实验十 ST16B通用电子示波器的使用(讲义)

实验十电子示波器的使用
目的
1、了解通用示波器的结构和工作原理；
2、初步掌握通用示波器各个旋钮的作用和使用方法；
3、学习利用示波器观察电信号的波形、测量电压、频率和相位差的方法；
仪器和器材
ST16B通用示波器、YB1600函数信号发生器
[主要仪器介绍]
1、ST16B示波器我们这里主要介绍该示波器各旋钮的作用，以及使用方法。

它的面板如图11-1所示。

(1)
(2)
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(4)
(5)
(12)
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(6) (14)
(15)
(11)
(8) (13)
(9) (19)
(10) (16) (17) (18)
图11-1 ST16B面板控制件
各旋钮作用如下:
⑴电源开关：接通或或关闭电源。

⑵电源指示灯：电源接通时灯亮。

⑶亮度：调节光迹的高度，顺时针方向旋转光迹增亮。

⑷聚焦：调节光迹的清晰度。

⑸校准信号：输出频率为1KH Z，幅度为0.5V的方波信号，用于校正10:1探极、以及示波器的垂直和水平偏转因素。

⑹Y位移：调节光迹在屏幕上的垂直位置。

⑺微调：连续调节垂直偏转因素，顺时针旋转到底为校准位置。

⑻Y衰减开关：调节垂直偏转因素。

⑼信号输入端子：Y信号输入端。

⑽A C⊥DC（Y耦合方式）：选择输入信号的耦合方式。

AC：输入信号经电容耦合输入；DC：输入信号直接输入；⊥：Y放大器输入端接地。

⑾微调、X增益：当在“自动、常态”方式时，可连续调节扫描时间因数，顺时针旋转到底为校准位置；当在“外接”时，此旋钮可连续调节X增益，顺时针旋转为灵敏度提高。

⑿X移位：调节光迹在屏幕上的水平位置。

⒀TIME/DIV（扫描时间）：调节扫描时间因数。

⒁电平：调节被测信号在某一电平上触发扫描。

⒂锁定：此键按进后，能自动锁定触发电平，无需人工调节，就能稳定显示被测信号。

⒃+、－（触发极性）电视：+：选择信号的上升沿触发；－：选择信号下降沿触发；电视：用于同步电视场信号。

⒄内、外、电源（触发源选择开关）：内：选择内部信号触发；外：选择外部信号触发；电源：选择电源信号触发；
⒅自动、常态、外接（触发方式）：自动：无信号时，屏幕上显示光迹；有信号时与“电平”配合稳定地显示波形；无信号时，屏幕上无光迹；有信号时与“电平”配合稳定地显示波形；外接：X-Y工作方式。

⒆信号输入端子：当触发方式开关处于“外接”时，为X信号输入端；当触发源选择开关处于“外”时，为外触发输入端；
2、YB1600函数信号发生器我们这里主要介绍该函数信号发生器各旋钮的作用，以及使用方法。

它的面板如图10-2所示。

（3）（2）（4）（16）（17）（10）（5））（）
（1）（8）（9）（15）（14）（13）
图11-2 YB1600函数信号发生器面板控件
⑴电源开关：接通或关闭电源。

