示波器的调节与使用

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,示波器的调节与使用,任忠明,制作,物理实验教学中心,9/13/2024,开篇设问,背景介绍,实验原理,实验仪器,实验内容,设计案例,最新进展,相关文献,示波器是利用示波管内电子束在电场,(,或磁场,),中的偏转,显示随时间变化的电信号的一种观测仪器,.,它不仅可以定性观察电路,(,或元件,),的动态过程,而且可以定量地测量各种电学量,如电压、电流、周期、波形的宽度及上升时间（或下降时间）等。还可以用来作其它显示设备，如晶体管特性曲线、雷达信号等，配上各种传感器，还可以用于测量各种非电量测量，如压力、声光信号、生物体的物理量（心电、脑电、血压等）。,你了解示波器吗,?,示波器有哪些部分构成,?,示波器各部分的作用是什么,?,示波器是如何实现波形显示的,?,通常采取哪些措施实现波形的稳定,?,如何用示波器测量信号的周期或频率,?,如何用示波器测量两正弦信号的相位差,?,开篇设问,你知道吗,?,预备问题,开篇设问,测量直流电压与交流电压时,其操作有何不同,?,示波器的荧光屏上没有扫描线是什么原因,?,测量信号的电压和频率时,相应的微调旋钮如何设定,?,如何实现由波形测量转换成李萨如图形测量,?,比较两个不同的信号时,方式开关和触发源开关应分别置于什么位置,?,6.,信号源面板上的,SYS,和,OFFSET,旋钮的作用是什么,?,你知道吗,?,常见问题,开篇设问,如果信号波形不稳定,总是向左或向右移动,该如何操作,?,测量低频信号时,波形出现闪动是什么原因,?,用李萨如图形法测量频率时,图形不稳定是什么原因,?,如何测量或校准扫描信号的频率或周期,?,信号波形不断地向右移动,试问这时扫描信号的频率偏高还是偏低,?,为什么,?,请图示说明,.,6.,设计用示波器测量电路中电流信号的方案,.,你知道吗,?,拓展问题,1858,年，德国物理学家普吕克尔观察到一种阴极荧光现象。,1876,年，德国物理学家哥尔茨坦确认这一种阴极射线。,1895,年，德国物理学家伦琴意外地发现了,X,光。,1897,年，英国物理学家汤姆生，对阴极射线进行了精确的实验研究，并将其命名为“电子”。,在,1897,年德国物理学家卡尔,费迪南德,布劳恩发明了世界上第一个阴极射线管。,1889,年，布劳恩的助手泽纳克为阴极射线管增加了另一个方向的电磁偏转。,1930,年起成为了显示器的重要部件。,1931,年美国研制出第一台示波器,背景介绍,?,示波器的发展历史与现状,(1),?,示波器的发展历史与现状,(2),廿世纪四十年代泰克公司成功开发出带宽,10MHz,的同步示波器，这是近代示波器的基础。,廿世纪五十年代半导体和电子计算机的问世，促进电子示波器的带宽达到,100MHz,。,廿世纪六十年代美国、日本、英国、法国在电子示波器开发方面各有不同的贡献，出现带宽,6GHz,的取样示波器、带宽,4GHz,的行波示波管、,1GHz,的存储示波管；便携式、插件式示波器成为系列产品。,廿世纪七十年代模拟式电子示波器达到高峰，带宽,1GHz,的多功能插件式示波器标志着当时科学技术的高水平，为测试数字电路又增添逻辑示波器和数字波形记录器。,二十世纪八十年代数字示波器异军突起，模拟示波器逐渐从前台退到后台。,背景介绍,卡尔,费迪南德,布劳恩,(1),布劳恩（,Karl Ferdinand Braun,，,1850,年,6,月,6,日,1918,年,4,月,20,日），德国物理学家。,1850,年,6,月,6,日，布劳恩出生在德国，父亲是个公务员。,1868,年开始在德国马尔堡大学学习数学和自然科学，,1869,年转去柏林大学研究天线，,1872,年获得物理学博士学位。,1873,年，他通过国家中学教师考试，在莱比锡的一家中学教数学和自然科学，在那里他同时进行对振荡电流的科学研究。,1874,年，他发现某些金属硫化物具有使电流单方向通过的特性，并利用半导体的这个特性制成了无线通信技术中不可或缺的检波器，开创了人类研究半导体的先例。