示波器原理与使用|大学物理实验

示波器是一种用途广泛的基本电子测量仪器，用它能观察电信号的波形、幅度和频率等电参数。用双踪示波器还可以测量两个信号之间的时间差，一些性能较好的示波器甚至可以将输入的电信号存储起来以备分析和比较。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）了解示波器的基本结构和工作原理，掌握使用示波器和信号发生器的基本方法。

（2）学会使用示波器观测电信号波形和电压幅值以及频率。

（3）学会使用示波器观察李萨如图并测频率。

【实验原理】

不论何种型号和规格的示波器都包括了如图7-1所示的几个基本组成部分：示波管（又称阴极射线管，CathodeRayTube，简称CRT）、垂直放大电路 （Y 放大）、水平放大电路（X放大）、扫描信号发生电路 （锯齿波发生器）、自检标准信号发生电路 （自检信号）、触发同步电路、电源等。

图7-1　示波器结构图

1.示波管的基本结构

示波管的基本结构如图7-2所示，主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成，全都密封在玻璃壳体内，里面抽成高真空。

图7-2　示波管结构图

H—灯丝；K—阴极；G1，G2—控制栅极；A1—第一阳极；A2—第二阳极；Y—竖直偏转板；X—水平偏转板

（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。控制栅极是一个顶端有小孔的圆筒，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栅极顶端的小孔，然后在阳极加速下奔向荧光屏。示波器面板上的“辉度”调整就是通过调节电位以控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变屏上的光斑亮度。阳极电位比阴极电位高很多，电子被它们之间的电场加速形成射线。当控制栅极、第一阳极与第二阳极电位之间电位调节合适时，电子枪内的电场对电子射线有聚集作用，所以，第一阳极也称聚集阳极。第二阳极电位更高，又称加速阳极。面板上的 “聚集”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。有的示波器还有“辅助聚集”，实际是调节第二阳极电位。

（2）偏转系统。它由两对互相垂直的偏转板组成，一对竖直偏转板，一对水平偏转板。在偏转板上加以适当电压，电子束通过时，其运动方向发生偏转，从而使电子束在荧光屏上产生的光斑位置也发生改变。

（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 （一般称为余辉时间）也不同。荧光屏前有一块透明的、带刻度的坐标板，供测定光点的位置用。在性能较好的示波管中，将刻度线直接刻在荧光屏玻璃内表面上，使之与荧光粉紧贴在一起以消除视差，光点位置可测得更准。

2.波形显示原理

（1）仅在垂直偏转板（Y 偏转板）加一正弦交变电压：如果仅在Y 偏转板加一正弦交变电压，则电子束所产生的亮点随电压的变化在y方向来回运动，如果电压频率较高，由于人眼的视觉暂留现象，则看到的是一条竖直亮线，其长度与正弦信号电压的峰—峰值成正比，如图7-3所示。

图7-3　在垂直偏转板加一正弦交变电压

图7-4　在水平偏转板加一扫描 （锯齿）电压

（2）仅在水平偏转板加一扫描（锯齿）电压。为了能使y方向所加的随时间t变化的信号电压uy（t）在空间展开，需在水平方向形成一时间轴。时间t轴可通过在水平偏转板加一如图7-4所示的锯齿电压ux（t），由于该电压在0～1时间内电压随时间呈线性关系达到最大值，使电子束在屏上产生的亮点随时间线性水平移动最后到达屏的最右端。在1～2时间内 （最理想情况是该时间为零）ux 突然回到起点 （即亮点回到屏的最左端）。如此重复变化，若频率足够高的话，则在屏上形成了一条如图7-4所示的水平亮线，即t轴。

（3）常规显示波形。如果在Y偏转板加一正弦电压（实际上任何所想观察的波形均可）同时在X 偏转板加一锯齿电压，电子束受竖直、水平两个方向的力的作用下，电子的运动是两相互垂直运动的合成。当两电压周期具有合适的关系时，在荧光屏上将能显示出所加正弦电压完整周期的波形图，如图7-5所示。

