实验八 示波器的使用

实验八 示波器的使用

【实验目的】

1．了解示波器的结构和示波器的示波原理；

2．掌握示波器的使用方法，学会用示波器观察各种信号的波形； 3．学会用示波器测量直流、正弦交流信号电压； 4．观察利萨如图，学会测量正弦信号频率的方法。

【实验仪器】

YB4320/20A/40双踪示波器，函数信号发生器。

图1实验仪器实物图

【实验原理】

示波器是一种能观察各种电信号波形并可测量其电压、频率等的电子测量仪器。示波器还能对一些能转化成电信号的非电量进行观测，因而它还是一种应用非常广泛的、通用的电子显示器。

1．示波器的基本结构

示波器的型号很多，但其基本结构类似。示波器主要是由示波管、X轴与Y轴衰减器和放大器、锯齿波发生器、整步电路、和电源等几步分组成。其框图如图2所示

图2 示波器原理框图

(1) 示波管

示波管由电子枪、偏转板、显示屏组成。

电子枪：由灯丝H、阴极K、控制栅极G、第一阳极A1、第二阳极A2组成。灯丝通电发热，使阴极受热后发射大量电子并经栅极孔出射。这束发散的电子经圆筒状的第一阳极A1和第二阳极A2所产生的电场加速后会聚于荧光屏上一点，称为聚焦。A1与K 之间的电压通常为几百伏特，可用电位器W2调节，A1与K之间的电压除有加速电子的作用外，主要是达到聚焦电子的目的，所以A1称为聚焦阳极。W2即为示波器面板上的聚焦旋钮。A2与K之间的电压为1千多伏以上，可通过电位器W3调节，A2与K之间的电压除了有聚焦电子的作用外，主要是达到加速电子的作用，因其对电子的加速作用比A1大得多，故称A2为加速阳极。在有的示波器面板上设有W3，并称其为辅助聚焦旋钮。

在栅极G与阳极K之间加了一负电压即UK﹥UG ，调节电位器W1可改变它们之间的电势差。如果G、K间的负电压的绝对值越小，通过G的电子就越多，电子束打到荧光屏上的光点就越亮，调节W1可调节光点的亮度。W1在示波器面板上为“辉度”旋钮。

偏转板：水平(X轴)偏转板由D1、D2组成，垂直(Y轴)偏转板由D3、、D4组成。偏转板加上电压后可改变电子束的运动方向，从而可改变电子束在荧光屏上产生的亮点的位置。电子束偏转的距离与偏转板两极板间的电势差成正比。

显示屏：显示屏是在示波器底部玻璃内涂上一层荧光物质，高速电子打在上面就会发荧光，单位时间打在上面的电子越多，电子的速度越大光点的辉度就越大。荧光屏上的发光能持续一段时间称为余辉时间。按余辉的长短，示波器分为长、中、短余辉三种。

（2）X轴与Y轴衰减器和放大器

示波管偏转板的灵敏度较低(约为0.1～1mm/V)当输入信号电压不大时，荧光屏上的光点偏移很小而无法观测。因而要对信号电压放大后再加到偏转板上，为此在示波器中设置了X轴与Y轴放大器。当输入信号电压很大时，放大器无法正常工作，使输入信号发生畸变，甚至使仪器损坏，因此在放大器前级设置有衰减器。X轴与Y轴衰减器和放大器配合使用，以满足对各种信号观测的要求。

（3） 锯齿波发生器

锯齿波发生器能在示波器本机内产生一种随时间变化类似于锯齿状、频率调节范围很宽的电压波形，称为锯齿波，作为X轴偏转板的扫描电压。锯齿波频率的调节可由示波器面板上的旋钮控制。锯齿波电压较低，必须经X轴放大器放大后，再加到X轴偏转板上，使电子

束产生水平扫描，即使显示屏上的水平坐标变成时间坐标，来展开Y轴输入的待测信号。

2．示波器的示波原理

示波器能使一个随时间变化的电压波形显示在荧光屏上，是靠两对偏转板对电子束的控制作用来实现的。如图3a 所示，Y轴不加电压时，X轴加一由本机产生的锯齿波电压ux ，ux=0时电子在E的作用下偏至a点，随着ux 线性增大，电子向b偏转，经一周期时间TX ，ux达到最大值uxm， 电子偏至b点。下一周期，电子将重复上述扫描，就会在荧光屏上形成一水平扫描线ab。

