模拟示波器的原理与使用

示波器的原理和使用

电子射线示波器是常用的电子仪器之一。自1931年研制出第一台示波器以来，示波器已有多种型号和规格，得到了广泛的应用。示波器不仅可以用来定性观察电压的动态变化过程，而且可以定量测定电压的大小、周期和相位等。只要能通过适当的传感器把其他的电学量和非电学量的变化转化为电压的变化，示波器就能用来研究这些量的变化规律, 是一种非常有用的测量工具。它可以将电压随时间的变化规律显示在荧光屏上，以便研究它的大小、频率、位相和其它的变化规律，还可以用来显示两个相关的电学量之间的函数关系。因此，示波器已成为测量电学量以及研究可转化为电压变化的其它非电学物理量的重要工具之一。

通过对示波器的结构和原理的认识，掌握示波器的使用方法。它所涉及的知识是电视机、计算机显示器、乃至大型精密医疗显示设备的基础。通过本实验的学习，可以先了解示波器的工作原理，掌握它的操作方法，再通过以后专业课的学习，逐步做到可以熟练使用、修理、安装和调试此类设备。

实验内容包括学习通用型示波器和函数信号发生器的正确使用方法，使用示波器观察交流电信号的波形，加深对振动合成理论的理解。示波器的具体电路比较复杂，实验中对此不作详细介绍，主要介绍示波器的使用方法。

【实验目的】

1、了解示波器的主要构造与工作原理，学习使用示波器和信号发生器。

2、掌握示波器的正确使用方法，学会用示波器观察给定交流电的波形并测定其

频率值。

【重点和难点】

1．了解示波器上各个控制旋钮的作用和调节方法。

2．学习使用示波器观察交流电的波形，对所测的交流电的频率和幅值进行测量。3．学习函数信号发生器的使用方法。

【实验仪器】

DC4322B型示波器DDS函数信号发生器

【实验原理】

示波器的结构

示波器包括以下各部分：（1）示波管；（2）垂直偏转放大器（Y放大器）；（3）水平偏转放大器（X放大器）；（4）扫描电压（锯齿波）发生器；（5）电源。

示波管是示波器中显示波形的部件，由发射、加速和聚焦电子束的电子枪，控制电子束偏转的X轴和Y轴偏转板，以及电子打在上面会发光的荧光屏三个部分组成，管内抽成高度真空（mm汞柱以下），以避免电子与气体分子碰撞而引起电子束散射。

1）电子枪

电子枪由灯丝、阴极、控制栅极和阳极组成。表面上涂有脱出功较低的钡和锶氧化物的阴极受到灯丝加热而发射电子。栅极是一个顶部有小孔的金属圆筒，其电势低于阴极，对阴极发出的电子起阻碍作用，只有少量电子才能通过栅极。调节栅极电压可控制通过栅极的电子束的强弱从而实现亮度调节。阳极的电势比较高而且形状特殊，产生的电场形成电子透镜，一方面可使电子加速，另一方面可使电子束在荧光屏上聚焦。功能：灯丝加热后阴极发射电子，电子受到栅极的调制，只有初速度较大的电子才能通过栅极被加速阳极加速和聚焦，得到一束很细的高速电子束。

2）偏转系统偏转系统由两对相互垂直的偏转板组成，一对竖直偏转板，一对水平偏转板，装在电子枪和荧光屏之间。功能：在偏转板上加适当的直流电位，控制电子束轰击荧光屏的位置。

3）荧光屏屏上涂有荧光粉，电子打上去就发光，形成光斑，不同材料的余辉时间不同。

电子线路按电路的功能，电子线路主要可分成三部分：1）X轴放大器，2）Y轴放大器，3）锯齿波扫描电压发生器。

示波器显示稳定波形的原理

如果我们在垂直偏转板上接入一正弦电压，荧光屏上的光点就会在垂直方向上下振荡。若同时在水平偏转板上接入一周期电压，在每一周期里电压使光点在水平方向上匀速越过荧光屏一次，正弦电压波形就会在荧光屏上显示出来。

光点在荧光屏水平方向作匀速运动的过程叫扫描，驱动其扫描的电压叫扫描电压。扫描电压由扫描发生器产生，此电压随时间的变化形状像锯齿，所以也叫锯齿电压，电压先以恒定速率增长，在每次扫描结束后很快回到最低电压处。在电压上升期间，光点扫过荧光屏；在电压回落到最低处期间，光点迅速回到荧光屏左边原来的起始点，在此期间，电子束被关闭，消除了回复线。此过程不断地重复，光点就周而复始地从左到右扫描。如果扫描频率比较高，就觉察不到光点的移动，波形好象是整体一起显示出来的。

为了便于观察和测量，显示出来的波形应该是静止不动的，这就要求每次扫描出来的图象在屏上的位置相同。若要使所显示的正弦波静止，扫描电压必须在正弦电压的相同位置处开始扫描，即当扫描电压回到电压最低处时,信号电压也应在起始时的值,从而使第二、三、…次起始扫描时的光点与第一次开始扫描时光点位置重合，也就是说扫描电压必须与加在垂直偏转板上的待测信号同步，当垂直偏转板上的信号达到某一设定的电压水平时，才开始扫描。