图7-5　波形显示原理图

3.同步原理

（1）同步的概念。为了显示如图7-5所示的稳定图形，只有保证正弦波到Iy 点时，锯齿波正好到Ix 点，从而亮点扫完了一个周期的正弦曲线。由于锯齿波这时马上复原，所以亮点又回到A点，再次重复这一过程，光点所画的轨迹和第一周期的完全重合，所以在屏上显示出一个稳定的波形，这就是所谓的同步。

由此可知同步的一般条件为

式中 Tx——锯齿波周期；

Ty——正弦周期。

若n=3，则能在屏上显示出3个完整周期的波形。

如果正弦波和锯齿波电压的周期稍微不同，屏上出现的是一移动着的不稳定图形。这种情形可用图7-6说明。设锯齿波形电压的周期Tx 比正弦波电压周期Ty 稍小，比方说Tx=nTy，n=7/8。在第一扫描周期内，屏上显示正弦信号0～4点之间的曲线段；在第二周期内，显示4～8点之间的曲线段，起点在4处；第三周期内，显示8～11点之间曲线段，起点在8处。这样，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Tx比Ty 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成整数倍，以致每次扫描开始时波型曲线上的起点均不一样所造成的。

图7-6　Tx = （7/8）Ty 时的波

（2）手动同步的调节。为了获得一定数量的稳定波形，示波器设有 “扫描周期”、“扫描微调”旋钮，用来调节锯齿波电压的周期Tx（或频率fx），使之与被测信号的周期Ty（或频率fy）成整数倍关系，从而，在示波器屏上得到所需数目的完整被测波形。

（3）自动触发同步调节。输入Y 轴的被测信号与示波器内部的锯齿波电压是相互独立的。由于环境或其他因素的影响，它们的周期（或频率）可能发生微小的改变。这时虽通过调节扫描旋钮使它们之间的周期满足整数倍关系，但过了一会可能又会变，使波形无法稳定下来，这在观察高频信号进尤其明显。为此，示波器内设有触发同步电路，它从垂直放大电路中取出部分待测信号，输入到扫描发生器，迫使锯齿波与待测信号同步，称为“内同步”。操作时，首先使示波器水平扫描处于待触发状态，然后使用 “电平” （LEVEL）旋钮，改变触发电压大小，当待测信号电压上升到触发电平时，扫描发生器才开始扫描。若同步信号是从仪器外部输入时，则称为“外同步”。

图7-7　fy∶fx=2∶1的李萨如图形

4.李萨如图形的原理

如果示波器的X 和Y 输入是频率相同或成简单整数比的两个正弦电压，则屏上将呈现特殊的光点轨迹，这种轨迹图称为李萨如图。图7-7所示为fy∶fx=2∶1的李萨如图形。频率比不同的将形成不同的李萨如图形。图7-8所示为频率比成简单整数比值的几组李萨如图形。根据图7-8可总结出如下规律：如果作一个限制光点x、y方向变化范围的假想方框，则图形与此框相切时，横边上切点数nx 与竖边上的切点数ny 之比恰好等于Y和X输入的两正弦信号的频率之比，即fy∶fx=nx ∶ny。但若出现图7 8（b）或7-8（f）所示的图形，有端点与假想边框相接时，应把一个端点计为1/2个切点。所以利用李萨如图形能方便地比较两正弦信号的频率。若已知其中一个信号的频率，数出图上的切点数nx 和ny，便可算同另一待测信号的频率。

图7-8　fy∶fx=nx∶ny 的几种李萨如图形

（a）fy/fx=1/1；（b）fy/fx=2/1；（c）fy/fx=1/2；（d）fy/fx=3/1；（e）fy/fx=3/2；（f）fy/fx=4/3

【实验仪器】

（1）YB4320G双踪示波器（面板分布图及功能请参见附1）。

（2）YB1634功率函数信号发生器（面板分布图及功能请参见附2）。

【实验内容】

1.校准示波器

（1）示波器面板控制件的预置见表7-1。

（2）打开电源开关，调节辉度和聚焦旋钮，使光迹最细最清晰；调节CH1垂直位移、水平位移和光迹旋钮，将扫线调到居中并与水平中心刻度平行。

（3）将探极连线分别连接CH1输入端和2UP-P校准信号端，调节CH1垂直位移和水平位移到适中位置，使显示的方波波形对准刻度线，最后读出电压幅度UP-P和周期（T）。计算UP-P和周期为