图3 偏转板加电压时电子的偏转情况

如图3 b所示，Y轴加一正弦信号uy ，X轴不加锯齿波信号，则电子束产生的光点只作上下方向上的振动，电压频率较高时则形成一条竖直的亮线cd。

如图4所示，Y轴加一正弦电压uy ，X轴加上锯齿波电压ux ，且fx=fy ， 这时光点的运动轨迹是X轴和Y轴运动的合成。最终在荧光屏上显示出一完整周期的uy波形。

3．整步

从上述分析中可知，要在荧光屏上呈现稳定的电压波形，待测信号的频率f y必须与扫描信号频率fx相等或是其整数倍，即fy=nfX(或TX= nTy)，只有满足这样的条件时，扫描轨迹才是重合的，故形成稳定的波形。通过改变示波器上的扫描频率旋钮，可以改变扫描频率fX ，使fy=nfX条件满足。但由于fX的频率受到电路噪声的干扰而不稳定，fy=nfX的关系常被破坏，这就要用整步(或称同步)的办法来解决。即从外面引入一频率稳定的信号(外整步)或者把待测信号(内整步)加到锯齿波发生器上，使其受到自动控制来保持fy=nfX的关系，从而使荧光屏上获得稳定的待测信号波形。

图4 示波器的示波原理图解

【实验仪器介绍】

现以YB4320/20A/40双踪示波器为例（面版见图5所示），介绍示波器的一般使用方法：

图5 YB4320/20A/40/60前面板示意图 一、YB4320/20A/40/60型双踪示波器旋钮和开关的功能 A．电源及示波管控制系统

交流电源插座，该插座下端装有保险丝管。 电源开关（POWER）：按键弹出即为“关位置”。按下为“开”位置。 电源指示灯：电源按通时，指示灯亮。 亮度旋钮（INTENSITY）；顺时针方向旋转，亮度增强。 聚焦旋钮（FOSUS、）：用来调节光迹及波形的清晰度。 光迹旋转旋钮（TRACE ROTATION）：用于调节光迹与水平刻度线平行。 刻度照明旋钮（SCALE ILLUM）：用于调节屏幕刻度亮度。 B．垂直系统

（30）通道1输入端[CH1 INPUT （X）]：用于垂直方向输入。在X－Y方式时输入端的信号成为X信号。

（22）（29）、交流――接地――直流 耦合选择开关（AC－GND－DC）选择垂直放大器的耦合方式。

交流(AC)：垂直输入端由电容器来耦合 接地(GND)：放大器的输入端接地

直流(DC)：垂直放大器输入端与信号直接耦合。 （26）（33）：衰减开关（VOLT/DIV）：用于选择垂直偏转灵敏度的调节。如果使用的是10：1探头。计算时将幅度×10。

（25）（32）：垂直微调旋钮（VARIBLE）垂直微调用于连续改变电压偏转灵敏度。此旋钮在正常情况下，应位于顺时针方向旋到底的位置。将旋钮逆时针方向旋到底垂直方向的灵敏度下降到2.5倍以上。

(20)（36）：CH1×5扩展，CH2×5扩展（CH1×5MAG，CH2×5MAG），按下×5扩展键，垂直方向的信号扩大5倍，最高灵敏度为1mv/div。

（23）（35）：垂直移位（POSITION）调节光迹在屏幕中的垂直位置。垂直方式工作按钮（VERTICAL MODE）垂直方向的工作方式选择。

（34）：通道1选择（CH1）：屏幕上仅显示CH1的信号。 （28）：通道2选择（CH2）：屏幕上仅显示CH2的信号。

（34）（28）：双踪选择（DVAL）：同时按下CH1 和CH2按钮，屏幕上会出现双踪并自动以断续或交替方式同时显示CH1 和CH2的信号。

（31）：叠加（ADD）：显示CH1 和CH2输入电压的代数和。 （21）：CH2极性开关（INVERT）：按此开关时CH2显示反相电压值。 C．水平方向部分 （15）：扫描时间因数选择开关（TIME/DIV）：共20档。在0.1μs/div~0.2s/div范围选择扫描速率。

（11）：X—Y控制键。选择X—Y工作方式时，垂直偏转信号接入CH2输入端，水平偏转信号接入CH1输入端。

（23）：通道2垂直移位键（POSITION）：控制通道2信号在屏幕中的垂直位置，当工作在X—Y方式时，该键用于Y方向的移位。

（12）：扫描微调控制键（VARIBLE）：此旋钮以顺时针旋转到底时处于校准位置，扫描由Time/Div开关指示。该旋钮逆时针方向旋转到底，扫描减慢2.5倍以上。正常工作时，该旋钮位于“校准”位置。