,布劳恩先后在马尔堡大学（,1876,年）、斯特拉斯堡大学（,1880,年）和卡尔斯鲁厄大学（,1883,年）任物理学副教授和教授，,1887,年又应图宾根大学的邀请负责建立物理学研究所，,1895,年他回到斯特拉斯堡大学任物理研究所主任和教授，把主要精力用于进行电学研究。,背景介绍,卡尔,费迪南德,布劳恩,(2),发明了阴极射线管,布劳恩在抽成真空的管子一端装上电极，从阴极发射出来的电子在穿过通电电极时，因为受到静电力影响聚成一束狭窄的射线，即电子束，称为阴极射线，管子侧壁分别摆放一对水平的和一对垂直的金属平行板电极，水平的电极使得电子束上下垂直偏转运动，垂直的电极使得电子束左右水平偏转运动。管子的另一端均匀地涂上一层硫化锌或其他矿物质细粉，做成荧光屏，电子束打在上面可以产生黄绿色的明亮光斑。随着侧壁上摆放的平行板电极电压的变化，电子束的偏转也随之变化，从而在荧光屏上形成不同的亮点，称为“扫描”。荧光屏上光斑的变化，呈现了控制电子束偏转的平行板电极电压的变化，也就是所研究电波的波动图象，这是示波器的雏形和基础，它使得对电波的直观观察成为可能,。,背景介绍,卡尔,费迪南德,布劳恩,(3),改进无线电接收机,他改用晶体探测器，使接收机的敏感度提高了很多。直到发明了电子管，布劳恩的晶体探测器才被淘汰 。,改进无线电发射机,他,发现了产生高功率低阻尼电波的方法 ，发明了磁耦合天线 ，改进了马可尼的发报机，大大增加了发射功率，增大了通信距离，而且无线电接收机和发射机不需要直接与天线相连，减少了受到雷击的危险。,发明了定向天线,从而减少了能量的无谓消耗。还把发射机的频带调得很窄，从而减小了不同发射机之间的干扰。,诺贝尔物理学奖,因为对无线电报的改进，布劳恩同发明无线电报的马可尼分享了,1909,年的诺贝尔物理学奖。马可尼的发明曾多次借用到布劳恩的专利。,背景介绍,电子束通才静电透镜而发生聚焦,.(,左图为聚焦电极内的电场分布图,),电子通过垂直放置的平行板间的电场时,受电场力的作用运动方向发生改变,当电子束到达荧光屏时,在垂直方向上偏转的距离,y,与加在平行板上的信号电压,U,成正比,.(,D,为偏转系数,),电子束的,聚焦及偏转,实验原理,示波器的,扫描原理,实验原理,在,X,偏转板上施加电压随时间线性变化的锯齿波扫描电压信号,在,Y,偏转板上施加一个电压随时间变化的任意电压信号,示波器的,触发扫描,当扫描信号的周期与被测信号的周期成整数倍关系时,显示的波形是稳定的,否则波形在水平方向上跑动,.,触发扫描是使用被测信号来控制扫描电压的产生时刻,通过调节触发电平的高低,使被测信号达到一定相位时,扫描电路才开始工作,产生一个锯齿波,将被测信号显示出来,.,实验原理,相互垂直的正弦,信号合成,实验原理,Nx,和,Ny,分别为李萨如图形与水平轴和垂直轴的切点数,.,认识示波器,:,YB4320B,双踪示波器,实验仪器,认识示波器,:,结构框图,外触发输入,实验仪器,示波管,Y,放大,Y1,前置放大,电子开关,X,放大,内触发放大,触发电路,扫描电路,Y1,前置放大,X-Y,开关,Y2,前置放大,CH2(y),输入,CH1(x),输入,认识示波器,:,主机电源部分,荧光屏,显示波形,电源开关,电源指示灯,电源是否接通,标准信号,提供校准信号,辉度,控制光点亮度,聚焦,控制光点大小形状,光迹旋转,调节扫描线水平,实验仪器,认识示波器,:,示波管部分,灯丝,给阴极加热,阴极,发射电子,栅极,控制电子束强度,阳极,给电子加速,聚焦极,控制电子束尺寸,Y,偏转板,建立电场,X,偏转板,建立电场,实验仪器,认识示波器,:,垂直方向部分,垂直偏转调节,垂直位移,移动光点,方式开关,控制显示模式,信号输入端口,微调旋钮,连续改变波高度,输入耦合及接地,交流直流输入控制,交替,:,不同的扫描方式,反相,:,改变,Y,2,相位,实验仪器,认识示波器,:,水平方向部分,扫描时基调节,扫描微调,连续拉伸或压缩波形,扫描非校准,水平位移,波形水平移动,扩展开关,提供,5,扫描扩展,X-Y,开关,接地端口,实验仪器,认识示波器,:,触发部分,交替触发,(15),触发源,(16),选择触发源,触发耦合,选择触发信号,电平,(24),改变触发相位,释抑,控制回扫时间稳定波形,锁定,(22),跟踪锁定信号,自动常态复位,(21) (23),外触发输入端口,实验仪器,认识信号源,:,EE1641B,信号发生器,电源开关,频率调节,频率显示,波形选择,波形控制,幅度调节,幅度显示,输出端口,输出衰减,实验仪器,各种示波器,DS5102MAE,数字示波器,UM2102,触控式数字存储示波器,YB4320B,双踪模拟示波器,可编程式数字示波器,S2405,220 