電磁學實驗三示波器及信號產生器 1. 目的 : 研習示波器及信號產生器的操作與測試 2. 原理 : (1) 示波器可量測電路中固定接點間的電壓值, 觀測瞬間電壓對應時間的關係, 也可量測頻率和相位參數 其應用的範圍極為廣泛, 無論在基礎科學 電子電路分析 生醫工程 航太機械儀等技術發展上都有非常重要

電磁學實驗三示波器及信號產生器 1. 目的 : 研習示波器及信號產生器的操作與測試 2. 原理 : (1) 示波器可量測電路中固定接點間的電壓值, 觀測瞬間電壓對應時間的關係, 也可量測頻率和相位參數 其應用的範圍極為廣泛, 無論在基礎科學 電子電路分析 生醫工程 航太機械儀等技術發展上都有非常重要的功能 示波器的基本組成如圖 3-1, 含陰極射線管 (CRT) 水平(X) 放大器 垂直 (Y) 放大器 時基產生器及觸發同步電路等主要部分 CRT 中電子槍發射電子束, 通過水平 垂直兩組偏轉系統後, 打在螢光幕上, 產生光點 兩組偏轉系統分別由水平及垂直信號所控制, 內建的水平掃描電壓為時基產生器 ( 又稱掃描發生器 ) 所提供的鋸齒波, 使水平偏移量正比於時間 外觸發 垂直輸入 同步 觸發 垂直 放大 CRT 時基 產生 水平 放大 外加水平輸入 圖 3-1 圖 3-2 說明波形顯示的原理, 當垂直輸入的正弦波由 a 到 e 一個周期時, 水平信 號也由 a 到 e 一周期, 使電子束在螢光幕上掃出 a 到 e 的波形, 在下一週期, 垂 直和水平電壓均重複, 在螢光幕顯示相同的正弦波形 圖 3-2

由以上分析可知, 水平及垂直信號的周期必須相同或水平周期為垂直周期的整數倍, 否則顯示的波形會向左或右移動 ( 不穩定 ) 調整水平掃描頻率以配合垂直信號頻率就是同步過程 為此, 示波器有同步電路自動調節 同步電路由垂直放大電路中取出部分 Y- 信號, 輸入時基產生器, 使 X Y 信號同步, 叫內同步 (internal synchronism), 同步信號由示波器外輸入叫外同步, 取自電源則稱電源同步 多數示波器採用觸發掃描方式 (triggered sweep), 當待測信號電壓達到觸發電壓且斜率符號與設定相同時, 示波器開始掃描 垂直及水平信號放大要求不失真 有足夠大的增益及頻率響應範圍 高輸入阻抗, 使示波器有夠高的靈敏度, 對待測信號的影響足夠小 (2) 信號產生器常和示波器配合使用, 以測試電路的特性, 如頻率響應 增益 失真 相移等等 這兩種儀器在電路檢修 調整 測試時尤其重要 信號產生器的信號由振盪器產生, 依頻率範圍可分低頻及高頻兩大類, 低頻信號產生器又稱音頻 (AF) 信號產生器, 高頻信號產生器又稱射頻 (RF) 信號產生器 輸出波形有正弦波 三角波 方波 脈波 階梯波等 3. 儀器 : (1) 示波器 : 面板如圖 3-3, 符號說明在附錄表 3-3 (2) 信號產生器 : 面板如圖 3-4, 符號說明在附錄表 3-4 (3) 直流電源供應器 (4) 未知電路盒 圖 3-3

(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11) (12) (13) 圖 3-4 4. 步驟 : (1) 將示波器接上 110V 交流電源座 (2) 打開示波器 Power 5, 指示燈會亮 (3) 將 Mode 14 調至 CH1, 而 TIME/DIV 29 調至螢幕訊號呈現一直線 (4) 調整 INTEN 2 及 Focus 3 取適當亮度及清晰訊號 ( 不宜過亮以延長螢光幕及電子槍壽命 ) (5) 調整 Trace Rotation 4 確保訊號維持水平直線 (6) 將 Probe 插入 CH1 (x) 8,Mode 14 調至 CH1 位置,AC-GND-DC 10 調至 GND, 使訊號線位於 X 軸上 (7) 將 Probe 另一接頭接上 CAL 1,Volts/DIV 7 調至刻度為 1V,TIME/DIV 29 調至刻度為 1 ms, 確定訊號輸出為電壓 2Vp-p, 頻率為 1kHz (8) 打開訊號產生器 POWER(1) (9) 取一連接線 (BNC- 鱷魚夾 ), 將訊號線 BNC 接頭接上 OUTPUT 5, 將 Probe 勾住鱷魚夾紅色接線 (10) 調整訊號產生器 RANGE(3) 至刻度 1kHz,FUNCTION(6) 至正弦波位置 (11) 調整訊號產生器 FREQUENCY(2) 改變 10 組不同頻率, 由示波器讀取此 10 個不同頻率並紀錄於表 3-1

