示波器的原理及使用

1、實驗411示波器的原理及使用示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器，它可以直接觀察電信號的波形，測量電壓 的幅度、周期（頻率）等參數(shù)。用雙蹤示波器還可以測量兩個信號之間的時間差或相位差，一 些性能較好的示波器甚至可以將輸入的電信號存儲起來以備分析和比較。在實際應(yīng)用中凡是 能轉(zhuǎn)化為電壓信號的電學(xué)量和非電學(xué)量 （如壓力、溫度、磁感應(yīng)強(qiáng)度、光強(qiáng)等）都可以用示波器來觀測。【實驗?zāi)康摹? . 了解示波器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握示波器和信號發(fā)生器的基本使用方法。2 .學(xué)會使用示波器觀察電信號波形，測量電壓幅值及頻率。3 .掌握利用李薩如圖形測量頻率的實驗方法?！緦嶒炘怼坎徽摵畏N型號和規(guī)格的示波器都包括

2、了如圖 4-11-1所示的幾個基本組成部分： 示波管（又 稱陰極射線管，cathode ray tube,簡稱CRT）、垂直放大電路（Y放大）、水平放大電路（X放 大）、掃描信號發(fā)生電路（鋸齒波發(fā)生器）、自檢標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生電路 （自檢信號）、觸發(fā)同步電 路、電源等。自檢標(biāo)港信號 發(fā)生電路接地x軸電壓放大器Y軸電壓放大事電源CEU外部輸入觸發(fā)同步身齒波 電壓 發(fā)生器真福器入釉輅入接地三法源開關(guān)）圖 4-11-1至各系第示波器基本組成框圖1 .示波原理在中學(xué)物理課中有一個演示振動圖形的沙斗實驗，裝置如圖 4-11-2所示。圖中P為平面 板，能在X方向上作勻速直線運動。S為沙斗，斗內(nèi)裝上細(xì)沙，細(xì)沙能從

3、斗的下端慢慢漏出，沙斗通過細(xì)繩連接在支架H上，構(gòu)成單擺。假定此單擺在與 X的垂直方向Y上振動，P在X方向勻速運動，那么在平面板上將有漏沙的徑跡，這 就是單擺的振動圖線一一正弦曲線。根據(jù)曲線和勻速 運動的速率V不難求得振動周期（或頻率）和振幅等 物理量的大小。示波器的示波原理和沙斗實驗中平面板上漏沙徑 跡的道理相同。1）如果僅在垂直偏轉(zhuǎn)板上（Y偏轉(zhuǎn)板）加正弦 交變電壓U y（t）,則電子束在熒光屏上所產(chǎn)生的亮點 位置隨著電壓在y方向作往復(fù)運動。如果電壓頻率較 高，由于人眼的視覺暫留現(xiàn)象，則看到的是一條豎直圖4-11-3 垂直偏轉(zhuǎn)板加正弦交變電壓樸于杰點在y軸方向的位移（垂宜忸人信號一正強(qiáng)波J圖4

4、-11-5 波形顯示原理圖亮線，其長度與正弦交變電壓的峰一谷值vPj成正比。如圖4-11-3所示。2）如果在水平偏轉(zhuǎn)板（X偏轉(zhuǎn)板）加上掃描發(fā)生器所輸出的掃描（鋸齒）電壓 U x（t）, 則能使y軸方向所加的被觀察信號電壓 U y （t）在空間展開，與沙斗實驗中的平面板P有同樣的作用。即在水平方向形成一個時間軸（ t軸），這個時間軸的掃描周期可通過加在水平偏轉(zhuǎn)板上的鋸齒電壓Ux（t）調(diào)節(jié)。如圖4-11-4所示，由于鋸齒電壓在 01時間內(nèi)與時間成線性關(guān) 系達(dá)到最大值，使電子束在熒光屏上產(chǎn)生的亮點隨時間線性水平移動，最后到達(dá)熒光屏的最 右端，在12時間內(nèi)（最理想情況是該時間段為零）Ux（t）突然回到

