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1、3-5 示波器的使用阴极射线示波器是一种用途较为广泛的电子仪器，它可以把原来肉眼看不见的电压变化变换成可见的图像，以供人们分析研究。示波器可用来测量电压的大小和一切可转换为电压的电学量(如电流、电功率、阻抗等)和非电学量(如位移、速度、压力、频率、温度、磁场、光强等)。在无线电制造工业和电子测量技术等领域，它是不可缺少的测试设备。一、实验目的1. 了解示波器的基本结构，熟悉示波器的调节和使用。2. 学习用示波器观察电压波形及测量信号的电压和周期。3. 通过观察李萨如图形，学会用示波器测量频率的方法。二、实验仪器示波器(GOS-620双轨迹示波器)、函数信号发生器、波形整流仪。函数信号发生器的作
2、用是产生各种波形、频率的电信号。整流波形仪的功能是将50Hz的照明电变成脉动直流电以及稳恒直流电。这些仪器的面板图请参见本实验的附录部分。三、实验原理示波器动态显示物理量随时间变化的思路是将这些物理量转换成随时间变化的电压，加在电极板上，极板间形成相应的变化的电场，使进入这个变化电场的电子运动情况相应的随时间变化，最后把电子运动的轨迹用荧光屏显示出来。以GOS-620双轨迹示波器为例介绍示波器的基本结构和显示波形的原理。GOS-620双轨迹示波器的基本结构原理如图1所示。图1 示波器原理电子示波器主要由四大部分组成：阴极射线示波器系统；扫描、触发系统；放大系统；电源系统。下面主要介绍与示波器显
3、示波形原理相关的几个部分。1. 示波管的内部结构。图2 示波管结构示波管内部结构如图2所示。阴极被加热发射出大量电子，经过各个电极的聚焦、加速后高速轰击荧光屏，发生荧光。在靠近阴极处设置控制栅极，调节其电位(相对阴极为负电位)来控制电子束流的强度，使荧光“辉度”改变。在电子束路径两旁设置两对平行板电极，改变加在其上的电压，可控制电子束的运动。2. 电偏转系统。在示波管内，有两对平行板电极，垂直方向的一对平行板电极称为水平(或)偏转板，简称为横偏板。水平方向的一对平行板电极称为垂直(或)偏转板，简称为纵偏板。在偏转板上加电压时，其电场致使飞速运动的电子束(及其在屏上的光点)沿水平、垂直方向发生偏
4、移，这种现象称为电偏移。若幅度为伏特的电压使电子束沿纵向(或横向)偏转(cm)，则定义为偏转电压灵敏度，简称为灵敏度，记作，即 (V/cm，读作伏每厘米) (1)偏转电压灵敏度(也称伏/格值)表示：使电子束沿纵向(或横向)偏转1cm(即一格)的电压幅度。显然，偏转电压灵敏度为(V/cm)时，使电子束偏转(cm)的电压幅度为： (2)利用(2)式，从电子束的偏转格数，可测出被测电压值。3. 扫描系统。若仅在横偏板上加周期性变化的电压，则电子束(或光点)沿水平方向作周而复始的往返运动，其位移随电压增大而增大(电压达到最大值时它也达到最大)，随电压减小而减小。而当电压恢复到起始值时，电子束(或光点)
5、便回到起始位置。电子束(或光点)的这种周而复始的往返运动称为扫描。此时称为扫描电压。当扫描较快(频率较高)时，荧光屏上仅显示一条水平亮线，称为扫描线。若是如图2中所示的周期为的线性锯齿波电压，则电子束的水平位移，即位移与时间成线性关系。若在横偏板上加的扫描电压，使电子束在秒内沿水平方向位移厘米，则为每厘米扫描时间，简称为厘米扫描时间。记作，即 (S/cm，读作秒每厘米) (3)厘米扫描时间(也称时间/格值)表示电子束沿水平方向扫描1cm(即1格)的时间。显然，厘米扫描时间为(S/cm)时，电子束沿水平方向扫描(cm)所用的时间为： (4)用(4)式，从电子束横向扫描距离，可测定时间间隔。图3
