示波器的原理和使用

一. 示波器的原理和使用--示波器簡(jiǎn)介

　　示波器是能在屏幕上以圖形方式顯示、觀測(cè)被測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)值軌跡變化情況的儀器。它是一種最常用的電子測(cè)量/電工測(cè)量?jī)x器。

二. 示波器的原理和使用--示波器的基本組成

　　電子示波器由示波管、垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、水平偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和主機(jī)等部分組成，基本框圖如下圖所示。

　　(1)示波管

　　示波管是一種特殊的電子管，是示波器一個(gè)重要組成部分。示波管由電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏3個(gè)部分組成。

　　(2)垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)

　　垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括垂直衰減器和垂直放大器。它將垂直輸人信號(hào)衰減或放大到一定幅度，輸出推挽信號(hào)，加到示波管的垂直偏轉(zhuǎn)板，使電子射線的垂直偏轉(zhuǎn)距離正比于被測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)值。由于示波管的偏轉(zhuǎn)靈敏度甚低，所以一般的被測(cè)信號(hào)電壓都要先經(jīng)過垂直放大電路的放大，再加到示波管的垂直偏轉(zhuǎn)板上，以得到垂直方向的適當(dāng)大小的形。

　　(3)水平偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)

　　水平偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)從外觸發(fā)輸人端經(jīng)觸發(fā)電路、掃描電路、水平放大器到示波管的水平偏轉(zhuǎn)板。觸發(fā)電路將被測(cè)信號(hào)或外觸發(fā)輸人信號(hào)置換成觸發(fā)脈沖啟動(dòng)掃描電路。由于示波管水平方向的偏轉(zhuǎn)靈敏度也很低，所以接入示波管水平偏轉(zhuǎn)板的電壓(鋸齒波電壓或其它電壓)也要先經(jīng)過水平放大電路的放大以后，再加到示波管的水平偏轉(zhuǎn)板上，以得到水平方向適當(dāng)大小的形。

　　(4)電源供給電路

　　電源由高壓電源和低壓電源兩部分組成，供給示波管及各組成部分所需要的直流電壓和燈絲電壓。消隱與增輝電路用來傳送和放大增輝和消隱信號(hào)。

三. 示波器的原理和使用--示波器的工作原理

　　示波器利用狹窄的、由高速電子組成的電子束，打在涂有熒光物質(zhì)的屏面上，就可產(chǎn)生細(xì)小的光點(diǎn)，在被測(cè)信號(hào)的作用下，電子束在屏面上描繪出被測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)值的變化曲線，便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過程。

　　如圖1所示，假設(shè)示波管的加速電壓為U1，偏轉(zhuǎn)電壓為U2，偏轉(zhuǎn)點(diǎn)擊長(zhǎng)為L(zhǎng)，極板間距為d，偏轉(zhuǎn)電極右端到熒光屏的距離為L(zhǎng) 1，電子的質(zhì)量為m ，帶電量為e。

　　首先，在加速場(chǎng)中，電場(chǎng)力對(duì)電子做功W=eU1。根據(jù)功能定理，電子在加速場(chǎng)中獲得了。

　　接著電子以初速進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)，在電場(chǎng)力的作用下做a=eU2/md的類平拋運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過時(shí)間t=L/v，電子飛離偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)。由下圖可知，電子離開偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)時(shí)偏轉(zhuǎn)角的正切值為。電子離開偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)時(shí)的偏轉(zhuǎn)距離為。

　　電子到達(dá)熒光屏?xí)r偏離中心的距離為，因?yàn)長(zhǎng)、L 1、d都是定值，故Y2與U2成正比。所以只要在熒光屏上做適當(dāng)?shù)臉?biāo)度就可以根據(jù)電子束射到熒光屏?xí)r所形成的亮斑偏離中心的距離為Y2測(cè)出偏轉(zhuǎn)電壓U2的數(shù)值。

