示波器的工作原理与使用

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1、实验4-6示波器的工作原理与使用示波器用处广泛，它的最大特点是能把看不见的电信号变换成能直接观察的电压波形， 并能测定电压信号的幅度、周期和频率等参数。双踪示波器还可测量两个信号之间的位相差， 是工程技术中常用的电子仪器。【实验目的】1. 了解示波器的主要结构和基本工作原理。2. 学会使用示波器和信号发生器。3. 学会用示波器观察信号波形。4. 学会用示波器观察李萨如图形并测量市电的频率。【实验器材】示波器、函数信号发生器、小变压器等。【实验原理】示波器的规格和型号很多，但不管哪种示波器都由图4-6-1所示的几个基本组成部分: 示波管、竖直放大器（Y轴放大器）、水平放大器（X轴放大器）、扫描发

2、生器、触发同步和 直流电源等部分。图4-6-1示波器结构框图一、示波管示波管是呈喇叭形的玻璃泡，抽成高真空，内部装有电子枪和两对相互垂直的偏转 板，喇叭口的球面壁上涂有荧光物质，构成荧光屏。如图4-6-2所示。1. 电子枪：由灯丝、阴极、控制栅极、第一阳极和第二阳极五部分组成，阴极是一个 表面涂有氧化层的金属圆筒，灯丝通电加热后发射电子。控制栅极是一个顶端有小孔的圆筒， 套在阴极外面，它的电位比阴极稍低，对阴极发射出来的电子起控制作用，只有初速度较大 的电子才能穿过栅极顶端的小孔，然后在阳极加速下奔向荧光屏。示波器面板上的“亮度” 调整旋钮，就是通过调节栅极电位以控制射向荧光屏的电子流密度，从

3、而改变屏上光斑的亮 度。阳极电位比阴极电位高很多，电子被它们之间的电场加速形成射线。当控制栅极、第一 阳极与第二阳极之间电位调节合适时，电子枪内的电场对电子射线有聚焦作用，所以第一阳 极也称聚焦阳极，第二阳极电位更高，又称加速阳极。面板上的“聚焦”调节旋钮，就是调 节第一阳极电位，使荧光屏上的光斑成为明亮、清晰的小圆点。有的示波器还有“辅助聚焦”， 实际是调节第二阳极电位。2. 偏转系统：它由两对互相垂直的偏转板组成，一对竖直偏转板，称为Y偏转板；一 对水平偏转板，称为X偏转板。在偏转板上加上适当电压，当电子束通过时运动方向将发生 偏转，从而使电子束在荧光屏上产生的光斑位置也发生改变。3. 荧

4、光屏：屏上涂有荧光粉，电子打上去它就发光，形成光斑。荧光屏前有一块透明 的、带刻度的坐标板，供测量光点位置用，在性能较好的示波管中，通常将刻度线直接刻在 屏玻璃内表面上，使其与荧光粉紧贴在一起，以消除视差，使光点位置的测量更准确。、示波器显示波形的原理1. 扫描作用：如果只在竖直偏转板上加 一交变的正弦电压，则电子束的亮 点将随电压的变化在竖直方向来 回运动，如果电压频率较高，则看 到的将是一条竖直亮线。要显示出 波形，必须同时在水平偏转板上加 一个扫描电压，使电子束的亮点同 时沿着水平方向拉开。这种扫描电 压的特点是电压随时间成线性关 系增加到最大值，然后突然回到最 小，此后再重复地变化。扫

5、描电压 随时间变化的关系曲线形同“锯 齿”，故称“锯齿波电压”。在竖直偏转板上加正弦电压， 同时在水平偏转板上加锯齿波电 压，电子同时受竖直、水平两个方 向的力的作用，则电子的运动为两 相互垂直的运动的合成。当锯齿波电压与正弦电压变化周期相等时，在荧光屏上将能显示出 一个完整的正弦电压的波形图（随着时间的推移,X和Y信号同步周期性地出现），如图4-6-3 所示。2. 同步作用要在示波器荧屏上获得稳定的波形，被测信号的频率fY必须为扫描电压（锯齿波）频 率f的整数（N ）倍，即有7XfY = Nfx(4-6-1)如果被测信号与锯齿波两者频率不满足上述整倍数的关系，每次扫描显示的图形就不能 重合，

