示波器的使用

示波器工作原理和测量使用

测试电压、电流的仪表通常用机械部件(如指针、反射镜等)来指示，这些部件由于惯性大，只适用于描绘低频电压信号或只能测量电压的平均值或有效值。电子示波器(筒称示波器)利用电场对电子运动的影响来反映电压的瞬变过程，由于电子惯性小，荷质比大，因此示波器具有较宽的频率响应，可用来观测变化极快的瞬变过程，把原来肉眼看不见的或抽象的电压变化转换成可见的图像，以供人们分析研究。这是示波器很重要的优点。示波器除了可以直接观测随时间变化的电压波形外，还可以测量频率、相位等，如果利用换能器还可以对应变、加速度、压力以及其它能够转换成电量的非电量进行观测，如本书中另一个实验——声速测量，就是把声压转换成电压在示波器上观测的。示波器的应用很广泛，例如，在工业生产上常用示波器来探伤和检验产品质量，医学上用来诊断病状等。至于在无线电制造工业和电子测量技术等领域，它更是不可缺少的测量设备。

【实验目的】

（1）了解示波器的主要组成部分，掌握各旋钮的作用及调节方法。

（2）掌握扫描和整步的作用原理，加深对振动合成的理解。

（3）掌握用示波器观测信号波形的方法，测量信号的电压和频率。

（4）掌握用李萨如图形测量正弦振动频率的方法。

【实验仪器】

示波器、函数发生器YB1603型、其它信号源等。

【示波器工作原理】

示波器分两大类，模拟型和数字型。本实验中主要是针对模拟示波器。示波器的规格和型号很多，但不论哪种模拟示波器都包含有几个基本部分：显示器、放大与衰减系统、扫描与整步系统，简单的原理方框图如图5-6-1所示。

垂直输入

外触发

输入

水平输入水平

衰减器

水平

放大器扫描电路

触发电路

消隐与增辉

电路

垂直

放大器

垂直

衰减器

电源

垂直系统

水平系统

图5-6-1

一、示波管的基本结构及作用

电子示波管(简称示波管)是示波器的核心部件，其基本结构如图5-6-2所示。示波管的外观是一个呈喇叭形的玻璃泡，里面抽成真空。示波管由电子枪、偏转板和荧光屏三个部分组成。

辉度

聚焦玻璃壳

电子枪偏转板

X 1X 2

Y 1Y 2

F A

A

A G

C H H

V 2

R 2

R 3R 1

图 5-6-2 示波管结构简图

二、示波器控制电路的功能

示波器控制电路主要包括：垂直(也称“Y 轴”)放大电路、水平（“X 轴”）放大电路、扫描整步电路等，如图5-6-3所示。

一般示波管垂直与水平偏转板本身的灵敏度不高，当加在偏转板上的信号电压较小时，电子束不能发生足够的偏转，以致屏上光点位移很小。为了在荧光屏上得到便于观测的图形，需要预先把小的输入信号电压经过放大后再加到偏转板上，为此设置垂直放大电路与水平放大电路。示波器灵敏度单位为V/div 或mV/div （div 为荧光屏上一格的长度。1div=0.6cm ）。例如某示波器的垂直输入灵敏度为Sy =10mV/div ，即当Y 轴输入被测信号的峰-峰值U PP 为10mV 时，荧光屏Y 方向显示光迹长度应为一格。

衰减器Y 输入

垂直放大器

示波管

水平放大电路衰减器

X 输入

扫描发生器

同步电路

U y =U m s i n ω t

t

一般信号的波形是指它的瞬时值随时间变化的规律，但不是说信号本身实际存在着能够看得见的这种图像。例如：正弦电压U y =U m sin ω t ，是指这种电压的瞬时值随时间变化的规律是正弦规律。如果只在示波器的Y 偏转板上加上这一正弦电压，X 偏转板上不加电压，则电子束的亮点只在Y 轴方向作简谐振动。如果频率较高，由于余辉和视觉停留的效应，在荧光屏上，能看到一条竖直的亮线，但看不到正弦波形，如图5-6-4所示。要想在荧光屏上展

现出与这种电压变化规律相对应的正弦波形，那就必须在X 偏转板上也加上电压，使电子束的光点在沿Y 轴方向运动的同时，又能沿X 轴方向运动，把竖直亮线“展开”。并且，由于