图中若只显示了一个周期的正弦波，这是因为扫描电压的周期与正弦电压的周期相同。若要显示超过一个周期的波形，那么扫描就必须慢些；若要显示小于

一个周期的正弦波，则扫描就要快点。若扫描电压的周期Tx是欲观测信号周期Ty的n倍时，则荧光屏上将呈现出n个完整的波形。

由此可知，要在示波器上显示出稳定的电压波形，必需满足以下三个条件：（1）把要观察的电压信号从Y端输入，加到垂直偏转板上；

（2）在水平偏转板上加上合适的扫描电压；

（3）扫描电压要与所观察的信号同步。

如果一台示波器被校正好，对应于单位长度垂直偏转的电压大小已知（例如：5V/DIV），就很容易在示波器荧光屏上测出电压的大小；同样，如果扫描速率已知（例如：2ms/DIV），那么电压的周期或频率就能很容易地测出来。但是这种测量的精度不高，只能作半定量测量，示波器的主要用途是显示波形。

当信号电压输入示波器时，示波管的荧光屏上就反映出这个电压随时间变化的波形来。示波管主要由电子枪、竖直偏转电极和水平偏转电极组成。两电极都不加偏转电压时，由电子枪产生的高速电子做直线运动，打在荧光屏中心，形成一个亮点。这时如果在水平偏转电极上加上随时间均匀变化的电压，则电子因受偏转电场的作用，打在荧光屏上的亮点便沿水平方向匀速移动。如果再在竖直偏转电极上，加上一随时间变化的信号电压，则亮点在竖直方向上也要发生偏移，偏移的大小与所加信号电压的大小成正比。这样，亮点一方面随着时间的推移在水平方向匀速移动，一方面又正比于信号电压在竖直方向上产生偏移。于是在荧光屏上便形成一波形曲线，此曲线反映出信号电压随时间变化的规律。

【实验内容】

预习基本要求

1、了解示波器的主要组成部分以及它们之间的联系。

2、了解信号发生器的主要功能。

3、理解用示波器测量交流信号有效值和频率的原理和方法。

常见问题与解答

1、已有信号接到示波器的输入端，但示波器荧光屏并无显示，可能的原因有：

（1）亮度不够。

（2）水平或垂直位移调节不当。

（3）输入端对地短路。

2、如果示波器的显示不稳定，可能的原因有：

（1）同步源或同步方式选择不当。

（2）水平扫描频率选择不合适。

预习思考题

1、简述示波器显示电压～时间图形（即电信号波形）的原理。

2、怎样用示波器定量地测量交流信号的电压有效值和频率？

3、用示波器观测频率为500hz的正弦电压，若在荧光屏上呈现了3个完整而稳定的正弦波形，扫描电压的频率等于多少赫兹？

实验注意事项

1、荧光屏上光点（扫描线）亮度不可调得过亮，并且不可将光点（或亮线）固定在荧光屏上某一点时间过久，以免损坏荧光屏。

2、示波器和信号发生器上所有开关及旋钮都有一定的调节限度，调节时不能用力太猛。

示波器的应用（示波器测频率）

【实验目的】

1．进一步加深对示波器的理解，掌握示波器的使用方法

2．学习用示波器测量交变电压信号频率的方法

【实验仪器】

通用示波器函数信号发生器

【实验原理和实验内容】

用李萨如图形测信号的频率

如果将不同的信号分别输入y轴和x轴的输入端，当两个信号的频率满足一定关系时，荧光屏上会显示出李萨如图形。可用测李萨如图形的相位参数或波形的切点数来测量时间参数。

两个互相垂直的振动(有相同的自变量)的合成为李萨如图形。

1．频率相同而振幅和相位不同时，两正交正弦电压的合成图形。设此两正弦电压分别为：

消去自变量t，得到轨迹方程：

这是一个椭圆方程。当两个正交电压的相位差φ取0~2π的不同值时，合成的图形如图所示。

图4 不同φ的李萨如图形

如果在示波器的垂直偏转板和水平偏转板上同时都加上正弦电压，电子束在垂直方向和水平方向都将按正弦规律变化，在荧光屏上就能看到各种不同的电子束运动轨迹的图形。当两个电压的频率成简单整数比时，就能看到由稳定的封闭曲线所构成的图形，这些图形被称为李萨如图形。当图形稳定后，图形的形状和信号频率之间有如下关系：

其中fx为加在x轴上电压的频率，fy为加在y轴上电压的频率，Nx为任意水平直线与图形相交的最多的交点数，Ny为任意垂直直线与图形相交的最多的交点数。

不同频率比的李萨如图形

实验时示波器的y1通道输入函数信号发生器的A路输出信号，做为加在x 轴上已知信号fx。示波器的y2通道输入被测信号fy（函数信号发生器的B路输出）。实验完成p88页的表4-5-2：

N x/N y f x /H z f y(计算值)/H z f y(信号发生器刻度

值)/H z

1:1

1:2

2:1

2:3

3:2