用示波器測(cè)量時(shí)間

實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

示波器是利用示波管內(nèi)電子束在電場(chǎng)或磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn),顯示隨時(shí)間變化的電信號(hào)的一種觀測(cè)儀器。它不僅可以定性觀察電路(或元件)的動(dòng)態(tài)過程，而且還可以定量測(cè)量各種電學(xué)量，如電壓、周期、波形的寬度及上升、下降時(shí)間等。還可以用作其他顯示設(shè)備，如晶體管特性曲線、雷達(dá)信號(hào)等。配上各種傳感器，還可以用于各種非電量測(cè)量，如壓力、聲光信號(hào)、生物體的物理量(心電、腦電、血壓)等。自1931年美國(guó)研制出第一臺(tái)示波器至今已有70年，它在各個(gè)研究領(lǐng)域都取得了廣泛的應(yīng)用，示波器本身也發(fā)展成為多種類型，如慢掃描示波器、各種頻率范圍的示波器、取樣示波器、記憶示波器等，已成為科學(xué)研究、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、醫(yī)藥衛(wèi)生、電工電子和儀器儀表等各個(gè)研究領(lǐng)域和行業(yè)最常用的儀器。

實(shí)驗(yàn)原理

示波器的基本結(jié)構(gòu)

示波器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，

由示波管(又稱陰極射線管)、放大系統(tǒng)、衰減系統(tǒng)、掃描和同步系統(tǒng)及電源等部分組成。

為了適應(yīng)多種量程，對(duì)于不同大小的信號(hào)，經(jīng)衰減器分壓后，得到大小相同的信號(hào)，經(jīng)過放大器后產(chǎn)生大約20V左右電壓送至示波管的偏轉(zhuǎn)板。

示波管是示波器的基本構(gòu)件，它由電子槍、偏轉(zhuǎn)板和熒光屏三部分組成，被封裝在高真空的玻璃管內(nèi)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。電子槍是示波管的核心部分，由陰極、柵極和陽(yáng)極組成。

圖2 示波管的結(jié)構(gòu)

(1)陰極――陰極射線源：由燈絲(F)和陰極(K)構(gòu)成，陰極表面涂有脫出功較低的鋇、鍶氧化物。燈絲通電后，陰極被加熱，大量的電子從陰極表面逸出，在真空中自由運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)電子發(fā)射。

(2)柵極――輝度控制：由第一柵極G1( 又稱控制極)和第二柵極G2(又稱加速極)構(gòu)成。柵極是由一個(gè)頂部有小孔的金屬圓筒，它的電極低于陰極，具有反推電子作用，只有少量的電子能通過柵極。調(diào)節(jié)柵極電壓可控制通過柵極的電子束強(qiáng)弱，從而實(shí)現(xiàn)輝度調(diào)節(jié)。在G1的控制下，只有少量電子通過柵極，G2與A2相連，所加相位比A1高，G2的正電位對(duì)陰極發(fā)射的電子奔向熒光屏起加速作用。

(3)第一陽(yáng)極――聚焦：第一陽(yáng)極(A1)程圓柱形(或圓形)，有好幾個(gè)間壁，第一陽(yáng)極上加有幾百伏的電壓，形成一個(gè)聚焦的電場(chǎng)。當(dāng)電子束通過此聚焦電場(chǎng)時(shí)，在電場(chǎng)力的作用下，電子匯合于一點(diǎn)，結(jié)果在熒光屏上得到一個(gè)又小又亮的光電，調(diào)節(jié)加在A1上的電壓可達(dá)到聚焦的目的。

(4)第二陽(yáng)極――電子的加速：第二陽(yáng)極(A2)上加有1000V以上的電壓。聚焦后的電子經(jīng)過這個(gè)高電壓場(chǎng)的加速獲得足夠的能量，使其成為一束高速的電子流。這些能量很大的電子打在熒光屏上可引起熒光物質(zhì)發(fā)光。能量越大就越亮，但不能太大，否則將因發(fā)光強(qiáng)度過大導(dǎo)致燒壞熒光屏。一般來說，A2上的電壓在1500V左右即可。