表7-1　仪器使用时面板控制件位置(以CH1输入为例)，其他按键为弹出位置

式中 A——波形在屏上所占垂直格数；

B——一个波形周期在屏上所占水平格数。

在读A和B 时，注意还要估读小格，VOLTS/DIV和A TIME/DIV旋钮每一级对应一大格，每一大格分为5小格。

2.观测信号波形并测量峰—峰电压值和频率

（1）信号发生器的调节见表7-2。

表7-2　仪器使用时面板控制件位置，其他按键为弹出位置

（2）用信号线一头连接信号发生器的电压输出端口 （VOLTAGE OUT），另一头连接示波器的CH1输入端，示波器的面板控制件位置同上。

（3）选择不同波形、不同频率、不同幅度的信号进行观察和测量，测量方法同上。注意，为了提高测量精度，测量时应调节示波器的VOLTS/DIV和A TIME/DIV旋钮，使波形上下、左右达到最大，但不能超出屏幕显示范围，并至少要显示一个完整的波形。

3.观绘李萨如图形

（1）用两根信号线分别从两台信号发生器的电压输出端口 （VOLTAGE OUT）连接到示波器的CH1（X）输入端和CH2（Y）输入端，信号发生器的波形开关 （WAVEFORM）置于“∽”正弦波。

（2）示波器的垂直方式开关置于“CH2”，触发源开关置于“CH1”。

（3）按下示波器的X—Y （11）键，分别观察fy∶fx=1∶1、1∶2、2∶3的李萨如图形，描绘fy∶fx=4∶1的李萨如图形。

【实验结果与数据处理】

（1）校准示波器，观察波形及电压和频率的测量（见表7-3）。

（2）在作图纸上描绘fy∶fx=4∶1的李萨如图形。

表7-3　校准示波器实验数据

【思考题】

（1）如果被观测的图形不稳定，出现向左移或向右移的原因是什么？ 该如何使之稳定？

（2）观察李萨如图形时，能否用示波器的“同步”把图形稳定下来？李萨如图形为什么一般都在动？主要原因是什么？

（3）什么是同步？实现同步有几种调整方法？如何操作？

（4）若被测信号幅度太大 （在不引起仪器损坏的前提下）则在示波器上看到什么图形？要完整显示，应如何调节？

（5）示波器能否用来测量直流电压？如果能测，应如何进行？

（6）如果Y轴信号的频率fy 比X 轴信号的频率fx 大很多，示波器上会看到什么情形？相反fy 比fx 小很多，又会看到什么情形？

（7）若被测信号幅度太大（在不引起仪器损坏的前提下），则在屏幕上看到什么情形？(www.chuimin.cn)

附1： A YB4320G 双踪示波器面板分布图及功能

YB4320G双踪示波器面板分布图如图7-9所示。

1.主机电源

（1）电源开关（POWER）（9）。将电源开关按键弹出即为 “关”位置，将电源接入，按电源开关，以接通电源。

（2）电源指示灯（8）。电源接通时指示灯亮。

（3）辉度旋钮 （INTENSITY） （2）。顺时针方向旋转旋钮，亮度增强。接通电源之前将该旋钮逆时针方向旋转到底。

（4）聚焦旋钮（FOCUS）（4）。用亮度控制钮将亮度调节至合适的标准，然后调节聚集控制钮直至轨迹达到最清晰的程度，虽然调节亮度时聚集可自动调节，但聚集有时也会轻微变化。如果出现这种情况，需重新调节聚集。

