示波器的原理和应用

实验3-9 示波器的原理及应用

前言

示波器是经常使用的电子仪器。凡是随时间变化的各种电信号都可以用示波器来观察它们的波形，测量它们的相位、频率以及电流、电压的大小。因此一切可以转化为电量的非电信号都可以用示波器来观察。本实验主要是学习示波器的使用，利用示波器对电信号的波形进行观察，并对电信号的变化进行测量。

【实验目的】

1. 了解示波器的主要组成部分、工作原理及使用方法。

2. 会正确使用示波器展示波形，并利用其测量信号和观测李沙育（Lissajous ）图形等。

【仪器用具】

CS-4125双踪示波器，信号源

【实验原理】

电子示波器是利用电子束的偏转来复现电信号的瞬时图像的一种电子测试仪器。它能将电信号随时间迅速变化的规律以可见光的形式显示出来，这是普通的电工测试仪表所无法胜任的。示波器具有直观、灵敏、反应速度快、输入阻抗高等优点。

示波器的型号和规格很多，它们都包括下图3-9-1所示的几个基本组成部分：示波管、Y 轴系统、X 轴系统和电源等。

示波管是电子示波器的核心，如图3-9-2所示。它是一个高真空度的静电控制的电子束玻璃管。示波管的阴极被灯丝加热后发射出大量电子，这些电子穿过控制栅后，受第一、第二阳极的聚焦和加速作用，形成一束电子束，电子束通过偏转板打在示波管的荧光屏上，形成亮点。亮点的亮度与通过控制栅极中心小孔的电子密度成正比，改变控制栅极的电压，就可以改变光点亮度，此即为辉度（亮度）调节。改变聚焦阳极和加速阳极的电压可以影响电子束的聚焦程度，使光点的直径最小，图像最清晰，这就是聚焦调节。亮点在荧光屏上的位移与偏转板上所加的电压成正比，因此，亮点的运动轨迹描绘出纵偏和横偏信号合成运动规律的图像。

如果在Y 偏转板上加上电压，则两极板间就会形成一个电场。当电子束运动经过两极板中间时，由于受电场力的作用，其运动放心将发生改变，打到荧光屏上产生的光点也将发生Y 方向的位移。改变Y 偏转板的极间电压，光点的位移量也就随之改变。如果将被测信号电压加到Y 偏转板上，则光点在Y 方向的位移也就随被测信号电压的变化而变化。

X 偏转板作用原理与Y 偏转板相同，所不同的只是一般在X 偏转板上加上一个随时间线性变化的锯齿波电压，让光点在X 方向上的位移与时间成正比。

依靠这两对偏转板，电子束可以到达荧光屏的任一位置。因此，当示波管的X 、Y 偏转板上同时加上上述电压时，光点在两个方向上位移的合成就将Y 轴信号随时间变化的规律在荧光屏上显示出来了。

如图3-9-3所示，假设加在Y 偏转板上的信号是正弦电压，X 偏转板上加的是锯齿波电压，且T x =2T y ，则在t o 时刻， U x =U y =0，光点在荧光屏上O 点（也称起始扫描点）；在t 0~t 1期间，U x 由U x 上升到U x 1，光点沿水平方向运动到x 1点；同时，U y 随时间变0

化到U ym ，使光点沿y 方向运动到y m ，二者合成运动到1点。同理，在t 1-t 2-... -t 8期间，荧光屏上光点将顺序运动到2，3，…，8点。在t 8时刻，U x 由U x 突变为U x ，而U y 80

不变，则光点由点8跳回到原起始扫描点O （光点这样一个往复运动过程就称为一次扫描）。从t 8时刻开始，U y 继续按其原规律变化，而U x 重新由U x 上升到U x 1, U x 2, …，U x ，反08映到荧光屏上就是光点又重复上一次的扫描。

这样，我们只要保证每一次扫描的起始点重合，且让重复扫描的频率高于人眼的分辨率（约25Hz ），荧光屏上就会看到一个稳定的波形。

示波器的Y 轴系统用来放大Y 轴输入信号的幅度，以供给Y 偏转板一个合适的工作电压。调节它的增益，可以改变单位输入电压所引起的光点在Y 方向上的偏转距离（即Y 轴灵敏度s y ）。

X 轴系统的主要作用是产生一个随时间线性变化的锯齿波电压（又称扫描电压），经放大后加到X 偏转板，形成一条时间轴线。调节扫描电压的斜率（∆u ∆t ），可以改变单位时间内光点在X 方向上的偏转距离（即扫描速率v x ）。X 轴系统的另一个作用是作为X 外输入信号的放大器，以得到适当的幅度（电压）送到X 偏转板，与Y 轴信号垂直合成。

从上所述可见：

（1）要想得到Y 轴输入电压的图形，必须加上横偏扫描电压，把输入信号电压的垂直振动“展开”来，这个展开过程称为“扫描”。如果扫描电压与时间呈线性变化（锯齿波扫描），则称为线性扫描。线性扫描能把输入电压波形如实地描绘出来。就像利用一条水平匀速运动的纸带来把作简谐运动的漏斗的沙子展开来得到简谐运动曲线一样。如果横偏电压加非锯齿波电压，则称为非线性扫描，扫描出来的波形将不是原来的波形。

