示波器的认识及使用

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1 调整与使用示波器

郭明超 09015008

1．实验目的

（1）了解示波器的基本结构，熟悉数字示波器的调节和使用；

（2）学会用数字示波器观测电压波形；

（3）通过观测李萨如图形，学会一种用示波器测量频率和相位的方法。

2．实验仪器

GDS-2062数字示波器一台，F-05数字合成函数信号发生器一台。

3．实验原理

(1) 示波器的基本机构

示波器的规格和型号较多，但所有的示波器所具有的基本结构都相同，大致可分为：示波管（又称阴极射线管）、X轴放大器和Y轴放大器（含各自的衰减器）、锯齿波发生器等，见图8-1所示。

○1示波管

示波管是示波器的核心部件，它主要包括电子枪、偏转系统和荧光屏三部分，这三部分全部被密封在高真空的玻璃外壳内（如图8-2所示）。电子枪有灯丝、阴极、控制栅极、第一阳极和第二阳极共五部分组成。灯丝通电后加热表面涂有氧化物的金属圆筒（即阴极），使之发射电子。控制栅极是一个套在阴极外面的金属圆筒，其顶端有一小孔，它的电位比阴极低，对阴极发射出来的电子起减速作用，只有初速度较大的电子才可能穿过栅极顶端的小孔，进入加速区的阳极。因此控制栅极实际上起控制电子流密度的作用。调整示波器面板上的“亮度”旋纽，其实就是调节栅极电位改变飞出栅极的电子数目，飞出的电子数目越多，荧光屏上亮斑就越亮。从栅极飞出来的电子再经过第一阳极和第二阳极的加速与聚焦后打到荧光屏上形成一个明亮清晰的小圆点。偏转系统是由两对相互垂直的电极板组成。电子束通过偏转系统时，同时受到两个相互垂直方向的电场的作用，荧光屏上小亮点的运动轨迹就是电子束在这两个方向运动的叠加。

○2X、Y轴电压放大器和衰减器

由于示波管本身的X及Y偏转板的灵敏度不高（约0.1~1mm/V），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，屏上的光点位移较小，不便观测。这就需要图8-1 示波器的基本结构图

图8-2 示波管结构图 文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持.

2 预先将该小电压通过电压放大器进行放大。衰减器的作用是使过大的电压信号衰减变小，以适应轴放大器的要求，否则放大器不能正常工作，甚至受损。

○3锯齿波信号（扫描信号）发生器

锯齿波信号发生器的作用就是产生周期性锯齿波信号（图8-3）。将锯齿波信号加在X偏转板上，可以证明，此时电子束打在荧光屏上的亮点将向一个方向作匀速直．．．线运动．．．。经过一个周期后，荧光屏上的亮点又回到左侧，重复运动。如果锯齿波的频率较大，由于荧光材料具有一定的余辉时间，在荧光屏上能看到一条水平亮线。本实验中所用到的V-222型示波器上的“扫速选择开关”可以改变锯齿波信号的频率或周期。

(2) 扫描原理

将一正弦电压信号加到Y轴偏转板上，即Uy≠0，若X轴偏转板上为零电压信号，则荧光屏上的光点将随着正弦电压信号作正弦振荡。若Y轴上的电压信号频率较快，则屏上只出现一条亮线。要直观地看到正弦波信号随时间的变化波形，必须将屏上光点在X方向（即时间方向）上“拉开”，这就要借助与锯齿波信号的作用。将锯齿波信号加到X偏转板上（本实验中只要将“扫速选择开关”不要．．置于“x-y”档位即可），此时示波器内的电子束将既要在y方向按正弦电压信号的规律作正弦振荡，又要在x方向作匀速直线运动，y方向的正弦振荡被“展开”，屏上光点留下的轨迹是一正弦曲线。锯齿波信号完成一个周期变化后，屏上光点又回到屏幕的左侧，又准备重复以前的运动。这一过程称为扫描过程．．．．，图8-4是这一过程的图解原理。图中假设加在Y偏转板上的电压信号为待测正弦电压信号，其频率与加在X偏转板上的锯齿波信号的频率相同，并将一个周期分为相同的四个时间间隔，Uy和Ux的值分别对应光点在y轴和x轴偏离的位置。将Uy和Ux各自对应的投影交汇点连接起来，即得被测电压波形。完成一个波形后的瞬间，屏上光点立刻反跳回原点，并在荧光屏上留下一条“反跳线”，称为回归线。因这段时间很短，线条比较暗，有的示波器采用措施将其消除。

上面所讨论的波形因Uy和Ux的周期相等，荧光屏上出现一个正弦波。当fy = nfx，n=1,2,3,…时，荧光屏上将出现1个、2个、3个、…稳定的波形。

(3) 示波器的整步（或同步）

若待测正弦信号的频率与锯齿波信号的频率不成整数比，则每当扫描一个周期后，荧光屏上的光点回到左侧起点时，Uy不能回到一个扫描周期以前的值，即每扫描一个周期，荧光屏上的光点回到起点时的位置将不一样，以致于整个波形在屏幕上“走动”，或者说，波形不稳定。虽然锯齿波信号的频率是可调的，但fy和fx是来自于两个不同系统的频率，在实图8-3 锯齿波信号

图8-4 扫描过程的图解 文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持.

3 验中总是有不可避免的变化，因此很难长时间地维持两者成整数比的关系。为了得到稳定的波形，示波器采用整步的方法，即把y轴输入的信号电压接至锯齿波信号发生器电路中，强迫fx跟随y轴信号频率fy变化而变化，以保证fy = nfx成立。

(4) 李萨如图形

若同时分别在X、Y偏转极板上加载两个正弦电压信号，结果又怎样呢？其实，此时荧光屏上运动的光点同时参与两个相互垂直方向的运动，荧光屏上的“光迹”就是两个相互垂直方向上的简谐振动合成的结果。可以证明，当这两个垂直方向上信号频率的比值为简单整数比时，光点的轨迹为一稳定的封闭图形，称为李萨如图形。表8-1是几个常见的李萨如图形。

利用李萨如图形可以测量待测信号的频率。令Nx、Ny分别代表x、y方向切线和李萨如图形的切点数，则

yNyxNxyff方向的切点数方向的切点数x （8-1）

实验中，若加载在x偏转板信号的频率fx已知，则待测信号频率fy可由（8-1）式求出。

表8-1. 几种常见的李萨如图形

fx : fy = 1:1 fx : fy = 2:1 fx : fy = 1:2 fx : fy = 1:3 fx :

fy = 3:1 fx : fy = 2:3

4．实验内容与步骤

（1）观测波形

○1了解GDS-2062型数字示波器和F-05数字合成函数信号发生器的面板布置，熟悉各旋钮的功能和用法（见附录）。

○2 打开电源开关，按下CH1或CH2键，CH1或CH2灯亮，按auto液晶屏上显示完整波形。

○3按示波器的操作方法调节各个旋钮，使其处于测量状态。将信号发生器输出的电压信号输入到CH2通道（即Y轴），改变信号发生器的输出频率（如200Hz，2kHz，20kHz等），调节扫速开关（面板上标记为TIME/DIV），使荧光屏上每次分别出现1~5各完整的波形。

（2）测量正弦信号 注意：1．必须弄清楚所使用的示波器、信号发生器的型号与面板上各个旋钮的作用

后再使用。

2．实验时，示波器和信号发生器上所有旋钮应被轻轻地缓慢地旋转，不可猛

转乱旋！ 文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持.

