示波器的原理与使用共16页文档.docx

3.3 示波器的原理与使用【实验介绍】本实验为基础性实验示波器（全称阴极射线示波器）是一种用途广泛的电子测量仪器，它能将人眼无法直接 观测的交变电信号转换成图像，显示在荧光屏上用它既能直接观察电信号的波形，也能测 定电信号的幅度、周期和频率等参数，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，是观察数字电路实验现象、分析实验中的问题、测量实验结果必不可少的重要仪器 由于阴极射线的惯性小，又能在示波器上显示出可见的图像，所以示波器特别适用于观测瞬 时变化过程（动态的波形变化）例如，从交流信号的波形图上，可以很容易观察到交流信号 随时间变化的规律，并且很容易从波形图上测出它的电压峰一峰值（U ）、周期（T）、相 pp位差（0等参数加上传感器，凡能转化为电压信号的电学量和非电学量都能用示波器来观 测如声波、心率、体温、血压等随时间变化的过程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都可以用示波器来观测实验目的】1．了解示波器的主要结构及显示波形的基本原理2．学会使用信号发生器3．学会用示波器观察波形以及测量电压、周期和频率4．通过对李萨如图形的观察，进一步加深对互相垂直的谐振动合成理论的理解。

【实验仪器】双踪示波器，信号发生器，探极等实验原理】一、示波器的基本结构一般示波器主要由四部分组成：电子示波管、扫描整步装置、衰减系统和电压放大系统、 电源等，其结构方框图如图 1 所示为了适应各种测量的要求，示波器的电路组成是多样而 复杂的，这里仅就主要部分加以介绍1．示波管如图1所示，示波管又称阴极射线管，英文缩写为CRT,它是示波器的核心部件，它 将电信号转换为光信号，主要包括荧光屏、电子枪、偏转系统三部分，全都密封在真空玻璃 壳内，构成了一个完整的示波管示波管光屏通常是矩形平面，内表面沉积一层磷光材料构成荧光膜在荧光膜上常又增 加一层蒸发铝膜加速聚焦后的高速电子束穿过铝膜，撞击荧光粉而发光形成亮点，从而显 示出电子束的位置铝膜具有内反射作用，有利于提高亮点的亮度当电子停止作用后，荧 光剂的发光需经一定时间才会停止，称为余辉效应一般示波器多采用发绿光的示波管，以 保护人的眼睛荧光屏外表面印有网格，横向有10格，选择合适的水平扫描速度(TIME/DIV)的档位， 即可表示每格所占时间；纵向有8 格,选择合适的垂直衰减(VOLTS/DIV)的档位，即可表 示每格所占电压大小⑵ 电子枪电子枪用以产生定向运动的高速电子，由灯丝H、阴极K、控制栅极G、第一阳极第二阳极a2五部分组成。

① 阴极K：电子射线的发源地阴极K是一个表面涂有脱出功较低的钡和锶氧化物的金属筒，受到灯丝H加热后发射 电子② 控制栅极G：亮度控制控制栅极G是一个顶端有小孔的圆筒，套在阴极外面其电位低于阴极，对阴极发出 的电子起阻碍作用，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 荧光屏调节栅极电压可控制通过栅极的电子数目从而实现亮度调节示波器面板上的“亮 度”调整就是通过调节电位以控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变了屏上的光斑亮度③ 第一阳极 A1 ：聚焦第一阳极A］电位比阴极电位高很多，加有几百伏的电压，而且形状特殊，产生的电场 形成电子透镜，电子被它们之间的电场加速形成射线，调整它对射线有聚焦作用，所以第一 阳极也称聚焦阳极面板上的“聚焦”调节，就是调第一阳极电位，使荧光屏上的光斑成为 明亮、清晰的小圆点④ 第二阳极a2：电子加速第二阳极A2的电位更高，又称加速阳极加有1000V以上的电压，聚焦后的电子束经 过这个高压电场的加速获得足够的动能而成为一束高速的电子束有的示波器有辅助聚焦， 实际是调节第二阳极电位⑶ 偏转系统 偏转系统控制电子射线方向，使荧光屏上的光点随外加信号的变化描绘出被测信号的波 形。

