示波器的原理及使用

实验4—11 示波器的原理及使用
示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器，它可以直接观察电信号的波形，测量电压的幅度、周期(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，一些性能较好的示波器甚至可以将输入的电信号存储起来以备分析和比较。

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(如压力、温度、磁感应强度、光强等)都可以用示波器来观测。

【实验目的】
1.了解示波器的基本结构和工作原理，掌握示波器和信号发生器的基本使用方法。

2.学会使用示波器观察电信号波形，测量电压幅值及频率。

3.掌握利用李萨如图形测量频率的实验方法。

【实验原理】
不论何种型号和规格的示波器都包括了如图4-11-1所示的几个基本组成部分：示波管（又称阴极射线管，cathode ray tube，简称CRT）、垂直放大电路（Y放大）、水平放大电路（X放大）、扫描信号发生电路（锯齿波发生器）、自检标准信号发生电路（自检信号）、触发同步电路、电源等。

图4-11-1 示波器基本组成框图
1.示波原理
在中学物理课中有一个演示振动图形的沙斗实验，装置如图4-11-2所示。

图中P为平面板，能在X方向上作匀速直线运动。

S为沙斗，斗内装上细沙，细沙能从斗的下端慢慢漏出，沙斗通过细绳连接在支架H上，构成单摆。

假定此单摆在与X的垂直方向Y上振动，P在X
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方向匀速运动，那么在平面板上将有漏沙的径迹，这就是单摆的振动图线——正弦曲线。

根据曲线和匀速运动的速率v 不难求得振动周期（或频率）和振幅等物理量的大小。

示波器的示波原理和沙斗实验中平面板上漏沙径迹的道理相同。

1） 如果仅在垂直偏转板上（Y 偏转板）加正弦交变电压U ()y t ，则电子束在荧光屏上所产生的亮点位置随着电压在y
方向作往复运动。

如果电压频率较高，由于人眼的视觉暂留现象，则看到的是一条竖直
亮线，其长度与正弦交变电压的峰—谷值P P V
成正比。

如图4-11-3所示。

图4-11-3 垂直偏转板加正弦交变电压
图4-11-4 水平偏转板加锯齿电压
图4-11-5 波形显示原理图
2）如果在水平偏转板（X 偏转板）加上扫描发生器所输出的扫描（锯齿）电压()x U t ，则能使y 轴方向所加的被观察信号电压()y U t 在空间展开，与沙斗实验中的平面板P 有同样
图4-11-2 沙斗实验
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96 的作用。

即在水平方向形成一个时间轴（t 轴），这个时间轴的扫描周期可通过加在水平偏转板上的锯齿电压()x U t 调节。

如图4-11-4所示，由于锯齿电压在0～1时间内与时间成线性关系达到最大值，使电子束在荧光屏上产生的亮点随时间线性水平移动，最后到达荧光屏的最右端，在1～2时间内（最理想情况是该时间段为零）()x U t 突然回到起点，即亮点回到荧光屏的最左端。

如此重复变化，若仅在水平偏转板加一频率足够高的锯齿电压，则在荧光屏上形成一条水平亮线，即t 轴。

常规显示波形：如果在Y 偏转板加正弦交变电压（实际上任何所想观察的波形均可）的同时，在X 偏转板加锯齿电压，则电子束受竖直、水平两个方向的电场力的作用，电子束进行两种相互垂直运动的合成运动。

