示波器的原理与使用

实验七示波器的使用

【目的与任务】

1、了解低频信号发生器、交流毫伏表和示波器的结构和工作原理；

2、学会用示波器，观测电信号的波形并测量其电压、频率和周期；

3、学习用共振干涉法（即驻波法）测定声速。

【仪器与设备】

双踪示波器，声速测量仪，低频信号发生器（其上带有数字频率计），交流毫伏表，温度计等。

1、示波器

GOS—620型双踪示波器：频带宽度为0～20 MHz。有两垂直输入通道"CHl”和"CH2'’，可同时显示两个不同的电压信号波形以便进行分析比较，也可以把两个信号相加或相减后显示出来，还可以任选一个通道单独工作。可以从荧光屏上直接测出信号电压的幅度、频率(周期)。具有“X—Y工作方式”，将"CHI"作为水平通道、“CH2"作为垂直通道，可以观察由两通道输入的水平和垂直信号的合成图样，测出信号的频率和位相差。面板及各控制器件的作用简介见附录一。

2、低频信号发生器

MDl643/4函数信号发生器是一种小型便携式通用函数信号发生器，内部采用大规模精密函数信号发生集成电路，单片机控制，具有正弦波、三角波、方波、锯齿波、脉冲波等多种波形输出、频率范围0.2Hz～2MHz（7档调节）以及外部测频功能。它的结构和使用方法见附录二

3、交流毫伏表

现以GB—9B型电子管毫伏表说明交流毫伏表的使用方法。它可以测定正弦波电压的有效值，还可用来对无线电接收机、放大器和其它设备的电路进行测量。仪器带有分贝标尺，可用来作电平指示。

使用时，将两个输入接线柱短路。在核对仪器电源正确后，接通电源，待2－3分钟，此时电表指针将稍微偏转，看它是否回到零点，若指针不返回零点，则调节面板上的“零点校准”旋钮，调到零位，随后将面板上量程转换开关扳至所需的测量范围。再过十分钟后重调零点一次，即可进行测量。为降低测量误差和干扰，连接导线时应可靠地使毫伏表的地线接线柱与被测电路的零电位点相连。

4、声速测量仪

声速测量仪如图6所示，其上装有两个压电换能器S1、S2和螺旋测微器，转动手轮可以改变S1和S2的位置，它们之间的距离可由标尺读出。

【原理与方法】

示波器是一种用途广泛的电子测量仪器，用它能直接观察电压信号的波形，测定电压信号的幅度、频率等参数。一切能转化为电压信号的电学量(如电流、电功率、阻抗等)、非电学量(如温度、位移、速度、压力、光强、磁场、频率等)以及它们随时间的变化过程，都可用示波器进行观察和研究。由于电子射线的惯性小，又能在荧光屏上显示可见的图像，所以示波器特别适合于观察与测量瞬时变化过程。

示波器的种类型号很多，一般分为单踪示波器和双踪示波器，功能也各不相同，但都是由电子示波管、衰减电路、放大电路、扫描与整步电路、触发器选择逻辑电路、电源等部分

组成的，基本工作原理是相同的。本实验以GOS-620型双踪示波器为例，对示波器的结构和工作原理作简单介绍。GOS-620型双踪示波器的基本原理方框图如图1所示。示波器的主要组成部分及工作原理简介如下。

图1 GOS-620型双踪示波器原理方框图

1、示波管

示波管是示波器的核心部分，是一个高真空的用静电控制的大型电子管，利用了电子束的聚焦和偏转原理，一般称阴极射线示波管，又称电子束管。它由电子枪、偏转板和荧光屏三部分组成，基本结构如图2所示。

