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实验4—11 示波器的原理及使用95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 沙斗实验大学物理实验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 紊乱的波形实验4—11 示波器的原理及使用97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xn 与竖边上的切点数yn 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:3/2:1/2x 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大学物理实验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99“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0，4π，2π，34π，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。

大学物理实验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∆=0，4π，2π，34π，π时，依次在坐标纸上绘出各种李萨如图形。