示波器的原理和使用

清华大学实验报告

系别：机械工程系班号：机械72班姓名：车德梦（同组姓名：）作实验日期2008年11月19日教师评定：

实验3.12 示波器的原理和使用

一、示波器的原理

示波器的规格和型号很多，就其显示方式来说主要有阴极射线示波管和液晶显示两种。阴极射线示波器一般都包括示波管（阴极射线管，CRT）、竖直放大器、水平放大器、扫描发生器、触发同步和直流电源等。

1．示波管的基本结构

示波管主要包括电子枪、偏转系统和荧光屏三个部分，全都密封在玻璃外壳内，里面抽成高真空。

（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。灯丝通电后加热阴极，阴极是一个表面涂有氧化物的金属圆筒，被加热后发射电子。控制栅极是野鸽顶端有小孔的圆筒，套在阴极外面。它的电位比阴极低，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其顶端的小孔然后在阳极加速下奔向荧光屏。可以通过调节札记电位来控制射向荧光屏的电子流密度从而改变荧光屏的光斑亮度。当控制栅极、第一阳极和第二阳极三者的电位调节合适时，电子枪内的电场对电子射线有聚焦的作用，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。

（2）偏转系统：它有两队互相垂直的偏转板组成，一对竖直偏转板和一对水平偏转板，加以适当电压可以使电子束运动方向发生偏转，从而使电子束在荧光屏上产生的光斑位置发生改变。

（3）荧光屏：屏上涂有荧光粉，电子打上去它就发光，形成光斑。不同材料的荧光粉发光的颜色不同，发光过程的延续时间（一般成为余辉时间）也不同。在性能好的示波管中，荧光屏玻璃内表面上直接刻有坐标刻度，供测定光点位置用。荧光粉紧贴坐标刻度以消除视差，光点位置可测得准确。

2．示波器显示波形的原理

如果在竖直偏转板上加一交变的正弦电压，同时在水平偏转板上加一扫描电压（锯齿波电压），电子受竖直、水平两个方向的力的作用，电子的运动是相互垂直的运动的合成。当锯齿波电压与正弦电压的变化周期相等时，在荧光屏上将能显示出完整周期的所加正弦电压的波形图。

3．同步的概念

如果正弦波和锯齿波电压的周期稍不同，屏上出现的将是一移动着的不稳定图形。如果T x稍小于T y，屏上显示的波形每次都不重叠，好像波形在向右移动。同理，如果T x比T y稍大，则好像在向左移动。以上描述的情况在示波器使用过程中经常会出现。其原因是扫描电压的周期与被测信号的周期不相等或不呈整数倍，以致每次扫描开始时波形曲线上的起点均不一样所造成的。

为了获得一定数量的完整周期波形，示波器上设有“TIME/DIV”（时间分度）调解旋钮，用来调节锯齿波电压的周期T x（或频率f x），使之与被侧信号的周期T y（或频率f y）呈合适的关系，从而，在示波器屏上得到所需数目的完整的被测波形。

输入Y轴的被测信号与示波器内部的锯齿波电压是互相独立的。由于环境或其它因素的影响，它们的周期会发生微小的改变。为此示波期内装有扫描同步装置，在适当调节后，让锯齿波电压的扫描起点自动跟着被测信号改变，这就称为整步（或同步）。调节示波器面板上的“TRIG LEVER（触发电平）”一般能使波形稳定下来。

4．利萨如图形的基本原理

如果示波器的X和Y输入时频率相同或者简单整数比的两个正弦电压，则屏上的光点将呈现特殊形状的轨迹，这种轨迹图形称为利萨如图形。如果做一个限制光点x、y方向变化范围的假象方框，则图形与此框相切时，横边上的切点数n x与竖边上的切点数n y 之比恰好是Y和X输入的两正弦信号的频率之比。若出现有端点与假想边框相接时，，应把一个端点计为半个切点。所以利用利萨如图形可以方便地比较出两个正弦信号的频率。若已知其中一个信号的频率，数出图上的切点数n x和n y，便可算出另一待测信号的频率。

二、实验仪器

1．SS-7802示波器

这是一台可同时测量频率在20MHz范围内的两个信号的双踪示波器。借助于一电子开关可将这两个信号（Y1和Y2）交替地加在示波管的Y偏转板上。当开关的频率足够高时，在屏上能同时看到Y1和Y2两个信号。

2．GFG-8016函数信号发生器

三、实验内容

1．观测波形

自制多波形信号发生器（DB-87型）可输出正弦波、方波、三角波、和尖脉冲四种波形。要用示波器测出其正弦波输出幅度的有效值，方波幅度的峰值，三角波的周期，尖脉冲的频率。要求在原始记录纸上画下相应波形，记录原始数据，算出结果。注意面板上坐下接线端为公共地端，上面一排四个接线端分别为四种信号的输出端。

2．观测利萨如图形

将函数信号发生器（GFG-8016型）的正弦波信号分别输入到示波器的两输入端，调出频率比f x：f y为1：1或1：2的利萨如图形，并记录函数信号发生器（GFG-8016型）的正弦波信号的频率。

四、原始数据（见附页）

五、数据处理与作图

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六、分析、讨论与感受

1. 如果图形不稳定，总是向左或向右移动，该如何调节？

图形不稳定，总是移动的原因是扫描电压的周期与被测信号的周期不相等或不呈整数倍，以致每次扫描开始时波形曲线上的起点均不一样所造成的。如果T x稍小于T y，屏上显示的波形每次都不重叠，好像波形在向右移动。同理，如果T x比T y稍大，则好像在向左移动。

图形不稳定时可以调节示波器上的TIME/DIV”（时间分度）调解旋钮，旋动此旋钮可以调节锯齿波电压的周期T x（或频率f x），使之与被侧信号的周期T y（或频率f y）呈合适的关系，从而，在示波器屏上得到所需数目的完整的被测波形。

2. 观察利萨如图形时，如果图形不稳定，而且是一个形状不断变化的椭圆，那么图形变化的快慢与两信号频率之差有什么关系？

我们已经了解利萨如图形的形状与两信号的相位差有关，随着两信号间相位差的变化，利萨如图形的形状也随之改变。而两信号频率之差的大小，决定了两信号相位变化的快慢程度。但是，如果频率之差取某些特殊值时，两信号相位差不变。因此，在一定范围内，两个信号的频率之差越大，利萨如图形形状变化越快；而当频率之差达到某些特定值时，两信号相位差不变，利萨如图形形状也便不随之改变。

3. 通过实验，我对示波器的使用有了更深入的了解，同时掌握了两种最基本的测周期与峰峰值的方法，并对利萨如图形有了感官上的认识，真正把课本上学到了相关理论结合到实验观测与分析之中，我感到很有收获。