图7-9　YB4320G双踪示波器面板分布图

（5）光迹旋转旋钮（TRACEROTATION）（5）。由于磁场的作用，当光迹在水平方向轻微倾斜时，该旋钮用于调节光迹与水平刻度线平行。

（6）显示屏（45）。仪器的测量显示终端。数据 （1）校准信号输出端子 （CAL）提供1kHz±2%，2UP—P±2%方波作本机Y轴、X轴校准用。

2.垂直方向部分

（1）通道1输入端 [CH1INPUT （X）] （13）。该输入端用于垂直方向的输入。在X—Y方式时输入端的信号成为X 轴信号。

（2）通道2输入端[CH2INPUT （Y）]（17）。和通道1一样，但在X—Y 方式时输入端的信号仍为Y轴信号。

（3）交流—直流—接地耦合选择开关 （AC—DC—GND）。 （11、12、16、18）。选择输入信号与垂直放大器的耦合方式。

1）交流（AC）：垂直输入端由电容器来耦合。

2）接地（GND）：放大器的输入端接地。

3）直流（DC）：垂直放大器的输入端与信号直接耦合。

（4）衰减器开关（VOLTS/DIV）（10、15）。用于选择垂直偏转灵敏度的调节。如果使用的是10∶1的探头，计算时将幅度×10。

（5）垂直微调旋钮 （VARIBLE） （14、19）。垂直微调用于连续改变电压偏转灵敏度，此旋钮在正常情况下应位于顺时针方向旋转到底的位置。将旋钮逆时针方向旋转到底，垂直方向的灵敏度下降到2.5倍以下。

（6）垂直移位（POSITION）（43、40）。调节光迹在屏幕中的垂直位置。

（7）垂直方式工作开关（42）。选择垂直方向的工作方式。

1）通道1选择（CH1）：屏幕上仅显示CH1的信号。

2）通道2选择（CH2）：屏幕上仅显示CH2的信号。

3）双踪选择（DUAL）：同时按下CH1和CH2按钮，屏幕上会出现双踪并自动以断续或交替方式同时显示CH1和CH2上的信号。

4）叠加（ADD）：显示CH1和CH2输入电压的代数和。

（8）CH2极性开关（INVERT）（39）。按此开关时CH2显示反相电压值。

3.水平方向部分

（1）主扫描时间因数选择开关 （A TIME/DIV） （20）。共20挡，在0.1μs/div～0.5s/div范围选择扫描速率。

（2）X—Y控制键（30）。如X—Y工作方式时，垂直偏转信号接入CH2输入端，水平偏转信号接入CH1输入端。

（3）扫描非校准状态开关键（21）。按入此键，扫描时基进入非校准调节状态，此时调节扫描微调有效。

（4）扫描微调控制键（VARIBLE）（24）。此旋钮以顺时针方向旋转到底时处于校准位置，扫描由TIME/DIV开关指示。该旋钮逆时针方向旋转到底，扫描减慢2.5倍以上。正常工作时，21键弹出，该旋钮无效，即为校准状态。

