示波器的使用(二)

§4.9  示波器和使用

示波器是一种应用十分广泛的电子测量仪器。用它不仅能直接观察电信号随时间变化的图形（波形），测量电信号的幅度、周期、频率、相位等，而且配合相应的传感器，还可以观测各种可以转化为电学量的非电量。

【实验目的】

1．了解示波器的大致结构和工作原理。

2．学习低频信号发生器和双踪示波器的使用方法。

3．使用示波器观察电信号的波形，测量电信号的电压和频率。

【实验原理】

一、示波器原理

1．示波器的基本结构

示波器的种类很多，但其基本原理和基本结构大致相同，主要由示波管、电子放大系统、扫描触发系统、电源等几部分组成，如图4.9-1所示。

。

Y放大

触发同步

。

。

。

。

扫描 发生器

。

。

X放大

。

。

直流电源

Y输入

X输入

外触发

CRT

K1

K2

图4.9-1   示波器的原理框图

（1）示波管

示波管又称阴极射线管，简称CRT，其基本结构如图4.9-2所示，主要包括电子枪、偏转系统和荧光屏三个部分。

电子枪：由灯丝、阳极、控制栅极、第一阳极、第二阳极五部分组成。灯丝通电后，加热阴极。阴极是一个表面涂有氧化物的金属圆筒，被加热后发射电子。控制栅极是一个顶端有小孔的圆筒，套在阴极外面，它的电位相对阴极为负，只有初速达到一定的电子才能穿过栅极顶端的小孔。因此，改变栅极的电位，可以控制通过栅极的电子数，从而控制到达荧光屏的电子数目，改变屏上光斑的亮度。示波器面板上的“亮度”旋钮就是起这一作用的。阳极电位比阴极高得多，对通过栅极的电子进行加速。被加速的电子在运动过程中会向四周发散，如果不对其进行聚焦，在荧光屏上看到的将是模糊一片。聚焦任务是由阴极、栅极、阳极共同形成的一种特殊分布的静电场来完成的。这一静电场是由这些电极的几何形状、相对位置及电位决定的。示波器面板上的“聚焦”旋钮就是改变第一阳极电位用的，而“辅助聚焦”就是调节第二阳极电位用的。

偏转系统：它由两对互相垂直的平行偏转板——水平偏转板和竖直偏转板组成。只有在偏转板上加上一定的电压，才会使电子束的运动方向发生偏转，从而使荧光屏上光斑的位置发生改变。通常，在水平偏转板上加扫描信号，竖直偏转板上加被测信号。

荧光屏：示波管前端的玻璃屏上涂有荧光粉，电子打上去它就会发光，形成光斑。荧光材料不同，发光的颜色不同，发光的延续时间（余辉时间）也不同。玻璃屏上带有刻度，供测量时使用。

（2）电子放大系统

为了使电子束获得明显的偏移，必须在偏转板上加上足够的电压。被测信号一般比较弱，必须进行放大。竖直（Y轴）放大器和水平（X轴）放大器就是起这一作用的。

（3）扫描与触发系统

扫描发生器的作用是产生一个与时间成正比的电压作为扫描信号。触发电路的作用是形成触发信号。当示波器工作在“自激”方式时，扫描发生器始终有扫描信号输出；当示波器工作在“DC”或“AC” 方式时，扫描发生器必须有触发信号的激励才产生扫描信号。一般地，示波器工作在内触发方式，触发信号由被测信号产生，以保证扫描信号与被测信号同步。当示波器工作在外触发方式时，触发信号由外部输入信号产生。

2．波形显示原理

如果只在竖直偏转板上加一正弦信号，则电子束的亮点将随电压的变化在竖直方向来回运动；如果频率较高，则看到的是一条竖直亮线，如图4.9-3所示。

要能显示波形，应使电子束在水平方向上也要有偏移，这就必须同时在水平偏转板上加扫描电压。扫描电压的特点是其幅值随时间线性增加到最大，又突然回到最小，此后再重复变化。在扫描信号的作用下，光点从左向右运动到最大位移，再突然回到左端起点，开始下一周期。我们把这一过程称为扫描。扫描电压的变化曲线形同锯齿，如图4.9-4所示，所以称为锯齿波。如果只有扫描信号加在偏转板上，在频率足够高时，屏上只能看到一条水平亮线。

