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1、郑州电子信息职业技术学院毕业论文课题名称： 电子示波器在实际测量中的应用 作 者： 学 号： 0801010126 系 别： 电子工程系 专 业： 应用电子技术 指导教师： 2011年03月20日电子示波器在实际测量中的应用摘 要电子示波器能够间接地显示各种电压的信号波形，并且还可以对一切可以转化为电压的电学量（如电流、电功率、阻抗等）和某些非电学量以及它们随时间变化的过程进行观察，因此电子示波器是使用最为广泛的电子仪器。本文主要介绍了电子示波器的工作原理、使用方法以及在具体应用中的有关问题。关键词：示波器；技术特点；发展前景；应用目 录中文摘要.I1 引言.12 电子示波器的工作原理.12.
2、1 示波器的组成.12.2 波形显示的基本原理.53 电子示波器的使用方法.74 电子示波器的应用.104.1 电压测量.104.2 电流测量.114.3 时间测量.114.4 相位测量.134.5 频率测量.13参考文献.14致谢.151 引言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
3、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。2 电子示波器的工作原理图1 电子示波器工作原理图2.1示波器的组成电子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。1显示电路 显示电路包括示波管及其控制电路两个部分。示波管是一种特殊的电子管，是示波器一个重要组成部分。示波管由电子枪、偏转系统和荧光屏3个部分组成。（1）电子枪 电子枪用于产生并形成高速、聚束的电子流，去轰击荧光屏使之发光。它主要由灯丝F、阴极K、控制极G、第一阳极A1、第二阳极A2组成。除灯丝外，其余电极的结构都为金属圆筒，且它们的轴心都保持在
4、同一轴线上。阴极被加热后，可沿轴向发射电子；控制极相对阴极来说是负电位，改变电位可以改变通过控制极小孔的电子数目，也就是控制荧光屏上光点的亮度。为了提高屏上光点亮度，又不降低对电子束偏转的灵敏度，现代示波管中，在偏转系统和荧光屏之间还加上一个后加速电极A3。 第一阳极对阴极而言加有约几百伏的正电压。在第二阳极上加有一个比第一阳极更高的正电压。穿过控制极小孔的电子束，在第一阳极和第二阳极高电位的作用下，得到加速，向荧光屏方向作高速运动。由于电荷的同性相斥，电子束会逐渐散开。通过第一阳极、第二阳极之间电场的聚焦作用，使电子重新聚集起来并交汇于一点。适当控制第一阳极和第二阳极之间电位差的大小，便能使
5、焦点刚好落在荧光屏上，显现一个光亮细小的圆点。改变第一阳极和第二阳极之间的电位差，可起调节光点聚焦的作用，这就是示波器的“聚焦”和“辅助聚焦”调节的原理。第三阳极是示波管锥体内部涂上一层石墨形成的，通常加有很高的电压，它有三个作用：使穿过偏转系统以后的电子进一步加速，使电子有足够的能量去轰击荧光屏，以获得足够的亮度；石墨层涂在整个锥体上，能起到屏蔽作用；电子束轰击荧光屏会产生二次电子，处于高电位的A3可吸收这些电子。(2)偏转系统示波管的偏转系统大都是静电偏转式，它由两对相互垂直的平行金属板组成，分别称为水平偏转板和垂直偏转板。分别控制电子束在水平方向和垂直方向的运动。当电子在偏转板之间运动时
6、，如果偏转板上没有加电压，偏转板之间无电场，离开第二阳极后进入偏转系统的电子将沿轴向运动，射向屏幕的中心。如果偏转板上有电压，偏转板之间则有电场，进入偏转系统的电子会在偏转电场的作用下射向荧光屏的指定位置。如果两块偏转板互相平行，并且它们的电位差等于零，那么通过偏转板空间的，具有速度的电子束就会沿着原方向（设为轴线方向）运动，并打在荧光屏的坐标原点上。如果两块偏转板之间存在着恒定的电位差，则偏转板间就形成一个电场，这个电场与电子的运动方向相垂直，于是电子就朝着电位比较高的偏转板偏转。这样，在两偏转板之间的空间，电子就沿着抛物线在这一点上做切线运动。最后，电子降落在荧光屏上的A点，这个A点距离荧