6、扫描电压与信号同周期图4 扫描电压与信号不同周期4. 示波器显示波形原理。在纵偏板上加周期为的被观测的信号(如正弦波)，而在横偏板上加周期为的线性锯齿波扫描电压时，后者使方向振动沿方向展开，呈现二维平面图形。当，(如图3所示)时，每次锯齿波的扫描起始点会准确落到被观测信号的同相位点上，于是周而复始扫出完全相同的波形，从而稳定地显示，即扫描电压和被观测的信号达到同步，称为扫描同步。但若(如图4所示)时，则每次扫描起始点会落在非同相位点上，于是每次扫出的波形不重复，其结果屏上波形在不断地在移动(或者向右、或者向左)，无法观测到稳定的波形，即扫描不同步。由此可见，扫描显示稳定波形的条件(即扫描同步条
7、件)是：扫描电压周期为被观测信号周期的整数倍，即 ， (5)实际上，由于被观测信号和锯齿波的周期很难严格地满足(5)式的要求，所以仅通过用手调节示波器的“扫描时间”(即调整锯齿波周期)旋钮的方法是无法实现扫描同步的。5. 整步。示波器实现扫描同步的过程称为整步。常用示波器实现扫描同步可有两种方式：触发扫描和连续扫描，这里只介绍触发扫描。GOS-620示波器通过其触发系统实施触发扫描来实现扫描同步。图5 触发扫描的整步触发扫描同步原理：由输入的被观测信号提供触发信号，送至触发电路，当其电平达到某一选择的触发电平(如图4中的A点电平)时，触发电路便输出触发脉冲，用它去启动扫描电路进行扫描。扫描的时
8、间是事先设定好的，比如由A点自左至右移动，直至A点。这个扫描时间就是扫描周期。如果扫描周期大于信号的一个周期，在扫描期间，信号电压会多次达到触发值，但是扫描的电路不再受此期间到来的触发脉冲(如图5中虚线所示脉冲)的任何影响，直至本次扫描结束。扫描结束后，扫描电压迅速恢复为零，之后等到下一个触发脉冲到来时，它又重新启动扫描电路进行下一次扫描。因每一个触发脉冲产生在相同的信号电压位置，所以每次扫描的起始点会准确地落在同相位点上，于是每次扫出的波形完全重复而稳定地显示被观测信号的波形。这就是触发扫描实现同步的原理。四、实验步骤1. 仪器初始化。示波器面板图见本实验附录图6。打开电源之前，VERT M
9、ODE(14)按扭置于CH1，ALT/CHOP(12)凸起，CH2 INV(16)凸起，三个POSITION(11)(19)(32)按扭置于中央位置，VOLTS/DIV(7)(22)按扭置于0.5V/DIV档，VARIABLE(9)(21)按扭顺时针转到底CAL位置，AC-GND-DC(10)(18)置于GND档，SOURCE(23)置于CH1档，SLOPE凸起，TRIG. ALT(27)凸起，TREGGER MODE(25)置于AUTO档，TIME/DIV(29)置于0.5mSec/DIV档，SWP. VAR(30)按扭顺时针到底CAL位置，10MAG凸起。2. 观察波形和测量电压。(1)
10、测量交流信号的峰-峰电压值。打开函数信号发生器的电源，示波器的VERT MODE(14)按扭置于CH2，用双头线将信号发生器的主输出端和示波器的CH2输入端相连，将右边的AC-GND-DC置于AC位置，调节右边的VOLTS/DIV及TIME/DIV钮，并调节LEVEL钮便可观察到稳定的波形。读出右边的VOLTS/DIV钮上的电压档位K及示波器荧光屏上波形在竖直方向占据的光屏总格数Y，两者的乘积就是被测波形的峰-峰电压值，读出TIME/DIV钮上的时间档位及示波器荧光屏上波形的一个周期所占的水平光屏格数L，两者的乘积就是被测波形的周期T。将所得的数据填入表1中。注意：测量电压一定要保证VARIA
