用示波器測量時間

實驗簡介

示波器是利用示波管內電子束在電場或磁場中的偏轉,顯示隨時間變化的電信號的一種觀測儀器。它不僅可以定性觀察電路(或元件)的動態過程，而且還可以定量測量各種電學量，如電壓、周期、波形的寬度及上升、下降時間等。還可以用作其他顯示設備，如晶體管特性曲線、雷達信號等。配上各種傳感器，還可以用于各種非電量測量，如壓力、聲光信號、生物體的物理量(心電、腦電、血壓)等。自1931年美國研制出第一臺示波器至今已有70年，它在各個研究領域都取得了廣泛的應用，示波器本身也發展成為多種類型，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，已成為科學研究、實驗教學、醫藥衛生、電工電子和儀器儀表等各個研究領域和行業最常用的儀器。

實驗原理

示波器的基本結構

示波器的結構如圖1所示，

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

為了適應多種量程，對于不同大小的信號，經衰減器分壓后，得到大小相同的信號，經過放大器后產生大約20V左右電壓送至示波管的偏轉板。

示波管是示波器的基本構件，它由電子槍、偏轉板和熒光屏三部分組成，被封裝在高真空的玻璃管內，結構如圖2所示。電子槍是示波管的核心部分，由陰極、柵極和陽極組成。

圖2 示波管的結構

(1)陰極――陰極射線源：由燈絲(F)和陰極(K)構成，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，在真空中自由運動從而實現電子發射。

(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)構成。柵極是由一個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。調節柵極電壓可控制通過柵極的電子束強弱，從而實現輝度調節。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的正電位對陰極發射的電子奔向熒光屏起加速作用。

(3)第一陽極――聚焦：第一陽極(A1)程圓柱形(或圓形)，有好幾個間壁，第一陽極上加有幾百伏的電壓，形成一個聚焦的電場。當電子束通過此聚焦電場時，在電場力的作用下，電子匯合于一點，結果在熒光屏上得到一個又小又亮的光電，調節加在A1上的電壓可達到聚焦的目的。

(4)第二陽極――電子的加速：第二陽極(A2)上加有1000V以上的電壓。聚焦后的電子經過這個高電壓場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發光。能量越大就越亮，但不能太大，否則將因發光強度過大導致燒壞熒光屏。一般來說，A2上的電壓在1500V左右即可。

(5)偏轉板：由兩對相互垂直的金屬板構成，在兩對金屬板上分別加以直流電壓以控制電子束的位置。適當調節這個電壓可以把光點或波形移到熒光屏的中間部位。偏轉板除了直流電壓外，還有待測物理量的信號電壓，在信號電壓的作用下，光點將隨信號電壓變化而變化，形成一個反映信號電壓的波形。

(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，能在高能電子轟擊下發光。輝光的強度取決于電子的能量和數量。在電子射線停止作用前，磷光要經過一段時間才熄滅，這個時間稱為余輝時間。余輝使我們能在屏上觀察到光電的連續軌跡。

自陰極發射的電子束，經過第一柵極(G1)、第二柵極(G2)、第一陽極(A1)、第二陽極(A2)的加速和聚焦后，形成一個細電子束。垂直偏轉板(常稱作y軸)及水平偏轉板(常稱x軸)所形成的二維電場，使電子束發生位移，位移的大小與x、y偏轉板上所加的電壓有關：

式(1)

中的Sy和Dy為y軸偏轉板的偏轉靈敏度和偏轉因數，Sx和Dx為x軸偏轉板的偏轉靈敏度和偏轉因數。它們均與偏轉板的參數有關，是示波器的主要技術指標之一。

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。如圖3所示，在x軸偏轉板上加一個隨時間t按一定比例增加的電壓Vx，光點從A點到B點移動。如果光點到達B點后，Vx降為零(圖中坐標軸上的Tx點)，那么光點就返回到A點。若此后Vx再按上述規律變化(Vx與Tx相同)，光點會重新由A移動到B。這樣Vx周期性變化( 鋸齒波)，并且由于發光物質的特性使光跡有一定的保留時間，于是就得到一條“掃描線”，稱為時間基線。

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，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和垂直電場的共同作用而呈現二維圖形。為得到可觀測的圖形，必須使電子束的偏轉多次重疊出現，即重復掃描。

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

以保證Tx軸的起點始終與y軸周期信號固定一點想對應(稱“同步”)，波形才穩定，否則波形就不穩定而無法觀測。

由于掃描電壓發生器的掃描頻率fx不會很穩定，因此為保證式(2)