(5)偏轉(zhuǎn)板：由兩對(duì)相互垂直的金屬板構(gòu)成，在兩對(duì)金屬板上分別加以直流電壓以控制電子束的位置。適當(dāng)調(diào)節(jié)這個(gè)電壓可以把光點(diǎn)或波形移到熒光屏的中間部位。偏轉(zhuǎn)板除了直流電壓外，還有待測(cè)物理量的信號(hào)電壓，在信號(hào)電壓的作用下，光點(diǎn)將隨信號(hào)電壓變化而變化，形成一個(gè)反映信號(hào)電壓的波形。

(6)熒光屏：熒光屏(P)上面涂有硅酸鋅、鎢酸鎘、鎢酸鈣等磷光物質(zhì)，能在高能電子轟擊下發(fā)光。輝光的強(qiáng)度取決于電子的能量和數(shù)量。在電子射線停止作用前，磷光要經(jīng)過一段時(shí)間才熄滅，這個(gè)時(shí)間稱為余輝時(shí)間。余輝使我們能在屏上觀察到光電的連續(xù)軌跡。

自陰極發(fā)射的電子束，經(jīng)過第一柵極(G1)、第二柵極(G2)、第一陽(yáng)極(A1)、第二陽(yáng)極(A2)的加速和聚焦后，形成一個(gè)細(xì)電子束。垂直偏轉(zhuǎn)板(常稱作y軸)及水平偏轉(zhuǎn)板(常稱x軸)所形成的二維電場(chǎng)，使電子束發(fā)生位移，位移的大小與x、y偏轉(zhuǎn)板上所加的電壓有關(guān)：

式(1)

中的Sy和Dy為y軸偏轉(zhuǎn)板的偏轉(zhuǎn)靈敏度和偏轉(zhuǎn)因數(shù)，Sx和Dx為x軸偏轉(zhuǎn)板的偏轉(zhuǎn)靈敏度和偏轉(zhuǎn)因數(shù)。它們均與偏轉(zhuǎn)板的參數(shù)有關(guān)，是示波器的主要技術(shù)指標(biāo)之一。

示波器顯示波形的原理

由式(1)，y軸或x軸的位移與所加電壓有關(guān)。如圖3所示，在x軸偏轉(zhuǎn)板上加一個(gè)隨時(shí)間t按一定比例增加的電壓Vx，光點(diǎn)從A點(diǎn)到B點(diǎn)移動(dòng)。如果光點(diǎn)到達(dá)B點(diǎn)后，Vx降為零(圖中坐標(biāo)軸上的Tx點(diǎn))，那么光點(diǎn)就返回到A點(diǎn)。若此后Vx再按上述規(guī)律變化(Vx與Tx相同)，光點(diǎn)會(huì)重新由A移動(dòng)到B。這樣Vx周期性變化( 鋸齒波)，并且由于發(fā)光物質(zhì)的特性使光跡有一定的保留時(shí)間，于是就得到一條“掃描線”，稱為時(shí)間基線。

圖3 波形顯示原理

如果在x軸加有鋸齒形掃描電壓的同時(shí)，在y軸上加一正弦變化的電壓[如圖(3)b]，則電子束受到水平電場(chǎng)和垂直電場(chǎng)的共同作用而呈現(xiàn)二維圖形。為得到可觀測(cè)的圖形，必須使電子束的偏轉(zhuǎn)多次重疊出現(xiàn)，即重復(fù)掃描。

很明顯，為得到清洗穩(wěn)定的波形，上述掃描電壓的周期Tx (或頻率fx)與被測(cè)信號(hào)的周期Ty(或fy)必須滿足：

以保證Tx軸的起點(diǎn)始終與y軸周期信號(hào)固定一點(diǎn)想對(duì)應(yīng)(稱“同步”)，波形才穩(wěn)定，否則波形就不穩(wěn)定而無法觀測(cè)。

