专题十八 示波器测量信号波形（教案）-山东省对口升学《电气测量技术》（第2版）(高教社）专题复习讲练测

专题十八 示波器测量信号波形（教案）-《电气测量技术》（第2版） 高教社-专题复习讲练测 一、考纲解读 1.能够准确阐述示波器的分类（模拟示波器、数字示波器），并说明二者在工作原理、核心结构和功能特性上的本质区别。 2.熟练掌握模拟示波器的基本结构（示波管、垂直通道、水平通道等），理解电子枪、偏转系统、触发电路等关键部件的工作原理及其在波形显示中的作用。 3.精准识别模拟示波器前面板各旋钮（如垂直灵敏度旋钮、水平扫描速度旋钮、触发电平旋钮等）的功能，能根据测量需求正确调节参数。 二、知识点梳理 一、识--认识示波器 1.示波器的分类 示波器可以分为模拟示波器和数字示波器,如图 4-1-1所示,对于大多数的电子应用,模拟示波器和数字示波器都是可以胜任的,由于模拟示波器和数字示波器对于一些特定的应用环境具备一些不同特性,因此它们有一些各自非常适合的特殊场合。 (1)模拟示波器 模拟示波器的工作方式是直接测量信号电压,并且通过从左到右穿过示波器屏幕的电子東在垂直方向上描绘电压波形。模拟示波器要提高带宽,需要示波管、垂直放大和水平扫描全面推进。 (2)数字示波器 数字示波器的工作方式是通过模拟转换器把被测电压转换为数字信息。数字示波器捕获的是波形的一系列样值,并对样值进行存储,存储限度是判断累计的样值是否能描绘出波形。数字示波器会根据存储的样值重构波形。数字示波器可以分为数字存储示波器(DSO)数字荧光示波器(DPO),如图 4-1-2 所示。数字示波器要改善带宽只需要提高前端的 AD 转换器的性能,对示波管和扫描电路没有特殊要求。另外,数字示波管还具有记忆、存储、处理以及多种触发和超前触发等功能。 2.模拟示波器的结构 模拟示波器主要由示波管、Y轴偏转系统、X轴偏转系统、扫描及整步系统、电源等组成。模拟示波器的结构框图如图 4-1-3 所示,模拟示波器的组成及各部分的作用见表 4-1-1。 3.模拟示波器的工作原理 各种模拟示波器的结构大同小异,下面以 GOS-620 型双踪示波器为例介绍,如图 4-1-4 所示。模拟示波器的工作原理如图 4-1-5 所示。 当处于“交替”状态时,电子开关产生一个方波信号,当方波在“1”电平时,门电路只让 CH1 通道的信号通过;当方波在“0”电平时,门电路只让 CH2 通道的信号通过。这种工作状态只适用于显示频率较高的信号波形。 当处于“断续”状态时,电子开关不受扫描信号的控制,产生固定频率为 250 kHz的方波信号。电子开关即以这个频率进行自动转换,轮流接通两个通道。这种工作状态适用于显示频率较低的信号。 4.模拟示波器前面板 GOS-620 型双踪示波器前面板按照各部分功能不同分为四个功能区,分别为:显示区、水平控制区、垂直控制区和触发区,如图 4-1-6 所示。 5.数字示波器 (1)数字示波器前面板 数字示波器前面板包含 LCD 显示屏、选项按钮、常用功能区、水平控制区、执行控制区、触发控制区、电源开关、USB 接口、菜单按键、垂直控制区、模拟信号输入通道、外触发输入通道、探头元件等,可以完成波形录制和回放功能,如图 4-1-7 所示。 (2)数字示波器后面板 数字示波器后面板包含提手、电源插口、USB 接口、RS-232接口、Pass/Fail输出口等。 二、探--探究示波器测量信号波形参数的方法 利用示波器主要可以进行电压信号的测量。直接测量法就是直接从屏幕上测。量出被测电压波形的高度,然后换算成电压值。 特别注意:定量测量电压时,一般把灵敏度微调旋钮转至“校准”位置上,这样,就可以从垂直衰减选择旋钮的指示值和被测信号占取的Y轴坐标值直接计算出被测电压值,因此直接测量法又称为标尺法。 1.交流电压的测量 将输人耦合开关置于“AC”位置,显示出输人波形的交流成分。如果交流信号的频率很低,应将输入耦合开关置于“DC”位置。 将被测波形移至屏幕的中心位置,用垂直衰减选择旋钮将被测波形控制在屏幕有效显示范围内,读取整个波形在Y轴方向的格数,则被测电压峰-峰值(U。) 就等于垂直衰减选择旋钮挡位值与格数的乘积,如果使用探头测量时,应把探头的衰减量计算在内,即把上述计算数值乘以 10。 