（14）：水平移位（POSITION）：用于调节轨迹在水平方向移动。顺时针方向旋转，光迹右移，逆时针方向旋转，光迹左移。

（9）：扩展控制键（MAG×5）、(MAG×10,仅YB4360)按下去时,扫描因数×5扩展或×10扩展.。扫描时间是Time/Div开关指示数值的1/5或1/10。例如，用×5扩展时，100μs/Div为20μs/Div。部分波形的扩展：将波形的尖端移到水平尺寸的中心，按下×5或×10扩展按钮，波形将扩展5倍或10倍。

（8）：ALT扩展按钮（ALT—MAG）：按下此键，扫描因数×1；×5或×10同时显示。此时要把放大部分移到屏幕中心，按下ALT—MAG键。扩展以后的光迹可由光迹分离控制键（13）移位距×1光迹1.5div或更远的地方。同时使用垂直双踪方式和水平ALT—MAG可在屏幕上同时显示四条光迹。

D．触发（TRIG） （18）：触发源选择开关（SOVRCE）：选择触发信号源。 内触发（INT）：CH1或CH2上的输入信号是触发信号。 通道2触发（CH2）：CH2上的输入信号是触发信号。 电源触发（LINE）：电源频率成为触发信号。 外触发（EXT）：触发输入上的触发信号是外部信号，用于特殊信号的触发。 （43）：交替触发（ALT TRIG）：在双踪交替显示时，触发信号交替来自于两个Y通道，此方式可用于同时观察两路不相关的信号。

（19）：外触发输入插座（EXT INPVT）：用于外部触发信号的输入。 （17）：触发电平旋钮（TRIG LEVEL）：用于调节被测信号在某一电平触发同步。 （10）：触发极性按钮（SLOPE）：触发极性选择 。用于选择信号的上升沿和下降沿触发。 （16）：触发方式选择（TRIG MODE）： 自动（AUTO）：在自动扫描方式时，扫描电路自动进行扫描。在没有信号输入或输入信号没有被触发同步时，屏幕上仍然可以显示扫描基线。

常态（NORM）：有触发信号才能扫描，否则屏幕上无扫描线显示。当输入信号频率低于20HZ时，用常态触发方式。

（41）：Z轴输入连接器（后面板） （Z AXTS INPVT）：Z轴输入端。加入正信号时，辉度降低；加入负信号时，辉度增加。常态下的5VP-P的信号能产生明显的辉度调节。

（39）：通道1输出（CH1 OVT）：通道1信号输出连接器，可用于频率计数器输入信号。

（7）：校准信号（CAL）：电压幅度为0.5VP-P频率为1KHZ的方波信号。 （27）：接地柱⊥：接地端。

【实验步骤】

1．调整示波器，观察正弦波波形

首先熟悉双踪示波器控制面板上各控制键位的作用。然后将函数信号发生器的输出端接示波器的“Y轴输入”端，观察正弦波信号的波形。调节示波器的有关旋钮，使荧光屏上出现稳定的波形。把有关数据记录在表1中。

2．电压测量

（1）电压的定量测量。将“V/DIV”微调置于“CAL”位置，就可以进行电压的定量测量。测量值可由下列公式计算后得到：

用探头“×1位置”进行测量时，其电压值为：V=V/DIV设定值×信号显示幅度（DIV） 用探头“×10位置”进行测量时，其电压值为：U=V/DIV设定值×信号显示幅度（DIV）×10。

（2）直流电压测量。该仪器具有高输入阻抗，高灵敏度和快速响应的优势，下面介绍测量过程：

将Y轴输入耦合选择开关置于“⊥”，“电平”置于“自动”。屏幕上形成一水平扫描基线，将“v/div ”与“t/div ”置于适当的位置，且“v/div ”的微调旋钮置于校准位置，调节Y轴位移，使水平扫描基线处于荧光屏上标的某一特定基准(0伏)。

① 将“扫描方式”开关置“AUTO”（自动）位置，选择“扫描速度”使扫描光迹不发生闪烁的现象。

② 将“AC—GND—DC”开关置“DC”位置，且将被测电压加到输入端。扫描线的垂直位移即为信号的电压幅度。如果扫描线上移，则被测电压相对地电位为正；如果扫描线下移，则该电压相对地电位为负。电压 值可用上面公式求出。例如，将探头衰减比置于×10位置，垂直偏转因数（V/Div）置于“0.5v/div”，微调旋钮置于“CAL”位置，所测得的扫描光迹偏高5div。根据公式，被测电压为：