⑵LED显示窗口：指示输出信号的频率，当“外测”开关按入，显示外测信号的频率。

如超出测量范围，溢出指示灯亮。

⑶频率调节旋钮：调节此旋钮改变输出信号频率，顺时针旋转，频率增大，逆时针旋转，频率减少，微调旋钮可以微调频率。

⑷占空比：占空比开关，占空比调节旋钮，将占空比开关按入，占空比指示灯亮，调节占空比旋钮，可改变波形的占空比。

⑸波形选择开关：按对应波形某一键，可选择需要的波形。

⑹衰减开关：电压输出衰减开关，二档开关组合为20Db、40dB、60db。

⑺频率范围选择开关（并兼频率计闸门开关）：根据所需要的频率，按其中一键。

⑻计数、复位开关：按计数键，LED显示开始计数，按复位键，LED 显示全为0。

⑼计数/频率端口：计数、外测频率输入端口。

⑽外测频开关：此开关按入LED显示窗显示外测信号频率或计数值。

⑾电平调节：按入电平调节开关，电平指示灯亮，此时调节电平调节旋钮，可改变直流偏置电平。

⑿幅度调节旋钮：顺时针调节此旋钮，增大电压输出幅度。

逆时针调节此旋钮可减少电压输出幅度。

⒀电压输出端口：电压输出由此端口输出。

⒁TTL/CMOS输出端口：由此端口输出TTL/CMOS信号。

⒂VCF：由此端口输入电压控制频率变化。

⒃扫频：按入扫频开关，电压输出端口输出信号为扫频信号，调节速率旋钮，可改变扫频速率，改变线性/对数开关可产生线性扫频和对数扫频。

⒄电压输出指示：3位LED显示输出电压值，输出接50Ω负载时应将读数/2。

⒅50H Z正弦波输出端口：50H Z约2V P-P正弦波由此端口输出。

（在信号发生器背板上）
实验原理
示波器是一种以电压控制电子束线的运动，并利用电子束线的运动显示控制电压信息的仪器。

它的特点是反应快速灵敏，常用于观察和测量电压以及可转化为电压信号的各种物理量的变化过程，是一种用途广泛的通用仪器。

1、示波器的结构及工作原理
最简单的示波器应包括以下五个部分如图11-3所示：①示波管；
②扫描发生器；③同步电路；④水平轴和垂直轴放大器；⑤电源供给。

图11-3 示波器的方框图
①示波管 如图11-4所示，示波管由电子枪，两对偏听偏转板和荧光屏等组成。

示波管在工作时，管内电子松发射出电子束线，在阳极电压作用下加速和聚焦，通过两对相互垂直的偏转板到达荧光屏上，激发屏上荧光物质发光，形成一亮点。

如果将随待测信号变化的电压加到偏转板上，就可以从荧光屏上获得待测信号的信息。

图11-4 示波管结构
②扫描发生器 为了显示某一待测信号，如图11-5（a ）所示的正弦波电压sin y m u V t ω=波形，仅仅把y u 加在偏转板上，荧光屏上只能看到亮点在作上下方向的正弦运动。

当频率较快时，看起来是一条竖起亮线，如图11-5(b)所示。

看不到正弦波。

图11-5 (a) (b)
当Y 偏转板上不加电压，而给X 偏转板上加如图11-7（a ）所示的锯齿波电压z u kt =,(0<t<T),T 是周期，则在荧光屏上看到亮点在每个周期内有一次沿X 方向的匀速运动（正程），再立即返回原来的起点位置。

接着又开始下一周期的重复运动。

这样的周期过程叫“扫描”，这时荧光屏上看到一条水平亮线，如图11-7（b ）所示。

示波器中的扫描发生器的设置，就是为了产生可调的稳定的锯齿波电压。

t
ωy
u
图11-7（a ） (b)
③同步电路 由以上分析可以看出，只有在每个扫描周期内，亮点都重复跟踪同一条正弦曲线，图形看起来才稳定，这就要求每次扫描起点的相位应等于前次扫描终点的相位，或简单地讲，要求扫描电压周期x T 为被测电压周期y T 的n 倍（n=1、2、3、4….），同步电路就是为了实现以上目的而设计的。

④水平轴线与垂直轴放大器 由于电子束线对偏转电压的响应有一定的灵敏度。

偏转电压过大，电子束线会偏到显示屏外；偏转电压过小，一不能同步，二在荧光屏上显示一条横线，失去示波功能。

因此，为了观察电压幅度不同的电信号波形，示波器在Y 偏转板和X 偏转板的两个信号输入电路中，都设置有分压器和放大器。

分压器由电阻器组成，技术上常称为衰减器；放大器是由晶体管或电子管组成的连续可调的放大电路，技术上常称为增幅（或增益）器。

⑤电源供给系统确保示波器各部件正常工作所需的各种电压。

2、示波器的基本使用方法
示波器能够正确地显示各种波形的特征，因而可用来监视各种信号及跟踪其变化规律。

利用示波器还可将待测的波形与已知的波形进行比较，粗略地测量波形的幅度、频率、相位等各种参量。

①观察波形 将待测信号接到Y 轴输入，调节各有关旋钮就能出现完整稳定的波形。

②测量电压 包括直流电压、交流电压的测量，都是采用比较的方法。

即用已知电压幅度波形将示波器的垂直方向分度，然后将信号电压输入，进行比较，如图11-8所示。

图中的方波幅度假定为10V
，
占据了四个分度，因此第分度表示2.5V
2.5V ·div -1。

如果待测的正弦波其峰-（U P-P ）为2.0div ，则峰-峰电压U P-P =
5.0V ，所以其有效值按公式0.71()2
P P U U -⨯=就可以计算出来。