假设测得信号波形如图 4-1-9 所示,且示波器的垂直衰减选择旋钮置于“1 V/Div挡,被测波形在 Y轴方向的格数为 6 Div,则该信号各项参数如下 电压峰-峰值为 Up−p=6Div×1V/Div=6V 电压最大值为 Um=3Div×1V/Div=3V 电压有效值为 U=Um/√2=3/√2v≈2.12V 如果测量时采用了 10:1 衰减的探头,则U=2.12x10V=21.2V 2.直流电压的测量 将输入耦合开关置于“GND”位置,触发模式开关置于“自动”位置,使屏幕显示一条水平扫描线,此扫描线便为零电平线。 将输人耦合开关置于“DC”位置,加入被测电压,此时,扫描线在 Y轴方向产生跳变位移 ,被测电压即为垂直衰减选择旋钮挡位值与格数的乘积。 3.时间和周期的测量 (1)时间的测量 将示波器的扫描时间可变控制旋钮转到“校准”位置,显示的波形在水平方向占据格数所代表的时间按扫描时间选择旋钮的挡位值才能直接计算,从而准确地求出被测信号的时间参数。 测量上升沿时可调整脉冲幅度,使其占5 Div,并使 10%和 90%电平处于网格线上,如图 4-1-10(a)所示。测量脉冲宽度时,可将脉冲幅度调整到占6 Div,这时50%电平也恰在网格线上,如图 4-1-10(b)所示。测量脉冲幅度时,适当调整扫描时间选择旋钮,使显示的波形较大,如图 4-1-10(c)所示。 若测量图 4-1-10 所示波形参数,已知垂直衰减选择旋钮挡位值为1VDDiv,扫描时间选择旋钮挡位值为2 us/Div,则可得测量结果为 脉冲上升时间 0.5 Div×2 μs/Div=1.0 μs 脉冲宽度 5.7 Div×2μs/Div=11.4 μs 脉冲幅度 4.5 Div×1 V/Div=4.5 V (2)周期的测量 若扫描时间选择旋钮挡位值为1 μs/Div,则图 4-1-11 所示正弦波的周期为 T=4 Div×1 μs/Div =4 μs 由此可计算出该波形的频率为 f=1/T=1/4×10−6HZ=250000HZ=250kHZ 三、做--使用示波器测量信号波形 使用模拟示波器测量信号波形的方法 1.校准信号输出 校准信号输入端输入峰-峰值为2V,频率 为1000 Hz的方波信号,用以检查信号的灵敏度。 2.探头校正 方波校准信号输人到通道1,探头信号置于 10 倍,将通道1垂直衰减选择旋钮调至50mV 位置。调整探头上的补偿螺钉,使方波信号最平坦,测量峰-峰值是否为 2V。 3.零刻度线校正 垂直通道选择通道1,通道1输人耦合开关置 于 GND,触发模式选择自动触发模式，信号源选择通道1。等待屏幕出现直线轨迹,调整垂直旋钮,使直线轨迹与零刻度线重合。 4.测量交流信号 输入端加交流信号。调整垂直衰减选择旋钮,使波形高度大约为显示屏高度的 2/3;通道1输入耦合开关置于交流耦合(AC); 调 整 扫描时间选择旋钮,使显示屏显示1~2个周期波形;触发模式选择标准触发模式;若波形不稳,调节触发电平调整旋钮使波形稳定。 5.读正弦波幅值 读取正弦波峰值格数(波形的最高位置到中心刻度线的垂直格数)。读取正弦波峰-峰值格数(波形的最高位置到最低位置的格数)。正弦波峰-峰值格数x垂直衰减挡位值4x0.5 V=2V,即正弦波峰-峰值为2V,正弦波峰值为1V。 6.读正弦波频率 读取正弦波周期格数(波形两个峰值之间的格数)。 正弦波周期格数 x 扫描时间挡位值 =3.2x0.2 ms-0.64 ms,即正弦波周期为 0.64 ms,频率为周期的倒数,为 1.56 kHz。 三、真题练讲 1.(2021年山东省统一考试)使用示波器测量信号时，以下操作正确的是（ ） A. 直接用探头接触高压带电设备 B. 测量前无需检查探头接地 C. 调节触发电平使波形稳定 D. 随意设置垂直灵敏度至最大档位 答案：C 解析：触发电平调节是稳定波形的关键，其他选项存在安全风险或导致测量误差。 2.(2021年山东省统一考试)模拟示波器与数字示波器的主要区别在于（ ） A. 显示屏尺寸 B. 是否具备探头 C. 信号处理方式 D. 价格高低 答案：C 解析：模拟示波器基于电子束扫描，数字示波器通过数字化处理信号。 3.(2021年四川省统一考试)测量信号频率时，可通过以下哪种方式计算？（ ） A. 1 / 周期 B. 周期 × 水平扫描速度 C. 垂直格数 × 垂直灵敏度 D. 相位差 × 360° 答案：A 解析：频率是周期的倒数，即f = 1/T。 4.(2020年山东省统一考试)若示波器显示的波形幅度异常小，可能原因是（ ） A. 垂直灵敏度设置过大 B. 水平扫描速度过快 C. 