李沙爵圖形 (Lissajous): 若水平輸入和垂直輸入同時接上正弦電壓訊號, 且兩個頻 率比為有理數, 則電子束在螢光幕上掃瞄的軌跡會呈現封閉曲線 (12) 將兩台訊號產生器分別接在 CH1(X) 8 及 CH2(Y) 20, 兩台訊號輸出皆為正弦波, 振幅為 1V( 改變 Mode 14 調至 CH1 或是 CH2 分別量測得知 ) 頻率分別為 f x 及 改變 f x 及 f y 的比值, 並將 TIME/DIV 29 轉至 X-Y 位置, 由兩訊號的組合可得一 封閉曲線 繪出示波器呈現的圖形於表 3-2 量測未知電路盒 : (13) (a) 將未知電路盒的 V+ 端與 GND 端分別連接至電源供應器的正端與負端, 並將 電源供應器的正負端電壓差設定為 12 V (b) 調整訊號產生器的輸出為振幅 Vp-p 30 mv( 訊號產生器振幅鈕 (13) 需拉起, 電 壓值由示波器量測得知 ) 頻率 100 Hz 的弦波 以 BNC 纜線將訊號產生器的 輸出連接至未知電路盒的 Input 端 以示波器量測未知電路盒的 Output 端, 將 量測的波形 振幅與頻率紀錄於表 3-3 (c) 固定訊號產生器的輸出為振幅 Vp-p 30 mv, 改變訊號產生器的頻率為 1 khz 10 khz 100 khz, 重覆 (b) 的步驟 (d) 固定訊號產生器的頻率為 100 Hz, 改變訊號產生器的振幅為 30 mv 40 mv 50 mv 60 mv, 重覆 (b) 的步驟 f y 5. 實驗記錄 : 表 3-1 訊號產生器頻率 (Hz) 示波器之測量值 (ms) 示波器之測量值 (Hz) 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

表 3-2 f x : f y ( V: V 1: 1) X y 1:1 2:1 3:1 3:2 表 3-3 Input 端波形 Input 端頻率 Input 端振幅 Output 端波形 Output 端頻 率 Output 端振幅

6. 數據處理 : (1) 在表 3-1 中, 以示波器所得之頻率為測量值, 訊號產生器所提供之頻率為標準值 測量值為縱軸, 標準值為橫軸作圖, 作出校正曲線 如果該直線的斜率不為 1, 或未通過原點設法找出原因 (2) 在表 3-2 中, 將未知電路盒輸出端信號的振幅除以輸入端信號的振幅 G V p p. output ( G ) 將此數值 G 分別針對 input 頻率 input 振幅作圖 ( 縱軸為 G, V p p. input 橫軸分別為頻率 振幅 ) 7. 問題 : (1) 示波器螢光幕上看不到亮點時應檢查哪些事項? (2) 若螢光幕上只有一條水平或垂直亮線, 原因何在? (3) 接上信號後看不到波形應檢查甚麼? (4) 圖形不穩定的原因是甚麼? 如何調整? (5) 示波器可否測量直流電壓? 若是, 如何測量? (6) 是否能由步驟 (13) 與數據處理 (2) 得到此未知電路盒的功能? 8. 參考資料與延伸閱讀 (1) 儀器總覽 - 電子測示儀器, 行政院國家科學委員會精密儀器發展中心,ISBN 957-02-2533-5, p.1-p.8 信號產生器 示波器 直流電源供應器 訊號線 (BNC-BNC) 未知電路盒 訊號線 (BNC- 鱷魚夾 ) 訊號線 (BNC-Probe)