它由两对相互垂直的偏转板组成，一对垂直偏转板Y, —对水平偏转板XY轴偏转板 在前， X 轴偏转板在后两对偏转板分别加上电压，使两对偏转板间各自形成电场，分别控 制电子束在垂直方向和水平方向偏转，从而使电子束在荧光屏上的光斑位置也发生改变，形 成一个反应信号电压的波形2．电压放大系统和衰减系统 示波器本身相当于一个多量程电压表，这一作用是靠信号放大器和衰减器实现的由 于示波管本身的X及Y轴偏转板的灵敏度不高（约0.1〜1mm/V）,当加在偏转板的信号过小 时，要预先将小的信号电压加以放大后再加到偏转板上，为此设置X轴及Y轴电压放大器 衰减系统的作用是使过大的输入信号电压变小以适应放大器的要求，否则放大器不能正常工 作，使输入信号发生畸变，甚至使仪器受损对一般示波器来说，X轴和Y轴都设置有衰 减器，以满足各种测量的需要3．电源电路包括低压电源电路和高压电源电路，低压电源供给示波器各工作电路电压，高压电源电 路供给示波管各极电压二、示波器显示波形的原理由示波管的原理可知，如果偏转板上不加电压，则电子束将聚焦于荧光屏而形成一个光 点如果偏转板上加有电压，则电子束的运动方向将会发生偏转，从而使电子束在荧光屏上 的光点位置也随之变化。

容易证明，在一定范围内，光点的位移与偏转板上所加电压成正比， 因而可将电压的测量转化为屏上光点偏移距离的测量第3页1. 示 波器的扫 描系统如果 只在竖直 偏转板上 加一交变 变化在竖 的是一条波形图，如图 4 所示\ea bcri c.i Mhi的正弦电压U二U sinot，则电子束将随电压的y ym直方向来回运动，如果电压频率较高，则在屏上看到竖直亮线，如图2 所示如果在水平偏转板上加一个随时间周期性变化的电压，即“锯齿波电压” U二U t，x xm当频率足够高时，则荧光屏上只显示一条水平亮线如图3 所示如果在竖直偏转板上（简称Y轴）加正弦电压，同时在水平偏转板上（简称X轴）加锯齿 波电压，电子受竖直、水平两个方向的力的作用，电子的运动就是两相互垂直的运动的合成当锯齿波电压与正弦电压的周期完全一致时，在荧光屏上将能显示出完整周期的正弦电压的综上所述，这种把Y偏转板上的电压U的变化规律沿X偏转板上“展开”的过程称y 为“扫描”扫描系统（又称时基电路）就是用来产生一个随时间作线性变化的扫描电压，使 屏上的水平坐标变成时间坐标，Y轴输入的被测信号波形就可以在时间轴上展开扫描系统 是示波器显示被测电压波形必需的重要组成部分。

2．示波器的整步（同步）由图4可看出，U与U的周期相同时，光点扫完整个正弦曲线后锯齿波电压随即复 xy原，同时又扫出一条与先前完全重合的正弦曲线如果正弦波和锯齿波电压的周期稍微不同， 那么每次扫出的曲线与先前的曲线不重合，屏上出现的图形是一移动着的不稳定的曲线，这 种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 或不成整数倍，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使屏上的图形稳定，必须使U的频率与U的频率严格相同或为整数倍关系，图 xy形才会完整、清晰且稳定即f = nf n = 1,2,3 … ⑴yx式中n为屏上所显示的完整波形的个数，这种使两者频率成整数倍且相位差恒定的调节过程 称为“整步”或“同步”实际上，由于U与U来自不同的震荡源，其频率比不易满足上述关系，而且环境或 xy其它因素的影响，也使得它们的周期（或频率）可能发生微小的改变这时，虽然可通过调节 扫描旋钮将周期调到整数倍的关系，但过一会儿又变了，波形又移动起来在观察高频信号 时这种问题尤为突出为此示波器内装有扫描同步装置（电平调节旋钮），让锯齿波电压的 扫描起点自动跟着被测信号改变，称为“整步”装置。

