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示波器原理及其应用 一 模拟示波器 示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉 眼看不见的电信号变换成看得见的图象,便于人们研究各种 电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的 电子束,打在涂有荧光物质的屏面上,就可产生细小的光点 。在被测信号的作用下,电子束就好像一支笔的笔尖,可以 在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器 能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线,还可以用 它测试各种不同的电量,如电压、电流、频率、相位差、调 幅度等等。 普通示波器有五个基本组成部分:显示电路、垂直(Y轴 )放大电路、水平(X轴)放大电路、扫描与同步电路、电源 供给电路。 普通示波器的原理功能方框图 示波器的基本组成示波器的基本组成 示波器的基本组成示波器的基本组成 示波管示波管(CRT)(CRT)显示系统、显示系统、Y Y轴放大系统、轴放大系统、X X轴放大及扫描触发系统、轴放大及扫描触发系统、 电源供给系统电源供给系统。 电子枪、偏转系统、荧光屏电子枪、偏转系统、荧光屏 uu 示波管(示波管(CRTCRT)显示系统结构简介)显示系统结构简介 A1:第一阳极 G:控制栅极 K:阴极 F:灯丝 G:对应亮度旋钮 A2:第二阳极 K G A1 A2共同完成聚焦 X:水平 偏转板 Y:竖直偏转板 荧光屏 uu 电子放大系统:电子放大系统:竖直放大器、水平放大器 uu 扫描触发系统:扫描触发系统:扫描发生器、触发电路 作用:在偏转板上加足够的电压,使电子束获得明显偏移; 对较弱的被测信号进行放大 扫描发生器作用:产生一个与时间成正比的电压作为扫描信号 触发电路作用:形成触发信号。示波器工作在自动(AUTO) 方式时,扫描发生器始终有扫描信号输出;当示波器处于 AC/DC触发方式工作时,扫描发生器必须有触发信号的激励 才能产生扫描信号。一般对应: 内触发方式时,触发信号由被测信号产生,满足同步要求 外触发方式时,触发信号由外部输入信号产生 (扫描和同步)(扫描和同步) 示波原理示波原理( (沙斗实验沙斗实验) ) 沙斗实验:沙斗沙斗实验:沙斗 Y Y方向做自由单摆方向做自由单摆 运动。运动。 纸张纸张P P沿沿X X方向方向 做匀速移动,则沙做匀速移动,则沙 漏的轨迹就是一条漏的轨迹就是一条 随时间变化的周期随时间变化的周期 性正弦波曲线。性正弦波曲线。 示波管显示原理 产生高速飞行的电子束 使电子沿Y方向偏移 使电子沿x方向偏移 示波管显示原理 电子沿Y方向向上偏移 1、Y偏转电极板加一直流电压 (上正下负),此时, 电子束向上偏移,亮点出现在荧光屏正上方。 一个直流电压加到一对偏转板上时,将使光点在荧光屏 上产生一个固定位移,该位移的大小与所加直流电压成正比 。 电子沿Y方向向下偏移 示波管显示原理 2、Y偏转电极板加一直流电压 (上负下正),此时, 电子束向下偏移,亮点出现在荧光屏正下方。 电子沿X方向向里偏移 示波管显示原理 3、X偏转电极板加一直流电压 (上正下负),此时, 电子束向里偏移,亮点出现在荧光屏正右方。 电子沿X方向向外偏移 示波管显示原理 4、X偏转电极板加一直流电压 (上负下正),此时, 电子束向外偏移,亮点出现在荧光屏正左方。 uu 示波器扫描原理示波器扫描原理 只在竖直偏转板上 加正弦电压的情形 只在水 平偏转 板上加 一锯齿 波电压 的情形 如果将一个频率在10Hz20Hz以上的正弦交流电压加 到一对偏转板上时,光点在荧光屏上将随电压的变化而移动 。 由于荧光屏的余辉现象和人眼的 视觉暂留现象,在荧光屏上看到的就 不是一个上下移动的点,而是一根垂 直的亮线了。该亮线的长短在示波器 的垂直放大增益一定的情况下决定于 正弦交流电压峰一峰值的大小。 