Y 偏转板轴上的电压是随时间变化，因此，就要求光点在X 轴上的移动能够代表时间t ，即X 偏转板上所加的电压与时间的关系应该是线性的。同时，这种线性电压不应是随时间无限

增加的，而应是线性增加到它的最大值后突然返回到最小值，再重复上述过程。显然，X 偏转板上所加的电压随时间变化规律的关系曲线应该形同“锯齿”，故称“锯齿波电压”。如果在Y 偏转板上不加信号电压，只在X 偏转板上加锯齿波电压，则电子亮点只在X 轴方向来回运动，荧光屏上只显示出一条水平亮线。如图5-6-5所示。

由上可知，要求观测加在Y 偏转板上的信号电压随时间变化的规律，必须在Y 偏转板上加信号电压的同时，在X 偏转板上加锯齿波电压，把U y “展开”。这个展开的周期过程称为“扫描”。锯齿波电压又称为扫描电压。“扫描”也可这样描述：它是光点沿X 轴正方向线性增长到最大值时突然反跳回原点的周期过程。这两种说法的本意是相同的。

U x

t

图 5-6-5

当T x =2T y 时，则合成的是2个正弦波形。如图5-6-7所示。 以此类推，如果要在示波器上显示完整稳定的波形，就要使X 偏转板上扫描电压的周期T x 为Y 偏转板上信号电压周期T y 的整数倍。即：

T x = nT y （n =1、2、3） (5-6-1)

如果用频率f 表示，那么，式(5-6-1)可改写为：

f y = n f x （n =1、2、3） (5-6-2)

式中，f y 为加在Y 偏转板上信号电压的频率，f x 为X 偏转板上扫描电压的频率（或周期）有多个档供选择。

由上述分析及图形的合成可以看出，要在示波器上显示稳定的波形，被测信号电压的频率f y 与扫描电压的频率f x 必须满足整数倍的关系。由于这两个电压来自不同的振荡源，它们之间的频率不会自然满足整数比的关系，因此，示波器中扫描电压的频率必须可调。当然，如果只靠人工调节很难严格满足这个关系，再加上实验过程中频率不可避免地会有所变化，不容易长时间维持住既定整数倍关系，稍有差异就造成波形不稳定，所以我们常看到示波器的波形好像在“游走”，这就是“不同步”问题。

由上可知，如果没有“扫描”，我们就看不到被测信号随时间规律变化的平面波形图像，如果没有“同步”，就看不到稳定的波形图像。

为了达到“同步”目的，示波器采用三种方式：

（1）如果整步电路直接从垂直放大电路中取出一部分待测信号加到扫描发生器，当待

图 5-6-7 T x =2T y 时合成的图形

测信号频率f y有微小变化，它将迫使扫描频率f x跟踪其变化，保证波形的完整稳定，这种方式称为“内整步”。

（2）如果从外部电路中取出信号加到扫描发生器，迫使扫描频率f x变化，保证波形的完整稳定目的，这种方式称为“外整步”。

（3）如果整步信号从电源变压器获得，则称为“电源整步”。

不论采用哪种方式，操作时，使用“电平”旋钮，可改变触发电平大小。当待测信号电压上升到触发电平时，扫描发生器便开始扫描。扫描时间的长短，由扫描速度选择开关控制。由于每次波形的扫描起点都在荧光屏上的固定位置，所以，显示的波形极为稳定。

【实验内容】

实验中使用的YB43020B型示

波器的面板控制旋钮见图5-6-8。各

个旋钮名称及其功能见

表5.6.1。

（2）调出清晰的亮点。打开电源开关，预热数分钟后，观察屏上是否有亮点，如果没

有，可适当调节“Y 轴移位”、“X 轴移位”和“辉度”旋钮。显示亮点后，调“Y 轴移位”、“X 轴移位”使亮点位置居中，调“辉度”使亮点的亮度适宜，调“聚焦”使亮点清晰(小且圆)。

2．观察单一信号波形（YB1603型）

2.1在示波器基本调节好之后，接口通道“CHI ”与信号源输出端用导线相连(信

号电压加到Y 偏转板上)。如图5-6-10。选择信号源输出的波形和频率，然后分别调节示波器的“垂直衰减（VOLTS/DIV ）”和“扫描速率（SEC/DIV ）”的档位，观察图形变化的情况。再调“扫描微调（VARIABLE ）”使波形基本稳定，调“电平”使波形进一步稳定。在屏上分别调出一个、二个、三个完整