7、光屏原点（0）有一段距离，这段距离称为偏转量，用y表示。偏转量y与偏转板上所加的电压Vy成正比。同理，在水平偏转板上加有直流电压时，也发生类似情况，只是光点在水平方向上偏转。（3）荧光屏 荧光屏位于示波管的终端，它的作用是将偏转后的电子束显示出来，以便观察。在示波器的荧光屏内壁涂有一层发光物质，因而，荧光屏上受到高速电子冲击的地点就显现出荧光。此时光点的亮度决定于电子束的数目、密度及其速度。改变控制极的电压时，电子束中电子的数目将随之改变，光点亮度也就改变。在使用示波器时，不宜让很亮的光点固定出现在示波管荧光屏一个位置上，否则该点荧光物质将因长期受电子冲击而烧坏，从而失去发光能力。涂有不同荧光
8、物质的荧光屏，在受电子冲击时将显示出不同的颜色和不同的余辉时间，通常供观察一般信号波形用的是发绿光的，属中余辉示波管，供观察非周期性及低频信号用的是发橙黄色光的，属长余辉示波管；供照相用的示波器中，一般都采用发蓝色的短余辉示波管。2垂直（Y轴）放大电路由于示波管的偏转灵敏度甚低，例如常用的示波管13SJ38J型，其垂直偏转灵敏度为0.86mm/V（约12V电压产生1cm的偏转量），所以一般的被测信号电压都要先经过垂直放大电路的放大，再加到示波管的垂直偏转板上，以得到垂直方向的适当大小的图形。3水平（X轴）放大电路由于示波管水平方向的偏转灵敏度也很低，所以接入示波管水平偏转板的电压（锯齿波电压或
9、其它电压）也要先经过水平放大电路的放大以后，再加到示波管的水平偏转板上，以得到水平方向适当大小的图形。4扫描与同步电路扫描电路产生一个锯齿波电压。该锯齿波电压的频率能在一定的范围内连续可调。锯齿波电压的作用是使示波管阴极发出的电子束在荧光屏上形成周期性的、与时间成正比的水平位移，即形成时间基线。这样，才能把加在垂直方向的被测信号按时间的变化波形展现在荧光屏上。5电源供给电路电源供给电路供给垂直与水平放大电路、扫描与同步电路以及示波管与控制电路所需的负高压、灯丝电压等。由示波器的原理功能方框图可见，被测信号电压加到示波器的Y轴输入端，经垂直放大电路加于示波管的垂直偏转板。示波管的水平偏转电压，虽
10、然多数情况都采用锯齿电压（用于观察波形时），但有时也采用其它的外加电压（用于测量频率、相位差等时），因此在水平放大电路输入端有一个水平信号选择开关，以便按照需要选用示波器内部的锯齿波电压，或选用外加在X轴输入端上的其它电压来作为水平偏转电压。此外，为了使荧光屏上显示的图形保持稳定，要求锯齿波电压信号的频率和被测信号的频率保持同步。这样，不仅要求锯齿波电压的频率能连续调节，而且在产生锯齿波的电路上还要输入一个同步信号。这样，对于只能产生连续扫描（即产生周而复始、连续不断的锯齿波）一种状态的简易示波器（如国产SB10型等示波器）而言，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，以牵制
11、锯齿波的振荡频率。对于具有等待扫描功能（即平时不产生锯齿波，当被测信号来到时才产生一个锯齿波，进行一次扫描）功能的示波器（如国产ST-16型示波器、SR-8型双踪示波器等而言，需要在其扫描电路上输入一个与被测信号相关的触发信号，使扫描过程与被测信号密切配合。为了适应各种需要，同步（或触发）信号可通过同步或触发信号选择开关来选择，通常来源有3个：从垂直放大电路引来被测信号作为同步（或触发）信号，此信号称为“内同步”（或“内触发”）信号；引入某种相关的外加信号为同步（或触发）信号，此信号称为“外同步”（或“外触发”）信号，该信号加在外同步（或外触发）输入端；有些示波器的同步信号选择开关还有一档“电
12、源同步”，是由220V，50Hz电源电压，通过变压器次级降压后作为同步信号。2.2 波形显示的基本原理由示波管的原理可知，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。如果分别将两个直流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。如果将一个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。当垂直偏转板上加一个正弦交流电压时，在时间t=0的瞬间，电压为Vo（零值），荧光屏上的光点位置在坐标原点0上，在时间t=1的瞬间，电压为V1（正值），荧光屏上光点在坐标原点0点上方的1上，位移的