0.5(V/DIV)×5(DIV)×10=25V

测三次直流电压值，取其平均值。

（3）交流电压测量。调节“V/DIV”切换开关到合适的位置，以获得一个易于读取的信号幅度。从下面图6所示的图形中读出该幅度并用公式计算之。

当测量叠加在直流电压上的交流电压时，将“AC-GND-DC”开关置于DC位置时就可测出所包含直流分量的值。如果仅需测量交流分量，则

将该开关置于“AC”位置。按这图6 交流电种方法测得的值为峰—峰值电压（VP—P）。正弦

2?波信号有效值为：U?UP?P。测

4均值Up?p，计算出其有效值。记入表例如，将探头衰减比置于×1的位转因数（V/DIV）置“5v/div”位置，“微于“校正（CAL）”位置，所测得波形峰6格（见图6所示）。则UP—P=5（V/div）

三次，取平3中。 置，垂直偏

调”旋钮置一峰值为

图7脉冲宽度×6(div)=30V有效值电压为：V=30/22=10.6（V）。

3．相位测量

两个信号之间相位差的测量可以利用仪器的双踪显示功能进行。如图10给出了两个具有相同频率的超前和滞后的正弦波信号，用双踪方波器显示的例子。此时，“触发源”开关必须置于超前信号相连接的通道，同时调节“Time/DIV”开关，使显示的正弦波波形大于1个周期，如图8所示。一个周期占6格，则1格刻度代表波形相位60o，故相位差ΔΦ=（div）数×2π/div/周期=1.5×360o/6=90o。

4．观察利萨如图 将按钮“X－Y”按下，此时由“ch1”端口输入的信号就为X轴信号，其偏转灵敏度仍按该通道的垂直偏转因数开关指示值读取，从“ch2”端口输入Y轴信号，这时示波器就工作在X-Y显示方式。

在示波器X轴和Y轴同时各输入正弦信号时，光点的运动是两个相互垂直谐振动的合成，若它们的频率的比值fx：fy =整数时，合成的轨迹是一个封闭的图形，称为李萨如图。李萨如图的图形与频率比和两信号的位相差都有关系，但李萨如图与两信号的频率比有如下简单的关系 ：

fyn?x fxny图8 相位测量 nx，ny分另为李萨如图的外切水平线的切点数和外切垂直线的切点数，如图11所示 。

图9 李萨如图

因此，如fx 、fy 中有一个已知且观察它们形成的李萨如图，得到外切水平线和外切垂直线的切点数之比，即可测出另一个信号的频率。实验时，X轴输入某一频率的正弦信号作为标准信号，Y轴输入一待测信号，调节Y轴信号的频率，分别得到三种不同的nx ：ny的

/

李萨如图，计算出fy ，读出Y轴输入信号发生器的频率fy。

本次实验要求同学们观察的李萨茹图形是同频率的两个信号在不同相位差下的图形。各个相位差对应的李萨如图形如下图10所示。

图10 相位差与李萨如图形

【数据记录及处理】

表1正弦波形及“峰-峰”电压值 正弦波形 峰-峰 图形 λ dy a 电压（V） Vy= 一个周期 Vy= 两个周期 Vy= 三个周期 表2 观察李萨如图形 相位差 0 ?4 ? 2 3? 4? 图形 【思考题】

1．若示波器正常，观察波形时，如荧光屏上什么也看不到，会是那些原因，实验中应怎样调出其波形？

2．用示波器观察波形时，示波器上的波形移动不稳定，为什么？应调节哪几个旋钮使其稳定？

3．直流电压测量时，确定其水平扫描基线时，为什么Y轴输入耦合选择开关要置于“⊥”？

4．假定在示波器的输入端输入一个正弦电压，所用水平扫描频率为120Hz，在屏上出现了三个完整的正弦波周期，那么输入电压的频率为多少？

5．某同学用示波器测量正弦交流电压，经与用万用电表测量值比较相差很大，分析是什么原因？

6．观察李萨如图时，两相互垂直的正弦信号频率相同时，图上的波形还在不停的转动，为什么？

7．如何使用示波器测量两个频率相同的正弦信号的相位差？

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