示波器的原理与使用

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1、3.3 示波器的原理与使用【实验介绍】本实验为基础性实验。示波器(全称阴极射线示波器)是一种用途广泛的电子测量仪器，它能将人眼无法直接观测的交变电信号转换成图像，显示在荧光屏上。用它既能直接观察电信号的波形，也能测定电信号的幅度、周期和频率等参数，用双踪示波器还可以测量两个信号之间的时间差或相位差，是观察数字电路实验现象、分析实验中的问题、测量实验结果必不可少的重要仪器。由于阴极射线的惯性小，又能在示波器上显示出可见的图像，所以示波器特别适用于观测瞬时变化过程(动态的波形变化)。例如，从交流信号的波形图上，可以很容易观察到交流信号随时间变化的规律，并且很容易从波形图上测出它的电压峰峰值( )、

2、pU周期(T)、相位差 ()等参数。加上传感器，凡能转化为电压信号的电学量和非电学量都能用示波器来观测。如声波、心率、体温、血压等随时间变化的过程。在实际应用中凡是能转化为电压信号的电学量和非电学量都可以用示波器来观测。【实验目的】1了解示波器的主要结构及显示波形的基本原理。2学会使用信号发生器。3学会用示波器观察波形以及测量电压、周期和频率。4通过对李萨如图形的观察，进一步加深对互相垂直的谐振动合成理论的理解。【实验仪器】双踪示波器，信号发生器，探极等。【实验原理】一、示波器的基本结构一般示波器主要由四部分组成：电子示波管、扫描整步装置、衰减系统和电压放大系统、电源等，其结构方框图如图 1

3、所示。为了适应各种测量的要求，示波器的电路组成是多样而复杂的，这里仅就主要部分加以介绍。1示波管如图 1 所示，示波管又称阴极射线管，英文缩写为 CRT，它是示波器的核心部件，它将电信号转换为光信号，主要包括荧光屏、电子枪、偏转系统三部分，全都密封在真空玻璃壳内，构成了一个完整的示波管。 荧光屏示波管光屏通常是矩形平面，内表面沉积一层磷光材料构成荧光膜。在荧光膜上常又增加一层蒸发铝膜。加速聚焦后的高速电子束穿过铝膜，撞击荧光粉而发光形成亮点，从而显示出电子束的位置。铝膜具有内反射作用，有利于提高亮点的亮度。当电子停止作用后，荧光剂的发光需经一定时间才会停止，称为余辉效应。一般示波器多采用发绿光

4、的示波管，以保护人的眼睛。荧光屏外表面印有网格，横向有 10 格，选择合适的水平扫描速度(TIME/DIV)的档位，即可表示每格所占时间； 纵向有 8 格，选择合适的垂直衰减(VOLTS/DIV)的档位，即可表示每格所占电压大小。 电子枪电子枪用以产生定向运动的高速电子，由灯丝 H、阴极 K、控制栅极 G、第一阳极A1、第二阳极 A2 五部分组成。 阴极 K：电子射线的发源地阴极 K 是一个表面涂有脱出功较低的钡和锶氧化物的金属筒，受到灯丝 H 加热后发射电子。 控制栅极 G：亮度控制控制栅极 G 是一个顶端有小孔的圆筒，套在阴极外面。其电位低于阴极，对阴极发出的电子起阻碍作用，只有初速度较大

5、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。调节栅极电压可控制通过栅极的电子数目从而实现亮度调节。示波器面板上的“亮度”调整就是通过调节电位以控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变了屏上的光斑图 1 示波器的结构方框图亮度。 第一阳极 A1：聚焦第一阳极 A1 电位比阴极电位高很多，加有几百伏的电压，而且形状特殊，产生的电场形成电子透镜，电子被它们之间的电场加速形成射线，调整它对射线有聚焦作用，所以第一阳极也称聚焦阳极。面板上的“聚焦”调节，就是调第一阳极电位，使荧光屏上的光斑成为明亮、清晰的小圆点。 第二阳极 A2：电子加速第二阳极 A2 的电位更高，又称加速阳极。加有 1000V