(1) 电子枪由灯丝H、阴极C、控制栅极G、第一加速阳极A1、聚焦电极F A、第二加速阳极A2等同轴金属圆筒(筒内膜片中心有小孔)组成。当加热电流通过灯丝使灯丝加热时，套在灯丝上的阴极C被加热，涂层内的自由电子获得较高动能从表面逸出。因栅极G相对于阴极的负电位，逸出的电子在电场的作用下会聚于G的小孔附近，然后又散射开来。因为第一阳极A1和第二阳极A2相对于C具有很高的电压(1500V左右)，C—G—A1—A2之间的强电场使朝不同方向运动的电子被沿轴向加速，穿过G的小孔(直径约1 mm)后以极高速度(107m·s-1数量级)穿过静电聚焦区A1一FA—A2，形成一电子束射向荧光屏中央，呈现一光点或亮斑。因栅极G相对于阴极C的负电位对电子有排斥作用，而且当G相对C的电位达负几伏时就足以把电子斥回而使电子束截止。因此，改变G的电位就可控制阴极发出的电子到达荧光屏上的数目(电子枪射出的电子数)，从而改变荧光屏上光点的亮暗，即“辉度”调节。在静电聚焦区，加速电场和聚焦电场主要存在于各

图2 示波器结构示意图

电极之间的区域，因1A 、A F 、2A 内部几乎完全被等位面包围，实际上完全没有电场。电子在这一区域速度继续增加，而且散离轴线运动的电子受电场作用向轴线靠拢，聚焦于荧光屏中央一点。改变A F 、2A 的电位就可使电子束聚焦于荧光屏中央(光点变细)，即“聚焦”调节和“辅助聚焦”调节。

(2) 示波管的偏转系统有电偏转与磁偏转两种。现代示波器一般两种都有，示波管内封装静电偏转板，管外套磁偏转磁环和线圈。图2所示的示波管内是静电偏转系统，它由两对相互垂直放置的金属电极板X 1X 2(水平偏转板)和Y 1Y 2(垂直偏转板)组成。如在偏转板上加电压，电子束在偏转板之间通过时，将受静电力的作用而发生偏转，从而改变或控制荧光屏上光点的位置和描绘出信号变化曲线。

(3) 示波管的所有电极(包括偏转板)均封装在高真空的玻璃壳内。玻璃壳一端为荧光屏，内壁涂有化学荧光物质，受电子轰击时会发光。另一端是管脚，壳内封装的电极都有线与管脚相连，以便和外电路相连接。

2、放大和衰减电路

由于示波管偏转板的灵敏度不高，当加在偏转板上的信号电压较小时，电子束不能发生足够偏转，荧光屏上光点位移过小而不便于观察，这就需要用放大电路将小的信号放大后再嫁到偏转板上。衰减电路的作用则是将过大的输入信号电压减小，以适应放大电路的要求，否则放大电路不能正常工作甚至受损。

3、扫描与同步电路

从示波管的结构原理可知，如果偏转板上不加电压，从阴极发出的电子将聚焦于荧光屏中央一点，呈现一个亮点。如果偏转板上加有电压，电子束的方向将会由于偏转板电场的作用而产生偏转，从而使荧光屏上的亮点位置也跟着变化。在一定范围内，亮点的位移与偏转板上所加的电压成正比。

(1) 扫描：在水平偏转板上加一个随时间变化的电压

)(x x nT t k u -=， n =0，1，2，… (1) 在x u 随时间呈线性上升阶段，光点匀速从A 点向B 点移动；而在一个周期结束时，x u 突然

降

图3 波形的合成

到零，光点返回A 点，如图3(a)所示。这样，随x u 周期性的变化，在荧光屏上就得到了一条经过中心的水平亮线，称“扫描线”。x u 称扫描电压，因其随时间变化的关系类似锯齿，故又称锯齿波电压。