由于掃描電壓發(fā)生器的掃描頻率fx不會(huì)很穩(wěn)定，因此為保證式(2)

始終成立，示波器需要設(shè)置掃描電壓同步電路，即觸發(fā)電路，如圖(1)所示。利用它提供一種觸發(fā)信號(hào)來使掃描電壓頻率與外加信號(hào)同步，從而獲得穩(wěn)定的信號(hào)圖形。圖1中設(shè)置了三種同步觸發(fā)方式：外信號(hào)觸發(fā)、被測(cè)信號(hào)觸發(fā)(內(nèi)觸發(fā))、50Hz市電觸發(fā)。

實(shí)際使用的示波器由于用途不同，它的示波管及放大電路等也不盡相同。因此示波器有一系列的技術(shù)特性指標(biāo)，如輸入阻抗、頻帶寬度、余輝時(shí)間、掃描電壓線性度、y軸和x軸范圍等。

用x 軸時(shí)基測(cè)時(shí)間參數(shù)

在實(shí)驗(yàn)中或工程技術(shù)上都經(jīng)常用示波器來測(cè)量信號(hào)的時(shí)間參數(shù)，如信號(hào)的周期或頻率，信號(hào)波形的寬度、上升時(shí)間或下降時(shí)間，信號(hào)的占空比(寬度/周期)等。如雷達(dá)通過測(cè)量發(fā)射脈沖與反射(接受)脈沖信號(hào)的時(shí)間差來實(shí)現(xiàn)測(cè)距離，其他無線電測(cè)距、聲納測(cè)潛艇位置等都屬于這一原理。

從式(2)觸發(fā)，設(shè)待測(cè)信號(hào)接y軸輸入端，則Ty是待測(cè)信號(hào)的周期，Tx是x軸掃描信號(hào)的周期，N是一個(gè)掃描周期內(nèi)所顯示的待測(cè)信號(hào)的波形周期數(shù)。如熒光屏上顯示2個(gè)信號(hào)波形，掃描信號(hào)周期是10ms，則待測(cè)信號(hào)的周期是5ms。

X軸掃描信號(hào)的周期實(shí)際上是以時(shí)基單位(時(shí)間/cm)來標(biāo)示的，一般示波管熒光屏的直徑以10cm居多，則式(2)的Tx，由時(shí)基乘上10cm，如時(shí)基為0.1ms/cm，則掃描信號(hào)的周期為1ms。為此在實(shí)際測(cè)量中，將式(2)改成(3)的形式

Ty = 時(shí)基單位×波形厘米數(shù) (3)

式中的波形厘米數(shù)，可以是信號(hào)一個(gè)周期的讀數(shù)(可測(cè)待測(cè)信號(hào)的周期)、正脈沖(或負(fù)脈沖)的信號(hào)寬度的讀數(shù)或待測(cè)信號(hào)波形的其他參數(shù)。

用李薩如圖形測(cè)信號(hào)的頻率

如果將不同的信號(hào)分別輸入y軸和x軸的輸入端，當(dāng)兩個(gè)信號(hào)的頻率滿足一定關(guān)系時(shí)，熒光屏上會(huì)顯示出李薩如圖形。可用測(cè)李薩如圖形的相位參數(shù)或波形的切點(diǎn)數(shù)來測(cè)量時(shí)間參數(shù)。

兩個(gè)互相垂直的振動(dòng)(有相同的自變量)的合成為李薩如圖形。

1．頻率相同而振幅和相位不同時(shí)，兩正交正弦電壓的合成圖形。設(shè)此兩正弦電壓分別為：

消去自變量t，得到軌跡方程：

這是一個(gè)橢圓方程。當(dāng)兩個(gè)正交電壓的相位差φ取0~2π的不同值時(shí)，合成的圖形如圖4所示。

圖4 不同φ的李薩如圖形

2．兩正交正弦電壓的相位差一定，頻率比為一個(gè)有理數(shù)時(shí)，合成的圖形為一條穩(wěn)定的閉合曲線。圖5是幾種頻率比時(shí)的圖形，頻率比與圖形的切點(diǎn)數(shù)之間有下列關(guān)系：