（5）水平位移（POSITION）（35）。用于调节轨迹在水平方向移动。顺时针方向旋转该旋钮向右移动光迹，逆时针方向旋转向左移动光迹。

（6）扩展控制键（MAG×5）（36）。按下去时，扫描因数×5扩展，扫描时间是TIME/DIV开关指示数值的1/5。

（7）延时扫描B时间系数选择开关（BTIME/DIV）（37）。共12挡，在0.1μs/div～0.5ms/div范围选择B扫描速率。

（8）水平工作方式选择（HORIZDISPLAY）（41）。

1）主扫描（A）：按入此键主扫描单独工作，用于一般波形观察。

2）A加亮（AINT）：选择A扫描的某区段扩展为延时扫描。可用此扫描方式与A扫描相对应的B扫描区段（被延时扫描）以高亮度显示。

3）被延时扫描（B）：单独显示被延时扫描B。

4）B触发（BTRIG’D）：选择连续延时扫描和触发延时扫描。

4.触发系统 （TRIGGER）

（1）触发源选择开关（SOURCE）（29）。选择触发信号源。

1）通道1触发 （CH1，X—Y）：CH1通道信号是触发信号，当工作方式在X—Y时，波动开关应设置于此挡。

2）通道2触发（CH2）：CH2上的输入信号是触发信号。

3）电源触发（LINE）：电源频率成为触发信号。

4）外触发（EXT）：触发输入上的触发信号是外部信号，用于特殊信号的触发。

（2）交替触发（ALTTRIG）（27）。在双踪交替显示时，触发信号交替来自于两个Y通道，此方式可用于同时观察两路不相关信号。

（3）外触发输入插座（EXTINPUT）（26）。用于外部触发信号的输入。

（4）触发电平旋钮 （TRIG LEVEL） （33）。用于调节被测信号在某选定电平触发同步。

（5）电平锁定（LOCK）（32）。无论信号如何变化，触发电平自动保持在最佳位置，不需人工调节电平。

（6）释抑（HOLDOFF）（34）。当信号波形复杂，用电平旋钮不能稳定触发时，可用此旋钮使波形稳定同步。

（7）触发极性按钮（SLOPE）（25）。触发极性选择，用于选择信号的上升沿和下降沿触发。

（8）触发方式选择（TRIG MODE）（31）。

1）自动（AUTO）：在自动扫描方式时扫描电路自动进行扫描；在没有信号输入或输入信号没有被触发同时，屏幕上仍然可以显示扫描基线。

2）常态（NORM）：有触发信号才能扫描，否则屏幕上无扫描显示；当输入信号的频率低于50Hz时，请用常态触发方式。

3）复位键（RESET）：当 “自动”与 “常态”同时弹出时为单次触发工作状态，当触发信号来到时，准备 （READY）指示灯亮，单次扫描结束后熄灭，按复位键 （RESET）下后，电路又处于待触发状态。

（9）触发耦合（COUPLING）（28）。根据被测信号的特点，用此开关选择触发信号的耦合方式。

1）交流（AC）：这是交流耦合方式，触发信号通过交流耦合电路，排除了输入信号中的直流成分的影响，可得到稳定的触发。

2）高频抑制 （HFREJ）：触发信号通过交流耦合电路和低通滤波器作用到触发电路，触发信号中的高频成分被抑制，只有低频信号部分能作用到触发电路。

3）电视（TV）：TV触发，以便于观察TV视频信号，触发信号经交流耦合通过触发电路，将电视信号送到同步分离电路，拾取同步信号作为触发扫描用，这样视频信号能稳定显示。TV—H用于观察电视信号中行信号波形，TV—V用于观察电视信号中场信号波形。注意：仅在触发信号为负同步信号时，TV—V和TV—H同步。

4）直流（DC）：触发信号被直接耦合到触发电路，当触发需要触发信号的直流部分或需要显示低频信号以及信号空占比很小时，使用此种方式。

附2： YB1634功率函数信号发生器面板分布图及功能

YB1634功率函数信号发生器面板分布图如图7-10所示。

（1）电源开关（POWER）：将电源开关按键弹出即为 “关”位置，将电源接入，按电源开关，以接通电源。

（2）LED显示窗口：此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。

（3）频率调节旋钮（FREQUENCY）：调节此旋钮改变输出信号的频率。

（4）对称性（SYMMETRY）：对称性开关及对称性调节旋钮，将对称性开关按入，对称性指示灯亮，调节对称性旋钮，可改变波形的对称性。

（5）波形选择开关（WAVEFORM）：按入对应波形的某一键，可选择需要的输出波形；三只键都未按，无信号输出，此时为直流电平。

（6）衰减开关 （ATTE）：电压输出衰减开关，有20dB和40dB两键，同时按入为60dB。

图7-10　YB1634功率函数信号发生器面板分布图

（7）频率范围选择开关：亦即频率量程开关，根据需要的频率，按下其中一键。

（8）功率输出开关（POWEROUT）：按下此键，功率指示灯变绿色，如果该指示灯由绿色变为红色，则说明输出短路或过载。

（9）功率输出端：为电路负载提供功率输出，负载应为纯电阻。如果是感性或容性负载，应串入10W/50Ω左右电阻 （最大幅度输出时），如果是40UP—P，可选择40Ω的电阻等。

（10）直流偏置（OFFSET）：按入直流偏置开关，直流偏置指示灯亮，此时调节直流偏置调节旋钮，可改变直流电平。

（11）幅度调节旋钮 （AMPLITUDE）：调节此旋钮，可改变 “电压输出”和 “功率输出”的输出幅度。

（12）外测开关（COUNTER）：按入此开关，LED显示窗显示外测信号频率。

（13）电压输出端口（VOLTAGEOUT）：电压输出由此端口输出。

（14）EXT.COUNTER端口：外测信号输入端口。

（15）TTLOUT端口：由此端口输出TTL信号。

（16）单次开关（SINGLE）：当单次 “SGL”开关按入，单次指示灯亮，仪器处于单次状态，每按一次触发“TRIG”键，电压输出端口就输出一个单次波形。