要观察一周期性电压信号的波形，必须使信号电压在一个或几个周期内随时间的变化稳定地出现在荧光屏上。若在水平偏转板上不加电压，而仅在垂直偏转板上加正弦波电压

)2sin(sin t T u t u u y

m m y πω== (2) 则电子束在垂直偏转板电场的作用下作垂直方向的正弦振动，振动频率较快时在荧光屏中央显示一垂直的亮线。若在水平偏转板上加扫描电压，则电子束在信号电压y u 形成的电场作用下产生垂直方向偏转的同时，还在扫描电压x u 形成的电场作用下产生水平方向偏转。设扫描电压x u 的周期x T 与正弦波电压y u 的周期y T 相同，在一个扫描电压周期内，由于扫描电压与时间呈线性关系，因此光点在沿垂直方向按正弦规律上下移动时，也随扫描电压的变化在水平方向展开，到扫描周期结束时正好完整显示了一个周期的信号电压y u 的波形；然后电子束立即返回原点，开始下一个周期的运动。因光点所画的轨迹和第一周期完全重合，所以在屏上显示出一个稳定、完整的信号波形，如图3(b)所示。光点的轨迹为

)2sin(sin x kT y t y y y

m m πω== (3) 此方程与式(2)信号电压的方程非常相似，因而示波管所示的波形就是待观测电压y u 随时间变化的波形。

如果扫描电压的周期x T 是正弦波电压周期y T 的整数倍，即

y x y x

f T T f ==n ， (n =1，2，3，…) (4)

屏上将显示n 个完整波形，图3(c)所示为x T =2y T 时荧光屏上波形合成的过程。

(2) 同步：如果x T 不是y T 的整数倍，屏上的波形就会左右移动，甚至出现更复杂的图形。为了得到稳定的波形，需要始终保持x T 与y T 的整数倍关系。调节扫描电压周期使之与观测信号电压的周期成整数倍的过程，称为 “同步”（或“整步”）。

事实上，由于x u 、y u 来自不同振荡源，它们的周期的比值不会自然满足简单的整数倍关系。依靠人工细心调节，可以大体满足，但要准确地满足却并不容易，信号电压的频率越高越不容易。为此，在示波器内部设计了同步电路，在基本满足式(4)的基础上，引入另一个幅度可以调节的电压以控制扫描信号的周期，使之完全满足要求。引入的电压叫同步电压，可以取自被测信号(内同步)、电源电压(电源同步)或从外部输入的信号(外同步)，一般情况下常用内同步。同步电压不可过大，否则尽管获得了稳定的图形，却不能获得被观测电压的完整波形。

4、示波器测量电压、周期、频率

（1）观察波形

在使用前，应将示波器各旋钮放在中间位置，以便左右可调。接通电源，预热一分钟。 将信号发生器输出的待测信号接到“Y 输入”，“X 轴衰减”接“扫描”，“同步选择”接“内+”或“内一”(即内部同步)。这样，在荧光屏上就能显示出无规则的不稳定的波形。

调节“Y 轴增幅”、“Y 轴衰减”、“Y 轴移位”，以及“X 轴移位”、“扫描范围”，使波形大小和位置适中，有2～3个完整的波形。这时，波形有可能移动，调节“同步调节”和“扫描微调”可使波形稳定下来。

