示波器的原理及使用

示波器的原理和应用

【教学目的】

1. 了解示波器的主要组成部分，扫描和整步的作用原理，加深对振动合成的理解。

2. 熟练使用示波器观察信号特征（正弦波、三角波、方波），利用李萨如图形测量信号频

率。

【教学重点】

了解示波器的基本结构、工作原理及使用方法。

【教学难点】

1.熟练掌握示波器各主要旋钮的作用和用法。

2.能使用示波器观察信号特征（正弦波、三角波、方波），且会利用李萨如图形测量信

号频率。

【课程讲授】

提问：1. 示波器的工作原理以及主要组成部分是什么？其主要用途有哪些？

2. 如何使用示波器观察各种信号特征以及测量信号频率？

一、实验原理

示波器动态显示随时间变化的电压信号思路是将电压加在电极板上，极板间形成相应的变化电场，使进入这变化电场的电子运动情况相应地随时间变化，最后把电子运动的轨迹用荧光屏显示出来。示波器主要由示波管（见图1））和复杂的电子线路构成。示波器的基本结构见图2。

图1 示波管示意图

1.偏转电场控制电子束在视屏上的轨迹

偏转电压U 与偏转位移Y （或X ）成正比关系。如图3所示：y U Y 。

图3偏转电压U 与偏转位移Y

如果只在竖直偏转板（Y 轴）上加一正弦电压，则电子只在竖直方向随电压变化而往复运动，见图4。要能够显示波形，必须在水平偏转板（X 轴）上加一扫描电压，见图5。

图4 信号随时间变化的规律 （加在Y 偏转板） 图5 锯齿波电压（加在X 偏转板） 示波器显示波形实质：见图6，沿Y 轴方向的简谐运动与沿X 轴方向的匀速运动合成的一种合运动。显示稳定波形的条件：扫描电压周期应为被测信号周期的整数倍，即T x =nT y （ n=1，2，3…）（见图7）

2.同步扫描（其目的是保证扫描周期是信号周期的整数倍）

若没有“扫描”（横向的扫描电压），被测信号随时间规律变化规律就显示不出来；如果没有“整步”，就得不到稳定的波形图像。

图2 示波器的基本结构简图

为了达到“整步”目的，示波器采用三种方式：“内整步”：将待测信号一部分加到扫描 发生器，当待测信号频率f y 有微小变化，它将迫使扫描频率f x 追踪其变化，保证波形的完整稳定；“外整步”：从外部电路中取出信号加到扫描发生器，迫使扫描频率fx 变化，保证波形的完整稳定；“电源整步”：整步信号从电源变压器获得。一般在观察信号时，都采用“内整步”（或称为“内触发”）。

注：若为同步显示的波形出现走动状态，此时应调节：扫描步长，整步方式（一定打在“内”），“电平”位置。 3.利萨如图形

利萨如图形形成实质：沿Y 轴方向的简谐运动与沿X 轴方向的简谐振动合成的一种合运动。

)t f 2sin(20y )t f 2sin(20x 2y 1x φ+⋅⋅π=φ+⋅⋅π=

利用利萨如图形测定未知信号的频率 公式：y x x y f f n n ::=

式中的x n 、y n 分别为利萨如图形于X 、Y 轴的切点数。 4.测正弦波的峰－峰值V p-p 、周期T

用示波器观察正弦波波形，若该信号输入通道的标度因子为V 0，单位为伏/厘米（V/cm ）,被测正弦波的正、负峰之间的距离在荧光屏上所占的高度为H 厘米，则

H V V p p ∙=-0

若正弦波此时的时间扫描轴的单位是t/cm ，一个周期的正弦波形在荧光屏上横轴所占长度为Lcm ，则

L t T ∙=

图6 示波器显示波形原理图（Tx=Ty ） 图7 Tx=2Ty 时合成的图形

二、实验仪器

双踪示波器、函数信号发生器

三、实验步骤

1.将信号源的100Hz 的正弦波输出与示波器的CH1通道相连，将示波器的输入信号耦合置“AC ”，按下“CH1”键，适当调整CH1通道的灵敏度和扫描频率，如果波形不稳定，适当调节电平，直到出现稳定的正弦波形，并记录该波形。

2.按上面的方法分别观察记录频率为1KHz 的方波和三角波。

3.将“CH1”和“CH2”同时按下，并选择“X-Y ”方式，将信号源选择正弦波输出，接CH1通道，改变其频率，观察教材上给出的6个李萨如图形，记录下来，计算各个图形下信号源正弦波的频率，已知CH2通道正弦信号频率为50Hz.

四、数据记录和数据处理

1）观察记录波形：正弦波、三角波、方波。画在实验手册上；

2）用函数信号发生器产生一正弦波用示波器观察并记录，计算信号的峰－峰值V P-P 、频率f 、 周期T ；

3）观察教材给出的6个李萨如图形，记录在实验手册上，根据x y y x n n f f :: 分别计算每一个信号的频率y f

五、思考题

1） 示波器的主要组成部分是什么？示波管的主要组成部分是什么？ 2） 示波器的主要用途有哪些？

3） 为什么示波器的扫描信号必须是锯齿波？

提示：以正弦波信号的观察为例来讨论，设正弦波t A y ωsin =（1），扫描信号为)(t x x =（2），示波器上显示的图形为电子的运动轨迹，应该为一正弦波，振幅为A ，其数学表达式为x A y sin =（3），比较（1）式和（3）式得：t k x ωπ+=2，显然，扫描信号在一个周期内的变化是线性的，信号呈锯齿状。

4） 若示波器一切正常，但开机后看不见光迹和光点，可能的原因有那些？

提示：可能的原因有：辉度不够；上下调节不到位；左右调节不到位。

5） 若想观察一待测电信号，你能够描述应该如何调节双踪示波器吗？若想观察李萨如图形

又该如何调节？

提示：待测电信号接“Y 输入”，“扫描旋钮”选择扫描方式，按下“CH1”按钮，“触发”选择内触发；

观察李萨如图形时，两个正弦信号分别接“X 输入”和“Y 输入”，“扫描旋钮”选择“x-y ”方式。

6） 若发现示波器上的图形向右运动，扫描信号的频率与待测电信号的频率有什么关系？

提示：扫描信号的频率大于待测电信号的频率。 7） 1V 峰峰值的正弦波，它的有效值是多少？

提示：有效值2

2P P V U -=

。

8） 假定在示波器的输入端输入一个正弦电压，所用水平扫描频率为120Hz ，在屏上出现了

三个完整的正弦波周期，那么输入电压的频率为多少？

提示：屏上出现完整的正弦波的个数与水平扫描信号频率和输入电压的频率的比值相关。

波形个数：输入信号

扫描＝

f f n 。

9） 如何使用示波器测量两个频率相同的正弦信号的相位差？

提示：两正弦信号分别接入“X 输入”和“Y 输入”，按下“CH1”和“CH1”按钮，然后选择“断续”，“扫描频率旋钮”选择扫描方式。记录两个波形在水平轴上的交点间的间隔时间t ，若正弦信号的频率为f ，则它们的相位差为ft πφ2=∆。