5、起點，即亮點回到熒光屏的最左端。如此重復(fù)變化，若僅在水平偏轉(zhuǎn)板加一頻率足夠高的鋸齒電壓，則在熒光屏上 形成一條水平亮線，即t軸。常規(guī)顯示波形：如果在 Y偏轉(zhuǎn)板加正弦交變電壓（實際上任何所想觀察的波形均可）的 同時，在X偏轉(zhuǎn)板加鋸齒電壓，則電子束受豎直、水平兩個方向的電場力的作用，電子束進(jìn) 行兩種相互垂直運動的合成運動。當(dāng)兩種電壓周期相同時，在熒光屏上將能顯示出Y偏轉(zhuǎn)板上所加正弦電壓的一個完整周期波形。如圖4-11-5所示。2 .同步原理1）同步的概念：為了顯示如圖 4-11-5所示的穩(wěn)定圖形，只有保證正弦信號到H點時，鋸齒波正好到h點，從而亮點掃完了一個周期的正弦曲線。由于鋸齒波這時馬上復(fù)原，

6、所以 亮點又回到0點，再次重復(fù)這一過程。光點所畫的軌跡和第一周期的完全重合，所以在熒光 屏上顯示出一個穩(wěn)定的波形，這就是所謂的同步。由此可知同步的一般條件為：圖4-11-6紊亂的波形Tx =nTy , （ n =1, 2, 3,）。其中Tx為鋸齒波周期，Ty為正弦信號周期。 就是說：若掃描電壓的周期是被觀察信 號的n倍時，則在熒光屏上顯示出 n個 完整周期的穩(wěn)定波形。若掃描電壓的周 期不是被觀察信號的n倍時，則熒光屏 上的波形就不會穩(wěn)定，而是紊亂的。如 圖4-11-6所示。2）手動同步的調(diào)節(jié)：為了獲得一定數(shù)量的穩(wěn)定波形，示波器設(shè)有掃描周期調(diào)節(jié)旋鈕，用來調(diào)節(jié)鋸齒波電壓的周期 Tx （或頻率tx）

7、,使之與被測信號的周期 Ty （或頻率fy）成若干整數(shù)倍關(guān)系，從而，在示波器熒光屏上得到被測信號若干整數(shù)倍完整的波形。3）自動觸發(fā)同步調(diào)節(jié)：輸入 丫軸的被測信號與示波器內(nèi)部的鋸齒波電壓是相互獨立的。由于環(huán)境或其它因素的影響，它們的周期（或頻率）可能發(fā)生微小的改變。這時雖通過調(diào)節(jié)掃描旋鈕使它們之間的周期滿足整數(shù)倍關(guān)系，但過一段時間后波形又會不穩(wěn)定。這在觀察高頻信號時尤其明顯。為此，示波器內(nèi)設(shè)有觸發(fā)同步電路，它從垂直放大電路中取出部分待測信號，輸入到掃描發(fā)生器，迫使鋸齒波與待測信號同步，此稱為 內(nèi)同步操作時，首先使示波器水平掃描處于待觸發(fā)狀態(tài)，然后使用電平（LEVEL）旋鈕，改變觸發(fā)電壓大小，當(dāng)待

8、測信號電壓上升到觸發(fā)電平時， 掃描發(fā)生器才開始掃描。若同步信號是從儀器外部輸入時, 則稱外同步”。3 .李薩如圖形的原理如圖4-11-7所示，從示波器的X和丫軸 分別輸入頻率相同或成簡單整數(shù)比的兩個正 弦電壓，則熒光屏上將呈現(xiàn)特殊的光點軌跡， 這種軌跡圖稱為李薩如圖形。如圖4-11-8所示，頻率比不同的輸入信號將形成不同的李 薩如圖形，相位差不同的輸入信號也會形成 不同的李薩如圖形。從中可總結(jié)出如下規(guī)律： 如果作一個假想方框，限制光點x、y方向圖4-11-7李薩如圖形fy ： fx =nx ：ny (Tx :Ty =nx ：ny)。但若出現(xiàn)如fy : fx =3:1、相位差為0時的李薩如圖形,