如果在竖直偏转板（称Y轴）上加正弦电压，水平偏转板（称X轴）上加锯齿波电压，光点的运动将是两互相垂直运动的合成。若锯齿波电压的周期与正弦波电压的周期相等或锯齿波电压的周期稍大，则屏上将显示一个完整周期的波形，如图4.9-5所示。

当正弦波与锯齿波的周期稍微不同时，则在下一扫描周期显示的波形与本次扫描周期显示的波形不能重叠，如图4.9-6所示，这样，在屏上看到的就是移动着的不稳定图形。欲使前后两个扫描周期内的波形重合，使波形稳定，解决的办法有两个：（1）使锯齿波的周期等于正弦波的周期的整数倍，即T_x=nT_y，此时，示波器上显示n个完整的正弦波形。示波器面板上的“扫描微调”旋钮就是用来调节锯齿波的周期，使之满足上述关系的。（2）使扫描电压的起点自动跟随Y轴信号改变。这可以通过触发信号的激励作用来做到，即通过由Y轴信号所形成的触发信号使扫描信号在Y轴信号回到起点时自动回到起点。这种使扫描信号的周期等于被测信号的周期或扫描信号的起点自动跟随Y轴信号改变的现象称为“同步”（或整步）。

一般示波器只有一个电子枪，要能在屏上同时显示两路信号的图像，必须在人眼的视觉暂留时间内分别显示两波形在屏上不同的位置，这是通过电子开关来完成的。电子开关是一个自动的快速单刀双掷开关，它把Y₁通道和Y₂通道的信号轮流送入Y轴放大器，在屏上轮流显示。由于视觉暂留，观察者可以同时看到两路波形，即双踪显示。双踪显示有“交替”和“断续”两种方式。“交替”方式是在本次扫描时显示Y₁通道信号，下次扫描时显示Y₂通道信号，反复进行。“断续”方式是在每次扫描中，高速轮流显示Y₁通道和Y₂通道的信号，以虚线显示在屏上。由于虚线密集，使图形看起来连续。

二、测量原理

1．测量信号的电压和周期

用示波器测量信号的电压，一般是测量其峰—峰值U_pp，即信号的波峰到波谷之间的电压值。在选择适当的通道偏转因数和扫描时基因数后，只要从屏上读出峰—峰值对应的垂直距离Y(cm)和一个周期对应的水平距离X(cm)，即可求出信号的电压和周期。

                                       （4.9-1）

                                    （4.9-2）

正弦信号的有效值U_eff和峰—峰值U_pp的关系为

                         （4.9-3）

有时，被测信号电压比较高，必须经过衰减后才能输入示波器的Y通道。衰减倍数用分贝数表示，其定义为

                            （4.9-4）

式中，U₀为未衰减时的信号电压值，U为示波器测得的衰减后的电压值。根据衰减的分贝数和示波器测得的值U，就可得到被测信号的电压值。

2．测量信号的频率

（1）李萨如图形

设两个互相垂直的振动为

式中，f₁、f₂为两振动的频率，j₁、j₂为两振动的初相。当f₁=f₂时合成振动的轨迹方程为

              （4.9-5）

（4.9-5）式是一个椭圆方程。当j₂-j₁=0或±p时，椭圆退化为一条直线；当j₂-j₁=±p/2时，合成轨迹为一正椭圆。

当f₁≠f₂时，合成振动的轨迹比较复杂，但当f₁与f₂成简单的整数比时，合成振动的轨迹为封闭的稳定几何图形，这些图形称为李萨如图形，如图4.9-7所示。

从图形中，人们总结出如下规律：如果作一个限制光点在x，y方向运动的假想矩形框，则图形与此矩形框相切时，横边上的切点数n_x与竖边上的切点数n_y之比恰好等于两振动的频率之比，即

                                  (4.9-6)