艮据U的频率f调节U的频率f， y y x x1使f准确地等于f的一倍，进而获得稳定的信号波形x y n3．李萨如图形示波器能真实地显示Y轴输入信号随时间变化规律的波形，是因为仪器内有锯齿波发 生器，即扫描电压作用于X轴偏转板，在一个扫描周期内，扫描电压随时间成正比地增加, 因此，锯齿波扫描过程又称线性扫描如果在X偏转板上加上非线性扫描电压，其扫描过 程称为非线性扫描将电压U二U sin（①t + 9）和U二U sinwt分别送到示波器的Y轴和X轴，在屏y ym x xm上观察到是两个互相垂直的谐振运动的合成图像，光点轨迹为一稳定的封闭曲线，称为李萨 如图形根据这个图形可以确定两电压的频率比，从而确定待测频率的大小李萨如图形与振动频率之间又如下的关系：xy式中：f和f分别是加在X、Y轴上电压的频率；N和N分别是图形与水平直线、垂直x y x y直线的切点数N如果f为已知，贝y f =—xf ⑶x y N xy【实验内容与要求】一、示波器的校准示波器可用来测量周期信号的峰-峰值和周期，在测量前应进行校准校准信号可采用示波器自身提供的方波信号，用xl探极将方波校准信号输入Y信号输入端口，如：YB4320型示波器校准信号方波U =0.5V, f=1000Hz，若选择合适的垂p - p直衰减(VOLTS/DIV)和水平扫描速度(TIME/DIV)的档位，v/div = 0.1V，t/div = 0.1ms,将微调旋钮旋至校准(CAL)状态，如图5所示,信号峰-峰值U =DyXv/div = 5x0.1 = 0.5V，p - p信号周期T =DxXt/div =10x0.1 =1mS，则f=1000 Hz。

示波器读数已被校准，可以进行测量注意：探极用X1档校准后X、Y微调旋钮不得再动图5示波器校正信号方波 图6示波器测量正弦波信号二、观察并 测量正弦波信号由信号发生器输出一个500HZ、20V的正弦波信号，输入到示波器Y轴输入端，示波 器垂直系统输入耦合开关置于“AC”，调整触发电平(LEVEL)使波形稳定调整Y轴垂直衰减开关和X轴水平扫描速度开关使显示波形在屏幕有效工作面内达到最大限度，以便提 高测量精度，如图6所示记下此时波形在竖直方向上所占据的高度Dy（即波峰到波谷的格 数），信号一个周期所占的格数D x，Y轴选择开关和X轴时基选择开关的档置t/div、/div 计算出该正弦信号的周期T =DxXt/di、濒率彳=1/T，峰-峰值U =DyW/div及有效值U ,pp并与输入信号比较，说明用示波器测量的优缺点峰-峰值U 与最大值U和有效值U之间有如下的关系：p p mU 2U 2U ⑷p p m三、观察并绘出李萨如图形由信号发生器输出一个正弦波信号，输入到示波器X轴输入端，由信号发生器后面输 出一个50Hz的正弦波信号，输入至示波器的Y信号输入端□，将X轴水平扫描速度开关 旋至X-Y档，调节信号发生器的输出信号频率，使fy応分别为1 ：1、1 ：2、1 ：3、2 ：3 时，得到相应的李萨如图形并填入下表。

表1 李萨如图形和信号频率的关系1. 操作前，必须根据仪器说明，熟悉所使用的示波器、信号发生器面板上各旋钮的作 用2. 为了避免永久性的损坏CRT荧光屏内的磁光质涂层，使用示波器时，请不要将光点 亮度设在极亮的位置或把光点长时间停滞于一点如果短时间不使用，可把“亮度”旋钮调 小不要频繁通断示波器的电源，以免缩短示波器的寿命3. —般情况下，将垂直微调和水平微调旋钮设定在“校准（CAL ） ”位仪器介绍】—、示波器（—） MOS-620B 型示波器MOS-620B是一种便携式双踪示波器带宽20MHZ,最大灵敏度为lmV/div最大扫描 速度为0.2us/div，并可扩展10倍使。