触发方式错误 D. 探头未连接信号源 答案：A 解析：垂直灵敏度过大（如10V/DIV）会压缩波形幅度。 5.(2019年四川省统一考试)数字示波器的FFT功能用于（ ） A. 测量信号相位差 B. 分析信号频谱成分 C. 调节波形亮度 D. 控制探头衰减比 答案：B 解析：FFT（快速傅里叶变换）将时域信号转换为频域，用于频谱分析。 四、限时练讲 1.示波器按工作原理主要分为（ ） A. 单通道和多通道 B. 模拟和数字 C. 台式和便携式 D. 通用和专用 答案：B 解析：从工作原理划分，示波器分为基于电子束扫描显示的模拟示波器，以及通过采样、量化、编码处理信号的数字示波器，其他选项是按通道数量、外形或用途分类。 2.模拟示波器中，用于发射并聚焦电子束的部件是（ ） A. 偏转系统 B. 荧光屏 C. 电子枪 D. 垂直放大器 答案：C 解析：电子枪是模拟示波器示波管的关键部分，负责发射电子束，并对其进行聚焦和加速，使其高速轰击荧光屏形成光点 。 3.数字示波器实现波形显示的关键步骤不包括（ ） A. 信号采集 B. 机械扫描 C. 信号存储 D. 波形重建 答案：B 解析：数字示波器先采集模拟信号，经量化编码后存储，再将处理后的数字信号转换为图像显示，无需机械扫描，机械扫描是模拟示波器的工作方式。 4.模拟示波器前面板上，调节垂直方向每格代表电压值的旋钮是（ ） A. TIME/DIV B. VOLTS/DIV C. TRIGGER LEVEL D. FOCUS 答案：B 解析：VOLTS/DIV 即垂直灵敏度旋钮，用于设置垂直方向每格所代表的电压值；TIME/DIV 调节水平方向时间，TRIGGER LEVEL 是触发电平调节，FOCUS 用于调节光点清晰度。 5.数字示波器相较于模拟示波器，不具备的优势是（ ） A. 实时显示信号 B. 波形存储功能 C. 自动测量参数 D. 频谱分析 答案：A 解析：模拟示波器能实时显示信号；数字示波器优势在于可存储波形、自动测量参数（如频率、幅值），还能通过 FFT 进行频谱分析 。 6.使用示波器测量交流电压峰峰值，正确的操作是（ ） A. 读取波形最高点到基线的垂直格数 B. 读取波形最高点到最低点的垂直格数，乘以垂直灵敏度 C. 读取一个周期的水平格数，乘以水平扫描速度 D. 调节触发电平至信号中间位置 答案：B 解析：峰峰值是波形最高点与最低点之间的电压差值，需读取两者间垂直格数，再乘以垂直灵敏度计算得出。 7.测量直流电压时，示波器的耦合方式应设置为（ ） A. AC 耦合 B. DC 耦合 C. GND D. 任意模式 答案：B 解析：DC 耦合允许直流和交流信号通过，可测量直流电压；AC 耦合会隔除直流分量，GND 则将输入接地，无法测量信号。 8.计算信号周期的公式是（ ） A. 周期 = 垂直格数 × 垂直灵敏度 B. 周期 = 水平格数 × 水平扫描速度 C. 周期 = 垂直格数 ÷ 垂直灵敏度 D. 周期 = 水平格数 ÷ 水平扫描速度 答案：B 解析：通过读取一个完整周期在水平方向所占的格数，乘以水平扫描速度（TIME/DIV 值），即可得到信号周期。 9.使用示波器测量高频信号时，需要注意哪些事项？ 答案：①使用合适的高频探头，确保探头带宽满足信号频率要求；②检查探头接地是否良好，减少干扰；③适当调节垂直灵敏度和水平扫描速度，防止波形显示异常；④注意探头的衰减比设置，避免测量误差。 10.简述示波器测量信号波形的完整流程。 答案：①连接信号源与示波器探头；②设置示波器垂直通道耦合方式、灵敏度；③设置水平通道扫描速度；④选择合适的触发源、触发电平和触发方式；⑤调节相关旋钮使波形稳定、清晰显示；⑥根据测量需求，读取和计算信号参数。 五、学法建议 重点复习知识点： 1.时间参数测量：周期 = 水平格数 × 水平扫描速度，频率为周期倒数；时间间隔测量同理，依水平刻度换算。 2.相位测量：双踪显示两同频信号，读取过零点水平格数差，按（差值 / 周期总格数）×360° 计算相位差，需设置合适触发源。 3.测量流程：连接信号源与探头→设置垂直 / 水平参数→调节触发条件→稳定波形后读取参数，注意探头衰减比。 请同学们多结合实际操作，加深对理论知识的理解；操作需要反复练习，加深记忆；要注意安全，避免发生意外。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $$