示波器的原理与使用

实验七示波器的使用【目的与任务】1、了解低频信号发生器、交流毫伏表和示波器的结构和工作原理；2、学会用示波器，观测电信号的波形并测量其电压、频率和周期；3、学习用共振干涉法（即驻波法）测定声速。

【仪器与设备】双踪示波器，声速测量仪，低频信号发生器（其上带有数字频率计），交流毫伏表，温度计等。

1、示波器GOS—620型双踪示波器：频带宽度为0～20 MHz。

有两垂直输入通道"CHl”和"CH2'’，可同时显示两个不同的电压信号波形以便进行分析比较，也可以把两个信号相加或相减后显示出来，还可以任选一个通道单独工作。

可以从荧光屏上直接测出信号电压的幅度、频率(周期)。

具有“X—Y工作方式”，将"CHI"作为水平通道、“CH2"作为垂直通道，可以观察由两通道输入的水平和垂直信号的合成图样，测出信号的频率和位相差。

面板及各控制器件的作用简介见附录一。

2、低频信号发生器MDl643/4函数信号发生器是一种小型便携式通用函数信号发生器，内部采用大规模精密函数信号发生集成电路，单片机控制，具有正弦波、三角波、方波、锯齿波、脉冲波等多种波形输出、频率范围0.2Hz～2MHz（7档调节）以及外部测频功能。

它的结构和使用方法见附录二3、交流毫伏表现以GB—9B型电子管毫伏表说明交流毫伏表的使用方法。

它可以测定正弦波电压的有效值，还可用来对无线电接收机、放大器和其它设备的电路进行测量。

仪器带有分贝标尺，可用来作电平指示。

使用时，将两个输入接线柱短路。

在核对仪器电源正确后，接通电源，待2－3分钟，此时电表指针将稍微偏转，看它是否回到零点，若指针不返回零点，则调节面板上的“零点校准”旋钮，调到零位，随后将面板上量程转换开关扳至所需的测量范围。

再过十分钟后重调零点一次，即可进行测量。

为降低测量误差和干扰，连接导线时应可靠地使毫伏表的地线接线柱与被测电路的零电位点相连。

4、声速测量仪声速测量仪如图6所示，其上装有两个压电换能器S1、S2和螺旋测微器，转动手轮可以改变S1和S2的位置，它们之间的距离可由标尺读出。

【原理与方法】示波器是一种用途广泛的电子测量仪器，用它能直接观察电压信号的波形，测定电压信号的幅度、频率等参数。

一切能转化为电压信号的电学量(如电流、电功率、阻抗等)、非电学量(如温度、位移、速度、压力、光强、磁场、频率等)以及它们随时间的变化过程，都可用示波器进行观察和研究。

由于电子射线的惯性小，又能在荧光屏上显示可见的图像，所以示波器特别适合于观察与测量瞬时变化过程。

示波器的种类型号很多，一般分为单踪示波器和双踪示波器，功能也各不相同，但都是由电子示波管、衰减电路、放大电路、扫描与整步电路、触发器选择逻辑电路、电源等部分组成的，基本工作原理是相同的。

本实验以GOS-620型双踪示波器为例，对示波器的结构和工作原理作简单介绍。

GOS-620型双踪示波器的基本原理方框图如图1所示。

示波器的主要组成部分及工作原理简介如下。

图1 GOS-620型双踪示波器原理方框图1、示波管示波管是示波器的核心部分，是一个高真空的用静电控制的大型电子管，利用了电子束的聚焦和偏转原理，一般称阴极射线示波管，又称电子束管。