9、變化的范圍，則圖形與此框相切時，橫邊上 切點數(shù)nx與豎邊上的切點數(shù) n y之比恰好等 于丫和X輸入的兩正弦信號的頻率之比，即有端點與假想邊框相接時，應(yīng)把一個端點計為1/2個切點，則nx : ny =3/2:1/2 。所以利用李 薩如圖形能方便地比較兩正弦信號的頻率。若已知其中一個信號的頻率，數(shù)出圖上的切點數(shù)nx和ny ,便可算出另一待測信號的頻率。圖4-11-8李薩如圖形（設(shè)初相位“=0）【實驗儀器】1 .雙蹤示波器（YB4320A雙蹤四跡示波器面板分布圖及功能請參見附錄1）;2)。2 .信號發(fā)生器（SG1691雙路數(shù)字合成信號發(fā)生器面板分布圖及功能請參見附錄【實驗內(nèi)容與步驟】1.觀測信號波形

10、并測量峰-谷值和頻率1） SG1691雙路數(shù)字合成信號發(fā)生器打開電源開關(guān)，面板上顯示“HUST2100,其默認(rèn)狀態(tài)為：通道指示“CH1，CH1和CH2 通道的波形正弦”，頻率“100 HZ,幅度“0V；直流偏置“0V；衰減“0dB；個數(shù)“0（連續(xù)波形）”，脈寬“20%,相位“0：首先，利用上下左右鍵、設(shè)置鍵及觸發(fā)鍵，從 CH1 （CH2） 通道輸出頻率為200Hz、幅度為2V、相位為0的正弦信號，其他設(shè)置不變。2） YB4320A雙蹤四跡示波器YB4320A雙蹤四跡示波器使用前，示波器面板上的所有按鍵處于彈出狀態(tài)，這時儀器的默認(rèn)通道為CH1通道。設(shè)定相關(guān)面板控制鍵，見表 4-11-1。表4-1

11、1-1面板控制鍵設(shè)定面板控制鍵設(shè)定狀態(tài)面板控制件設(shè)定狀態(tài)輝度INTENSITY（3）順時針方向旋轉(zhuǎn) 調(diào)節(jié)出適當(dāng)?shù)牧炼染劢笷OCUS小圓點耦合選擇AC-GND-DC AC觸發(fā)方式TRIG MODE （16AUTO （自動）衰減器VOLTS/DIV（26）（331V/div觸發(fā)源SOURCEINT （內(nèi)）微調(diào)旋鈕VARIABLE 掃描微調(diào)強(qiáng)、衰減 微調(diào)（垂直）（25）（32）順時針旋到底CAL （校準(zhǔn)）掃描時間因數(shù)選擇開關(guān) TIME/DIV 51ms/div位移旋鈕POSITION（14（23（35）中間觸發(fā)電平旋鈕TRIG LEVEL 鎖定示波器進(jìn)行信號校準(zhǔn)后（參見YB4320A雙蹤四跡示波器使

12、用說明書），將信號發(fā)生器CH1通道輸出的正弦信號輸入到示波器CH1端上，若波形不穩(wěn)定，則調(diào)節(jié)觸發(fā)電平旋鈕可使波形穩(wěn)定。調(diào)節(jié)位移旋鈕 （|3魅，讀出測量值，并計算待測波形的vp和周期t 。VP 工=AMV / div ,T = B Tim e/ div ,式中A為波形在熒光屏上所占垂直格數(shù)，B為一個周期波形在熒光屏上所占水平格數(shù)。在讀取A和B時，注意估讀，每一大格已分為 5個小格，供估讀時參考。 V/div ”指的是在校準(zhǔn) 狀態(tài)下（衰減微調(diào)旋鈕順時針旋到底）示波器屏幕上縱向每個方格之間的電壓差;Tim e/div ”指的是在校準(zhǔn)狀態(tài)下（掃描微調(diào)旋鈕順時針旋到底）示波器屏幕上光點橫向掃 描過每一個