如果将待测信号衰减至
1/10，显然U P-P 值只有0.5V ，测量精度降 图11-8 幅度比较 低了；如果放大至10倍就不可能量到它的
峰-峰值。

如果待测信号较大，衰减至1/10后，显示的波形还占了三个分度，则待测信号的峰-峰值
U P-P =2.5V/di v ×10×3.0div=75V
③测量频率或周期 用示波器测量频率或周期必须知道X 轴的扫描速率，即X 方向每分度相当于多少秒或者微秒。

假定图11-8所示的X 扫描速率为10m s ·div -1,则方波的周期2.0div 相当于20ms ，而正弦波的周期为
4.0div×10ms·div -1=10ms
因此频率12540z f H ms
==就可以计算出来。

因为稳定的标准频率容易得到，示波器判别合成的波形（利萨如图形）非常直观、灵敏和准确，所以测频率时都要用到它，在复杂信号的频谱分析中也要用到它。

测量线路如图11-9所示，图中待测频率Y f 接在Y 输入端，已知频率x f 的信号作为标准正弦信号接在X 轴输入端，“X 轴衰减”可拨在“1”或“10”位置，如果出现图11-10
所示的波形，则Y x f nf =，①Y x f f =、②12Y x f f =、③13
Y x f f =。

从利萨如图形在X 轴和Y 轴上的切点数，可知比值/Y x f f 一般计算公式为
Y x f f Y =与X 轴切点数与轴切点数
（11-1） 注意：由于两种信号的频率不会非常稳定和严格相等。

因此得到的利萨如图形不很稳定，经常会出现上下左右来回的或定向地滚动现象。

图11-9 利萨如图形的观察
()
/o
φ0 45 90 135 180
图11-10 几种相位和频比的利萨如图形
④测量两个正弦信号的相位差
根据利萨如图形可以计算出相位差，如图11-11所示的图形。

令sin
y a tω
=（11-2）
sin()
x b tωϕ
=+（11-3）则y与x的相位差为ϕ。

假定波形在X轴上的P点
sin
y a tω
==0
因而0
tω=
所以
sin()sin
x b t b
ωϕϕ
=+=
则0
arcsin
x
b
ϕ=和0
arcsin
x
b
π-（11-4）
实验内容与步骤
一、观察电信号波形
x
f Y f
X Y
1、实验内容：
通过示波器观察由函数信号发生器送出的频率为200HZ、2KH Z、20KH Z、200KH Z，幅度为2.0V p-p的正弦波、方波及锯齿波。

并记录在20KH Z时的正弦波、方波及锯齿波的波形。

2、实验步骤：
（1）接通电源，开机预热2分钟；
（2）把辉度旋钮调节到合适的位置后，旋转聚焦旋钮使光点最清晰；（3）把函数信号发生器输出端与示波器Y轴通过探头联接在一起；（4）打开函数信号发生器的电源，分别送出不同频率的正弦波、方波、锯齿波，通过调整示波器的幅度旋钮（VOLTS/DIV）和扫描时间旋钮（TIME/DIV），使示波器上出现稳定的波形，进行观察并记录波形；
二、观察利萨如图形
1、实验内容：
在示波器Y轴中送入50HZ正弦波（由函数信号发生器背板上的输出端提供），在X轴中送入50HZ、100HZ、150HZ幅度为0.7V p-p 正弦波（由函数信号发生器提供），观察此时在示波器上的图形并记录。

2、实验步骤：
（1）用连线把信号发生器背板上的0.5V正弦波与示波器的Y轴连接起来。

并在示波器上调出稳定的正弦波图形。

（2）用连线把信号发生器输出端与示波器的X轴连接起来。

（3）把示波器的“触发方式”选择开关置“外接”位置。

（4）在信号发生器中分别调出0.5Vp-p50HZ、100HZ、150HZ送入X轴中，观察此时示波器屏上的波形并记录。

注意事项
（1）开机后要使辉度、聚焦旋钮调到最小，预热2分钟后才能调到最佳状态。

（2）使用示波器过程中不能使光点长时间停留在荧光屏的某一外，以避免烧坏荧光屏。

（3）对示波器上各旋钮的扭动时要轻柔。

（4）实验结束后亮度和聚焦旋钮要放置在最小位置（逆时针旋转到底），其余旋钮要放在最大位置。

思考题：
1、简要写出示波器面板上各旋钮的作用。

2、示波器能否精确测量电压、周期、频率和相位差？为什么？
3、怎样用示波器测量电压、频率？。