6、 以上的电压，聚焦后的电子束经过这个高压电场的加速获得足够的动能而成为一束高速的电子束。有的示波器有辅助聚焦，实际是调节第二阳极电位。 偏转系统偏转系统控制电子射线方向，使荧光屏上的光点随外加信号的变化描绘出被测信号的波形。它由两对相互垂直的偏转板组成，一对垂直偏转板 Y，一对水平偏转板 X。Y 轴偏转板在前，X 轴偏转板在后。两对偏转板分别加上电压，使两对偏转板间各自形成电场，分别控制电子束在垂直方向和水平方向偏转，从而使电子束在荧光屏上的光斑位置也发生改变，形成一个反应信号电压的波形。2电压放大系统和衰减系统示波器本身相当于一个多量程电压表，这一作用是靠信号放大器和衰减器实现的。由于示波管

7、本身的 X 及 Y 轴偏转板的灵敏度不高 (约 0.11mm/V） ，当加在偏转板的信号过小时，要预先将小的信号电压加以放大后再加到偏转板上，为此设置 X 轴及 Y 轴电压放大器。衰减系统的作用是使过大的输入信号电压变小以适应放大器的要求，否则放大器不能正常工作，使输入信号发生畸变，甚至使仪器受损。对一般示波器来说，X 轴和 Y 轴都设置有衰减器，以满足各种测量的需要。3电源电路包括低压电源电路和高压电源电路，低压电源供给示波器各工作电路电压，高压电源电路供给示波管各极电压。二、示波器显示波形的原理由示波管的原理可知，如果偏转板上不加电压，则电子束将聚焦于荧光屏而形成一个光点。如果偏转板上加有

8、电压，则电子束的运动方向将会发生偏转，从而使电子束在荧光屏上的光点位置也随之变化。容易证明，在一定范围内，光点的位移与偏转板上所加电压图 3 扫描电压信号波形成正比，因而可将电压的测量转化为屏上光点偏移距离的测量。1. 示波器的扫描系统如果只在竖直偏转板上加一交变的正弦电压 tUymsin，则电子束将随电压的变化在竖直方向来回运动， 如果电压频率较高，则在屏上看到的是一条竖直亮线，如图 2 所示。如果在水平偏转板上加一个随时间周期性变化的电压，即“锯齿波电压” ，当频率足够高时，则荧光屏上只显示一条水平亮线。如图 3 所示。tUxm如果在竖直偏转板上(简称 Y 轴)加正弦电压，同时在水平偏转板

9、上（简称 X 轴)加锯齿波电压，电子受竖直、水平两个方向的力的作用，电子的运动就是两相互垂直的运动的合成。当锯齿波电压与正弦电压的周期完全一致时，在荧光屏上将能显示出完整周期的正弦电压的波形图，如图 4 所示。图 2 输入电压信号波形图 4 示波器显示波形的原理综上所述，这种把 Y 偏转板上的电压 的变化规律沿 X 偏转板上“展开”的过程称yU为“扫描” 。扫描系统(又称时基电路)就是用来产生一个随时间作线性变化的扫描电压，使屏上的水平坐标变成时间坐标，Y 轴输入的被测信号波形就可以在时间轴上展开。扫描系统是示波器显示被测电压波形必需的重要组成部分。2示波器的整步(同步)由图 4 可看出， 与

10、 的周期相同时，光点扫完整个正弦曲线后锯齿波电压随即复xUy原，同时又扫出一条与先前完全重合的正弦曲线。如果正弦波和锯齿波电压的周期稍微不同，那么每次扫出的曲线与先前的曲线不重合，屏上出现的图形是一移动着的不稳定的曲线，这种情况在示波器使用过程中经常会出现。其原因是扫描电压的周期与被测信号的周期不相等或不成整数倍，以致每次扫描开始时波形曲线上的起点均不一样所造成的。为了使屏上的图形稳定，必须使 的频率与 的频率严格相同或为整数倍关系，图xUy形才会完整、清晰且稳定。即 xynf321，n式中 为屏上所显示的完整波形的个数，这种使两者频率成整数倍且相位差恒定的调节过n程称为“整步”或“同步” 。

11、实际上，由于 与 来自不同的震荡源，其频率比不易满足上述关系，而且环境或xUy其它因素的影响，也使得它们的周期(或频率)可能发生微小的改变。这时，虽然可通过调节扫描旋钮将周期调到整数倍的关系，但过一会儿又变了，波形又移动起来。在观察高频信号时这种问题尤为突出。为此示波器内装有扫描同步装置（电平调节旋钮） ，让锯齿波电压的扫描起点自动跟着被测信号改变，称为“整步”装置。根据 的频率 调节 的yUyfx频率 ，使 准确地等于 的 倍，进而获得稳定的信号波形。xfxyfn13李萨如图形示波器能真实地显示 Y 轴输入信号随时间变化规律的波形，是因为仪器内有锯齿波发生器，即扫描电压作用于 X 轴偏转板，