6、结果荧光屏上呈现向左或向右移动的波形，这样就难以对信号进行观察和测量。电源电压不稳定或其他原因，都会引起被测信号和扫描信号频率的变化，所以必须设法 使两者频率自动保持整数比，为此，可利用被测信号电压或与此有关的电压，去强迫控制锯 齿波的频率，使之与被测信号频率保持整数比，这就是同步(或称为整步)，用来控制锯齿 波频率的信号则称为同步信号。三、李萨如图形如果X、Y偏转板上加的电信号都是正弦波，当fx和fY之比为整数比时，电子束受到 它们的合作用，光点将会描绘出特定的图形一一李萨如图形,如图4-6-4所示。图4-6-4李萨如图形图4-6-5不同频率的李萨如图形图4-6-5给出了几种不同频率的李萨如

7、图形。可以证明X、Y方向上正弦波的频率与李 萨如图形在X、Y方向的切点数nx、nY有如下关系f n-X = 玲(4-6-2)/nx根据已知频率可以利用李萨如图形求出未知频率。【实验内容】1. 用示波器观测波形。(1) 对照仪器熟悉示波器、信号发生器各旋钮和按键的功能。(2) 调节信号发生器输出一个电信号，输出频率最好3500 Hz，观察信号发生器输出的 正弦波、方波、三角波波形。2. 将微调旋钮(27)逆时针旋足即置于校准位置，根据扫描速度旋钮(26)的指示值测 上述三角波的频率f ,并与信号发生器读出的实际频率f相比较求相对误差。测实3. 测量小变压输出信号的峰-峰值。4. 用李萨如图形测市

8、电频率。(1) 将信号发生器接入示波器的CH(X)，将待测信号(由小变压器提供)接入CH2(Y)。(2) 调节示波器，使之处于“X-Y”工作方式。(3) 选择信号发生器的合适量程，改变输出频率f，使之产生符合下表要求的李萨如图形，填入表4-6-1中，由此计算市电频率f。【数据处理】表4-6-1用李萨如图形测市电频率nx : n“2 : 11 : 12 : 31 : 21 : 3f /Hzx李萨如图形f /Hzf、，/Hz【注意事项】1. 认真阅读有关仪器的介绍，掌握所使用的示波器、信号发生器面板上各旋钮的作用 后再进行操作。2. 为了保护荧光屏不被灼伤，使用示波器时，光点亮度不能太强，而且也不

9、能让光点 长时间停在荧光屏的一个位置上。在实验过程中，如果短时间不使用示波器，可将“辉度” 旋钮调到最小，不要经常通断示波器的电源，以免缩短示波管的使用寿命。3. 示波器上所有开关与旋钮都有一定强度与调节角度，使用时应轻轻地旋转，不能用 力过猛。【思考题】1. 如果打开示波器的电源开关后，在屏幕上既看不到扫描又看不到光点，可能有哪些 原因？应分别作怎样的调节？2 .如果y轴信号的频率f比x轴信号的频率f大得多，示波器上看到什么情形？相 反，若fy比f小很多，又会看到什么情形？3. 在测量市电频率操作中，如果将待测信号接入CH(X)，将已知信号接入CH2(Y)， 现象有何不同，这样是否可以测量出

10、市电频率？请解释。图4-6-6 YB43020/YB43020B前面板控制件位置图【仪器介绍】1234567891011121314151617181920序号控制件的作用电源开关(POWER)亮度(INTENSITY)聚焦(FOCUS)光迹旋转(TRACEROTATION) 探极校准信号(PROBE ADJUST)耦合方式(AC GND DC)通道1输入插座CH1(X)通道1灵敏度选择开关(VOLTS/DIV)微调(VARIABLE)垂直位移(POSITION) 垂直方式(MODE)耦合方式(AC GND DC) 通道2输入插座 垂直位移(POSITION) 通道2灵敏度选择开关微调水平位移