13、大小正比于电压V1；在时间t=2的瞬间，电压为V2（最大正值），荧光屏上的光点在坐标原点0点上方的2点上，位移的距离正比于电压V2；以此类推，在时间t=3，t=4，t=8的各个瞬间，荧光屏上光点位置分别为3，4，8点。在交流电压的第二个周期、第三个周期都将重复第一个周期的情况。如果此时加在垂直偏转板上的正弦交流电压之频率很低，仅为lHz2Hz，那么，在荧光屏上便会看见一个上下移动着的光点。这光点距离坐标原点的瞬时偏转值将与加在垂直偏转板上的电压瞬时值成正比。如果加在垂直偏转板上的交流电压频率在10Hz20Hz以上，则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
14、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。如果在水平偏转板上加一个正弦交流电压，则会产生相类似的情况，只是光点在水平轴上移动罢了。如果将一随时间线性变化的电压（如锯齿波电压）加到一对偏转板上，则光点在荧光屏上又会怎样移动呢？当水平偏转板上有锯齿波电压时，在时间t=0瞬间，电压为Vo（最大负值），荧光屏上光点在坐标原点左侧的起始位置（零点上），位移的距离正比于电压Vo；在时间t=1的瞬间，电压为V1（负值），荧光屏上光点在坐标原点左方的1点上，位移的距离正比于电压V1；以此类推，在时间t=2，t=3，.，t=8的各个瞬间，荧光屏上光
15、点的对应位置是2，3，8各点。在t=8这个瞬间，锯齿波电压由最大正值V8跃变到最大负值Vo，则荧光屏上光点从8点极其迅速地向左移到起始位置零点。如果锯齿波电压是周期性的，则在锯齿波电压的第二个周期、第三个周期、都将重复第一个周期的情形。如果此时加在水平偏转板上的锯齿波电压频率很低，仅为1Hz 2Hz，在荧光屏上便会看见光点自左边起始位置零点向右边8点处匀速地移动，随后光点又从右边8点处极其迅速地移动到左边起始位置零点。上述这个过程称为扫描。在水平轴加有周期性锯齿波电压时，扫描将周而复始地进行下去。光点距离起始位置零点的瞬时值，将与加在偏转板上的电压瞬时值成正比。如果加在偏转板上的锯齿波电压频率
16、在10Hz20Hz以上，则由于荧光屏的余辉现象和人眼的视觉暂留现象，就看到一根水平亮线，该水平亮线的长度，在示波器水平放大增益一定的情况下决定于锯齿波电压值，锯齿波电压值是与时间变化成正比的，而荧光屏上光点的位移又是与电压值成正比的，因此荧光屏上的水平亮线可以代表时间轴。在此亮线上的任何相等的线段都代表相等的一段时间。 如果将被测信号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，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。在时间t=0的瞬间，信号电压为Vo（零值），锯齿波电压为V0（负值），荧光屏上光点在坐标原点左面，位
17、移的距离正比于电压V0；在时间t=1的瞬间，交流电压为V1（正值），锯齿波电压为V1（负值），荧光屏上光点在坐标的第象限中。同理，在时间t=2，t=3，t=8的瞬间，荧光屏上光点分别位于2，3，8点。在t=8瞬间，锯齿波电压由最大正值V8跳变到最大负V0，因而荧光屏上的光点也从8点极其迅速地向左移到起始位置0点。以后，在被测周期信号的第二个周期、第三个周期都重复第一个周期的情形，光点在荧光屏上描出的轨迹也都重叠在第一次描出的轨迹上。所以，荧光屏上显示出来的被测信号电压是随时间变化的稳定波形曲线。若被测信号电压的频率等于锯齿波电压频率整数倍数时，则荧光屏上将显示出周期为整数的被测信号稳定波形。而
18、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。第一次扫描时，屏上显示的是01这段波形曲线；第二次扫描时，屏上显示12这段波形曲线；第三次扫描时，屏上显示23这段波形曲线；可见，每次荧光屏上显示的波形曲线都不同，所以图形不稳定。由上述可见，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。为了实现这一点，就要求锯齿波电压的频率连续可调，以便适应观察各种不同频率的周期信号。其次，由于被测信号频率和锯齿波振荡信号频率的相对不稳定性，即使把锯齿波电压的频率临时调到与被测信号频率成整倍数关系，也不能使图形一直保持稳定。因此，