它由电子枪、偏转板和荧光屏三部分组成，基本结构如图2所示。

(1) 电子枪由灯丝H、阴极C、控制栅极G、第一加速阳极A1、聚焦电极F A、第二加速阳极A2等同轴金属圆筒(筒内膜片中心有小孔)组成。

当加热电流通过灯丝使灯丝加热时，套在灯丝上的阴极C被加热，涂层内的自由电子获得较高动能从表面逸出。

因栅极G相对于阴极的负电位，逸出的电子在电场的作用下会聚于G的小孔附近，然后又散射开来。

因为第一阳极A1和第二阳极A2相对于C具有很高的电压(1500V左右)，C—G—A1—A2之间的强电场使朝不同方向运动的电子被沿轴向加速，穿过G的小孔(直径约1 mm)后以极高速度(107m·s-1数量级)穿过静电聚焦区A1一FA—A2，形成一电子束射向荧光屏中央，呈现一光点或亮斑。

因栅极G相对于阴极C的负电位对电子有排斥作用，而且当G相对C的电位达负几伏时就足以把电子斥回而使电子束截止。

因此，改变G的电位就可控制阴极发出的电子到达荧光屏上的数目(电子枪射出的电子数)，从而改变荧光屏上光点的亮暗，即“辉度”调节。

在静电聚焦区，加速电场和聚焦电场主要存在于各图2 示波器结构示意图电极之间的区域，因1A 、A F 、2A 内部几乎完全被等位面包围，实际上完全没有电场。

电子在这一区域速度继续增加，而且散离轴线运动的电子受电场作用向轴线靠拢，聚焦于荧光屏中央一点。

改变A F 、2A 的电位就可使电子束聚焦于荧光屏中央(光点变细)，即“聚焦”调节和“辅助聚焦”调节。

(2) 示波管的偏转系统有电偏转与磁偏转两种。

现代示波器一般两种都有，示波管内封装静电偏转板，管外套磁偏转磁环和线圈。

图2所示的示波管内是静电偏转系统，它由两对相互垂直放置的金属电极板X 1X 2(水平偏转板)和Y 1Y 2(垂直偏转板)组成。

如在偏转板上加电压，电子束在偏转板之间通过时，将受静电力的作用而发生偏转，从而改变或控制荧光屏上光点的位置和描绘出信号变化曲线。

(3) 示波管的所有电极(包括偏转板)均封装在高真空的玻璃壳内。

玻璃壳一端为荧光屏，内壁涂有化学荧光物质，受电子轰击时会发光。

另一端是管脚，壳内封装的电极都有线与管脚相连，以便和外电路相连接。

2、放大和衰减电路由于示波管偏转板的灵敏度不高，当加在偏转板上的信号电压较小时，电子束不能发生足够偏转，荧光屏上光点位移过小而不便于观察，这就需要用放大电路将小的信号放大后再嫁到偏转板上。

衰减电路的作用则是将过大的输入信号电压减小，以适应放大电路的要求，否则放大电路不能正常工作甚至受损。

3、扫描与同步电路从示波管的结构原理可知，如果偏转板上不加电压，从阴极发出的电子将聚焦于荧光屏中央一点，呈现一个亮点。

如果偏转板上加有电压，电子束的方向将会由于偏转板电场的作用而产生偏转，从而使荧光屏上的亮点位置也跟着变化。

在一定范围内，亮点的位移与偏转板上所加的电压成正比。

(1) 扫描：在水平偏转板上加一个随时间变化的电压)(x x nT t k u -=， n =0，1，2，… (1) 在x u 随时间呈线性上升阶段，光点匀速从A 点向B 点移动；而在一个周期结束时，x u 突然降图3 波形的合成到零，光点返回A 点，如图3(a)所示。

这样，随x u 周期性的变化，在荧光屏上就得到了一条经过中心的水平亮线，称“扫描线”。

x u 称扫描电压，因其随时间变化的关系类似锯齿，故又称锯齿波电压。

要观察一周期性电压信号的波形，必须使信号电压在一个或几个周期内随时间的变化稳定地出现在荧光屏上。

若在水平偏转板上不加电压，而仅在垂直偏转板上加正弦波电压)2sin(sin t T u t u u ym m y πω== (2) 则电子束在垂直偏转板电场的作用下作垂直方向的正弦振动，振动频率较快时在荧光屏中央显示一垂直的亮线。

若在水平偏转板上加扫描电压，则电子束在信号电压y u 形成的电场作用下产生垂直方向偏转的同时，还在扫描电压x u 形成的电场作用下产生水平方向偏转。

设扫描电压x u 的周期x T 与正弦波电压y u 的周期y T 相同，在一个扫描电压周期内，由于扫描电压与时间呈线性关系，因此光点在沿垂直方向按正弦规律上下移动时，也随扫描电压的变化在水平方向展开，到扫描周期结束时正好完整显示了一个周期的信号电压y u 的波形；然后电子束立即返回原点，开始下一个周期的运动。

因光点所画的轨迹和第一周期完全重合，所以在屏上显示出一个稳定、完整的信号波形，如图3(b)所示。

光点的轨迹为)2sin(sin x kT y t y y ym m πω== (3) 此方程与式(2)信号电压的方程非常相似，因而示波管所示的波形就是待观测电压y u 随时间变化的波形。

如果扫描电压的周期x T 是正弦波电压周期y T 的整数倍，即y x y xf T T f ==n ， (n =1，2，3，…) (4)屏上将显示n 个完整波形，图3(c)所示为x T =2y T 时荧光屏上波形合成的过程。

(2) 同步：如果x T 不是y T 的整数倍，屏上的波形就会左右移动，甚至出现更复杂的图形。

为了得到稳定的波形，需要始终保持x T 与y T 的整数倍关系。

调节扫描电压周期使之与观测信号电压的周期成整数倍的过程，称为 “同步”（或“整步”）。

事实上，由于x u 、y u 来自不同振荡源，它们的周期的比值不会自然满足简单的整数倍关系。

依靠人工细心调节，可以大体满足，但要准确地满足却并不容易，信号电压的频率越高越不容易。

为此，在示波器内部设计了同步电路，在基本满足式(4)的基础上，引入另一个幅度可以调节的电压以控制扫描信号的周期，使之完全满足要求。

引入的电压叫同步电压，可以取自被测信号(内同步)、电源电压(电源同步)或从外部输入的信号(外同步)，一般情况下常用内同步。

同步电压不可过大，否则尽管获得了稳定的图形，却不能获得被观测电压的完整波形。

4、示波器测量电压、周期、频率（1）观察波形在使用前，应将示波器各旋钮放在中间位置，以便左右可调。

接通电源，预热一分钟。

将信号发生器输出的待测信号接到“Y 输入”，“X 轴衰减”接“扫描”，“同步选择”接“内+”或“内一”(即内部同步)。

这样，在荧光屏上就能显示出无规则的不稳定的波形。

调节“Y 轴增幅”、“Y 轴衰减”、“Y 轴移位”，以及“X 轴移位”、“扫描范围”，使波形大小和位置适中，有2～3个完整的波形。

这时，波形有可能移动，调节“同步调节”和“扫描微调”可使波形稳定下来。

以上为单踪示波器的使用方法。

对于双踪示波器，可以同时观察两路信号，当观察一路信号时，任选一路输入。

调整方法与单踪示波器大体相同。

（2）测量电压用示波器能较准确地测量出直流电压、交流电压、非正弦波电压。

用示波器测量电压大多采用比较测量法。

先对示波器垂直方向进行电压分度，即Y 轴上每格代表多少伏，然后将信号电压输入，进行比较，如图4所示，两者乘积即为该电压值。

通常示波器都有方波校正信号输出，SBE 一20型示波器是用已知电压幅度的方波将示波器的垂直方向分度。

XJ4245型示波器虽然不用方波进行电压分度，但输出一个幅度为50mV 和频率为lkHz 的方波信号，用来校正屏上的高度和宽度。

所以在正式测量电压之前，可先观察方波信号，使得显示的方波信号清晰、稳定、幅度适中，可反复调节，边调节边观察。

再输入待测信号，重新仔细调节示波器各旋钮，直到比较熟练地用示波器观察到待测信号。

测量待测信号的电压幅度，要先知道垂直方向的电压分度值S V (V ／div)。