始終成立，示波器需要設置掃描電壓同步電路，即觸發電路，如圖(1)所示。利用它提供一種觸發信號來使掃描電壓頻率與外加信號同步，從而獲得穩定的信號圖形。圖1中設置了三種同步觸發方式：外信號觸發、被測信號觸發(內觸發)、50Hz市電觸發。

實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特性指標，如輸入阻抗、頻帶寬度、余輝時間、掃描電壓線性度、y軸和x軸范圍等。

用x 軸時基測時間參數

在實驗中或工程技術上都經常用示波器來測量信號的時間參數，如信號的周期或頻率，信號波形的寬度、上升時間或下降時間，信號的占空比(寬度/周期)等。如雷達通過測量發射脈沖與反射(接受)脈沖信號的時間差來實現測距離，其他無線電測距、聲納測潛艇位置等都屬于這一原理。

從式(2)觸發，設待測信號接y軸輸入端，則Ty是待測信號的周期，Tx是x軸掃描信號的周期，N是一個掃描周期內所顯示的待測信號的波形周期數。如熒光屏上顯示2個信號波形，掃描信號周期是10ms，則待測信號的周期是5ms。

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

Ty = 時基單位×波形厘米數 (3)

式中的波形厘米數，可以是信號一個周期的讀數(可測待測信號的周期)、正脈沖(或負脈沖)的信號寬度的讀數或待測信號波形的其他參數。

用李薩如圖形測信號的頻率

如果將不同的信號分別輸入y軸和x軸的輸入端，當兩個信號的頻率滿足一定關系時，熒光屏上會顯示出李薩如圖形。可用測李薩如圖形的相位參數或波形的切點數來測量時間參數。

兩個互相垂直的振動(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，兩正交正弦電壓的合成圖形。設此兩正弦電壓分別為：

消去自變量t，得到軌跡方程：

這是一個橢圓方程。當兩個正交電壓的相位差φ取0~2π的不同值時，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，頻率比為一個有理數時，合成的圖形為一條穩定的閉合曲線。圖5是幾種頻率比時的圖形，頻率比與圖形的切點數之間有下列關系：

圖5 不同頻率比的李薩如圖形

學習重點

了解示波器的基本原理和結構。

學習使用試播觀察波形和測量信號周期及其時間參數。

實驗儀器

函數信號發生器2臺， 通用示波器1臺。

實驗內容

用x軸的時基測信號的時間參數

l 測量示波器自帶方波輸出信號的周期(時基分別為0.1 ms/cm，0.2 ms/cm，0.5 ms/cm)。哪種時基測出的數據更準確，為什么？

l 選擇信號發生器的對稱方波接y輸入(幅度和y軸量程任選)，信號頻率為200Hz～2kHz(每隔200Hz測一次)，選擇示波器合適的時基，測量對應頻率的厘米數、周期和頻率。以信號發生器的頻率為x軸，示波器頻率為y軸，作y-x曲線，求出斜率并討論。

l 選擇信號發生器的非對稱方波接y軸，頻率分別為200Hz、500Hz、1kHz、2kHz、5kHz、10kHz、20kHz，測量各頻率時的周期和正波的寬度，用內容(2)的方法作曲線。

l 選擇信號發生器的輸出為三角波，頻率為500Hz、1kHz、1.5kHz，測量各個頻率時的上升時間。下降時間和周期。

觀察李薩如圖形并測頻率。

用兩臺信號發生器(一臺自用，一臺為公用)分別接y軸和x軸，取fx/fy =1、1/2、2、2/3、3/4時，測出對應的fx和fy，畫出有關圖形并求出公用信號的頻率。

設計性內容

用李薩如圖形測信號的頻率

如果將不同的信號分別輸入到Y軸和X軸的輸入端，當兩個信號的頻率滿足一定的關系時，在熒光屏上將顯示出李薩如圖形，可用測量李薩如圖形的相位參數或波形的切點數來測量時間參數。

注意事項

使用示波器測量信號前，先把聚焦調整好，否則會造成讀數誤差。

觀察李薩如圖形時，通過自用信號發生器的頻率微調旋鈕，使李薩如圖形盡可能穩定時，再測量y軸和x軸的切點數。

思考題

用示波器測頻率有有何優缺點？

本實驗中觀察李薩如圖形時，為什么得不到穩定的圖形？

假定在示波器的y軸輸入一個正弦電壓，所用的水平掃描頻率為120Hz，在熒光屏上出現三個穩定的正弦波形，那么輸入信號的頻率是多少？這是否是測量信號頻率的好方法？為什么？