以上为单踪示波器的使用方法。对于双踪示波器，可以同时观察两路信号，当观察一路信号时，任选一路输入。调整方法与单踪示波器大体相同。

（2）测量电压

用示波器能较准确地测量出直流电压、交流电压、非正弦波电压。

用示波器测量电压大多采用比较测量法。先对示波器垂直方向进行电压分度，即Y 轴上每格代表多少伏，然后将信号电压输入，进行比较，如图4所示，两者乘积即为该电压值。通常示波器都有方波校正信号输出，SBE 一20型示波器是用已知电压幅度的方波将示波器的垂直方向分度。XJ4245型示波器虽然不用方波进行电压分度，但输出一个幅度为50mV 和频率为lkHz 的方波信号，用来校正屏上的高度和宽度。所以在正式测量电压之前，可先观察方波信号，使得显示的方波信号清晰、稳定、幅度适中，可反复调节，边调节边观察。再输入待测信号，重新仔细调节示波器各旋钮，直到比较熟练地用示波器观察到待测信号。 测量待测信号的电压幅度，要先知道垂直方向的电压分度值S V (V ／div)。对于用方波进行电压分度的示波器(如SBE 一20型)必须注意待测信号的输入和方波输入为同一Y 通道，分度后衰减和微调均不能再变动了。对于XJ4245型示波器，只要旋动V ／div 开关至合适的S V (V ／div)位置就行，要注意微调旋钮向右旋至“校准”位置。对于GOS-620双踪示波器，把V ／div 开关上的微调旋扭顺时针旋到底（可听到开关关闭的“咔嚓”声），若待测正弦交流信号电压幅度占A 个格，得到待测信号的双峰值电压P P U -

)(V A S U V P P =- （5） 而电压的有效值

U =0.7072

P P U -? （6） （3）测量周期和频率

用示波器测量待测信号的周期或频率，必须知道X 轴的扫描时间或扫描速率。设X 轴扫描速率为t (ms ／div)，注意把扫描微调旋扭顺时针旋到底（校准位置CAL ），这就表示X 轴上一格代表t (ms )，如果此时屏幕上显示的波形如图5，一个周期的长度为d 格，则该正弦波的周期为

td T = (7)

周期的倒数为正弦波的频率 T

f 1= (8)

图四 图五

一般应让屏幕上显示出多个波形，以便保证较高的测量精度，此时可读取n 个周期的时间再除以n 来计算T 。

5、用共振干涉法（又称驻波法）测定声速

物体作机械振动产生声波，声波传递需要介质，声音在空气中传播的速度简称声速。声速υ、声源振动频率?和波长λ之间的关系为：

λυf = (9)

可见，只要测得声波的频率和波长，就可求得声速。在实验中，声波的频率就是低频信号发生器输出信号的频率，实验的主要任务是测量声波的波长，常用的方法有共振干涉法（驻波法）和相位比较法（行波法）。本实验采用共振干涉法测声波的波长。

实验中使用的超声声速测量仪如图6所示，它有两个固有频率相同的压电换能器S 1和S 2，

图

图 6 超声声速测量仪 图7 驻波

S 1作为平面超声波波源，当给换能器S 1施加变化的电信号时，它将产生同样变化的纵向伸缩，推动空气振动，向前发射平面超声波。S 2作为超声波接收器，当信号发生器发出的平面声波经空气传播到达接收器，若接收面与发射面平行，声波在接收面处就会被垂直反射，于是声

波在两端面间来回反射并叠加。当调节S 2使接收端面与发射端面间的距离恰好等于半波长的整数倍时，即

2λ

n x n =， n ＝1、2、3 (10)

叠加后的波就形成驻波，此时相邻两波节(或波腹)间的距离等于半个波长(λ／2) ，如图7所示。驻波的波长与声波波长相同。

当信号发生器的输出频率等于测试系统S 1、S 2的固有频率0f (实验中压电陶瓷的固有频率)时，就会产生驻波共振（S 1和S 2的谐振频率在30～40kHz 之间），波腹处的振幅达到最大值，接收器S 2收到的信号最强。S 2反射面处为位移的波节、声压的波腹，声压变化最大，S 2产生的交变电压最大。由于相邻两波节之间的距离都等于半个波长，因此在保持声源频率不变的情况下，可通过移动S 2 （或S 1）来改变接收器与声源之间的距离，依次测出接收信号出现极大值时的位置χ1、χ2、χ3…，则任意相邻两次达到极大值的位置之差就是半个波长，即 21λ=-+i i x x （11） 测出了0f 并由式（12）算出λ，就可由式（9）求出声速υ。

利用压电陶瓷的电声转换特性，可以做成体积小、重量轻的片形电声转换装置。例如在计算器、音乐集成卡中作声源。实验证明，在压电换能器S 1输入正弦波、三角波、方波时，在压电换能器S 2上都能输出相同频率的正弦波，证明压电换能器还有滤波的功能。