当两种电压周期相同时，在荧光屏上将能显示出Y 偏转板上所加正弦电压的一个完整周期波形。

如图4-11-5所示。

2. 同步原理
1）同步的概念：为了显示如图4-11-5所示的稳定图形，只有保证正弦信号到H 点时，锯齿波正好到h 点，从而亮点扫完了一个周期的正弦曲线。

由于锯齿波这时马上复原，所以亮点又回到0点，再次重复这一过程。

光点所画的轨迹和第一周期的完全重合，所以在荧光屏上显示出一个稳定的波形，这就是所谓的同步。

由此可知同步的一般条件为：
, (1,2,3,)x y T nT n == 。

其中
x T 为锯齿波周期，y T 为正弦信号周期。

就是说：若扫描电压的周期是被观察信号的n 倍时，则在荧光屏上显示出n 个完整周期的稳定波形。

若扫描电压的周期不是被观察信号的n 倍时，则荧光屏上的波形就不会稳定，而是紊乱的。

如图4-11-6所示。

2）手动同步的调节：为了获得一
定数量的稳定波形，示波器设有扫描周期调节旋钮，用来调节锯齿波电压的周期x T （或频率
x f ），使之与被测信号的周期y T （或频率y f ）成若干整数倍关系，从而，在示波器荧光屏
上得到被测信号若干整数倍完整的波形。

3）自动触发同步调节：输入Y 轴的被测信号与示波器内部的锯齿波电压是相互独立的。

由于环境或其它因素的影响，它们的周期（或频率）可能发生微小的改变。

这时虽通过调节扫描旋钮使它们之间的周期满足整数倍关系，但过一段时间后波形又会不稳定。

这在观察高频信号时尤其明显。

为此，示波器内设有触发同步电路，它从垂直放大电路中取出部分待测信号，输入到扫描发生器，迫使锯齿波与待测信号同步，此称为“内同步”。

操作时，首先使
图4-11-6 紊乱的波形
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示波器水平扫描处于待触发状态，然后使用“电平”（LEVEL ）旋钮，改变触发电压大小，当待测信号电压上升到触发电平时，扫描发生器才开始扫描。

若同步信号是从仪器外部输入时，则称“外同步”。

3. 李萨如图形的原理
如图4-11-7所示，从示波器的X 和Y 轴分别输入频率相同或成简单整数比的两个正
弦电压，则荧光屏上将呈现特殊的光点轨迹，这种轨迹图称为李萨如图形。

如图4-11-8所
示，频率比不同的输入信号将形成不同的李萨如图形，相位差不同的输入信号也会形成不同的李萨如图形。

从中可总结出如下规律：如果作一个假想方框，限制光点x 、y 方向变化的范围，则图形与此框相切时，横边上切点数x
n 与竖边上的切点数y
n 之比恰好等于Y 和X 输入的两正弦信号的频率之比，即
::y x x y f f n n =（::x y x y T T n n =）。

但若出现如:3:1y x f f =、相位差为0时的李萨如图形，
有端点与假想边框相接时，应把一个端点计为1/2个切点，则:3/2:1/2
x y n n =。

所以利用李
萨如图形能方便地比较两正弦信号的频率。

若已知其中一个信号的频率，数出图上的切点数
x n 和y n ，便可算出另一待测信号的频率。

图4-11-8 李萨如图形 (设初相位y 0θ=)
【实验仪器】
1. 双踪示波器（YB4320A 双踪四迹示波器面板分布图及功能请参见附录1）；
2. 信号发生器（SG1691双路数字合成信号发生器面板分布图及功能请参见附录2）。

图4-11-7 李萨如图形
x
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98 【实验内容与步骤】
1. 观测信号波形并测量峰-谷值和频率 1）SG1691双路数字合成信号发生器
打开电源开关，面板上显示“HUST2100”，其默认状态为：通道指示“CH1”，CH1和CH2通道的波形“正弦”，频率“100 HZ”，幅度“0V”，直流偏置“0V”，衰减“0dB”，个数“0（连续波形）”，脉宽“20%”，相位“0”。

首先，利用上下左右键、设置键及触发键，从CH1（CH2）通道输出频率为200Hz 、幅度为2V 、相位为0°的正弦信号，其他设置不变。

2）YB4320A 双踪四迹示波器
YB4320A 双踪四迹示波器使用前，示波器面板上的所有按键处于弹出状态，这时仪器的默认通道为CH1通道。

设定相关面板控制键，见表4-11-1。

表4-11-1 面板控制键设定
示波器进行信号校准后（参见YB4320A 双踪四迹示波器使用说明书），将信号发生器CH1通道输出的正弦信号输入到示波器CH1端上，若波形不稳定，则调节触发电平旋钮○17可使波形稳定。