13、方格所需要的時間。利用雙路數(shù)字合成信號發(fā)生器輸出一定的電壓信號，驗證上述的兩個測量公式。2.觀察并繪出李薩如圖形1）從SG1691雙路數(shù)字合成信號發(fā)生器的兩個通道分別輸出頻率比fy : fx = 1: 2 , 2:1, 2:3的正弦信號，其頻率范圍為10003000Hz、振幅為各2V,相位差A(yù)6 =6x -0y為0,2，彳L, n。將兩個信號各自輸入到示波器的X軸和Y軸，并按下示波器的X-Y鍵我）觀察并繪出15個李薩如圖形。再利用頻率為1030Hz的正弦信號觀察上述 15個李薩如圖形，并繪出光點的運動方向。2）當(dāng)示波器的 X軸和Y軸輸入的正弦信號頻率比值為非簡單整數(shù)比值（如： fy : fx

14、=100 :102 ）時，觀察李薩如圖形。3.利用李薩如圖形測未知正弦信號的頻率1） X軸輸入已知正弦信號將SG1691雙路數(shù)字合成信號發(fā)生器輸出頻率為100Hz、幅度為2V、相位為0的正弦信號作為標(biāo)準(zhǔn)信號，車入到示波器的CH1 （X）通道。2） Y軸輸入待測正弦信號將未知正弦信號輸入到示波器的CH2 （Y）通道。3）按下示波器的 X-Y鍵，并調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)信號頻率，示波器的觸發(fā)電平旋鈕G7、位移旋鈕考G5及衰減器沙等，直至形成穩(wěn)定的李薩如圖形。根據(jù)李薩如圖形求出未知信 號的頻率 fy =（nx/ny）fx?！緦嶒炞⒁馐马椉俺Ｒ姽收系呐懦? .為了保護(hù)熒光屏不被灼傷， 使用示波器時，光點亮度不能太

15、強(qiáng)，而且也不能讓光點長 時間停在熒光屏的一點上。2 .實驗過程中，如果短時間不使用示波器，應(yīng)調(diào)節(jié)輝度”旋鈕使熒光屏上的光點消失；不要經(jīng)常通斷示波器的電源，以免縮短示波器（主要是示波管）的使用壽命。3 .利用示波器進(jìn)行信號測量之前，必須按照示波器的使用說明書先對示波器進(jìn)行信號校 準(zhǔn)，然后進(jìn)行測量，方為準(zhǔn)確。【實驗數(shù)據(jù)處理及分析】1 .觀察波形并測量電壓和頻率1）在坐標(biāo)紙上將所觀察到的正弦信號用曲線板按1:2的比例繪出。2）電壓和頻率測量數(shù)據(jù)記錄，參見表 4-11-2。3）比較VP上與VP、f與f 。若把VP和f作為約定真值，分析用示波器測量的誤差來源。表4-11-2電壓和頻率測量數(shù)據(jù)表待測信號示

16、波器觀測的數(shù)據(jù)電壓峰-峰值Vp 上（V）波形頻率f （Hz）V/div垂直格數(shù),/ p J (V)Time/div水平格數(shù)f (Hz)T (ms)2 .繪出所觀察的各種頻率比和不同相位差的李薩如圖形1） 設(shè)置SG1691雙路數(shù)字合成彳t號發(fā)生器 CH1和CH2通道的輸出正弦信號頻率比值一. -3 -為fy：fx=1:2, 2:1, 2:3；相位差為6=0,-,-, ,n時，依次在坐標(biāo)紙上424繪出各種李薩如圖形。（請參考圖4-11-8）2 ） 當(dāng)輸入到示波器 CH1和CH2通道的正弦信號頻率比值為非簡單整數(shù)比值（如：fy ： fx =10。：102 ）時，觀察李薩如圖形并進(jìn)行分析。3 .利用李