【指导与要求】

一、实验步骤：

1、用毫伏表测定换能器2s 上的电压（有效值）

（1）转动手轮，使S 1、S 2平面几乎重合（留一丝缝），读出χ0，再使S 1、S 2相距4mm 。

（2）按图6接好专用电缆，把中间分开的电缆连接S 1和信号源，注意用手拿住插头的金属端，轻轻试探插入插座后，再顺时针旋转90度卡住后松手。另一根电缆外层铜网相连的铜夹应接在毫伏表上标有接地符号“ ”的接线柱上，另一端接在S 2，无误后通电；信号源选定正弦波，再调节信号源的选频旋钮，使它的输出频率等于S 1上固有频率0f ，偏离应在200Hz 以内，调输出旋钮，使电压为10伏；毫伏表暂选3伏档，以后根据其上的读数适当减少量程。

（3）缓慢旋转手轮，使毫伏表读数增至极大，若指针在最大处返回，应缓慢将指针调至最大处。当输出频率稳定后（变动在10Hz 以内），不再调频。记下V 1、1f 、χ1（要估读到0.001mm ）。

（4）每次使S 1、S 2的距离增加4mm ，改变4次，微调手轮，使指针缓慢地达到最大摆角，读出V i 、i f 、i x 。

2、用示波器观察换能器2S 上的波形、并测定其电压、频率和周期。

（1）将带夹的电缆拆下，另一根电缆连接2S 与示波器的X 轴（CH 1通道）连接。使输出

频率等于固有频率，二者相差应在200Hz 以内，电源输出电压选为10伏。

（2）调整好双踪示波器，能观察到换能器2S 输入的正弦波。把聚焦、辉度、通道一和水平扫描各旋扭都旋至中间位置，即旋扭的标线指在“12点”方向。键14、23 置于 CH 1， 键10 、 18置于AC 后，按下电源开关，预热一分钟 ，边观察屏上图形，边调整旋钮7及 28 、29、11、32 ，使屏上显示的正弦波稳定，有2～3个完整的波形，波幅约占全屏一半。

（3）测定2S 在波节上的交流电压，旋钮7上的微调旋扭要顺时针旋到底，显示在屏幕上的波形高度应正比于信号电压的峰一峰值P P U -，因A S U v P P =-，其中v S 为Y 轴偏转灵敏度，A 为屏幕上峰一峰值在Y 轴上所占的格数，所以v S 应与A 的单位对应，若A 取mm ，cm ，div(格)，则v S 应取V ／mm ，V ／cm ，V ／div 。微调手轮，使波峰变化灵敏，波幅达到最大，调整旋钮7使波形尽可能大些，能看到波形上半部，调整旋扭32使波峰落在Y 轴上，再调整旋扭7使整个波都在屏内，再调整旋扭11使波谷落在横线上，读出格数和旋扭7对应的灵敏度，并测定此时的电压，记下此时S 2的位置χ1（估读到0.001mm ）。之后不断旋转手轮，使S 1、S 2距离增大，观察波形变化。每当增加4mm 后波幅急剧增大时，微调手轮7，使其达到极大，记录此时的P P U -、i f 、i x ，注意在增大不到4mm 时出现的波峰极大值是假象，是由换能器的特点引起的，它远远小于前一次的振幅。

（4）测量周期和频率，见图5，将扫描微调旋扭30顺时针旋到底，记下X 轴的扫描速率，测出上述波形的周期和频率，与信号发生器的指示值进行比较。按要求记录数据。测定S 2上的频率和周期，并与信号源上的频率比较其误差。

（5）测定室温t ，计算声速的标准值。

二、注意事项：

(1)取下电缆时，同样要拿住金属端逆时针旋转90度后方可拔出。切不可拿住胶线乱拔!