12、在一个扫描周期内，扫描电压随时间成正比地增加，因此，锯齿波扫描过程又称线性扫描。如果在 X 偏转板上加上非线性扫描电压，其扫描过程称为非线性扫描。将电压 和 分别送到示波器的 Y 轴和 X 轴，在)sin(tUymtUxmsin屏上观察到是两个互相垂直的谐振运动的合成图像，光点轨迹为一稳定的封闭曲线，称为李萨如图形。根据这个图形可以确定两电压的频率比，从而确定待测频率的大小。李萨如图形与振动频率之间又如下的关系：yxNf式中： 和 分别是加在 X、Y 轴上电压的频率； 和 分别是图形与水平直线、垂xfy xyN直直线的切点数。如果 为已知，则 xf xyfNf【实验内容与要求】一、示波器的校准

13、示波器可用来测量周期信号的峰-峰值和周期，在测量前应进行校准。校准信号可采用示波器自身提供的方波信号，用1 探极将方波校准信号输入 Y 信号输入端口，如：YB4320 型示波器校准信号方波 =0.5V， f =1000Hz，若选择合适的垂pU直衰减(VOLTS/DIV)和水平扫描速度(TIME/DIV)的档位， v/div = 0.1V，t/div = 0.1ms，将微调旋钮旋至校准(CAL)状态，如图 5 所示，信号峰-峰值 =Dyv/div = 50.1 = pU0.5V，信号周期 T =Dxt/div =100.1 =1mS，则 f =1000 Hz 。示波器读数已被校准，可以进行测量。

14、注意：探极用1 档。校准后 X、Y 微调旋钮不得再动。二、观察并图 5 示波器校正信号方波 图 6 示波器测量正弦波信号测量正弦波信号由信号发生器输出一个 500HZ、20V 的正弦波信号，输入到示波器 Y 轴输入端，示波器垂直系统输入耦合开关置于“AC”，调整触发电平(LEVEL)使波形稳定。调整 Y 轴垂直衰减开关和 X 轴水平扫描速度开关 使显示波形在屏幕有效工作面内达到最大限度，以便提高测量精度，如图 6 所示。记下此时波形在竖直方向上所占据的高度 Dy(即波峰到波谷的格数)，信号一个周期所占的格数 Dx，Y 轴选择开关和 X 轴时基选择开关的档置 t/div 、V/div，计算出该正

15、弦信号的周期 T =Dxt/div、 频率 f = 1/T ，峰-峰值 =DyV/divpU及有效值 U ，并与输入信号比较，说明用示波器测量的优缺点。峰-峰值 与最大值 和有效值 之间有如下的关系：pmUp2三、观察并绘出李萨如图形由信号发生器输出一个正弦波信号，输入到示波器 X 轴输入端，由信号发生器后面输出一个 50Hz 的正弦波信号，输入至示波器的 Y 信号输入端口，将 X 轴水平扫描速度开关旋至 X-Y 档，调节信号发生器的输出信号频率，使 fyfx 分别为 11、12、1 3、23 时，得到相应的李萨如图形并填入下表。表 1 李萨如图形和信号频率的关系fy fx 11 12 13

16、23图 形fx（Hz）fy（Hz）【注意事项】1. 操作前，必须根据仪器说明，熟悉所使用的示波器、信号发生器面板上各旋钮的作用。2. 为了避免永久性的损坏 CRT 荧光屏内的磁光质涂层， 使用示波器时，请不要将光点亮度设在极亮的位置或把光点长时间停滞于一点。如果短时间不使用，可把“亮度”旋钮调小。不要频繁通断示波器的电源，以免缩短示波器的寿命。3. 一般情况下，将垂直微调和水平微调旋钮设定在“校准(CAL)”位。【仪器介绍】一、示波器（一） MOS-620B 型示波器MOS-620B 是一种便携式双踪示波器。带宽 20MHZ，最大灵敏度为 1mV/div 最大扫描速度为 0.2us/div，并可扩展 10 倍使扫描速度达到 20ns/div。MOS-620