　　上面介紹了示波器測(cè)量電壓的原理，接下來介紹熒光屏上顯示波形的原因。當(dāng)兩對(duì)電極上都沒有加電壓時(shí)，電子束從金屬板小孔射出后將沿直線傳播，直至打在熒光屏上，在熒光屏正中央產(chǎn)生一亮斑，當(dāng)只在Y軸的偏轉(zhuǎn)電極上加偏轉(zhuǎn)電壓U2=U，亮斑就會(huì)偏離中心出現(xiàn)在Y軸上方，并且電壓越大，偏移越大，如圖2所示。改變電壓的極性，亮斑又會(huì)移至Y軸的下方。同理，若只在X軸掃描電極上加一恒定的電壓，則亮斑就會(huì)出現(xiàn)在X軸上，如圖3所示。

　　當(dāng)X軸與Y軸同時(shí)加上一定的電壓，則會(huì)得到下面的正弦波形。

四. 示波器的原理和使用--示波器的使用

　　用示波器能觀察各種不同電信號(hào)幅度隨時(shí)間變化的波形曲線，在這個(gè)基礎(chǔ)上示波器可以應(yīng)用于測(cè)量電壓、時(shí)間、頻率、相位差和調(diào)幅度等電參數(shù)。下面介紹用示波器觀察電信號(hào)波形的使用步驟。

　　1 示波管和電源系統(tǒng)

　　1)電源(Power)-示波器主電源開關(guān)。當(dāng)此開關(guān)按下時(shí)，電源指示燈亮，表示電源接通。

　　2)輝度(Intensity)-旋轉(zhuǎn)此旋鈕能改變光點(diǎn)和掃描線的亮度。觀察低頻信號(hào)時(shí)可小些，高頻信號(hào)時(shí)大些。

　　3)聚焦(Focus)-聚焦旋鈕調(diào)節(jié)電子束截面大小，將掃描線聚焦成最清晰狀態(tài)。

　　4)標(biāo)尺亮度(Illuminance)-此旋鈕調(diào)節(jié)熒光屏后面的照明燈亮度。正常室內(nèi)光線下，照明燈暗一些好。室內(nèi)光線不足的環(huán)境中，可適當(dāng)調(diào)亮照明燈。

　　2 熒光屏

　　根據(jù)被測(cè)信號(hào)在屏幕上占的格數(shù)乘以適當(dāng)?shù)谋壤?shù)(V/DIV，TIME/DIV)能得出電壓值與時(shí)間值。根據(jù)輸入通道的選擇，將示波器探頭插到相應(yīng)通道插座上，示波器探頭上的地與被測(cè)電路的地連接在一起，示波器探頭接觸被測(cè)點(diǎn)。示波器探頭上有一雙位開關(guān)。此開關(guān)撥到“X1”位置時(shí)，被測(cè)信號(hào)無衰減送到示波器，從熒光屏上讀出的電壓值是信號(hào)的實(shí)際電壓值。此開關(guān)撥到“X10”位置時(shí)，被測(cè)信號(hào)衰減為1/10，然后送往示波器，從熒光屏上讀出的電壓值乘以10才是信號(hào)的實(shí)際電壓值。

　　3 垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)和水平偏轉(zhuǎn)因數(shù)

　　每個(gè)波段開關(guān)上往往還有一個(gè)小旋鈕，微調(diào)每檔垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)。將它沿順時(shí)針方向旋到底，處于“校準(zhǔn)”位置，此時(shí)垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)值與波段開關(guān)所指示的值一致。逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)此旋鈕，能夠微調(diào)垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)。垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)微調(diào)后，會(huì)造成與波段開關(guān)的指示值不一致，這點(diǎn)應(yīng)引起注意。示波器的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源CAL，專門用于校準(zhǔn)示波器的時(shí)基和垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)。示波器前面板上的位移(Position)旋鈕調(diào)節(jié)信號(hào)波形在熒光屏上的位置。