（2）只有输入电压与横偏扫描电压的周期严格形同，或者后者是前者的整数倍时，图形才会稳定（表示每次扫描起点相同，打出来的点在同一个位置重合）。也就是说，构成稳定波形的条件是横偏扫描电压的周期T x 与输入纵偏电压的周期T y 之比为整数，即：

T x =n （n=1,2,3,…） T y

这时示波器上显示n 个稳定波形，n 代表完整波形的数目。然而，两个独立发生的电振荡频率在技术上难以调节成准确的整数倍，克服的办法通常是用Y 轴输入信号频率去控制扫描发生器的频率，使扫描周期准确地等于输入信号周期或成整数倍。电路的这个控制作用，称为“整步”或“同步”。上述用Y 轴输入信号频率控制扫描电压频率实现的同步称为“内同步”；用外加信号频率控制扫描发生器的频率而实现的同步则称为“外同步”。同步功能的实现是由示波器上的“TRIGGERING ”功能区来完成的。

（3）如果Y 轴加正弦输入信号，横偏也加正弦扫描电压，则一般情况下光点的运动非常复杂，但只要两个交流电压的频率成整数比，光点便可描绘出李萨育图形（Lissajous ），这时两个互相垂直的简谐振动合成的运动图形。图3-9-4给出了不同频率比的李萨育图形。

李萨育图形即可以用来测量频率，还可以用来测量相位差，功率等。本实验讨论用其测量频率的方法。测量关系式为：f y

f x n x n y

式中：f y , f x 分别为Y 方向和X 方向上输入信号的频率，n x 和n y 分别为李萨育图形假想外方框横方向和垂直方向上的切点数。只要知道Y 或X 方向上的某个频率，利用李萨育图形和上述关系式就可得到另一个未知频率。

应该指出，若两个正弦电压信号是彼此独立的，其李萨育图形是调不到稳定不动的。因此李萨育图形方法测频率法只适合频率较低，两频率相近的情况下。

最后对本实验所用的示波器CS-4125进行简单介绍（见图3-9-5）：

(1)CRT：显示范围为垂直8div(80mm)，水平10div(100mm)。1div=1cm=1大格。

(2)POWER ON/OFF：示波器电源开关。

(3)电源指示灯

(4)CAL端子：标准方波输出端，正极性1V P-P ，1000Hz ，校准示波器用。

(5)INTENSITY：调整显示亮线的亮度。

(6)FOCUS：清晰度调节。

(7)TRACE ROTA ：调整水平亮线的倾角。当水平亮线水平度受地磁作用影响时，可用起子来调整此电位器使其水平。

(8)GND：接地端，与其他仪器共同接地时使用。

(9)POSITION：调整屏幕上CH1波形的垂直位置。

(10)VOLTS/DIV：CH1端的垂直灵敏度调节旋钮。此旋钮可在1-2-5级数间切换。将V ARIABLE 旋钮旋至CAL 位置时，可得到校准的垂直灵敏度大小。在X-Y 状态下则是Y 轴衰减器。

(11)VARIABLE：CH1垂直灵敏度微调旋钮。

(12)AC-GND-DC：用以选择CH1垂直输入信号的耦合方式。

AC ：AC 耦合。只允许交流信号通过，若有直流成分或f

DC ：直接耦合。将交直流信号同时加入到输入端。

(13)CH1 INPUT：CH1垂直信号输入端。在X-Y 情况下则是Y 轴的输入端。

(14) POSITION：调整屏幕上CH2波形的垂直位置。

(15) VOLTS/DIV：CH2端的垂直灵敏度调节旋钮。此旋钮可在1-2-5级数间切换。将V ARIABLE 旋钮旋至CAL 位置时，可得到校准的垂直灵敏度大小。在X-Y 状态下则是Y 轴衰减器。

(16) VARIABLE ：CH2垂直灵敏度微调旋钮。

(17) AC-GND-DC：用以选择CH2垂直输入信号的耦合方式。

(18) CH1 INPUT：CH2垂直信号输入端。在X-Y 情况下则是X 轴的输入端。

(19)VERTICAL MODE：用以选择输入信号显示方式。

CH1：仅显示CH1端输入的信号。

CH2：仅显示CH2端输入的信号。

ALT ：每次扫描交替显示CH1及CH2信号。

CHOP ：断续扫描CH1和CH2信号，即与CH1和CH2输入信号频率无关，而以150KH

在两个信道之间切换显示。仅适合用于观察低频信号。

ADD ：显示CH1及CH2输入信号的合成波形，即CH1+CH2或CH1-CH2。

注：ALT 与CHOP MODE 的区别：仅由显示时间加以区分。在CHOP MODE 仅将两信

道细分，然后在两信道间交替显示，并非完全扫描完一个信道再显示另一个信道，通常用于小于1ms/div的低速扫描即闪动率小的观测中。而ALT MODE 方式则在每次扫描完后交替切换显示，故各信道显示比较鲜明，通常用于高速扫描上。