11、(POSITION)极性(SLOPE)电平(LEVEL)扫描方式(SWEEPMODE)按入此开关，仪器电源接通，指示灯亮。光迹亮度调节，顺时针旋转光迹增亮。用以调节示波管电子束的焦点，使显示的光点成为细而清晰的圆点。 调节光迹与水平线平行。此端口输出幅度为0.5V频率为1kHz的方波信号，用以校准Y轴偏 转系数和扫描时间系数。垂直通道1的输入耦合方式选择，AC：信号中的直流分量被隔开，用 以观察信号的交流成份；DC：信号与仪器通道直接耦合，当需要观 察信号的直流分量或被测信号的频率较低时应选用此方式，GND输 入端处于接地状态，用以确定输入端为零电位时光迹所在位置。双功能端口，在常规使用时，此

12、端口作为垂直通道1的输入口，当 仪器工作在X-Y方式时此端口作为水平轴信号输入口。选择垂直轴的偏转系数，从2mV/div10V/div分12个档级调整，可 根据被测信号的电压幅度选择合适的档级。用以连续调节垂直轴的CH1偏转系数，调节范围N2.5倍，该旋钮逆 时针旋足时为校准位置，此时可根据“VOLTS/DIV”开关度盘位 置和屏幕显示幅度读取该信号的电压值。用以调节光迹在CH1垂直方向的位置。选择垂直系统的工作方式。CH1：只显示CH1通道的信号。CH2：只显示CH2通道的信号。交替：用于同时观察两路信号，此时两路信号交替显示，该方式适合 于在扫描速率较快时使用。断续：两路信号断续工作，适合

13、于在扫描速率较慢时同时观察两路信 号。叠加：用于显示两路信号相加的结果，当CH2极性开关被按入时， 则两信号相减。CH2反相：此按键未按入时，CH2的信号为常态显示，按入此键时，CH2的信号被反相。作用于CH2,功能同控制件(6)垂直通道2的输入端口，在X-Y方式时，作为Y轴输入口。用以调节光迹在垂直方向的位置。功能同(8)功能同(9)用以调节光迹在水平方向的位置。用以选择被测信号在上升沿或下降沿触发扫描。用以调节被测信号在变化至某一电平时触发扫描。选择产生扫描的方式。自动(AUTO)：当无触发信号输入时，屏幕上显示扫描光迹，一旦有 触发信号输入，电路自动转换为触发扫描状态，调节电平可使波形稳

14、 定的显示在屏幕上，此方式适合观察频率在50Hz以上的信号。常态(NORM)：无信号输入时，屏幕上无光迹显示，有信号输入时，2122232425262728293031触发指示(TRIG DREADY)扫描扩展指示X5扩展交替扩展扫描光迹分离扫描速率选择开关微调(VARIABLE)慢扫描开关触发源(TRIGGER SOURCE)AC/DC外触发输入插座且触发电平旋钮在合适位置上，电路被触发扫描，当被测信号频率低于50Hz时，必须选择该方 式。锁定：仪器工作在锁定状态后，无需调节电平即可使波形稳定的显示 在屏幕上。单次：用于产生单次扫描，进入单次状态后，按动复位键，电路工作在单次扫描方式，扫描电

15、路处于等待状态，当触发信号 输入时，扫描只产生一次，下次扫描需再次按动复位按键。该指示灯具有两种功能指示，当仪器工作在非单次扫描方式时，该灯 亮表示扫描电路工作在被触发状态，当仪器工作在单次扫描方式时， 该灯亮表示扫描电路在准备状态，此时若有信号输入将产生一次扫 描，指示灯随之熄灭。在按入“乂5扩展”或“交替扩展”后指示灯亮。按入后扫描速度扩展5倍。按入后，可同时显示原扫描时间和被扩展X5后的扫描时间。(注： 在扫描速度慢时，可能出现交替闪烁)用于调节主扫描和扩展X5扫描后的扫描线的相对位置。根据被测信号的频率高低，选择合适的档极。当扫描“微调”置校准位置时，可根据度盘的位置和波形在水平轴的距