如果分别将两个交变 电压同时加到垂直和水平 两对偏转板上,则荧光屏 上的光点位置就由两个方 向的位移所共同决定。 如果将代表被测信号的正弦波电压加 到垂直偏转板上,锯齿波扫描电压加到水 平偏转板上,而且被测信号电压的频率等 于锯齿波扫描电压的频率(fX=fY),则荧光 屏上将显示出一个周期的被测信号电压随 时间变化的波形曲线 TX=TY uu 示波器扫描原理示波器扫描原理 若加到垂直偏转板上的正弦波 电压频率是加到水平偏转板上的 锯齿波扫描电压频率的二倍 (2fX=fY) ,则荧光屏上显示出两个 周期正弦波形曲线。 TX=2TY 以此类推,当TX=nTY,则屏幕 显示n个周期正弦波形。 uu 示波器扫描原理示波器扫描原理 uu 同步(整步)原理同步(整步)原理 紊乱的波形 当被测信号电压的频率与锯齿波电压的频率不成整数倍数时,则 荧光屏上不能获得稳定的波形 由此可见,为了在荧光屏上获得稳定的图像,TX(包括正程与回程)与 TY必须成整数倍关系,即TXnTY (n为正整数),以保证每次扫描的起始点 都对应信号电压uy的相同相位点上,这种过程称为“同步”。示波器中,通 常利用被测信号uy (或用与uy相关的其他信号)去控制扫描电压发生器的振 荡周期,以迫使TXnTY。 不稳定波形 形成原因 uu 同步(整步)原理同步(整步)原理 扫描时由于锯齿波 周期性复原,要求光点 所画的轨迹和第一周期 的完全重合,再由视觉 残留,观察到一个稳定 的波形 。 Tx=nTy , fy=nfx 为使荧光屏上的图形稳定,被测信号电压的频率应与锯齿波电压的 频率保持整数比的关系,即同步关系。需要在其扫描电路上输入一个与被 观察信号频率相关的同步信号,当所加同步信号的频率接近锯齿波频率的 自主振荡频率(或接近其整数倍)时,就可以把锯齿波频率“拖入同步”或 “锁住”。 拖入同步 t t 0 0 uY uX uu触发同步电路触发同步电路,它从垂直放大电路中取出部分待测信号,输入它从垂直放大电路中取出部分待测信号,输入 到扫描发生器,迫使锯齿波与待测信号同步,此称为到扫描发生器,迫使锯齿波与待测信号同步,此称为“ “内触发内触发” ”。操操 作时使用作时使用“ “电平电平” ”(LEVELLEVEL)旋钮)旋钮 选择触发时机。 连续扫描与触发扫描 1、连续扫描 触发扫描的特点是,只有在外加输入信号(称为触发信 号)的作用下光屏上才有时基线;反之,无触发信号荧光 屏上只显示一个亮点。 触发扫描不仅可用于观察连续信号波形,而且适用于 观测脉冲信号波形。 连续扫描是扫描电压为周期性锯齿波电压。其特点是 即使没有外加信号,在荧光屏上也能显示一条时基线。前面 介绍过的扫描即为连续扫描。 2、触发扫描 触发扫描的特点是,只有在外加输入信号(称为触发信号)的作用下 ,扫描发生器才工作。 触发扫描不仅可用于观察连续信号波形,而且适 用于观测窄脉冲信号波形。 uu 触发扫描触发扫描 为了在示波器上观察到稳定不动的信号波形:用被测 信号或其他信号来控制扫描电压的产生时刻,称为扫描触 发。该系统的主要作用是用来产生锯齿波信号,并保证被 测信号波形与扫描信号波形之间有确定的相位关系。扫描 系统所需的触发信号可选用内触发信号,也可选用外触发 信号,一般多选用内触发信号进行扫描显示,仅在同步困 难时才选用外触发的方式。当被测信号达到某一选择的电 平时,触发电路就输出一个脉冲信号去启动扫描电路使光 点开始水平扫描。 触发系统包括触发信号源、触发方式、触发电平和触 发极性。合理地选择触发信号源对正确观察被测信号之间 的相位关系是十分重要的。 双踪示波器的基本组成 双踪示波器基本原理 双踪(或多踪)示波是在单线示波器的基础上,增设一个 专用电子开关,用它来实现两种(或多种)波形的分别显示。 电子开关K的作用是使加在示波管垂直偏转板上的两种信 号电压作周期性转换。两个信号在荧光屏上虽然是交替显示 的,但由于人眼的视觉暂留现象和荧光屏的余辉(高速电子 在停止冲击荧光屏后,荧光屏上受冲击处仍保留一段发光时 间)现象,就可在荧光屏上同时看到两个被测信号波形。 