调节位移旋钮○14○23○35，读出测量值，并计算待测波形的P P V -和周期T 。

V /div P P V A -=⨯， T im e /div T B =⨯，
式中A 为波形在荧光屏上所占垂直格数，B 为一个周期波形在荧光屏上所占水平格数。

在读取Ａ和B 时，注意估读，每一大格已分为5个小格，供估读时参考。

“V /div ”指的是在校准状态下（衰减微调旋钮顺时针旋到底）示波器屏幕上纵向每个方格之间的电压差；
实验4—11 示波器的原理及使用
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“T im e /div ”指的是在校准状态下（扫描微调旋钮顺时针旋到底）示波器屏幕上光点横向扫描过每一个方格所需要的时间。

利用双路数字合成信号发生器输出一定的电压信号，验证上述的两个测量公式。

2. 观察并绘出李萨如图形
1） 从SG1691双路数字合成信号发生器的两个通道分别输出频率比:y x f f =1:2，
2:1，2:3的正弦信号，其频率范围为1000～3000Hz 、振幅为各2V ，相位差x y θθθ∆=-为
0，
4
π
，
2
π
，
34
π，π。

将两个信号各自输入到示波器的X 轴和Y 轴，并按下示波器的X-Y
键○
11，观察并绘出15个李萨如图形。

再利用频率为10～30Hz 的正弦信号观察上述15个李萨如图形，并绘出光点的运动方向。

2） 当示波器的X 轴和Y 轴输入的正弦信号频率比值为非简单整数比值（如：
:100:102y x f f =）时，观察李萨如图形。

3. 利用李萨如图形测未知正弦信号的频率 1）X 轴输入已知正弦信号
将SG1691双路数字合成信号发生器输出频率为100Hz 、幅度为2V 、相位为0°的正弦信号作为标准信号，输入到示波器的CH1（X ）通道。

2）Y 轴输入待测正弦信号
将未知正弦信号输入到示波器的CH2（Y ）通道。

3）按下示波器的X-Y 键○11，并调节标准信号频率，示波器的触发电平旋钮○17、位移旋钮○14○23○35及衰减器○26○33等，直至形成稳定的李萨如图形。

根据李萨如图形求出未知信号的频率(/)y x y x f n n f =。

【实验注意事项及常见故障的排除】
1. 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，而且也不能让光点长时间停在荧光屏的一点上。

2. 实验过程中，如果短时间不使用示波器，应调节“辉度”旋钮使荧光屏上的光点消失；不要经常通断示波器的电源，以免缩短示波器（主要是示波管）的使用寿命。

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100 3. 利用示波器进行信号测量之前，必须按照示波器的使用说明书先对示波器进行信号校准，然后进行测量，方为准确。

【实验数据处理及分析】
1. 观察波形并测量电压和频率
1） 在坐标纸上将所观察到的正弦信号用曲线板按1:2的比例绘出。

2） 电压和频率测量数据记录，参见表4-11-2。

3） 比较P P V -与'P P V -、f 与'f 。

若把P P V -和f 作为约定真值，分析用示波器测量的误
差来源。

2. 绘出所观察的各种频率比和不同相位差的李萨如图形
1） 设置SG1691双路数字合成信号发生器CH1和CH2通道的输出正弦信号频率比值为:y x f f =1:2，2:1，2:3；相位差为θ∆=0，4
π
，
2
π
，
34
π，π时，依次在坐标纸上
绘出各种李萨如图形。

（请参考图4-11-8）
2） 当输入到示波器CH1和CH2通道的正弦信号频率比值为非简单整数比值（如：
:100:102y x f f =）时，观察李萨如图形并进行分析。

