用示波器测量时间

实验简介

示波器是利用示波管内电子束在电场或磁场中的偏转,显示随时间变化的电信号的一种观测仪器。它不仅可以定性观察电路(或元件)的动态过程，而且还可以定量测量各种电学量，如电压、周期、波形的宽度及上升、下降时间等。还可以用作其他显示设备，如晶体管特性曲线、雷达信号等。配上各种传感器，还可以用于各种非电量测量，如压力、声光信号、生物体的物理量(心电、脑电、血压)等。自1931年美国研制出第一台示波器至今已有70年，它在各个研究领域都取得了广泛的应用，示波器本身也发展成为多种类型，如慢扫描示波器、各种频率范围的示波器、取样示波器、记忆示波器等，已成为科学研究、实验教学、医药卫生、电工电子和仪器仪表等各个研究领域和行业最常用的仪器。

实验原理

示波器的基本结构

示波器的结构如图1所示，

由示波管(又称阴极射线管)、放大系统、衰减系统、扫描和同步系统及电源等部分组成。

为了适应多种量程，对于不同大小的信号，经衰减器分压后，得到大小相同的信号，经过放大器后产生大约20V左右电压送至示波管的偏转板。

示波管是示波器的基本构件，它由电子枪、偏转板和荧光屏三部分组成，被封装在高真空的玻璃管内，结构如图2所示。电子枪是示波管的核心部分，由阴极、栅极和阳极组成。

图2 示波管的结构

(1)阴极――阴极射线源：由灯丝(F)和阴极(K)构成，阴极表面涂有脱出功较低的钡、锶氧化物。灯丝通电后，阴极被加热，大量的电子从阴极表面逸出，在真空中自由运动从而实现电子发射。

(2)栅极――辉度控制：由第一栅极G1( 又称控制极)和第二栅极G2(又称加速极)构成。栅极是由一个顶部有小孔的金属圆筒，它的电极低于阴极，具有反推电子作用，只有少量的电子能通过栅极。调节栅极电压可控制通过栅极的电子束强弱，从而实现辉度调节。在G1的控制下，只有少量电子通过栅极，G2与A2相连，所加相位比A1高，G2的正电位对阴极发射的电子奔向荧光屏起加速作用。

(3)第一阳极――聚焦：第一阳极(A1)程圆柱形(或圆形)，有好几个间壁，第一阳极上加有几百伏的电压，形成一个聚焦的电场。当电子束通过此聚焦电场时，在电场力的作用下，电子汇合于一点，结果在荧光屏上得到一个又小又亮的光电，调节加在A1上的电压可达到聚焦的目的。

(4)第二阳极――电子的加速：第二阳极(A2)上加有1000V以上的电压。聚焦后的电子经过这个高电压场的加速获得足够的能量，使其成为一束高速的电子流。这些能量很大的电子打在荧光屏上可引起荧光物质发光。能量越大就越亮，但不能太大，否则将因发光强度过大导致烧坏荧光屏。一般来说，A2上的电压在1500V左右即可。

(5)偏转板：由两对相互垂直的金属板构成，在两对金属板上分别加以直流电压以控制电子束的位置。适当调节这个电压可以把光点或波形移到荧光屏的中间部位。偏转板除了直流电压外，还有待测物理量的信号电压，在信号电压的作用下，光点将随信号电压变化而变化，形成一个反映信号电压的波形。

(6)荧光屏：荧光屏(P)上面涂有硅酸锌、钨酸镉、钨酸钙等磷光物质，能在高能电子轰击下发光。辉光的强度取决于电子的能量和数量。在电子射线停止作用前，磷光要经过一段时间才熄灭，这个时间称为余辉时间。余辉使我们能在屏上观察到光电的连续轨迹。

自阴极发射的电子束，经过第一栅极(G1)、第二栅极(G2)、第一阳极(A1)、第二阳极(A2)的加速和聚焦后，形成一个细电子束。垂直偏转板(常称作y轴)及水平偏转板(常称x轴)所形成的二维电场，使电子束发生位移，位移的大小与x、y偏转板上所加的电压有关：

式(1)

中的Sy和Dy为y轴偏转板的偏转灵敏度和偏转因数，Sx和Dx为x轴偏转板的偏转灵敏度和偏转因数。它们均与偏转板的参数有关，是示波器的主要技术指标之一。

示波器显示波形的原理

由式(1)，y轴或x轴的位移与所加电压有关。如图3所示，在x轴偏转板上加一个随时间t按一定比例增加的电压Vx，光点从A点到B点移动。如果光点到达B点后，Vx降为零(图中坐标轴上的Tx点)，那么光点就返回到A点。若此后Vx再按上述规律变化(Vx与Tx相同)，光点会重新由A移动到B。这样Vx周期性变化( 锯齿波)，并且由于发光物质的特性使光迹有一定的保留时间，于是就得到一条“扫描线”，称为时间基线。

图3 波形显示原理

如果在x轴加有锯齿形扫描电压的同时，在y轴上加一正弦变化的电压[如图(3)b]，则电子束受到水平电场和垂直电场的共同作用而呈现二维图形。为得到可观测的图形，必须使电子束的偏转多次重叠出现，即重复扫描。