电子开关的工作方式有“交替”转换和“断续”转换两种。 采用“交替”转换方式 采用“断续”转换方式 当电子开关用断续转换工作方式时,在X轴扫描的每一个 过程中,电子开关都以足够高的转换频率,分别对所显示的每 个被测信号进行多次取样。 模拟示波器操作模拟示波器操作 示波器面板控制件的作用简介示波器面板控制件的作用简介 亮度:轨迹 亮度调节 电源开关电源指示灯 聚焦:轨迹 清晰度调节 荧光屏 校准信号 CH1或CH2:被测信号输入端口 注意双通道 被测信号耦合方式 AC:交流输入 DC: 直流输入 GND: 输入零信号 垂直位移 水平位移 被测信号输入 ALT:两个通道 交替显示 通道工作方式选择通道工作方式选择 CH1或CH2:1 或2单独显示 CHOP:两个通 道断续显示 ADD:显示两个 通道信号幅度的 代数和或差 通道2极 性转换 电压衰减及扫描速率电压衰减及扫描速率 VOLTS/DIVVOLTS/DIV:调节垂直 偏转灵敏度,指示垂直方 向每格的偏转电压值 VIRIABLEVIRIABLE:连续调 节垂直偏转灵敏度 TIME/DIVTIME/DIV:调节扫 描速率,指示水平方 向每格的扫描时间 X-YX-Y工作方式工作方式:CH1 输入X轴信号 VIRIABLE VIRIABLE PLEEPLEE 5 5: 连续调节扫 描速率 扫描方式选择扫描方式选择 自动(AUTO):扫 描发生器自动工作 常态(NORM)单次(SINGLE) 被触发或准 备指示灯 电平(电平(LEVELLEVEL):): 调节被测信号在某 一电平触发扫描 触发方触发方式选择式选择 选择触发源信号选择触发源信号 内:内:CH1 CH2CH1 CH2 外:LINE EXT 触发极性选择:选择上 升或下降沿触发扫描 接地 外触发输入 CH1或CH2选择: “交替”或“断续”工 作方式时,选择频 率低的通道触发 单踪显示时,任选 其一,触发信号均 来自于被显示通道 选择触发信号 耦合方式: AC/DC TV AC常态 触发耦合方式 (COUPL ING) 顺时针旋足微调(VIRIABLE) CH1 触发源 (TRIGGER SOURCE) 0.1V(X) 电压衰减( VOLTS/DIV) 0.5ms扫描速率(SEC/DIV)CH1 垂直方式(MODE ) 触发极性(SLOPE)居中 位移(三只)( POSITION) 自动 扫描方式 (SWEEP MODE) 居中聚焦(FOCUS ) DC输入耦合居中 亮度(INTENSITV ) 作用位置控制件名称作用位置控制件名称 测量前示波器面板控件的位置 注意:测量时对控件进行适当的调节 uu 面板主要按钮面板主要按钮 uu垂直系统垂直系统 uu水平系统水平系统 t/DIVt/DIV:调节扫描速率,指示 水平方向每格的扫描时间水平方向每格的扫描时间 V/DIVV/DIV:调节垂直偏转灵敏度,指示 垂直方向每格的偏转电压值垂直方向每格的偏转电压值 uu触发电路触发电路 电平(电平(LEVELLEVEL):):调节被测信号在某一电平触发描。 旧示波器:顺时针到底,波形中心电平附近 uuX-YX-Y工作方式工作方式 X-YX-Y:显示两个相关量的函数图形。 CH1输入x轴信号,同时设置为X-YX-Y状态。 观察波形观察波形 (1)信号发生器输出 接CH1。 (2)调节信号发生器 的输出频率和电压及波 形。 (3)调节示波器CH1 通道偏转因数、扫描速 率、电平等,使显示波 形稳定。 要求:熟练要求:熟练偏转因数、扫描速率、电平偏转因数、扫描速率、电平等按钮操作等按钮操作 测量正弦信号电压与周期测量正弦信号电压与周期 测量原理 偏转因数V/div 时基因数T/div 电压:Upp=24=8V 假设:“ V/div ” 档位置于2V/div “ TIME/div ”的档位在0.5ms/div 周期 T=60.5=3mS 频率 f=1/T=333HZ 4格 1.6格 T=1.
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