或                                                              

因此，若已知其中一个信号的频率，从李萨如图形上数得切点数n_x和n_y，就可以求出另一待测信号的频率。

（2）拍

设两个同方向的简谐振动为

选某一时刻两振动相位相同时作为计时起点，则j₂=j₁=j，若两振动的振幅也相同（A₁=A₂=A），则合成振动可以表示为

当f₁与f₂的差值远小于f₁、f₂时，合成振动的振幅▕2Acos[π(f₂-f₁)t] ▏随时间缓慢地呈周期性变化，这种现象称为拍，振幅变化的频率叫拍频

                               （4.9-7）

图4.9-8所示为拍的形成的示意图，其中，t=0时，y₁与y₂的相位差为π。如果信号频率f₁已知且连续可调，则通过改变f₁观察拍频的变化，可以判断出待测信号频率f₂是大于f₁还是小于f₁，然后根据测得的拍频f₃和(7)式就可求出待测信号的频率。

【实验仪器】

DF4320型双通道示波器，EE1641B函数信号发生器，连接线若干

一、DF4320型双通道示波器

DF4320型双通道示波器的面板图入图4.9-9所示，各部件名称及作用介绍如下：

1、亮度(intensity)。用于调节光点亮度。

2、聚焦(focus)。用于调节光点大小。

3、轨迹旋转(trace rotation)。可调节波形与水平刻度线的角度。

4、电源指示灯(power indicator)。

5、电源开关(power)。

6、校准信号(probe adjust)。提供0.5V、频率为1kHz的方波信号。

7、8．垂直移位 (vertical position) 旋钮。改变波形的在屏上的竖直位置。

9．垂直方式按钮(vertical mode)。共5个按钮。按下CH1或CH2时，单独显示通道1或通道2的信号；按下ALT时，两个通道交替显示；按下CHOP时，示波器处于断续工作方式；按下ADD时，显示两个通道信号的代数和。

10．通道2极性(CH2 NORM/invert)。改变通道2信号的极性。当垂直方式置“ADD”时，选择“NORM”，屏上显示两通道信号的和；选择“invert”, 屏上显示两通道信号的差。

11、12．电压衰减(volts/div) 旋钮。即偏转因数。用于调节垂直偏转灵敏度，它指示竖直方向每厘米代表的电压值。对于一定的输入信号，调节它，可改变波形在竖直方向的幅度。

13、14．微调(variable) 旋钮。用于连续调节垂直偏转灵敏度。

15、16．耦合方式(AC-GND-DC)按钮。输入信号的耦合方式。置“AC”时，交流输入，直流成分被隔断；置“DC”时，直流输入；置“GND”时，接地，输入零信号。

17、18．通道1（CH1 OR X）和通道2（CH2 OR Y）信号输入插孔。

19．水平移位(horizontal) 旋钮。调节它可使波形水平移动。

20．电平(level) 旋钮。用来调节被测信号在某一电平触发扫描。

21．触发极性(slope)。用于选择触发信号的上升沿或下降沿去触发扫描。

22．扫描方式(sweep mode)按钮。选择“AUTO”（自动）时扫描发生器自动工作，屏上始终有扫描线；选择“NORM”（常态）时，必须有触发信号扫描发生器才有扫描信号输出；选择“SINGLE”（单次）时，触发信号只触发一次扫描，下次扫描需再按动一次该键。

23．被触发或准备指示灯(trig’d ready)。在被触发扫描时，指示灯亮；在单次扫描时，指示灯亮表示扫描电路在触发等待状态。

24．扫描速率(sec/div)旋钮。即扫描时基因数。用于调节扫描速度，其数值的倒数即扫描速率。它指示水平方向每厘米代表的时间值，其范围从0.1μs/div到0.2s/div。

25．扫描微调、扩展(variable  pull×5) 旋钮。用于连续调节扫描速度。当旋钮被拉出时，扫描速度扩大5倍。在测量时间（周期）时，该旋钮应关上。

26．触发源（trigger source）按钮。用于选择产生触发的源信号。有四种方式选择：CH1、CH2、LINE、EXT。在单踪显示时，无论选择CH1还是CH2，触发信号都来自被显示的通道。

27．触发耦合(coupling)按钮。有“AC/DC”和“TV”

