择“自动”和“常态”（AUTO或NORM）；（d）“扫描时间分度”（TI
26、ME/DIV）选择不同位置；（e）“电压灵敏度”（VOLTS/DIV）选择不同位置，观察并记录这些调控开关和旋钮对波形的稳定性或形状（宽度、幅度）的影响或变化，由此总结出这些开关、旋钮的功能及使用方法。3 测量交流信号的幅度调节函数发生器的正弦波信号频率为1KHz，输给示波器，调节示波器使波形大小适中并且稳定，测出波形的峰峰高度，记下屏幕左下角的电压灵敏度数值K（cm），由（7）式算出输入信号的有效值；用万用表的输入电缆并联到函数发生器的输出端（注意：“地端”与“非地端”要对应连接），函数发生器的各旋钮和按键保持不变，测出函数发生器输出信号的有效值，与前面计算的有效值作比较（若不符合，可能是y
27、轴灵敏度，或交流毫伏表测量有误差）。改变函数发生器的输出频率为5KHz、100KHz，作同样的测量。也可以利用示波器的“功能选择”（FUNCTION）旋钮，配合“”按钮选择测量方式做这项内容，这种测量方法请学生自行练习。4 测量交流信号的周期和频率调节函数发生器正弦波频率为2KHz，输给示波器，调出稳定的波形后，测出一个周期波形的水平距离，记下屏幕左上角的“厘米扫描时间”（S/cm，或mS/cm，或S/cm），由（8）式算出信号的周期和频率，并且与函数发生器所显示的频率数值作比较（若不符合，可能是两种仪器测量有误差）。改变函数发生器的输出频率为5KHz、200KHz，作同样的测量。也可利用示波
28、器的“功能选择”（FUNCTION）旋钮，配合“”按钮选择测量方式做这项内容，请学生自行练习。5 观察李萨如图形将节电变压器输出端=50Hz的正弦波信号输入到示波器的CH通道，将函数发生器的正弦波信号输入到示波器的CH通道，按下示波器的显示方式按钮“”，改变函数发生器的输出频率，调节出五种李萨如图形(图10)，画出这五种李萨如图形，测出每种图形相应的x方向交点m和y方向交点n，由公式（11）算出每种图形所对应的频率，并且与函数发生器所显示的频率相比较。 6用示波器测量测试板14个点的波形,信号幅度,以及周期频率。 【思考题】1 示波器有那些主要组成部分？示波器如何将一个正弦波电压展现出来？2 示波器图形不稳定是什么原因造成？应该调节哪些部分？3 怎样用示波器测量正弦信号电压的有效值？4 怎样用示波器测量正弦信号的周期和频率？5 怎样测量两个同频率正弦信号的位相差？试对所介绍的两种测量方法进行比较。