16、离读出被测信号的时间参数。用于连续调节扫描速率，调节范围N2.5倍。逆时针旋足为校准位置。 用于观察低频脉冲信号。用于选择不同的触发源。外触发信号的耦合方式，当选择外触发源，且信号频率很低时，应将 开关置DC位置。当选择外触发方式时，触发信号由此端口输入。二、用示波器测量电参数1. 电压的测量示波器的电压测量实际上是对所显示波形的幅度进行测量，测量时应使被测波形稳定地 显示在荧光屏中央，幅度一般不宜超过6div,以避免非线性失真造成的测量误差。(1) 交流电压的测量 将信号输入至CH1或CH2插座，将垂直方式置于被选用的通道。 将Y轴“灵敏度微调”旋钮置校准位置，调整示波器有关控制件，使荧光屏

17、上显示 稳定、易观察的波形，则交流电压幅值：Vp-p =垂直方向格数(div) X垂直偏转因数(V/div)(2) 直流电平的测量 设置面板控制件，使屏幕显示扫描基线。 设置被选用通道的输入耦合方式为“GND”。 调节垂直移位，将扫描基线调至合适位置，作为零电平基准线。 将“灵敏度微调”旋钮置校准位置，输入耦合方式置“DC”，被测电平由相应Y输 入端输入，这时扫描基线将偏移，读出扫描基线在垂直方向偏移的格数(div)，则被测电平：V =垂直方向偏移格数(div)X垂直偏转因数(V/div)X偏转方向(+或一) 式中，基线向上偏移取正号，基线向下偏移取负号。2. 时间测量时间测量是指对脉冲波形的

18、宽度、周期、边沿时间及两个信号波形间的时间间隔(相 位差)等参数的测量。一般要求被测部分在荧光屏X轴方向应占(46)div。(1)时间间隔的测量对于一个波形中两点间的时间间隔的测量，测量时先将“扫描微调”旋钮置校准位置， 调整示波器有关控制件，使荧光屏上波形在X轴方向大小适中，读出波形中需测量两点间 水平方向格数，则时间间隔：时间间隔=两点之间水平方向格数（div）X扫描时间因数（t/div）（2）脉冲边沿时间的测量上升（或下降）时间的测量方法和时间间隔的测量方法一样，只不过是测量被测波形满 幅度的10%和90%两点之间的水平方向距离，如图9-5所示。用示波器观察脉冲波形的上升边沿、下降边沿时

19、，必须合理选择示波器的触发极性（用 触发极性开关控制）。显示波形的上升边沿用“ + ”极性触发，显示波形下降边沿用“一” 极性触发。如波形的上升沿或下降沿较快则可将水平扩展X 10，使波形在水平方向上扩展 10倍，则上升（或下降）时间：上上升 （或下降）时间=3.相位差的测量水平方向格数（div） x扫描时间因数（ t/div ）水平扩展倍数（1）参考信号和一个待比较信号分别馈入“CH1”和“CH2”输入插座。（2）根据信号频率，将垂直方式置于“交替”或“断续”。（3）设置内触发源至参考信号那个通道。（4）将CH1和CH2输入耦合方式置“上”，调节CH1、CH2移位旋钮，使两条扫描基线重合。LU3 （5）将CH1、CH2耦合方式开关置“AC”，调整有关控制件,，使荧光屏显示大 小适中、便于观察两路信号，如图9-6所示。读出两波形水平方向差距格数D及信号周期 所占格数T，则相位差：e= X 3600、一T注意事项1.旋转旋钮时不要用力过猛。2. 图形亮度要适中，光点不要长时间停留在一点，以免损坏荧光屏。