圖 3-5 附錄.. 表 3-3 NO. 面板標示 功能 1 CAL 2V p-p 提供一校正用之方波 ( 電壓 : 2V p-p, 頻率 : 1kHz) 2 INTEN 控制光軌跡或光點之亮度 3 FOCUS 控制使螢幕上光點更清楚 4 TRACE ROTATION 調整水平光軌跡平行於螢幕上之標線 5 POWER 電源開關指示燈 6 電源開關 7 VOLTS/DIV 調整電壓刻度 8 CH1 X 輸入 CH1 垂直訊號 9 靈敏度微調用 10 AC-GND-DC 調整輸入訊號與垂直放大器之聯結模式 11 POSITION 控制軌跡或亮點之垂直位置 12 ALT/CHOP 選擇是否同時顯示 CH1 及 CH2 之訊號 13 DC BAL 調整 CH1 振幅衰減平衡 14 MODE 選擇 CH1 及 CH2 的操作模式 15 示波器接地端 16 CH2 INV 反轉 CH2 輸入訊號 17 DC BAL 調整 CH2 振幅衰減平衡 18 AC-GND-DC 調整輸入訊號與垂直放大器之聯結模式 19 POSITION 控制軌跡或亮點之垂直位置 20 CH2 Y 輸入 CH2 垂直訊號 21 靈敏度微調用 22 VOLTS/DIV 調整電壓刻度 23 SOURCE 選擇需觸發之內部訊號 24 TRIG IN 輸入外部觸發訊號, 使用時 23 需切換至 EXT 位置 25 MODE 選擇所需之觸發模式 26 SLOPE 選擇所需之觸發斜率 27 TRIG. ALT 選擇是否需個別觸發訊號 28 LEVEL 顯示一同步穩定波形並設定其起始點 29 TIME/DIV 調整使螢光幕上出現的波形最適合觀察, 細調鈕作為振幅的調整 30 SWP VAR 控制掃描時間之校正 31 x 10 MAG 10 倍振幅 32 POSITION 控制軌跡或亮點之水平位置 33 螢幕

表 3-4 NO 功能 註解 1 主要顯示 提供頻率顯示 2 電源開關 提供函數發生器的操作電源 3 範圍按鈕與指示 提供七個固定的成十倍關係的頻率範圍, 這七個按鈕互鎖, 按下其中一個, 將釋放其他按鈕 4 直流偏移量和電位控制 DC OFFSET 旋鈕位於拉出位置時, 可以改變輸出波形的直流電位 注意 : 偏移量加振幅不能超過最大振幅的峰峰值, 否則會發生箝波現象 5 TTL / CMOS 調整 調整 TTL/CMOS 輸出範圍 6 波形選擇按鈕與指示 三個互鎖的波形選擇按鈕可提供方波 三角波和正弦波以滿足大多數的需求 按下其中一個將釋放其他按鈕 7 頻率粗調 可變的電位器旋鈕, 可在固定範圍內設定頻率 8 頻率微調 可變的電位器旋鈕, 可在固定範圍內設定頻率 9 週期比控制與反向開關 輸出波形的時間對稱度由 DUTY 旋鈕控制, 位於 CAL 位置時, 輸出波形的對稱度為 50/50 或近似 100% 對稱 用 RANGE 和 MULTIPLIER 設置, 對稱度的可變使得波形在一個半週期內改變, 而在另半個週期內保持不變 帶 INVERT 開關的 DUTY 旋鈕處於拉出位置時可以反向時間對稱 10 VCF 輸入 VCF 輸入提供外部掃描頻率 在 VCF 輸入端提供約 +10V 的電壓, 將以 10:1 的比率掃描主發生器, 主發生器也可被負電壓掃描 11 TTL/CMOS 輸出 觀察 TTL 和 CMOS 輸出, 按下為 TTL, 拉起為 CMOS 12 主要輸出 ATT 按鈕按下時, 在 OUTPUT 端 ( 開路 ) 可輸出 20Vp-p 振幅的方波 三角波 正弦波和脈衝 13 振幅與衰減調整 AMPLITUDE 控制開關提供輸出波形 20dB 的衰減 當開關被拉出時, 由振幅控制再加上一 20dB 的衰減, 輸出波形最大可得到 40dB 的衰減