28．接地(⊥)。

29．外触发输入(EXT input)插座。

30．Z轴输入(Z axis input)亮度调制信号输入插座。

31．电源插座。

32．电源设置。

33．保险丝座。

二、EE1641B函数信号发生器

EE1641B函数信号发生器可以输出频率在0.2Hz─2MHz的正弦波、三角波、方波信号等，其面板图如图4.9-10所示，各部件的作用如下：

1．频率显示窗口。显示输出信号频率值（或外测频值）。

2．信号幅度显示窗口。显示输出信号的幅度值。

3．扫描宽度调节旋钮。调节它，可以改变内扫描时间的长短。

4．速率调节旋钮。用以调节扫频输出的扫频范围。

5．外部输入插座。外扫描控制信号或外测频信号输入端。

6．TTL信号输出端。输出标准TTL脉冲信号，输出阻抗为600Ω。

7．函数信号输出端。1MΩ负载时，输出20Vp-p，50Ω负载时，输出10Vp-p。

8．函数信号输出幅度调节旋钮。

9．函数输出信号直流电平预置调节旋钮

10．波形对称性调节旋钮。调节它可改变输出波形的对称性。当它置于“OFF”时，输出对称波形。

11．输出衰减旋钮。有20dB和40dB两档选择。

12．输出波形选择。用来选择输出信号的波形。

13． “扫描/计数”按钮，用于选择扫描方式和外测频方式。

14．频段选择。选择输出信号的频段，每按压一次，改变一个频段。

15．频率调节。调节输出信号的频率。

16．电源开关。

【实验内容】

1．使用练习

（1）开机准备。开机前，把示波器面板上的旋钮调到如下位置

亮度(intensity) 旋钮                                            居中

聚焦(focus) 旋钮                                                居中

垂直移位 (vertical position) 旋钮                               居中

水平移位(horizontal) 旋钮                                       居中

垂直方式 (vertical mode) 按钮                                    CH1

扫描方式(sweep mode)按钮                                        自动

扫描速率(sec/div)旋钮                                     逆时针到底

扫描微调、扩展(variable  pull×5) 旋钮                    关(顺时针)

触发耦合(coupling)按钮                                       AC常态

触发源（trigger source）按钮                                     CH1

触发极性（slope）                                             上升沿

输入耦合（AC-GND-DC）                                             DC

（2）打开电源开关，电源指示灯亮，稍等预热，屏上出现亮点。分别调节亮度和聚焦旋钮，使光点亮度适中、清晰。

（3）观察交流信号波形。打开信号发生器电源开关，将其输出接CH1。调信号发生器频率为1kHz，输出电压调为4.0V，输出衰减置20dB，CH1通道偏转因数旋钮(volts/div)调为0.2V/div，扫描速率(sec/div)旋钮调为0.5ms/cm，观察示波器上的波形。若波形不稳定，调节电平旋钮使之稳定。将扫描速率(sec/div)旋钮改为0.2ms/cm，再观察示波器上的波形。

2．测量信号的电压与周期

（1）校准。将校准信号(probe adjust)接入CH1，偏转因数置0.1V/cm，扫描速率(sec/div)旋钮调为0.5ms/cm，观察信号幅度（5cm）及信号一个周期的长度（2cm）值是否正确？若不正确，请老师校准。

（2）测量。按前述（3）调好信号发生器，CH1通道偏转因数(volts/div)置为50mV/div，选择合适的扫描速率(sec/div)值，使屏上刻度范围内出现一个完整波形，记下信号峰-峰值长度Y和一个周期的长度X。

3．观察李萨如图形，测信号频率。

（1）将待测信号输入CH1通道，使示波器显示出信号波形，并估算其频率大致值。

（2）将标准已知频率信号输入CH2通道，扫描速率(sec/div)旋钮置X-Y（逆时针到底），调节信号幅度或改变通道偏转因数，使图形不超出荧光屏视场。

（3）根据待测信号频率的粗测值，调节CH2通道信号的频率，使示波器屏上分别出现 =1:1、1:2、2:3、3:4的李萨如图形。描下李萨如图形，并记下相应的CH2通道信号的频率值f_x。

4．用“拍”现象测正弦信号的频率

（1）将待测信号输入CH1通道，垂直方式 (vertical mode)选CH1，选择适当的偏转因数和扫描速率，使屏上出现合适的稳定的正弦波图形估算信号的大致频率。

（2）将可调标准信号源信号输入CH2通道，垂直方式 (vertical mode)选CH2，调节信号源，使其输出信号的频率和幅度与待测信号的大致相同。

（3）垂直方式选ADD，通道2极性选NORM，扫描速率调到合适值。调可调标准信号源信号频率，使屏上出现稳定的“拍”波形。记下此时一个“拍”波形的长度X₁、标准信号源频率f₁和扫描速率值。缓慢改变标准信号源频率，得到另一稳定的“拍”波形，记下此时一个“拍”波形的长度X₂、标准信号源频率f₂和扫描速率值。

注意事项：

1．不要使光点过亮，特别是光点不动时，应使亮度减弱，以免损伤荧光屏。

2．动旋钮和按键时必是有的放矢，不要将开关和旋钮强行旋转、死拉硬拧，以免损坏按键、旋钮和示波器。

3．测信号周期时，一定要将扫描微调、扩展(variable  pull×5) 旋钮（顺时针）关上。

【数据处理】

1．正弦信号电压与周期测量数据表

表4-22

2．用李萨如图形测正弦信号频率

表4-23

3．用“拍”现象测正弦信号的频率

表4-24

【预习思考题】

   1．观察波形的几个重要步骤是什么？

   2．如果用正弦信号做扫描波，那么，正弦信号在屏幕上显示的波形是怎样的？

   3．如果打开示波器电源后，看不到扫描线也看不到光点，可能有那些原因？

【实验后思考题】

1．如何测定扫描波的频率？

2．能否用示波器测市电的频率？

3．如何用示波器测量两正弦信号的相位差？

§5.19   法拉第效应

法拉第效应是一种磁光效应。在现代光学技术特别是激光技术中，法拉第效应获得了非常重要的应用，例如，作光调制器件、光开关，进行光信息处理等。

【实验目的】

1．了解法拉第效应原理。

2．学会测量法拉第效应旋光角。

【实验原理】

当线偏振光穿过介质时，若在介质中加一平行于光的传播方向的磁场，则光的振动面将发生旋转，这种磁致旋光现象是1845年由法拉第首先发现的，故称为法拉第效应。振动面转过的角度称为法拉第效应旋光角。实验发现

                                            （5.19-1）

式中，q 为法拉第效应旋光角，l为介质的厚度，B为平行与光传播方向的磁感强度分量，V称为费尔德(Verdet)常数。

法拉第效应解释如下。线偏振光的电矢量E可以看成是两个旋转方向相反的圆偏振光E_L和E_R的合成。当光沿磁场方向在介质中传播时，产生双折射。左右圆偏振光的折射率不同，传播速度不同，因此，当传播距离l后，两者的相位滞后分别为

E

EL

ER

EL

ER

θ

jL

jR

E

这时，E_L与E_R合成的新的线偏振光矢量E的方向不再是原方向，而是转过了一个角度，如图5.19-1所示。

图5.19-1

(a)

(b)

 

由图5.19-1（b）可知，

∴                                        （5.19-2）

根据量子力学色散理论可以导出

                                      （5.19-3）

代入（5.19-2）式即得

                                                       （5.19-4）

与实验规律对比可知

                                                （5.19-5）

式中，e为电子电量，m为电子质量，c为真空中的光速，l为所用光波的波长， 为介质的色散。

如果测出了某种单色光l在一定磁感强度B下的法拉第旋光角q 和介质的色散 ，就可以由（5.19-5）式求出费尔德常数，并由下式求出电子荷质比。

                                                   （5.19-6）

【实验仪器】

WFC法拉第效应测试仪    待测样品

7000

.

.

.

.

.

