用示波器測(cè)量時(shí)間

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1、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(guò)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(lèi)型，如慢掃描示波器、各種頻率范圍的示波器、

2、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n???????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(chēng)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。圖1示波器的結(jié)構(gòu)圖為了適應(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(guò)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

3、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(chēng)控制極)和第二柵極G2(又稱(chēng)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(guò)柵極。調(diào)節(jié)柵極電壓可控制通過(guò)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(guò)柵極，G

4、2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(guò)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(guò)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

5、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(guò)大導(dǎo)致燒壞熒光屏。一般來(lái)說(shuō)，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

6、和數(shù)量。在電子射線停止作用前，磷光要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才熄滅，這個(gè)時(shí)間稱(chēng)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(guò)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(chēng)作y軸)及水平偏轉(zhuǎn)板(常稱(chēng)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

7、術(shù)指標(biāo)之一。?n???????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(chēng)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

8、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(chēng)“同步”)，波形才穩(wěn)定，否則波形就不穩(wěn)定而無(wú)法觀測(cè)。由于掃描電壓發(fā)生器