19、示波器中都设有同步装置。也就是在锯齿波电路的某部分加上一个同步信号来促使扫描的同步，对于只能产生连续扫描（即产生周而复始连续不断的锯齿波）一种状态的简易示波器（如国产SB-10型示波器等）而言，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”。对于具有等待扫描（即平时不产生锯齿波，当被测信号来到时才产生一个锯齿波进行一次扫描）功能的示波器（如国产ST-16型示波器、SBT-5型同步示波器、SR-8型双踪示波器等等）而言，需要在其扫描电路上输入一个与被测信号相关的触发信号，使扫
20、描过程与被测信号密切配合。这样，只要按照需要来选择适当的同步信号或触发信号，便可使任何欲研究的过程与锯齿波扫描频率保持同步。3 电子示波器的使用方法（1）开机前的准备工作及注意事项 检查电源电压是否在220V10的范围之内。 使用环境温度应为040。 输入端不应馈入过高电压。 显示光点的辉度不宜过亮，以免损坏屏幕。 各控制器件转换时，不要用力过猛。（2）接通电源后的操作步骤 把各控制件置于表1所列的位置后，接通电源，寻找光点。如果看到光点，可调整辉度，使光点或时基线的亮度适当；如果找不到光点，可按下“寻迹”按键，借以找出光点的所在位置。表1 示波器控制件位置调节Y轴和X轴的移位，把光点（或时基
21、线）移至屏幕的中心位置，然后用“聚焦”及“辅助聚焦”旋钮调节使波形最清晰。（3）输人信号的连接 以显示校准信号为例。用BNC型连接器的同轴电缆，将校准信号输出端与YA通道的输入端相连接。YA通道的输入耦合选择开关处在“AC”位置，灵敏度选择开关“微调Vdiv”置于“02”挡级，并将“微调”旋钮以顺时针转至满度的“校准”位置上。触发方式处于“自动”位置。此时，屏幕上显示出约5div的矩形波，但这是属于自励扫描方式，波形可能不太稳定，如果采用触发扫描方式，可以减小上述不稳定现象。在使用本机时，对输入信号的连线应该注意，尤其是对低电平且包含有较高频或较低频成分的信号波形进行观察时，必须使用屏蔽电缆线
22、，并且该电缆线的芯线和屏蔽地线都要直接连接在被测信号源的附近，否则将产生测量上的误差。即使是测量和观察一般波形，示波器的输入端也宜使用较短的连线。示波器在下列情况下，足以使输人波形产生失真。 在交流耦合工作状态下，观测较低频信号。 被测的高频信号源与示波器输入端的阻抗没有匹配。 输人信号的频率超出示波器的频宽。当使用示波器对输人信号进行测量时，示波器对输入信号负载的影响必须考虑。但是，在用作一般观察时往往会被忽略。为了提高测量精度，可使用探头来进行工作，这样由于负载而引起的影响可忽略或减少。（4）探头的使用 使用示波器观测信号波形时，由于信号源受到测试负载的影响，因此在测量时会产生一定的误差，
23、为减小这种误差，在测量时可使用探头使两者之间相互隔离。探头的分压器可进行一定的衰减以便适应测量幅度较大的信号，其测出的读数应取“微调Vdiv”开关刻度指示值的10倍。探头的输入信号最大幅度应小于仪器最大输人电压。使用探头测量快速变化波形时，接地点应选择在被测点附近连接。（5）触发控制件的选择触发源的选择（选用内触发的“常态”、“YB”或外触发）。a. 内触发。当触发源选择置于“内”位置时，触发信号取自Y轴放大器，经适当放大后反馈至触发电路。这种触发方式的操作比较简便。内触发有“常态”和“YB”两种触发信号，由按、拉开关选择。“常态”触发信号分别取自经放大后的YA及YB通道的信号，触发扫描单独与
24、自己的信号同步，两触发信号之间没有时间关系，所以在此触发状态下双踪显示只作一般波形观察，不能作时间比较。“拉YB”用通道YB的输人信号作触发源启动扫描，适用于对两种信号的时间进行比较分析的场合。b. 外触发。外触发方式可供特定信号启动扫描，此触发方式不受Y轴偏转操作系统的影响，它也可取自被测信号的一部分。触发信号与触发电路的耦合方式的选择。本机面板上设标有“AC”、“AC（H）”、“DC”字样的三种耦合方式选择开关，不论触发源选择开关置于“内”或“外”的位置上，均能起同样的作用。“AC”触发信号经电容器作交流耦合，因此隔开了触发信号中的直流分量，其触发作用由交流分量完成，可以进行稳定的扫描。这