很明显，为得到清洗稳定的波形，上述扫描电压的周期Tx (或频率fx)与被测信号的周期Ty(或fy)必须满足：

以保证Tx轴的起点始终与y轴周期信号固定一点想对应(称“同步”)，波形才稳定，否则波形就不稳定而无法观测。

由于扫描电压发生器的扫描频率fx不会很稳定，因此为保证式(2)

始终成立，示波器需要设置扫描电压同步电路，即触发电路，如图(1)所示。利用它提供一种触发信号来使扫描电压频率与外加信号同步，从而获得稳定的信号图形。图1中设置了三种同步触发方式：外信号触发、被测信号触发(内触发)、50Hz市电触发。

实际使用的示波器由于用途不同，它的示波管及放大电路等也不尽相同。因此示波器有一系列的技术特性指标，如输入阻抗、频带宽度、余辉时间、扫描电压线性度、y轴和x轴范围等。

用x 轴时基测时间参数

在实验中或工程技术上都经常用示波器来测量信号的时间参数，如信号的周期或频率，信号波形的宽度、上升时间或下降时间，信号的占空比(宽度/周期)等。如雷达通过测量发射脉冲与反射(接受)脉冲信号的时间差来实现测距离，其他无线电测距、声纳测潜艇位置等都属于这一原理。

从式(2)触发，设待测信号接y轴输入端，则Ty是待测信号的周期，Tx是x轴扫描信号的周期，N是一个扫描周期内所显示的待测信号的波形周期数。如荧光屏上显示2个信号波形，扫描信号周期是10ms，则待测信号的周期是5ms。

X轴扫描信号的周期实际上是以时基单位(时间/cm)来标示的，一般示波管荧光屏的直径以10cm居多，则式(2)的Tx，由时基乘上10cm，如时基为0.1ms/cm，则扫描信号的周期为1ms。为此在实际测量中，将式(2)改成(3)的形式

Ty = 时基单位×波形厘米数 (3)

式中的波形厘米数，可以是信号一个周期的读数(可测待测信号的周期)、正脉冲(或负脉冲)的信号宽度的读数或待测信号波形的其他参数。

用李萨如图形测信号的频率

如果将不同的信号分别输入y轴和x轴的输入端，当两个信号的频率满足一定关系时，荧光屏上会显示出李萨如图形。可用测李萨如图形的相位参数或波形的切点数来测量时间参数。

两个互相垂直的振动(有相同的自变量)的合成为李萨如图形。

1．频率相同而振幅和相位不同时，两正交正弦电压的合成图形。设此两正弦电压分别为：

消去自变量t，得到轨迹方程：

这是一个椭圆方程。当两个正交电压的相位差φ取0~2π的不同值时，合成的图形如图4所示。

图4 不同φ的李萨如图形

2．两正交正弦电压的相位差一定，频率比为一个有理数时，合成的图形为一条稳定的闭合曲线。图5是几种频率比时的图形，频率比与图形的切点数之间有下列关系：

图5 不同频率比的李萨如图形

学习重点

了解示波器的基本原理和结构。

学习使用试播观察波形和测量信号周期及其时间参数。

实验仪器

函数信号发生器2台， 通用示波器1台。

实验内容

用x轴的时基测信号的时间参数

l 测量示波器自带方波输出信号的周期(时基分别为0.1 ms/cm，0.2 ms/cm，0.5 ms/cm)。哪种时基测出的数据更准确，为什么？

l 选择信号发生器的对称方波接y输入(幅度和y轴量程任选)，信号频率为200Hz～2kHz(每隔200Hz测一次)，选择示波器合适的时基，测量对应频率的厘米数、周期和频率。以信号发生器的频率为x轴，示波器频率为y轴，作y-x曲线，求出斜率并讨论。

l 选择信号发生器的非对称方波接y轴，频率分别为200Hz、500Hz、1kHz、2kHz、5kHz、10kHz、20kHz，测量各频率时的周期和正波的宽度，用内容(2)的方法作曲线。

l 选择信号发生器的输出为三角波，频率为500Hz、1kHz、1.5kHz，测量各个频率时的上升时间。下降时间和周期。

观察李萨如图形并测频率。

用两台信号发生器(一台自用，一台为公用)分别接y轴和x轴，取fx/fy =1、1/2、2、2/3、3/4时，测出对应的fx和fy，画出有关图形并求出公用信号的频率。

设计性内容

用李萨如图形测信号的频率

如果将不同的信号分别输入到Y轴和X轴的输入端，当两个信号的频率满足一定的关系时，在荧光屏上将显示出李萨如图形，可用测量李萨如图形的相位参数或波形的切点数来测量时间参数。

注意事项

使用示波器测量信号前，先把聚焦调整好，否则会造成读数误差。

观察李萨如图形时，通过自用信号发生器的频率微调旋钮，使李萨如图形尽可能稳定时，再测量y轴和x轴的切点数。

思考题

用示波器测频率有有何优缺点？

本实验中观察李萨如图形时，为什么得不到稳定的图形？

假定在示波器的y轴输入一个正弦电压，所用的水平扫描频率为120Hz，在荧光屏上出现三个稳定的正弦波形，那么输入信号的频率是多少？这是否是测量信号频率的好方法？为什么？