3. 利用李萨如图形测未知正弦信号的频率（数据表自拟） 【思考题】
1. 如果被观测的图形不稳定，出现向左移或向右移的原因是什么？该如何使之稳定？
2. 观察李萨如图形时，能否用示波器的“同步”把图形稳定下来？李萨如图形为什么一般都在动？主要原因是什么？
3. 若被测信号幅度太大（在不引起仪器损坏的前提下），则在示波器上看到什么现象？要完整地显示图形，应如何调节？
4. 示波器能否用来测量直流电压？如果能测，应如何进行？
实验4—11 示波器的原理及使用101 【参考文献】
[1]王玉兰，洪光，邵静波等. 对电子示波器的使用实验的改进[J]. 延边大学学报（自
然科学版），2004，30(1)：73—75
[2]黎明. 示波器原理读解[J]. 物理实验，2004，24(9)：63—64
[3]山燕妮，王军. 示波器原理及应用指南[J]. 电讯工程，2001，1：36—44
【附录】
Ⅰ. YB4320A双踪四迹示波器面板分布图及功能
图4-11-9为YB4320A双踪四迹示波器面板分布图，其各部分功能如下：
A
图4-11-9 YB4320A双踪四迹示波器面板分布图
1）主机电源
○1电源开关（POWER）：将电源开关按键弹出即为“关”位置，将电源接入，按电源开关，以接通电源。

○2电源指示灯：电源接通时指示灯亮。

○3亮度旋钮（INTENSITY）：顺时针方向旋转旋钮，亮度增强。

接通电源之前将该旋钮逆时针方向旋转到底。

○4聚焦旋钮（FOCUS）：用亮度控制钮将亮度调节至合适的标准，然后调节聚焦控制钮直至轨迹达到最清晰的程度，虽然调节亮度时聚焦可自动调节，但聚焦有时也会轻微变化。

如果出现这种情况，需重新调节聚焦。

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○5光迹旋转旋钮（TRACE ROTA TION）：由于磁场的作用，当光迹在水平方向轻微倾斜时，该旋钮用于调节光迹与水平刻度线平行。