25、是常用的一种耦合方式，但当触发信号频率较低时则不适宜。“AC（H）”触发信号经高通滤波器后与触发电路耦合，因此叠加在触发信号上的低频信号或低频噪声受高通滤波器的抑制作用而通不过，只有高频分量可以与触发电路耦合而得到较稳定的扫描。“DC”触发信号与触发电路直接耦合，因此，信号变化较缓慢时，也能启动扫描。以这种耦合方式反馈给触发电路的内触发信号中的直流电平，将随Y轴移位而变动。如果Y轴信号在示波管屏幕的有效工作面内移动，可再调节触发“电平”旋钮触发扫描。4 电子示波器的测量应用4.1 电压测量测量时，应将灵敏度选择开关“微调Vdiv”的“微调”旋钮顺时针转至满度“校准”位置，这样可以按“微调Vdi
26、v”的指示值仍直接计算被测信号的电压值。测量交流电压时，将Y轴输人耦合开关置于“AC”位置，以显示被测波形的交流成分。如交流频率很低时，应将Y轴输人耦合开关置于“DC”位置。用“微调Vdiv”开关将被测波形控制在屏幕有效工作面积范围内读取其峰峰之间的闾距H，如图1所示，并根据式（1）求出被测交流电压值峰值Upp。图1 交流电压测量图Upp=Hu （1）若使用探头，则Upp10Hu测量直流电压时，将Y轴输人耦合开关置“”位置，触发方式开关置“自动”位置，使屏幕上显示一条水平扫描线，并将扫描线移至便于观测的位置，并将此扫描线定为零电平线。输人被测信号后，将输入信号耦合开关置“AC”位置，此时，扫描
27、线沿Y轴方向产生跳变位移，如图2所示。 图2 直流电压测量图被测信号直流电压U可由式（2）计算UHU （2）若用10：1探头U10Hu （3）4.2 电流的测量用示波器观测电流信号时，需在被测电流回路中串接一个精度很高、阻值远小于原有回路的无感电阻R。从R两端取出正比于被测电流的电压信号，并将其送入示波器的Y轴输入端，示波器屏幕上显示的波形即为被测电流的变化波形。测量该电压信号的峰峰值，并换算成有效值，再利用欧姆定律计算出被测回路的电流值。 时间测量示波器的扫描信号与时间呈线性关系，因而可用屏幕上的水平刻度来测量波形的时间参数，如周期性信号的重复周期、两个信号的时间差、时间间隔和脉冲信号的宽度
28、、上升时间、下降时间等。将示波器的扫描速度开关“微调tdiv”的“微调”旋钮置于校准位置时，显示的波形在水平方向每格刻度所代表的时间，由“微调tdiv”指示值r决定，可直读计算，从而较准确地求出被测信号的时间参数。a. 测时间间隔。调节显示的波形易于观测，如图3所示，波形任意两点间的时间间隔T等于“微调tdiv”指示值莎与时基线被测值两点之间距离D的乘积，即 TDt（4）如果使用“扩展10”装置时，相当于将扫描速度加快（5）计算时间间隔 T10Dt （5）b. 测时间差。使用“交替”或“断续”的显示方式测两个信号的时间差。测量时，应将Y轴触发源开关置于“YB”位置，相位超前的信号输人到YB触发
29、扫描后，屏幕上显示出两个信号的波形。如图4所示，读出两时间差在水平方向上的读数D，按式（6）算出两个信号时间差T=D*t （6） 图3 时间间隔测量图图4 两信号时间差的测量图 相位测量双踪显示可以用于比较和测量两个相同频率信号的相位关系。测量时，将相位超前的信号接入YB通道，相位滞后的信号接入YA通道，选用YB触发。调节“微调tdiv”开关，使被测波形的一个周期在水平标尺上准确地占满8div，这时，一个周期的相角360被8等分，每一div相当于宅45，读出两信号波形相应两点的距离D，如图5所示，则相位差按式（7）计算45（div）D（div） （7）则45（div）15（div）65 频率测
30、量对于任何周期信号，可按上述测时间间隔的方法先测出其周期T，再根据f=1/T计算其频率。图5 相位测量图参考文献1温申麟. 物理实验M,广州:华南理工大学出版社,1991.2姬成周.电子示波器的基本知识J,物理,1975（06）.3武汉大学电子线路教材编写组.电子线路M,北京:人民教育出版社,1979.4孙续.电子示波器在挑战中发展J.国外电子测量技术,2009（03）.致 谢本论文是在冯先强老师的悉心指导下完成的。冯老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。本论文从选题到完成，每一步都是在冯老师的指导下完成的，倾注了老师大量的心血。在此，谨向冯老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！本论文的顺利完成，离不开各位老师、同学和朋友的关心和帮助。再次感谢冯老师的指导和帮助！你们的健康快乐是我永远的心愿！