信号源 示波器 V out

Y in

图 5-6-10

且稳定的正弦波形。

2.2测量上述信号的峰-峰值U PP ，并与信号源上的指示相比较。（垂直y “微调”这时要逆时针旋为“校正”位置，方能正确测量）例如上图，上下两个峰点之间的小方格数为n ，

则峰-峰值U PP =n ×mv/div （或v /div ）

3.3测量信号源的频率f ，并与信号源上的指示相比较。（扫描“微调”这时要逆时针

旋为“校正“位置，方能正确测量）

例如右图，任意两个相邻的峰点之间的小方格数为n ， 则周期T y =n ×ms/div （或μs/div ） f=1/T y

3．用李萨如图形测频率

用YB1603型信号发生器输出的正弦波频率作为标准信号频率，另一台YZ1901型信号源产生未知频率。在示波器上测量未知信号的正弦波频率。具体操作如下：

（1）将标准信号插头一端连接在示波器的“CH1”（X 通道）。

（2）未知信号发生器的信号接到示波器的“CH2”（Y 通道），如图5-6-11。 （3）将“扫描速率（SEC/DIV ）”置“X —Y ”档位（示波器这时处于不扫描状态）。

（4）信号发生器面板上的“波形方式选择(WA VE FORM)”开关的“～”按钮按下。

（5）在标准信号发生器上，选择合适的频率范围 (频率范围有：3，30，300，3，300k ，3MHz)，再仔细调节标准信号发生器上“频率

（FREQUENCY)”旋钮，使示波器上显示相对稳定的某闭合的图像。

调标准信号发生器上“波形幅度”旋钮，可以改变波形在水平方向的大小（如下图）。注意，图形一般不可能完全不动，只要仔细调节发生器上的频率，能使图形尽量稳定，待图像较稳定后，由标准信号发生器记下频率读数(f x )。注意小数点的位置，读数单位是kHz 。

（7）由公式

x Y

X

y f N N f 计算出未知信号频率的值。由于用不同的李萨如

图形计算出的是同一个未知频率，所以要计算f y 的平均值（不计算误差）。测量数据记录参见表5.6.2。

表 5.6.2 李萨如图形测量未知信号频率的数据记录及处理

已知源 示波器

V out

CH1

CH2 V out

未知源 图 5-6-11

【实验指导】

关于观察信号波形与李萨如图形的区别

实验中说的观察信号波形是指观察某单个电压信号随时间变化的规律是什么样的图像。而李萨如图形，是用它来测量另一个待测信号的频率的。它们共同之处都是两个互相垂直振动的合成，不同处是：前者是某单一电信号与扫描电压的合成，如图5-6-6所示。后者是两个正弦振动的合成，如图5-6-12所示，前者所用的公式是f y =nf x ，f x 不能大于f y ，后者所用的公式是f y /f x =N x /N y ，f x 可以大于f y 。由

于它们在原理上的异同，从而使它们在电路的连接、实验的操作上有所不同（见表5.6.3）。

表 5.6.3 两种实验内容的归纳

【预习思考题】

1．示波器是好的，当Y 轴输入一交变电压，发现屏幕上只出现一条垂直亮线，这时应调节哪些旋钮？如果只出现一条水平亮线，这时应调节哪些旋钮？

2．示波器上观察到的信号波形不断向左移动，分析这时的扫描电压频率偏高还是偏低？ 3．用示波器观察周期为0.2ms 的信号电压，要在屏幕上调节出3个稳定的波形，扫描电压的周期应是多少毫秒？

4．示波器上观察到的正弦波形实际上是哪两个波形的合成？ 5．示波器上观察到的李萨如图形实际上是哪两个波形的合成？

6．用示波器观察待测信号的波形和用示波器观察李萨如图形时，示波器的工作方式有什么不同？

x

图 5-6-12 两个相互垂直的正弦波合成的李萨如图形

7．用示波器观察李萨如图形时，图形不稳定，应该怎样调节？

【课后习题】

1．总结正确使用示波器的方法。

2．用示波器可以定量测量交流信号的电压峰-峰值和电压有效值，提供你一台标准信号源，你如何具体去完成测量？