4 ○1测电压：正弦信号有三种电压值，即有效值u、峰值up和峰峰值up-p。三者的关系如下：

uuuppp 22 （8-2）

一般的交流电表读出的只是电压的有效值，正弦信号的峰峰值可通过示波器直接测出。测量时，应将待测正弦信号接入CH2通道（即接入Y偏转极板），“输入耦合开关”置于“AC”档，Y轴灵敏度微调旋钮置于“校正”，并置其合适的档位以保证屏幕上的正弦波形的幅度在刻度尺范围内，但也不要过小。量出波峰与波谷之间在y方向的所占的格数Dy，如2.3Div、5.2Div等（Div代表刻度面板上一个单元格在y方向上的宽度），则待测信号的电压峰峰值up-p = Dy×[Y轴灵敏度档位值]。待测波形Dy的测量见图8-5所示。

本实验中，我们所选的待测信号频率为f0=1000Hz，并调节低频信号发生器的输出电压为3V。按表8-2要求，改变信号发生器上的衰减旋钮的档位值，用上述方法测出四组不同的数据，并填入表8-2。

表8-2. 测量正弦信号电压值（f0=1000Hz，信号发生器输出电压为12。65V）

测量值

次数 衰减值 Y轴灵敏度旋钮档位值 Dy (cm) up-p (V) up (V) u (V)

1 0dB 2v 6．15 12．3v 6．15v 4．35

2 -20dB 200mv 6.15 1.23v 0.615v 0．435

3 -40dB 20mv 6.15 0.123v 0.0615v 0．0435

○2测周期：调节示波器的“扫速开关”至适当的档位，使观测屏上显示的波形为1~2个周期，调节X轴和Y轴“移位”旋钮使波形置于观测屏上适当的位置（如图8-5所示），测出一个周期在x方向所占的格数Dx，由T = Dx×[扫速开关的档位值]可计算出该信号的周期。改变信号频率，测出四个不同信号的周期，并填入表8-3。

表8-3. 测量正弦信号周期

测量值

次数 待测信号频率f (Hz) 扫速开关档位值（TIME/DIV） Dx (cm) T (ms)

1 400 500us 5.02 2．51

2 2000 100us 5.02 5．02*10-1

3 8000 25us 5.02 1．26*10-1

4 15000 25us 2.71 6．25*10-3

(3) 用李萨如图形测信号频率

将F-05数字合成函数信号发生器的“电压输出”端的输出信号作为已知信号（频率可从面板上读出）接入示波器的CH1通道，将信号源“1kHz输出”端输出信号作为待测信号（其频率约为1000Hz，具体值fy待测）接入示波器CH2通道。按下SG1648功率函数信号发生器“波形选择”按钮组中的“正弦波”按钮，将“扫速开关”置于“x-y”档位，则此图8-5 待测信号Dx及Dy的测量 文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持.

5 时CH1通道和CH2通道的信号被分别接入X和Y偏转极板，观测屏上将出现一个动态图形。仔细调节信号源的输出频率，即改变fx，使得屏上的图形为稳定图形（李萨如图形），在表8-4中记下两方向上切点数之比分别为Nx : Ny = 1 : 1、2 : 1、3 : 1、2 : 3和4 : 3时的李萨如图形，并由式（8-1）计算CH2通道信号的频率fy。

表8-4. 用李萨如图形测量正弦信号频率

李萨如图形

Nx 1 2 3 2 4

Ny 1 1 1 3 3

fx : fy 1 1:2 1:3 3:2 3:4

信号源面板读数fx (Hz) 2kHz 2kHz 3kHz 3 kHz 3 kHz

fy(Hz) 2 kHz 4 kHz 9kHz 2 kHz 4 kHz

[预习思考题]

1．示波器显示电压信号波形的原理是什么？具体怎样描述？

2．试证：在X偏转极板上锯齿波电压作用下，电子束通过后打在荧光屏上的光点在x方向上的运动是匀速运动。

3．当fy ≠ nfx时，若X极板上加的是锯齿波信号，则荧光屏上显示的波形是“走动”的；若X极板上加的是正弦波信号，则荧光屏上显示的图形不稳定。试说明原因。