(2)聚焦点的亮度太强会烧毁荧光屏，因此实验时尽可能降低亮度，减少光点停留时间。

三、数据记录及处理：

1、列表记录数据

单位：V 、cm 、Hz 2、计算结果及误差

用逐差法计算：

1λ=21(4x -2x +3x -1x )=21(1λ+2λ) =?+?=?)(2

1

211λλλ 2=21(8x -6x +7x -5x )=21(3λ+4λ) =?+?=?)(2

1212λλλ 已知： 15.27310t +

=υυ标 υ0 是0 o C 时空气中的声速,大小为331.45m ／s 。

λυ?=f 测 ， 标标测v v v E -=

*

要求*E <2％ 。 【思考与练习】

1、本实验是在换能器处于谐振状态下进行的，该实验在操作上应注意什么？

2、用逐差法处理实验数据的优点是什么？

附： MDl643/4函数信号发生器

一、测量功能和范围

1、输出频率范围：0.2Hz ～2MHz ，分7档，由发光二极管指示，各档频率范围见下表。

2、 输出阻抗：50 Ω(电压输出)，600Ω (TTL 同步输出)。

3、 输出波形：正弦波、三角波、方波、锯齿波、脉冲波。

4、 函数信号输出幅度：≥20Vp-p(空载)，≥l0Vp-p(50Ω负载)。

5、 输出电压显示范围：0～20Vp-p(100kHz 正弦波)

6、 频率显示范围：0.2Hz ～2MHz 。

二、使用说明

前面板如附图1所示。

附图1 MDl643/4函数信号发生器前面板

1、频率显示窗口。显示输出信号的频率或外测频信号的频率。计数器的闸门时间在计数频率≥l0Hz时为1秒；在计数频率＜l0Hz时自动转换为10秒，因此在信号频率小于l0Hz 时要注意频率显示是10秒钟刷新一次，观测频率值要等到操作确定10～20秒以后。

2、信号输出幅度显示窗口(仅MDl643／4)。显示50Ω输出信号的幅度，其大小为空载时的电压值(峰值)，对于50 Ω负载，输出电压为显示值的1／2。

3、频段选择按钮。每按一次此按钮依次改变输出频率的频段，由7只发光二极管指示。

4、函数输出波形选择按钮。选择输出信号的波形，正弦波、三角波或脉冲波，由3只发光二极管指示。

5、测频选择按钮。选择内、外测频率方式，指示灯亮为外测频方式，外测频信号由外测频信号插座输入：指示灯灭为内测频方式。

6、函数信号输出插座。输出函数信号，最大输出幅度20Vp-p(空载)，10Vp-p(50Ω负载)。

7、函数信号输出幅度衰减开关。对于MDl643／4，衰减开关不按下，输出信号不衰减，“20dB”键按下，衰减20dB，“40dB”键按下，衰减40dB，“20dB”键和“40dB'’键同时按下则衰减60dB。

8、函数信号输出幅度调节旋钮。调节函数(及功率)信号的输出幅度。

9、频率调节旋钮。在一个频段内改变函数(及功率)信号的输出频率。

三、测量、试验的准备工作

先检查市电电压，确认市电电压在220V±10％范围内，方可将电源线插头插入本仪器后面板电源线插座内。

50Ω函数信号输出：

1、由终端选择50 Ω匹配器的测试电缆，由前面板插座(10)输出函数信号；

2、由频率选择按钮(3)选定输出函数信号的频段，由频率调节旋钮(15)调整输出信号频率直到所需的工作频率值；

3、由波形选择按钮(4)选定输出函数的波形分别获得正弦波、三角波、脉冲波；

4、由信号幅度选择器(11)和(12)选定和调节输出信号的幅度；

四、注意事项

1、本仪器采用大规模集成电路．修理时禁用二芯电源线的电烙铁，校准测试时，测量仪器或其他设备的外壳应接地良好，以免意外损坏。

2、在更换保险丝时严禁带电操作，必须将电源线与交流市电电源切断，以保证人身安全。