17、薩如圖形測未知正弦信號的頻率（數(shù)據(jù)表自擬）【思考題】4 .如果被觀測的圖形不穩(wěn)定，出現(xiàn)向左移或向右移的原因是什么？該如何使之穩(wěn)定？5 .觀察李薩如圖形時，能否用示波器的同步”把圖形穩(wěn)定下來？李薩如圖形為什么一般都在動？主要原因是什么？6 .若被測信號幅度太大（在不引起儀器損壞的前提下），則在示波器上看到什么現(xiàn)象？要完整地顯示圖形，應(yīng)如何調(diào)節(jié)？7 .示波器能否用來測量直流電壓？如果能測，應(yīng)如何進(jìn)行？【參考文獻(xiàn)】1王玉蘭，洪 光，邵靜波等.對電子示波器的使用實驗的改進(jìn)J.延邊大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2004, 30（1）: 73-752黎明.示波器原理讀解J.物理實驗，2004, 24（9）: 6

18、3-643山燕妮，王 軍.示波器原理及應(yīng)用指南J.電訊工程，2001, 1: 36-44【附錄】I . YB4320A雙蹤四跡示波器面板分布圖及功能圖4-11-9為YB4320A雙蹤四跡示波器面板分布圖，其各部分功能如下：o圖4-11-9 YB4320A 雙蹤四跡示波器面板分布圖1）主機(jī)電源 電源開關(guān)（POWER）:將電源開關(guān)按鍵彈出即為 關(guān)”位置，將電源接入，按電源開關(guān), 以接通電源。電源指示燈：電源接通時指示燈亮。亮度旋鈕（INTENSITY ）:順時針方向旋轉(zhuǎn)旋鈕，亮度增強(qiáng)。接通電源之前將該旋鈕 逆時針方向旋轉(zhuǎn)到底。0聚焦旋鈕（FOCUS）:用亮度控制鈕將亮度調(diào)節(jié)至合適的標(biāo)準(zhǔn)，然后調(diào)節(jié)聚

19、焦控制鈕 直至軌跡達(dá)到最清晰的程度，雖然調(diào)節(jié)亮度時聚焦可自動調(diào)節(jié)，但聚焦有時也會輕微變化。 如果出現(xiàn)這種情況，需重新調(diào)節(jié)聚焦。光跡旋轉(zhuǎn)旋鈕（TRACE ROTATION）:由于磁場的作用， 當(dāng)光跡在水平方向輕微傾斜 時，該旋鈕用于調(diào)節(jié)光跡與水平刻度線平行?？潭日彰骺刂柒o（SCALE ILLUM ）:該旋鈕用于調(diào)節(jié)屏幕刻度的亮度。如果該旋鈕 順時針方向旋轉(zhuǎn)，亮度將增加。該功能用于黑暗環(huán)境或拍照時的操作。2）垂直方向部分通道1輸入端CH1 INPUT （X）:該輸入端用于垂直方向的輸入。在 X-Y方式時輸 入端的信號成為X軸信號。24通道2輸入端CH2 INPUT （Y）:和通道1 一樣，但在X-

20、Y方式時輸入端的信號仍 為丫軸信號。、（29交流一接地一直流耦合選擇開關(guān)（AC-GND-DC ）:選擇垂直放大器的耦合方式。 交流（AC）:垂直輸入端由電容器來耦合。接地（GND ）:放大器的輸入端接地。直流（DC）:垂直放大器的輸入端與信號直接耦合。、畿衰減器開關(guān)（VOLT/DIV）:用于選擇垂直偏轉(zhuǎn)靈敏度的調(diào)節(jié)。如果使用的是10:1的探頭，計算時將幅度 X10。、畿垂直微調(diào)旋鈕（VARIBLE）:垂直微調(diào)用于連續(xù)改變電壓偏轉(zhuǎn)靈敏度，此旋鈕在 正常情況下應(yīng)位于順時針方向旋轉(zhuǎn)到底的位置。將旋鈕逆時針方向旋轉(zhuǎn)到底，垂直方向的靈 敏度下降到2.5倍以下。（20、毋CH1X 5 擴(kuò)展、CH2X 5