圖5 不同頻率比的李薩如圖形

學(xué)習(xí)重點(diǎn)

了解示波器的基本原理和結(jié)構(gòu)。

學(xué)習(xí)使用試播觀察波形和測(cè)量信號(hào)周期及其時(shí)間參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)儀器

函數(shù)信號(hào)發(fā)生器2臺(tái)， 通用示波器1臺(tái)。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

用x軸的時(shí)基測(cè)信號(hào)的時(shí)間參數(shù)

l 測(cè)量示波器自帶方波輸出信號(hào)的周期(時(shí)基分別為0.1 ms/cm，0.2 ms/cm，0.5 ms/cm)。哪種時(shí)基測(cè)出的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，為什么？

l 選擇信號(hào)發(fā)生器的對(duì)稱方波接y輸入(幅度和y軸量程任選)，信號(hào)頻率為200Hz～2kHz(每隔200Hz測(cè)一次)，選擇示波器合適的時(shí)基，測(cè)量對(duì)應(yīng)頻率的厘米數(shù)、周期和頻率。以信號(hào)發(fā)生器的頻率為x軸，示波器頻率為y軸，作y-x曲線，求出斜率并討論。

l 選擇信號(hào)發(fā)生器的非對(duì)稱方波接y軸，頻率分別為200Hz、500Hz、1kHz、2kHz、5kHz、10kHz、20kHz，測(cè)量各頻率時(shí)的周期和正波的寬度，用內(nèi)容(2)的方法作曲線。

l 選擇信號(hào)發(fā)生器的輸出為三角波，頻率為500Hz、1kHz、1.5kHz，測(cè)量各個(gè)頻率時(shí)的上升時(shí)間。下降時(shí)間和周期。

觀察李薩如圖形并測(cè)頻率。

用兩臺(tái)信號(hào)發(fā)生器(一臺(tái)自用，一臺(tái)為公用)分別接y軸和x軸，取fx/fy =1、1/2、2、2/3、3/4時(shí)，測(cè)出對(duì)應(yīng)的fx和fy，畫出有關(guān)圖形并求出公用信號(hào)的頻率。

設(shè)計(jì)性內(nèi)容

用李薩如圖形測(cè)信號(hào)的頻率

如果將不同的信號(hào)分別輸入到Y(jié)軸和X軸的輸入端，當(dāng)兩個(gè)信號(hào)的頻率滿足一定的關(guān)系時(shí)，在熒光屏上將顯示出李薩如圖形，可用測(cè)量李薩如圖形的相位參數(shù)或波形的切點(diǎn)數(shù)來測(cè)量時(shí)間參數(shù)。

注意事項(xiàng)

使用示波器測(cè)量信號(hào)前，先把聚焦調(diào)整好，否則會(huì)造成讀數(shù)誤差。

觀察李薩如圖形時(shí)，通過自用信號(hào)發(fā)生器的頻率微調(diào)旋鈕，使李薩如圖形盡可能穩(wěn)定時(shí)，再測(cè)量y軸和x軸的切點(diǎn)數(shù)。

思考題

用示波器測(cè)頻率有有何優(yōu)缺點(diǎn)？

本實(shí)驗(yàn)中觀察李薩如圖形時(shí)，為什么得不到穩(wěn)定的圖形？

假定在示波器的y軸輸入一個(gè)正弦電壓，所用的水平掃描頻率為120Hz，在熒光屏上出現(xiàn)三個(gè)穩(wěn)定的正弦波形，那么輸入信號(hào)的頻率是多少？這是否是測(cè)量信號(hào)頻率的好方法？為什么？