1000

2000

3000

4000

5000

6000

8000

9000

1

2

3

4

5

0

B(高斯)

I（A）

3000

5400

7000

8200

9000

图3

电磁铁电源

单色仪

光电倍增管

数显表

光源

电磁铁

起偏镜

检偏镜

电磁铁

样品

图5.19-2 法拉第效应测试仪结构示意图

法拉第效应实验装置示意图如图5.19-2所示。由光源（12V ,100W的白炽灯）产生的复合白光通过小型单色仪后可以获得波长在360nm~800nm的单色光，经过起偏镜成为单色线偏振光，然后穿过电磁铁。电磁铁采用直流供电，中间磁路有通光孔，保证入射光与磁场B方向一致，两磁极间隙为11mm。磁感强度与励磁电流的关系曲线如图5.19-3所示，根据励磁电流的大小可以从图中查得对应的磁场值。入射光穿过样品后从电磁铁的另一极穿出入射到检偏器上，透过检偏器的光进入光电倍增管，由数显表显示光电流的大小，即出射光强的大小。根据出射光强最大（或最小）时检偏器的位置读数即可得出旋光角。检偏器的角度位置读数也由数显表读出，其最大读数为99°59´，分辨率为1´。

WDX型小型单色仪是由色散棱镜将复合光分解后通过限制谱线的宽度来获得单色光束。通过旋转棱镜，在狭缝处可获得不同波长的单色光束。光束波长与鼓轮读数对照表见表5-4。

表5-4. 可见波长部分实测数据表               温度：20°c   湿度：

 

    样品介质为重火石玻璃（ZF6），制成顶角为60°的三棱镜形状，可在分光仪上测量其色散。

【实验内容】

1．实验准备（已由实验室完成）

将白炽灯电源线插入电源变压器后，接通电源，开启单色仪入射狭缝；

将光源、单色仪与电磁铁配合衔接起来（即把偏振片座套插入电磁铁之圆凹槽里），从电磁铁另一磁极圆孔中，用30^×读数显微镜观察，调整单色仪与电磁铁的配合，使光束位于圆孔中心。然后将光电接收部分的连接罩插入到电磁铁的圆凹槽中；

将玻璃样品用弹性固定圈固定在电磁铁磁极中间。

2．仪器调节

1）接通电源，预热5分钟，使单色仪输出某一波长的单色光。

2）将检偏器手柄上的红点与连接座的标记几电磁铁一端的标记（均为红色）三点调成一直线。

3）调数显表灵敏度旋钮在合适位置。灵敏度的高低，直接反映在数显表数值跳动的快慢。顺时针为增加灵敏度，逆时针为降低灵敏度。注意：在同一波长的情况下，一经调定，在测量过程中应固定不动。

4）将检偏镜测角手轮顺时针旋到头后，再逆时针旋转两周，按一下角度数显表的清零按钮，使角度显示值为零。

5）微动光电流数显表的调零旋钮，使其示值为零。

3．测量法拉第效应旋光角

1）将励磁电流由零增加到1A，观察数显表示值的变化。

2）调节检偏器手轮，使数显表的示值逐渐变化到零。记下角度表的读数q。

3）将励磁电流分别调到2A、3A、4A，重复过程2）。

4．测电子荷质比e/m

1）固定磁感强度B（即励磁电流）为某一值，调单色仪输出不同波长的单色光，按前述方法测量其法拉第效应旋光角q，测8组。记下相应励磁电流值和单色仪手轮上的读数值。

2）用分光仪测出样品介质对不同波长单色光（由单色仪产生）的最小偏向角，求出不同波长的折射率n。求出介质的色散dn/dl。

注意事项：

1．认清单色仪狭缝开启方向，切勿使其关闭过零。

2．数显表溢出时，可关小单色仪入射狭缝或调整放大倍率。

3．数显表未与整机相连时，切勿接通电源，以免烧坏仪器。

【数据处理】

1．根据励磁电流，查图得出磁感强度，并根据（5.19-1）式计算费尔德常数。

2．根据波长~鼓轮读数对照表，查出波长；求出V（l），作l~V（l）曲线。

3．（1）根据实验内容4（2）的结果，由 （式中，A为三棱镜样品的顶角，d为最小偏向角）计算n（l），作l~n（l）曲线，在线性度较好的l₀处取两点，计算dn/dl。

（2）由B、l₀、dn/dl及对应的q 计算电子荷质比e/m。