1 实验十一 示波器的原理和使用 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。 【实验目的实验目的实验目的实验目的】 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。 学会使用示波器观测电信号波形和电压幅值以及频率。 学会使用示波器观察李萨如图并测频率。 【实验原理实验原理实验原理实验原理】 不论何种型号和规格的示波器都包括了如图 2-111 所示的几个基本组成部分： 示波器 （又称阴极 射线管，cathode ray tube，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。 1. 示波管的基本结构 示波管的基本结构如图 2-112 所示（其中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） 。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。 （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。 衰减器Y轴输入地外内外部输入Y 轴 电 压 放 大 器示波管X轴电压放大器锯齿波电压发生器衰减器地X轴输入1 90R109R100 RK1K2X1Y2X2Y190R9RR1 10100 图 2-11-1 示波器基本组成框图 电子枪 偏转系统H K G 1G 2Y X A 1A 2V2R 1R 2R3Y X H 调辉聚焦辅助聚焦荧光屏图 2-112 示波管结构图 2 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，从而改变了荧光屏上的光斑亮度。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焦作用，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。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。有的示波器还有“辅助聚焦” ，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：荧光屏上涂有荧光粉，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 2-11-3 所示。 （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。 这一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 01 时间内电压随时间成线性关系达到最大值，使电子束在荧光屏上产生的亮点随时间线性水平移动，最后到达荧光屏的最右端。在 12 时间内（最理想情况是该时间为零）Ux(t)突然回到起点（即亮点回到荧光屏的最左端） 。如此重复变化，若频率足够高的话，则在荧光屏上形成了一条如图 2-11-4 所示的水平亮线，即t轴。 常规显示波形：如果在Y偏转板加一正电压（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 图 2-11-3 在垂直偏转板加一 正弦交变电压 O U x t 图 2-11-4 在水平偏转板加一 扫描（锯齿）电压 O U 1 2 t3 能显示出所加正弦电压完整周期的波形图。如图 2-11-5 所示。 3同步原理 （1）同步的概念：为了显示如图 2-11-5 所示的稳定图形，只有保证正弦波到Iy点时，锯齿波正 好到i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，所以在荧光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： Tx = nTy，n = 1，2，3 其中Tx为锯齿波周期，Ty为正弦周期。若n = 3，则能在荧光屏上显示出三个完整周期的波形。 如果正弦波和锯齿波电压的周期稍微不同， 荧光屏上出现的是一移动着的不稳定图形。 这情形可用 图 2-11-6 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，荧光屏上显示正弦信号 04 点之间的曲线段；在第二周期内，显示 48 点之间的曲线 段，起点在 4 处；第三周期内，显示 811 点之间曲线段，起点在 8 处。这样，荧光屏上显示的波形每 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 每次扫描开始时波形曲线上的起点均不一样所造成的。 （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，在示波器荧光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。由于环境亮点在 轴方向的位移y （垂直输入信号 正弦波-)亮点在 轴方向的位移x （水平扫描信号 锯齿波）-荧光屏A B C D E F G H IBy By Dy Cy Ay Ey Iy Hy Gy Fy abcde fghita b c d ef g h itU图 2-11-5 波形显示原理图 图 2-11-6 U y x U x T y T t 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 t 1 6 9 2 0 5 7 4 8 7 8xyTT=4 或其它因素的影响，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。这在观察高频信号时就尤其明 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，此称为“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“外同步” 。 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，则荧光屏上将呈现特殊的 光点轨迹，这种轨迹图称为李萨如图形。图 2-11-7 所示的为fY ：fx = 2 ：1 的李萨如图形。频率比不 同的输入将形成不同的李萨如图形。图 2-11-8 所示的是频率比成简单整数比值的几组李萨如图形。从 中可总结出如下规律：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 2-11-8 中（b）或（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，便可算出另一待测信号的频率。 5. 整流滤波原理 整流电路的任务是将交流电变换成直流。 完成这一任务是靠二极管的单向导电作用， 常见的是半波、 全波、桥式整流电路。为简单起见，二极管用理想模型来处理，并以桥式整流电路图 2-11-9 为例分析， 交流电压U2,RL是要求支流供电的负载电阻。在电压U2的正、负半周（设a端为正，b端为负是正半周） 内电流通路分别用图 2-10-9 中的实线和虚线箭头表示。 通过负载RL的电流Li以及电压VL的波形如图 2-11-10 所示。显然，它们是单方向的全波脉动波形， 单个二极管的导通角为。加一滤波电容C，并联的电容C在电源供给电压升高时，能把部分能量存 储起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比较平滑，即C具有平波的作用，降 低纹波。 图 2-11-7 图 2-11-8 U Yt0 1 2 3 4 5 6 7 81 5 0 2 3 7 6 80 1 2 3 4 5 6 7 8 tU X（ ） a（ ） b（ ） d（ ） c（ ） e（ ）ff fyx=1 1f fyx=2 1f fyx=1 2f fyx=3 1f fyx=3 2f fyx=4 3a b RL C 图 2-11-9 桥式整流电路 UL iL U2 2U2 t t t LiLU图 2-11-10 负载RL的电流iL 以及电压UL的波形 5 【实验仪器实验仪器实验仪器实验仪器】 双踪示波器、信号源、直流稳压电源等。 【实验内容实验内容实验内容实验内容】 1. 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 打开电源开关，调节波形选择在“”正弦波位置。调节频率和幅度到所需的位置。 （2）示波器的使用 仪器使用时面板控制件位置（以 CH1 输入为例） ，其它按键为弹出位置，见表 2-11-1。 表 2-11-1 面板控制件位置 面板控制件 作用位置 面板控制件 作用位置 DUAL（34） CH1 FOCUS(4) 信号线变细 AC.GND.DC(29) AC TRIG MODE(16) AUTO VOLTS/DIV(33) 1 SOURCE(18) INT VARIABLE(12)(25)(32) 右旋到底 CAL SLOPE(10) + POSITION (14)(23)(35) 居中 TIME/DIV(15) 0.5ms 通过 CH1 输入从信号发生器输出 VP-P3V，频率为 5000Hz 的正弦波。调节 TRIG LEVEL（17）使波形稳定, 调节 POSITION，读出测量值。根据探头上的衰减比（10，1） ，计 算 VP-P和周期。 VP-P=AV/div T=Btime/div 式中 A 为波形在荧光屏上所占垂直格数，B 为一个波形周期在荧光屏上所占水平格数。 在读和 B 时，注意还要估读小格，旋