示波器的工作原理与使用

实验4-6 示波器的工作原理与使用

示波器用处广泛，它的最大特点是能把看不见的电信号变换成能直接观察的电压波形，并能测定电压信号的幅度、周期和频率等参数。双踪示波器还可测量两个信号之间的位相差，是工程技术中常用的电子仪器。

【实验目的】

1．了解示波器的主要结构和基本工作原理。

2．学会使用示波器和信号发生器。

3．学会用示波器观察信号波形。

4．学会用示波器观察李萨如图形并测量市电的频率。

【实验器材】

示波器、函数信号发生器、小变压器等。

【实验原理】

示波器的规格和型号很多，但不管哪种示波器都由图4-6-1所示的几个基本组成部分：示波管、竖直放大器（Y轴放大器）、水平放大器（X轴放大器）、扫描发生器、触发同步和直流电源等部分。

图4-6-1 示波器结构框图

一、示波管

示波管是呈喇叭形的玻璃泡，抽成高真空，内部装有电子枪和两对相互垂直的偏转板，喇叭口的球面壁上涂有荧光物质，构成荧光屏。如图4-6-2所示。

1．电子枪：由灯丝、阴极、控制栅极、第一阳极和第二阳极五部分组成，阴极是一个表面涂有氧化层的金属圆筒，灯丝通电加热后发射电子。控制栅极是一个顶端有小孔的圆筒，套在阴极外面，它的电位比阴极稍低，对阴极发射出来的电子起控制作用，只有初速度较大的电子才能穿过栅极顶端的小孔，然后在阳极加速下奔向荧光屏。示波器面板上的“亮度”调整旋钮，就是通过调节栅极电位以控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变屏上光斑的亮度。阳极电位比阴极电位高很多，电子被它们之间的电场加速形成射线。当控制栅极、第一阳极与第二阳极之间电位调节合适时，电子枪内的电场对电子射线有聚焦作用，所以第一阳极也称聚焦阳极，第二阳极电位更高，又称加速阳极。面板上的“聚焦”调节旋钮，就是调节第一阳极电位，使荧光屏上的光斑成为明亮、清晰的小圆点。有的示波器还有“辅助聚焦”，实际是调节第二阳极电位。

2．偏转系统：它由两对互相垂直的偏转板组成，一对竖直偏转板，称为Y 偏转板；一对水平偏转板，称为X 偏转板。在偏转板上加上适当电压，当电子束通过时运动方向将发生偏转，从而使电子束在荧光屏上产生的光斑位置也发生改变。

3．荧光屏：屏上涂有荧光粉，电子打上去它就发光，形成光斑。荧光屏前有一块透明的、带刻度的坐标板，供测量光点位置用，在性能较好的示波管中，通常将刻度线直接刻在屏玻璃内表面上，使其与荧光粉紧贴在一起，以消除视差，使光点位置的测量更准确。

二、示波器显示波形的原理

1．扫描作用:

如果只在竖直偏转板上加一交变的正弦电压，则电子束的亮点将随电压的变化在竖直方向来回运动，如果电压频率较高，则看到的将是一条竖直亮线。要显示出波形，必须同时在水平偏转板上加一个扫描电压，使电子束的亮点同时沿着水平方向拉开。这种扫描电压的特点是电压随时间成线性关系增加到最大值，然后突然回到最小，此后再重复地变化。扫描电压随时间变化的关系曲线形同“锯齿”，故称“锯齿波电压”。

在竖直偏转板上加正弦电压，同时在水平偏转板上加锯齿波电压，电子同时受竖直、水平两个方向的力的作用，则电子的运动为两相互垂直的运动的合成。当锯齿波电压与正弦电压变化周期相等时，在荧光屏上将能显示出一个完整的正弦电压的波形图（随着时间的推移,X 和Y 信号同步周期性地出现），如图4-6-3所示。

2．同步作用

要在示波器荧屏上获得稳定的波形，被测信号的频率Y f 必须为扫描电压（锯齿波）频率X f 的整数（N ）倍，即有

图4-6-3 示波器显示正弦波形原理图

X Y Nf f = （4-6-1）

如果被测信号与锯齿波两者频率不满足上述整倍数的关系，每次扫描显示的图形就不能重合，结果荧光屏上呈现向左或向右移动的波形，这样就难以对信号进行观察和测量。

电源电压不稳定或其他原因，都会引起被测信号和扫描信号频率的变化，所以必须设法使两者频率自动保持整数比，为此，可利用被测信号电压或与此有关的电压，去强迫控制锯齿波的频率，使之与被测信号频率保持整数比，这就是同步（或称为整步），用来控制锯齿波频率的信号则称为同步信号。

三、 李萨如图形

如果X 、Y 偏转板上加的电信号都是正弦波，当X f 和Y f 之比为整数比时，电子束受到它们的合作用，光点将会描绘出特定的图形——李萨如图形,如图4-6-4所示。

图4-6-5给出了几种不同频率的李萨如图形。可以证明X 、Y 方向上正弦波的频率与李萨如图形在X 、Y 方向的切点数X n 、Y n 有如下关系

X Y

Y X

f n f n =

（4-6-2） 根据已知频率可以利用李萨如图形求出未知频率。 【实验内容】

1. 用示波器观测波形。

(1) 对照仪器熟悉示波器、信号发生器各旋钮和按键的功能。

(2) 调节信号发生器输出一个电信号，输出频率最好≥500 Hz ，观察信号发生器输出的正弦波、方波、三角波波形。

2. 将微调旋钮(27)逆时针旋足即置于校准位置，根据扫描速度旋钮（26）的指示值测上述三角波的频率测f ，并与信号发生器读出的实际频率f 实相比较求相对误差。

3. 测量小变压输出信号的峰-峰值。

4. 用李萨如图形测市电频率。

(1) 将信号发生器接入示波器的CH 1(X)，将待测信号(由小变压器提供)接入CH 2(Y)。 (2) 调节示波器，使之处于“X-Y ”工作方式。

(3) 选择信号发生器的合适量程，改变输出频率x f ，使之产生符合下表要求的李萨如图

图4-6-5不同频率的李萨如图形

图4-6-4李萨如图形

形，填入表4-6-1中，由此计算市电频率y f 。

【数据处理】

表4-6-1 用李萨如图形测市电频率

【注意事项】

1．认真阅读有关仪器的介绍，掌握所使用的示波器、信号发生器面板上各旋钮的作用后再进行操作。

2．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个位置上。在实验过程中，如果短时间不使用示波器，可将“辉度”旋钮调到最小，不要经常通断示波器的电源，以免缩短示波管的使用寿命。

3．示波器上所有开关与旋钮都有一定强度与调节角度，使用时应轻轻地旋转，不能用力过猛。

【思考题】

1．如果打开示波器的电源开关后，在屏幕上既看不到扫描又看不到光点，可能有哪些原因？应分别作怎样的调节？

2．如果y 轴信号的频率y f 比x 轴信号的频率x f 大得多，示波器上看到什么情形？相反，若y f 比x f 小很多，又会看到什么情形？

3．在测量市电频率操作中，如果将待测信号接入CH 1(X)，将已知信号接入CH 2(Y)，现象有何不同，这样是否可以测量出市电频率？请解释。

【仪器介绍】

图4-6-6 YB43020/YB43020B 前面板控制件位置图