PC,卡式虚拟示波器,CA2458,模拟示波器,光线示波器,TLS216,型,16,通道示波器,VS5000,系列虚拟示波器,实验仪器,1.,用示波器测量,交流电压峰,-,峰值,实验内容,偏转微调关闭,.,调节垂直偏转旋钮使波形高度适中,.,调节时基旋钮显示,1-2,个完整波形,.,使波形稳定,.,读出波形峰,-,峰高度,y.,若偏转系数,D,为,0.1V/cm,2.,用示波器,测量正弦信号的周期,若时基系数,S,为,0.1ms/cm,关闭扫描非校准,.,调节垂直偏转旋钮使波形高度适中,.,调节时基旋钮显示,1-2,个完整波形,.,使波形稳定,.,读出相邻波峰或波谷的距离,x.,实验内容,3.,用示波器,测量交流电相位,（,1,）双踪显示法 （,2,）李萨如图形法,实验内容,4.,用示波器,测量交流电频率,（,1,）周期转换法,（,2,）,李萨如图形法,即可求出交流电信号的频率。,首先测量出交流电信号的周期，再根据公式,调节标准信号源的频率，使李萨如图形稳定下来，数出图形的切点数,Nx,和切点数,Ny,若,fy,为未知频率，,fx,为已知频率，根据公式,即可求出交流电信号的频率。,实验内容,5.,用示波器,观察二极管整流波形,观察交流电经半导体二极管半波整流和全波整流后的波形变化,.,如果在负载电阻上并联一适当的电容,再观察输出波形又有什么变化,.,实验内容,设计,用示波器测绘二极管的,伏安特性曲线,按图连接电路,把电流信号,(,从,R,1,两端取出,),送至示波器,Y,轴输入端,再把二极管两端的电压信号送到示波器,X,轴输入端,在屏幕上看到的曲线就是二极管的伏安特性曲线,.,设计案例,半导体二极管是一种常用的电子元件,其电学特性就是具有单向导电性,也就是说其正向电阻小,反向电阻大,.,但所通过的电流与两端所加电压不成正比关系,也就是说其伏安特性是非线性的,.,我们可以用伏安法测量其伏安特性曲线,.,那么,能否用示波器测量其伏安特性曲线呢,?,回答是可以,.,设计,用示波器测绘铁磁材料的,磁滞回线,设计案例,铁磁材料有两个显著的特点,:,一是磁导率非常高,二是磁化过程有磁,滞现象,.,测量磁感应强度随所加磁场强度的变化关系可得到反映其磁性的,磁,滞回线,过去常用的测量方法是冲击法,仪器复杂,测量繁烦,.,按图连接电路,把,U,1,(H),信号送至示波器,X,轴输入端,再把,U,2,(B),信号送至示波器,Y,轴输入端,在屏幕上看到的曲线就是反映铁磁材料特性的磁滞回线,.,根据磁滞回线我们可以得到其矫顽力,剩磁, BH,值等,.,基础研究进展,模拟示波器相对数字示波器的某些特点：,操作简单：全部操作都在面板上可以找到，波形反应及时，数字示波器往往要较长处理时间。,垂直分辨率高：连续而且无限级，数字示波器分辨率一般只有,8,位至,10,位。,数据更新快：每秒捕捉几十万个波形，数字示波器每秒捕捉几十个波形。,实时带宽和实时显示：连续波形与单次波形的带宽相同，数字示波器的带宽与取样率密切相关，取样率不高时需借助内插计算，容易出现混淆波形。,模拟示波器要提高带宽，需要示波管、垂直放大和水平扫描全面推进。数字示波器要改善带宽只需要提高前端的,A/D,转换器的性能，对示波管和扫描电路没有特殊要求。加上数字示波管能充分利用记忆、存储和处理，以及多种触发和预前触发能力。,最新进展,模拟,数字,虚拟,发展方向,:,分辨率高,;,数据更新快,;,智能测量,;,功能强大,.,相关的应用研究进展,最新进展,数字荧光示波器,DPO(DigitalphosphorOscilloscopes,),与示波器技术的发展,:, 电子示波器在生产和科学技术中的应用,科学出版社,1973,年,6,月第,1,版,示波器基础：这是一个很不错的示波器在线,Demo,，值得一看。,http:/,www.doctronics.co.uk/scope.htm,示波器的历史,