示波器教案

示波器教案
示波器是一种显示电压波形的仪器，主要用来观察电压的动态变化过程及电信号的波形，
而且可以半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，示波器就能用来显示并研究这些量的变化规律, 是一种非常有用的测量工具。

示波器基本上由示波管和电子线路组成，如图（7.1）所示。

1．示波管
示波管是示波器中显示波形的部件，其结构如图（7.2）所示，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（10-6mm汞柱以下），以避免电子与气体碰撞而引起电子束散射。

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会发射电子。

栅极是一个前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。

当在X轴和Y轴偏转板上不加电压时，电子枪发射出来的电子就打在荧光屏的中央。

如果在X轴和Y轴偏转板上分别加上电压，那么在两对偏转板间就会形成电场，电子束在通过两对偏转板间的电场时，在X轴和Y轴方向就会产生偏转，偏转的距离与所加的电压成正比。

荧光屏由荧光材料涂在示波管前端内表面制成，受到电子束轰击时会发出光。

2．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。

3．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。

图（7.3）说明正弦波形轨迹是如何在荧光屏上逐点形成的。

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，如图（7.4）所示。

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。

若要使图（7.3）中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（7.3）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。

4．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f x 为加在x 轴上电压的频率，f y 为加在y 轴上电压的频率，N x 为任意水平直线与图形相交的最多的交点数，N y 为任意垂直直线与图形相交的最多的交点数。

5．面板控制旋钮
不同型号示波器面板上各旋钮的布局位置有所不同，但是操作的基本方法是相同的。

本实验使用的SR071B 双踪示波器可同时显示两路不同的信号，有的旋钮的作用可以顾名思义，有的却要通过使用示波器才能了解，主要旋钮如下（见图7.5）： （1） 电源开关 当开关置开位置时，指示灯应亮。

（2） 聚焦 控制波形的清晰度。

（3） 亮度 控制波形的明亮度。

（4） 标尺亮度钮 控制示波管前面标尺的明或暗。

（5） 扫描时间因数选择开关 控制扫描时间, 即改变锯齿波电压的扫描周期。

（6） 扫描时间因数微调及扩展钮 对扫描周期微调, 拉出时所显示的波形宽度扩展5倍。

（7） 触发信号耦合开关 置“内”或“电视”位置，触发信号来自内触发放大器，置“外” 则来自外触发输入连接器。

（8） 触发极性“+”或“-”选择开关。

（9） 触发电路工作方式选择开关 自动、AC(交流)、DC(直流）。

（10） 电平调整钮 设置扫描触发信号的电压大小。

（11） 水平位移钮 控制波形的水平位置。

（12、13、14、15） 光迹偏移指示灯。

（16） Y1通道偏转因数选择开关 可改变波形幅度大小。

（17） Y1通道输入信号耦合开关。

（18） Y1通道输入信号插座。

（19） Y1位移（X-Y 控制钮），拉出时仪器工作于X-Y 状态，Y1通道变成X 通道。

（20）Y 工作方式选择开关，可选5种工作方式：1）只显示Y1；2）只显示Y2；3）交替显示Y1和Y2（在每次扫描结束后交替）；4）断续，以一定频率轮流显示Y1和Y2；5）叠加，把Y1和Y2信号相加后显示出来。

（21） Y2通道偏转因数选择开关 可改变波形幅度大小。

（22） Y2通道输入信号耦合开关。

（23） Y2通道输入信号插座。

y
x x
y N N f f
（24） Y2位移（Y2相位控制钮），拉出时，Y2信号反相。

实验指导
1.示波器基本操作练习
（1）熟悉面板上各旋钮和信号插座的作用。

（2）观察和记录市电50Hz的正弦波形。

把变压器输出交流6V输入到Y2端，分别在示波管屏上调出1，2，3个周期的波形。

（3）观察和记录信号源波形。

把信号发生器的输出频率置于1.00KHz，电压输出端与示波器的“Y2输入”相连接，分别输出正弦波、方波和三角波, 在示波管屏上分别调出正弦波、方波和三角波, 各显示2个周期,并记录下这些波形。

（4）观察和记录全波整流和半波整流的波形，各3个周期。

先用导线把变压器输出交流6V接入整流电路板交流电压输入端，然后把示波器信号输入端Y2用输入信号线分别接到半波整流输出端和全波整流输出端。

2.用李萨如图形测频率
（1）信号发生器的电压输出端与示波器的“Y1输入”相连接，变压器输出的电压与示波器的“Y2输入”相连。

（2）调节信号发生器的频率和示波器的有关旋钮，使屏上分别显示出下表中四种稳定的李
’。

萨如图形，记录信号发生器的频率读数f
X
3．数据记录和处理
（1）根据实验内容1，记下在示波器上所观察到的8个电压波形（注意坐标和波形名称）。

’，然后与理论值比较（2）根据实验内容2，画下李萨如图形，记下信号发生器的频率读数f
X
计算出相对误差E。