　　4 輸入通道和輸入耦合選擇

　　1)輸入通道選擇-輸入通道至少有三種選擇方式：通道1(CH1)、通道2(CH2)、雙通道(DUAL)。

　　選擇通道1時(shí)，示波器僅顯示通道1的信號(hào);選擇通道2時(shí)，示波器僅顯示通道2的信號(hào);選擇雙通道時(shí)，示波器同時(shí)顯示通道1和通道2的信號(hào)。維修中以選擇通道1或通道2為多。

　　2)輸入耦合方式輸入耦合方式-交流(AC)、地(GND)、直流(DC)。

　　5 觸發(fā)

　　(1)常態(tài)(NORM)：無信號(hào)時(shí)，屏幕上無顯示;有信號(hào)時(shí)，與電平控制配合顯示穩(wěn)定波形;

　　(2)自動(dòng)(AUTO)：無信號(hào)時(shí)，屏幕上顯示光跡;有信號(hào)時(shí)與電平控制配合顯示穩(wěn)定的波形;

　　(3)電視場(chǎng)(TV)：用于顯示電視場(chǎng)信號(hào);

　　(4)峰值自動(dòng)(P-P AUTO)：無信號(hào)時(shí)，屏幕上顯示光跡;有信號(hào)時(shí)，無需調(diào)節(jié)電平即能獲得穩(wěn)定波形顯示。

　　6 掃描方式(SweepMode)

　　掃描有自動(dòng)(Auto)、常態(tài)(Norm)和單次(Single)三種掃描方式。

　　舉例： 幅度和頻率的測(cè)量方法(以測(cè)試示波器的校準(zhǔn)信號(hào)為例)

　　(1)將示波器探頭插入通道1插孔，并將探頭上的衰減置于"1"檔;

　　(2)將通道選擇置于CH1，耦合方式置于DC檔;

　　(3)將探頭探針插入校準(zhǔn)信號(hào)源小孔內(nèi)，此時(shí)示波器屏幕出現(xiàn)光跡;

　　(4)調(diào)節(jié)垂直旋鈕和水平旋鈕，使屏幕顯示的波形圖穩(wěn)定，并將垂直微調(diào)和水平微調(diào)置于校準(zhǔn)位置;

　　(5)讀出波形圖在垂直方向所占格數(shù)，乘以垂直衰減旋鈕的指示數(shù)值，得到校準(zhǔn)信號(hào)的幅度;

　　(6)讀出波形每個(gè)周期在水平方向所占格數(shù)，乘以水平掃描旋鈕的指示數(shù)值，得到校準(zhǔn)信號(hào)的周期(周期的倒數(shù)為頻率);

　　(7)一般校準(zhǔn)信號(hào)的頻率為1kHz，幅度為0.5V，用以校準(zhǔn)示波器內(nèi)部掃描振蕩器頻率，如果不正常，應(yīng)調(diào)節(jié)示波器(內(nèi)部)相應(yīng)電位器，直至相符為止。

五. 示波器的原理和使用--示波器使用時(shí)的注意事項(xiàng)

　　(1)熱電子儀器一般要避免頻繁開機(jī)、關(guān)機(jī)，示波器也是這樣。

　　(2)作定量測(cè)量時(shí)，應(yīng)先將示波器通電預(yù)熱10分鐘以上，使機(jī)中各元件在熱穩(wěn)定狀態(tài)下工作，否則由于機(jī)內(nèi)元件溫度處于上升過程，影響測(cè)量結(jié)果。

　　(3)如果發(fā)現(xiàn)波形受外界干擾，可將示波器外殼接地.

　　(4)在觀察熒屏上的亮斑并進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，亮斑的亮度要適中，不能過亮。

　　(5)“Y輸入”的電壓不可太高，以免損壞儀器，在最大衰減時(shí)也不能超過400 V。

　　(6)關(guān)機(jī)前先將輝度調(diào)節(jié)旋鈕沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)到底，使亮度減到最小，然后再斷開電源開關(guān).

六. 示波器的原理和使用--參考資料

　　1. 如何捕捉非周期性突發(fā)脈沖信號(hào)

　　2. DSO數(shù)字存儲(chǔ)示波器原理

　　3.示波器基礎(chǔ)原理及基本指標(biāo)