○6刻度照明控制钮（SCALE ILLUM）：该旋钮用于调节屏幕刻度的亮度。

如果该旋钮顺时针方向旋转，亮度将增加。

该功能用于黑暗环境或拍照时的操作。

2）垂直方向部分
○30通道1输入端[CH1 INPUT（X）]：该输入端用于垂直方向的输入。

在X-Y方式时输入端的信号成为X轴信号。

○24通道2输入端[CH2 INPUT（Y）]：和通道1一样，但在X-Y方式时输入端的信号仍为Y轴信号。

○22、○29交流—接地—直流耦合选择开关（AC-GND-DC）：选择垂直放大器的耦合方式。

交流（AC）：垂直输入端由电容器来耦合。

接地（GND）：放大器的输入端接地。

直流（DC）：垂直放大器的输入端与信号直接耦合。

○26、○33衰减器开关（VOLT/DIV）：用于选择垂直偏转灵敏度的调节。

如果使用的是10:1的探头，计算时将幅度×10。

○25、○32垂直微调旋钮（V ARIBLE）：垂直微调用于连续改变电压偏转灵敏度，此旋钮在正常情况下应位于顺时针方向旋转到底的位置。

将旋钮逆时针方向旋转到底，垂直方向的灵敏度下降到2.5倍以下。

○20、○36CH1×5扩展、CH2×5扩展（CH1×5MAG、CH2×5MAG）：按下×5扩展按键，垂直方向的信号扩大5倍，最高灵敏度变为1mV/div。

○23、○35垂直移位（POSITION）：调节光迹在屏幕中的垂直位置。

垂直方式工作按钮,选择垂直方向的工作方式。

○34通道1选择（CH1）：屏幕上仅显示CH1的信号。

○28通道2选择（CH2）：屏幕上仅显示CH2的信号。

○34、○28双踪选择（DUAL）：同时按下CH1和CH2按钮，屏幕上会出现双踪并自动以断续或交替方式同时显示CH1和CH2上的信号。

○31叠加（ADD）：显示CH1和CH2输入电压的代数和。

○21CH2极性开关（INVERT）：按此开关时CH2显示反相电压值。

3）水平方向部分
○15扫描时间因数选择开关（TIME/DIV）：共20挡在0.1μs/div∽0.2s/div范围选择扫描速率。

○11X-Y控制键：如X-Y工作方式时，垂直偏转信号接入CH2输入端，水平偏转信号接入CH1输入端。

实验4—11 示波器的原理及使用103
○23通道2垂直移位键（POSITION）：控制通道2在屏幕中的垂直位置，当工作在X-Y 方式时，该键用于Y方向的移位。

○12扫描微调控制键（V ARIBLE）：此旋钮以顺时针方向旋转到底时处于校准位置，扫描由Time/div开关指示。

该旋钮逆时针方向旋转到底，扫描减慢2.5倍以上。

正常工作时，该旋钮位于校准位置。

○14水平移位（POSITION）：用于调节轨迹在水平方向移动。

顺时针方向旋转该旋钮向右移动光迹，逆时针方向旋转向左移动光迹。

○9扩展控制键（MAG×5）、（MAG×10，仅YB4360）：按下去时，扫描因数×5扩展或×10扩展。

扫描时间是Time/div开关指示数值的1/5或1/10。

例如：×5扩展时，100μs/div为20μs/div。

部分波形的扩展：将波形的尖端移到水平尺寸的中心，按下×5或×10扩展按钮，波形将扩展5倍或10倍。

○8ALT扩展按钮（ALT-MAG）：按下此键，扫描因数×1、×5或×10同时显示。

此时要把放大部分移到屏幕中心，按下ALT-MAG键。

扩展以后的光迹可由光迹分离控制键○13移位距×1光迹1.5div或更远的地方。

同时使用垂直双踪方式和水平ALT-MAG可在屏幕上同时显示四条光迹。

4）触发（TRIG）
○18触发源选择开关（SOURCE）：选择触发信号源。

内触发（INT）：CH1或CH2上的输入信号是触发信号。

通道2触发（CH2）：CH2上的输入信号是触发信号。

电源触发（LINE）：电源频率成为触发信号。

外触发（EXT）：触发输入上的触发信号是外部信号，用于特殊信号的触发。

○43交替触发（ALT TRIG）：在双踪示波器交替显示时，触发信号交替来自于两个Y通道，此方式可用于同时观察两路不相关信号。

○19外触发输入插座（EXT INPUT）：用于外部触发信号的输入。

○17触发电平旋钮（TRIG LEVEL）：用于调节被测信号在某地电平触发同步。

○10触发极性按钮（SLOPE）：触发极性选择。

用于选择信号的上升沿或下降沿触发。

○16触发方式选择（TRIG MODE）：
自动（AUTO）：在自动扫描方式时扫描电路自动进行扫描。

在没有信号输入或输入信号没有被触发同时，屏幕上仍然可以显示扫描基线。

常态（NORM）：有触发信号才能扫描，否则屏幕上无扫描显示。

当输入信号的频率低于20Hz时，请用常态触发方式。

TV-H：用于观察电视信号中行信号波形。

TV-V：用于观察电视信号中场信号波形。

（注意：仅在触发信号为负同步信号时，TV-V和TV-H同步。

）
大学物理实验
104 ○7校准信号（CAL ）：电压幅度为0.5V P-P ，频率为1kHz 的方波信号。

○27接地柱（ ）：接地端。

Ⅱ. SG1691双路数字合成信号发生器
图4-11-10为SG1691信号发生器面板图，其各部分功能如下：
1）电源开关：按进开（ON ），按出关(OFF)。

2）工作状态下，用增加键和减少键（上下键），可以选择输出通道（CH1和CH2）；用左移键和右移键（左右键），可以查看7个参数中的任意一个的设置值。

3）按设置键，可以使LCD 当前显示的参数闪烁，这说明已进入对该参数的设置状态：用左移键和右移键，可以改变数据闪烁的位置，用增加键和减少键，可以改变当前闪烁位数据的值（每按一次改变±1）。

4）设置完当前参数后，按触发键，可进入触发状态（正常工作状态）。

接下来，利用增加、减少、左移、右移键键，对CH1或CH2通道的波形及其他参数进行设置，如（3）步骤。

5）电压输出端输出用户所设置的波形；同步输出端输出基波，其默认频率100Hz ，默认幅度0.5V 。

图4-11-10 SG 1691双路数字合成信号发生器
左移 减少 增加
右移。