21、擴(kuò)展（CH1X 5MAG、CH2X 5MAG ）:按下 X5 擴(kuò)展按鍵，垂 直方向的信號擴(kuò)大 5倍，最高靈敏度變?yōu)?1mV/div。23、毋垂直移位（POSITION ）:調(diào)節(jié)光跡在屏幕中的垂直位置。垂直方式工作按鈕，選擇垂直方向的工作方式。34通道1選擇（CH1）:屏幕上僅顯示 CH1的信號。通道2選擇（CH2）:屏幕上僅顯示 CH2的信號。34）、雙蹤選擇（DUAL）:同時按下 CH1和CH2按鈕，屏幕上會出現(xiàn)雙蹤并自動以 斷續(xù)或交替方式同時顯示 CH1和CH2上的信號。31疊加（ADD）:顯示CH1和CH2輸入電壓的代數(shù)和。21CH2極性開關(guān)（INVERT）:按此開關(guān)時 CH2顯示反相電

22、壓值。3）水平方向部分掃描時間因數(shù)選擇開關(guān)（TIME/DIV ）：共20擋 在0.1科s/div 0.2s/div范圍選擇掃描 速率。X-Y控制鍵：如X-Y工作方式時，垂直偏轉(zhuǎn)信號接入CH2輸入端，水平偏轉(zhuǎn)信號接入CH1輸入端。若通道2垂直移位鍵（POSITION ）:控制通道2在屏幕中的垂直位置，當(dāng)工作在 X-Y 方式時，該鍵用于 Y方向的移位。微掃描微調(diào)控制鍵（VARIBLE）:此旋鈕以順時針方向旋轉(zhuǎn)到底時處于校準(zhǔn)位置，掃描 由Time/div開關(guān)指示。該旋鈕逆時針方向旋轉(zhuǎn)到底，掃描減慢 2.5倍以上。正常工作時，該 旋鈕位于校準(zhǔn)位置。O水平移位（POSITION ）:用于調(diào)節(jié)軌跡在水平方

23、向移動。順時針方向旋轉(zhuǎn)該旋鈕向右移動光跡，逆時針方向旋轉(zhuǎn)向左移動光跡。擴(kuò)展控制鍵 （MAG 5）、（MAG（ 10,僅YB4360）:按下去時，掃描因數(shù)X5擴(kuò)展或X10 擴(kuò)展。掃描時間是 Time/div開關(guān)指示數(shù)值的1/5或1/10。例如：X5擴(kuò)展時，100眸/div為 20 s/divo部分波形的擴(kuò)展：將波形的尖端移到水平尺寸的中心，按下X5或M0擴(kuò)展按鈕，波形將擴(kuò)展5倍或10倍。 ALT擴(kuò)展按鈕（ALT-MAG ）:按下此鍵，掃描因數(shù) X1、X5或X10同時顯示。此時要 把放大部分移到屏幕中心，按下ALT-MAG鍵。擴(kuò)展以后的光跡可由光跡分離控制鍵畿移位距X1光跡1.5div或更遠(yuǎn)的地方。同時使用垂直雙蹤方式和水平 ALT-MAG可在屏幕上同時顯示四條光跡。4）觸發(fā)（TRIG ）觸發(fā)源選擇開關(guān)（SOURCE）:選擇觸發(fā)信號源。內(nèi)觸發(fā)（INT ） : CH1或CH2上的輸入信號是觸發(fā)信號。通道2觸發(fā)（CH2）: CH2上的輸入信號是觸發(fā)信號。電源觸發(fā)（LINE ）:電源頻率成為觸發(fā)信號。外觸發(fā)（EXT）:觸發(fā)輸入上的觸發(fā)信號是外部信號，用于特殊信號的觸發(fā)。（43交替觸發(fā)（ALT TRIG ）:在雙蹤示波