示波器的调节与使用.ppt

2020 2 23 示波器的调节与使用 任忠明制作 物理实验教学中心 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 KarlFerdinandBraun 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 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Y2 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 220PC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R1两端取出 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U1 H 信号送至示波器X轴输入端 再把U2 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 当代数字示波器的发展应用 目前推动整个示波器技术发展的市场动力主要来自于计算 通信以及消费电子产业 随着设备传输速率的飞速提高以及某些新数据标准的不断涌现 例如基于第二代串行数据标准的产品设计 其中包括第二代PCI Express SATAIII以及双倍速XAUI等 众多客户开始要求产品具有最优性能 从而满足产品应用开发工作中最为苛刻的要求 张锡纯等 荧光屏上的示波测量法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示波器的历史示波器的起源 本文是一篇关于示波器起源的文章 文中介绍了一些大师级的人物如布劳恩 发明电子管以及模拟示波器的一些背景知识 http members chello nl h dijkstra19 page3 html示波器的基本结构和发展历史http members chello nl h dijkstra19 page3 html 相关文献 结束 2008年5月10日