(20)CH2 INV：CH2输入信号极性反相按键。

(21)X-Y：CH2水平垂直切换开关。当按下此钮时，VERTICAL MODE的设定不再有效，而

将CH1变为Y 轴，CH2变为X 轴。

(22)TRIGGERING MODE：同步触发方式选择。

AUTO ：由触发信号启动扫描，若无触发信号则显示FREE RUN亮线。

NORM ：由触发信号启动扫描，但与AUTO 不同的是，若无正确的触发信号则不会显

示水平扫描亮线。

FIX ： 将同步电平LEVEL 固定。此时的同步与（25）LEVEL 无关，每次扫描固定电

平为0左右开始。

TV-FRAME ：将电视复合信号中的垂直同步脉冲分离出来与触发电路结合来使波形同

步。

TV-LINE ：将电视复合信号中的水平同步脉冲分离出来与触发电路结合来使波形同步。

(23)SOURCE：触发信号来源选择。

VERT MODE

CH1：触发信号源为CH1端输入的信号。

CH2：触发信号源为CH2端输入的信号。

LINE ：触发信号源为市电。

EXT ：触发信号源为外部接入的信号（TRIGGER EXT．TRIG ）

(24)SLOPE：升降沿的选择。用于选择触发扫描信号的升降沿选择。当此按钮凸出时，采用

触发信号的上升沿进行触发；当按下此钮时采用触发信号的下降沿进行触发。

(25)LEVEL：触发电平调节旋钮。用以选择从哪一点开始扫描。

(26)EXT．TRIG ：外部触发信号输入端。

(27)POSITION：调整显示波形的水平位置。

(28)SWEEP TIME/DIV：水平扫描灵敏度调节旋钮。可在0.2μs/div~0.5s/div之间以1-2-5级

数调整，共有20种变化。

(29)VARIABLE ：水平扫描灵敏度微调旋钮。

(30)×10MAG ：水平波形扩大10倍按钮。

【实验内容】

1． 利用示波器自身的标准方波对示波器进行校准

2． 利用示波器的CH1或CH2来观察和测量信号

3． 观察李沙育图形并用其测量未知频率

电子束在屏幕上同时做两个相互垂直的简谐运动时，其合成轨迹随着它们的频率比值的不同，而得出一系列图形。

4． 利用“似李沙育”图形来测量相位差（选做）

【数据处理】

2．利用示波器的CH1或CH2来观察和测量信号，并推导出上述三种波形系数（即

4． 利用“似李沙育”图形来测量相位差（选做）

【预习思考】

1. 开机后，应正确使用哪些旋钮，使屏幕上显示一个亮度适中、聚焦清晰、长度适中、

位置适中的扫描线？在荧光屏上能观察到示波器产生的锯齿波吗？

2. 在观察正弦信号时，波形向左运动，应增加扫描频率还是减少扫描频率？在观察李

萨育图形时，为获得稳定的图形，你能从图形变化的情况判断Y 通道信号频率是偏大还是偏小吗？

3. 欲把75Hz 的正弦电压稳定地显示出五个周期长的波形图，试问：（1）X 轴应加什么

波形电压，其频率为多少？要使波形稳定且不发生畸变，选用何种扫描方式，调节哪些旋钮？（3）显示这样的5个较低频率的波形时，其波形显得比较闪烁（相比较高频率的信号如750Hz ），其原因是什么？

4. 显示75Hz 两个周期的正弦波形后，观察：（1）把SLOPE 置于上升沿，调节LEVEL ，

从0逐渐调至最大值，看波形所受的影响。（2）把SLOPE 置于下降沿，调节LEVEL ，观看波形图，分析其原因。

5. 你所观测到的5个周期波形图，前后相邻的半波，其长度是否相等？设想把整个波

形图的首尾衔接，能否构成5个完整的周期波形图？

【习题】

1. 填空题：当欲用示波器显示电压随时间变化的波形图时，被显示电压应由________

两端钮输入示波器，通过Y 通道加在示波管的两_________偏转板间；__________偏转板间应加__________形电压；经________和__________两步调节便可在屏上显示________波形图。

当欲用示波器显示李萨育图形时，应把两个______信号分别输入到示波器，并经各自通道到达_______两偏转板间；在频率关系满足__________条件时，便可在屏上显示______________的李萨育图形。

2. 假设示波器的信号Y=0.050cm/mV，现欲显示一个峰值为40mV 的余弦电压的波形，

其波形的峰-峰值长度共是多少cm ？如果被显示的电压的有效值为30mV ，其波形图的峰-峰值高度又是多少？

3. 请推导出频率之比为1：1的李萨育图形的轨迹方程（假定两信号之间的相位差为0）。

4. 示波器的偏转灵敏度远比示波管的偏转灵敏度高，为什么？