示波器大学物理

示波器的调整和使用

【实验目的】

（1）了解示波器的结构和工作原理。

（2）熟悉示波器各旋钮功能。

（3）掌握示波器的基本调整方法。

（4）掌握用示波器观测信号的波形，学会用示波器测量电压、频率和相位。

【示波器的原理】

示波器显示随时间变化的电压，将它加在电极板上，极板间形成相应的变化电场，使进入这个变化电场的电子运动情况随时间作相应地变化，从而通过电子在荧光屏上运动的轨迹反映出随时间变化的电压。

1. 示波器的结构

示波器由示波管、衰减放大输入系统、扫描信号发生器、触发同步系统和电源供给系统五个基本部分组成。双踪示波器的结构方框图如图3.9.1所示。

示波器方框图

图3.9.1

（1）示波管。示波管主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三个部分组成。示波管是一个全密封度真空的玻璃壳管，其结构如图3.9.2所示。

① 电子枪。电子枪由灯丝F 、阴极K 、栅极G 、

第一阳极A 1和第二阳极A 2组成。

阴极K 是一个表面涂有氧化物的金属圆筒，被点

燃灯丝F 加热后向外发射电子。

栅极G 是一个顶端有一小孔的金属圆筒，套在阴

极外面，它的电位比阴极低，对阴极射来的电子起控

制作用，只有速度较大的电子才能穿过栅极小孔。因

此，通过调节栅极电位，可以改变通过栅极的电子数

目，即控制电子到达荧光屏上的数目，而打在荧光屏

的电子数目越多，则荧光屏上的光迹越亮。示波器面

板上的“辉度”调节旋钮就是起这—作用的。 阳极A 1与A 2由开有小孔的圆筒组成。阳极电位比阴极电位高得多，电子流通过该区域可获得很高的速度，同时阳极区的不均匀电场还能将由栅极过来散开的电子流聚焦成一窄细的电子束，因此改变阳极电压可以调节电子束的聚焦程度。示波器面板上的“聚焦”旋钮起这一作用。

② 偏转系统。偏转系统由两对相互垂直的可加电压的金属平板组成，即X 偏转板和Y

偏 示波管的结构 图3.9.2 F —灯丝；K —阴极；G —控制栅极；A 1—第一阳极； A 2—第二阳极；Y —竖直偏转板；X —水平偏转板

转板。

在两对偏转板上加上电压，当电子束通过偏转板时，在电场力的作用下发生偏转，即改变光点在荧光屏上的位置。

设计时保证了荧光屏上X 方向和Y 方向光点的位移正比于两对偏转板上所加的电压。 垂直偏转板电路有两条支路：一条用于输入机外电压信号，加在Y 偏转板上；另一条用于校准仪器或观察机内方波信号，机内方波信号直接输入“Y 放大器”，经放大后加到Y 偏转板上。

水平偏转板的电路同样有两条支路：一条用于输入外界电压信号或同步信号，加在X 偏转板上；另一条用来将机内扫描信号经放大后加在X 偏转板上。

③ 荧光屏。荧光屏位于阴极射线管前端的玻璃屏内表面，涂有发光物质。当高速运动的电子打在上面，其动能被发光物质吸收而发光，在电子轰击停止后，发光仍维持一段时间，称为余辉。发光物质不仅能将电子的动能转换成光能，同时还能转换成热能。因此在操作时要注意不要使光点长时间停留在一处。

（2）衰减器和放大器。它包括X 轴、Y 轴放大器和X 轴、Y 轴衰减器。

一般示波管的偏转板偏转灵敏度不高，为便于观察较小的信号就需要将输入的信号加以放大，再加到偏转板上；但当输入信号电压过大时，放大器会过荷失真，因此需在输入放大器前将信号加以衰减。为此而设置了放大器、衰减器。对应偏转因数的调节旋钮就起这一作用。

（3）扫描信号发生器。它是把—个随时间变化的电压信号V y ＝V (t )加在示波器Y 偏转板上，只能从荧光屏上观察到光点在垂直方向的运动。如果信号变化较快，荧光屏上光点有一定余辉，便能看到一条垂直的亮线，要想看到波形，则在水平偏转板上必须加上一个与时间成正比的电压信号，即V x ＝kt （k 为常数），使光点在垂直方向运动的同时沿

水平方向匀速移动，将垂直方向的运动沿水平方向“展开”，从

而在荧光屏上显示出电压随时间变化的波形。

实际上加在水平偏转板上的信号是“锯齿波”，如图3.9.3

所示，其特点是在一周期内电压与时间成正比，到达最大值后

又突然变为零，然后进入下一个周期。由于水平偏转板上锯齿

波的作用，使电子束在水平方向呈周期性地由左至右的运动（回

扫时间极短可以忽略），所以把该信号称为“扫描”信号。

（4）同步触发系统。待测信号V y ＝V y (t )和扫描信号V x ＝kt 实际上是两个独立的电压信号，若要形成稳定的波形，则待测信号V y 的周期T y 与扫描锯齿波V x 的周期T x 之间必须满足：

T x ＝nT y （n ＝1，2，3…）

假设待测信号输入的是正弦波V y ＝V 0sin( t )加在Y 偏转板上，扫描信号锯齿波V x ＝kt 加在X 偏转板上，锯齿波的周期T x 与正弦波的周期T y 相同，如图3.9.4所示，显示的是二者的合成图。

如果V y 为1点，而在同一时刻V x 也在1点，则屏上相应的光点位置为1；下一瞬间，V y 为2点时，V x 在2点，屏上相应的光点位置为2。以此类推，当V y 变化一个完整的周期时，荧光屏上的光点将正好描绘出与V y 随时间的变化规律完全相同的波形。若周期满足T x ＝nT y （n ＝1，2，3…）整数倍的情况，荧光屏上将出现一个、两个、三个完整的正弦波形。

扫描锯齿波电压 图3.9.3

示波器显示波形合成原理图

图3.9.4 T x 与正弦波的周期T y 稍有不同，会出现什么波形呢？利用图3.9.5来说明。0～3点间的波形；第二个周期显示3～6点间的波形；T x 略大于T y ，波形好像向左移，这种现象称为不同步。造成原因是因为T x 、T y 不满足整数倍条件，使得每次扫描开始时起点不同。

扫描不同步

图3.9.5 如何才能始终保持二者的周期成整数倍，从而使波形保持稳定呢？常用“同步”的办法或用“触发扫描”的方法。

“同步”的作法是将Y 轴输入的信号接到锯齿波发生器中，强迫T x 跟着T y 变化，以保证T x ＝nT y 条件得到满足，使波形稳定；或者用机外接入某一频率稳定的信号，作为同步用的信号源，使波形稳定。面板上的“同步增幅”、“同步水平”等旋钮即为此而设。

需要注意的是，同步信号幅度的大小要适当。太小不起作用，太大会使波形严重失真。 V x

V y

（a ）

（c ）

（b ）

t

“触发扫描”是由于对窄脉冲信号难以看清脉冲信号的前后沿，而必须采取扫描方式。其基本原理是使扫描电路仅在被测信号触发下才开始扫描，过—段时间自动恢复始态，完成一次扫描。这样每次扫描的起点始终由触发信号控制，每次屏上显示的波形都重合，图像必然稳定。实际上，示波器中并非直接用被测信号触发扫描，而是从Y 轴放大器的被测信号取出—部分，使其变成与波形触发点相关的尖脉冲，去触发闸门电路，进而启动扫描电路输出锯齿波。由于脉冲“很窄”，所以它准确地反映了触发点的位置，从而保证了扫描与被测信号总是“同步”，屏上即会显示稳定图像。

2. 李萨如图形

把两个正弦信号分别加到垂直偏转板与水平偏转

板上，则光点的运动轨迹是两个互相垂直的简谐振动

的合成。当两个正弦信号频率之比为整数倍时，其合

成的图形是一个稳定的闭合曲线，称该闭合曲线为李

萨如图，如图3.9.6所示。

令f y 和f x 分别代表垂直偏转板和水平偏转板的正弦

信号的频率，当荧光屏上显示出稳定的李萨如图形时，

在水平和垂直方向分别作二直线与图形相切或相交，数

出此二直线与图形的切点数或交点数，则

y x f f ＝水平直线与图形的切点数垂直直线与图形的切点数 （3.9.1） 或

y x f f ＝水平直线与图形相交的点数垂直直线与图形相交的点数

（3.9.2） 利用这一关系可以测量正弦信号频率。例如，输入的两个正弦信号中一个为已知频率的信号，则把两个正弦信号分别输入到垂直偏转板与水平偏转板上，调出稳定的李萨如图形，从上式中就可求出待测正弦信号的频率。

【实验内容】

1. 准备工作

开机前的准备工作：了解示波器面板上各功能键的作用。将示波器辉度调节旋钮、聚焦调节旋钮、水平位移按钮、垂直位移旋钮调至居中位置，按下电源开关。

2. 调节、观察、测量待测信号

信号源的两个输出分别接到CH 1和CH 2。两个通道的AC ⊥DC 按钮开关都处于AC 。

（1）观察CH 1的波形。Y 方式选在CH 1挡位，触发源选在CH 1处；调整CH 1通道的上下位移旋钮和CH 1通道的 VOLT/DIV 挡位开关，使图形在Y 向上获得较好显示。调整左右位移旋钮和TIME/DIV 挡位开关，使图形在X 向上获得较好显示，用TIME/DIV 调出CH 1的波形数。

（2）观察CH 2的波形。将信号输入CH 2通道，调节与之对应的旋钮，显示稳定波形。

（3）观察CH 1和CH 2的同时显示（双踪显示）。Y 方式选在双踪挡位，触发源选在CH 1处或CH 2处，或按下交替触发按钮（观察现象，为什么？）。调出CH 1和CH 2的波形，方法同上。

（4）观察CH 1和CH 2的相加波形。Y 方式选在相加挡位，这时屏幕上出现的波形为CH 1与CH 2 的叠加波形。这个叠加为同向叠加，而不是正交叠加（李萨如图）。分别改变CH 2与CH 2的频率，观察叠加图形的变化情况。

李萨如图形 图3.9.6

（5）测量信号的电压、周期（频率）。用示波器测量信号的电压过程可分为两部：

①定标。定出屏幕Y向上一格表示多大的电压值，即定出VOLTS/DIV的值。过程是：先输入一已知电压值V的信号，然后调节VOLTS/DIV旋钮，定出该信号在屏幕Y向上占的格数a，V/a则表示每格所代表的电压值。

注意：该值一旦确定下来，在以后的测量过程中绝不允许再调节VOLTS/DIV旋钮。但多数型号的示波器出厂时已完成定标工作，此种方法可校验VOLTS/DIV旋钮是否错位。

②测量。进入待测信号通道，读出该信号的振幅在屏幕Y向上的格数b，则其电压值就为

V

。

b

a

用示波器测量信号的周期与测量信号的电压过程一样。分为定标和测量两部，不同的是调节TIME/DIV旋钮确定其值，并在屏幕X向上读取格数。

3. 观察李萨如图，测量待测信号的频率

两个相互垂直、频率比为整数比的简谐振动的合成图形称为李萨如图，图形的形状与两个振动的频率及其相位差有关。图3.9.6是两种频率比、不同相位差的12个李萨如图。

将已知频率的正弦信号接入CH1，待测信号接入CH2，示波器调整到李萨如图工作状态，即同时要求：Y方式选在CH2挡位，触发源选在CH1处，按下（X-Y）按钮。调整已知信号的频率，使屏幕上出现稳定的李萨如图。分别测出水平方向和垂直方向的切点数或交点数，代入式（3.9.1）或式（3.9.2），计算出待测信号的频率。

利用这种方法，通过一个已知频率的正弦信号就可以测出另一个正弦信号的频率。

注意事项

（1）双踪示波器是一种较为复杂的电子仪器，其面板上的旋钮和开关较多，因此在每一步的操作前应尽量做到清楚自己想做什么及要操作的旋钮或开关有什么作用，避免

盲目操作。

（2）禁止用力转动旋钮以免损坏仪器。

（3）荧光屏上光点亮度应适中，不宜太亮，并且不可将光点固定在屏上某一点过长，以免损坏荧光屏。

【思考题】

（1）双踪示波器面板上三大功能区如何划分的？

（2）若示波器电源打开后，屏幕上无光点出现，试分析原因，如何调整？

（3）Y方式选择开关的作用是什么？当选在双挡位时，能否调出CH1和CH2的波形出现在屏幕上？如何判断哪个图形是来自CH2通道的信号？

（4）实验中示波器Y方式选在双踪挡位时，按下示波器X-Y按钮，屏幕上会出现一李萨如图形和一直线，请分析直线出现的原因。

（5）如果打开VOLTS/DIV旋钮下或TIME/DIV旋钮下的微调开关或按钮，此时通过屏幕来测量电压或频率会准吗？

预习要求

（1）了解示波器基本结构和工作原理。

（2）认真阅读该实验附1、附2，熟悉各旋钮用处。