11、BLE(9)(21)按扭顺时针转到底CAL位置；测量周期一定保证SWP. VAR(30)按扭顺时针到底CAL位置。表1 用示波器测量交流信号的电压和周期频率=K=Y=L=T=(2) 用双头线将整流波形仪的输出信号接入到CH1通道。VERT MODE(14)按扭置于CH1。首先将左边的AC-GND-DC置于GND的位置，调节POSITION(11)旋钮，使得光点位于显示屏中心。然后将AC-GND-DC置于DC位置。改变整流波形仪的输出信号，依次观察半波整流、全波整流、一次滤波、二次滤波的波形。保持二次滤波波形，调节左边的VOLTS/DIV，读出左边的VOLTS/DIV钮上的电压档位K及荧光屏上波
12、形偏离水平中心线的竖直光屏格数Y，两者的乘积就是二次滤波的波形电压K=_，Y=_，V=_3. 观察李萨如图形和测量频率。完成前两步后，各接线不动。将整流波形仪的输出波形调整至“交流”，将会输出频率为50Hz的正弦交流信号，即。函数信号发生器的信号输入CH2通道。将示波器TIME/DIV钮旋至左边最底部的X-Y控制键，两个AC-GND-DC开关都置于AC。此时会出现绕动的曲线，即李萨如图形。调节信号发生器上的频率按钮，使屏幕上出现表2所示的各个图形，记下频率，填入表2中。表2 李萨如图形的观测图形图6 示波器面板图五、注意事项1. 必须弄清楚所用示波器、信号发生器的型号与面板上各旋钮的作用后再开
13、始实验。2. 荧光屏上的光点亮度不可调得太亮，且不可将光点固定在荧光屏上某点时间过长，以免损坏荧光屏。3. 示波器上所有开关与旋钮都有一定强度与调节角度，使用时应轻轻地缓慢旋转，不能用力过猛或随意乱旋。六、思考题1. 示波器有那些主要组成部分？示波器如何将一个正弦波电压展现出来？2. 示波器图形不稳定是什么原因造成？应该调节哪些部分？3. 怎样用示波器测量正弦信号电压的有效值？4. 怎样用示波器测量正弦信号的周期和频率？七、附录：GOS-620示波器前面板介绍：CRT 显示屏区域(2) INTEN：轨迹及光点亮度控制钮(3) FOCUS：轨迹聚焦调整钮(4) TRACE ROTATION：使水
14、平轨迹与显示屏的刻线平行的调整钮(5) 电源指示灯(5) POWER：电源主开关，压下此按扭可接通电源，开关凸起时，则切断电源(33) 显示屏VERTICAL 垂直偏向区域(7)(22) VOLTS/DIV：垂直衰减控制钮，以此钮选择CH1及CH2的输入信号衰减幅度，设定显示屏上一个格子代表的电压大小。范围为5mV/DIV5V/DIV，共10档。(9)(21) VARIABLE：与垂直衰减旋钮同轴，在中心，是灵敏度微调控制，至少可调到显示值的1/2.5。在CAL位置时，灵敏度即为档位显示值。当此旋钮拉出时(5MAG状态)，垂直放大器灵敏度增加5倍。(8)(20) CH1(X)-CH2(Y)：信号输入通道1与通道2；在X-Y模式中，CH1为X轴的信号输入端，CH2为Y轴信号输入端。(10)(18) AC-GND-DC：输入信号偶合选择按键组。AC表示垂直输入信号通过电容器耦合，可以滤掉直流或极低频率的输入信号。GND表示屏蔽输入信号，并将垂直衰减器输入端接地，使之产生一个零电压参考信号。DC表示垂直输入信号直接耦合输入，直流交流信号都会输入示波器。(11)(19) POSITION：调整轨迹及光点的在显示屏上的垂直位置。通常，当输入信号为零时，应当调整此旋钮，使得光点在显示屏的中央。(12) ALT/CHOP：当在双轨迹模式下，放开此键，则CH1与CH2的信号以
