示波器的使用电子示波器又称阴极射线示波器，简称示波器，是现代科学技术领域中广泛应用的测试工具。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。用示波器可以直接观察电压波形，并测量电压大小。因此，一切可转化为电压的电学量（如电流、电功率、阻抗等）、非电学量（如温度、位移、速度、压力、光强、磁场、频率等）及它们随时间变化的过程都可以用示波器来观测。一、实验目的①了解示波器的主要结构和显示波形的基本原理。②掌握示波器和低频信号发生器的使用方法。③观察正弦波电压经整流后的波形。④通过用示波器观察李萨如图形，学会一种观察正弦频率的方法，并加深对互相垂直振动合成理论的理解。二、实验仪器电子示波器、低频信号发生器、晶体二极管半波整流板等。三、实验原理1.示波器的基本构造示波器是由示波管及与其配合的电子线路组成的。为了适应各种测量的要求，示波器的电子线路是多种多样而复杂的。这里仅就其主要部分用方框图来加以介绍。（1）示波管电子枪偏转系统荧光屏如图2.26所示，示波管主要包括电子&xFKGA1: A2&Y枪、偏转系统和荧光屏三部分，全部密封在玻璃外壳内，里面抽成高真空。下面分别说000E明各部分的作用。①荧光屏。它是示波器的显示部分，当加速聚焦后的电子打到荧光屏上时，屏上所涂的荧光物质就会发光，从而显示出电子束的位置。07当电子束停止作用后，荧光剂的发光需要经亮度聚焦轴的聚焦段时间后才能停止，称为余辉效应。F-灯丝；K一阴极；G—控制栅极；A/一第一阳极；A一第二阳极；Y一竖直偏转板：X一水平偏转板②电子枪。由灯丝、阴极、控制栅极图2.26示波管的结构简图第一阳极、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“亮度”调整就是通过调节电位以控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变了屏上光斑亮度。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。当控制极、第一阳极第二阳极之间的电位调节合适时，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
示波器的使用 电子示波器又称阴极射线示波器，简称示波器，是现代科学技术领域中广泛应用的测试 工具。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像，便于人们研究各种电现象的变化过 程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生 细小的光点。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测 信号的瞬时值的变化曲线。用示波器可以直接观察电压波形，并测量电压大小。因此，一切 可转化为电压的电学量（如电流、电功率、阻抗等）、非电学量（如温度、位移、速度、压 力、光强、磁场、频率等）及它们随时间变化的过程都可以用示波器来观测。 ① 了解示波器的主要结构和显示波形的基本原理。 ② 掌握示波器和低频信号发生器的使用方法。 ③ 观察正弦波电压经整流后的波形。 ④ 通过用示波器观察李萨如图形，学会一种观察正弦频率的方法，并加深对互相垂直 振动合成理论的理解。 电子示波器、低频信号发生器、晶体二极管半波整流板等。 1．示波器的基本构造 示波器是由示波管及与其配合的电子线路组成的。为了适应各种测量的要求，示波器的 电子线路是多种多样而复杂的。这里仅就其主要部分用方框图来加以介绍。 （1）示波管 如图 2.26 所示，示波管主要包括电子 枪、偏转系统和荧光屏三部分，全部密封在 玻璃外壳内，里面抽成高真空。下面分别说 明各部分的作用。 ① 荧光屏。它是示波器的显示部分，当加 速聚焦后的电子打到荧光屏上时，屏上所涂的 荧光物质就会发光，从而显示出电子束的位置。 当电子束停止作用后，荧光剂的发光需要经一 段时间后才能停止，称为余辉效应。 ② 电子枪。由灯丝、阴极、控制栅极、 第一阳极、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“亮 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，从而改变了屏上光斑亮度。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、 第二阳极之间的电位调节合适时，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，就是调节第一阳极电位，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。③偏转系统。它是由两对相互垂直的偏转板组成，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的光斑位置也发生改变。容易证明，光点在荧光屏上偏离的距离与偏转板上所加的电压成正比，因而可以将电压的测量转化为屏上光点偏离距离的测量，这就是示波器测量电压的原理。（2）信号放大器和衰减器示波器本身相当于一个多量程电压表，这一作用是靠信号放大器和衰减器实现的。由于示波管本身的X轴和Y轴偏转板的灵敏度不高（0.1mm/V～1mm/V），当加在偏转板的信号过小时，要预先将小的信号电压加以放大后再加到偏转板上，为此设置X轴及Y轴电压放大器。衰减器的作用是使过大的输入信号电压变小以适应放大器的要求，否则放大器不能正常工作，使输入信号发生畸变，甚至使仪器受损。对于一般示波器来说，X轴和Y轴都设置有衰减器，以满足各种测量的需要。（3）扫描系统扫描系统也称时基电路，用来产生一个随时间做线性变化的扫描电压，这种扫描电压随时间变化的关系如锯齿，故称为锯齿波电压。这个电压经X轴放大后加到示波管的水平偏转板上，使电子束发生水平扫描。这样，屏上的水平坐标变成时间坐标，Y轴输入的被测信号波形就可以在时间轴上展开。扫描系统是示波器显示被测电压波形必须的重要组成部分。2.示波器显示波形原理如果只在竖直偏转板上加一交变的正弦电压，则电子束的亮点随电压的变化在竖直方向来回运动，如果电压频率较高，则看到的是条竖直亮线，如图2.27所示。要能显示波形，必须同时在水平偏转板上加一扫描电压，使电子束的亮点沿水平方向拉开。这种扫描电压的特点是电压随时间成线性关系增加到最大值，最后突然回到最小，此后再重复地变化。这种扫描电压即前面所说的“锯齿波电压”，如图2.28所示。当只有锯齿波电压加在水平偏转板上时，如果频率足够高，则荧光屏上只显示一条水平亮线。Cy4r图2.27只在竖直偏转板上加一正弦电压的情形图2.28只在水平偏转板上加一锯齿波电压的情形I如果在竖直偏转板上（简称Y轴）加正弦电压，同时在水平偏转上（简称X轴）加锯齿波电I图2.29示波器显示正弦波的原理
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，就是调节第一阳极电 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。 ③ 偏转系统。它是由两对相互垂直的偏转板组成，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 的光斑位置也发生改变。 容易证明，光点在荧光屏上偏离的距离与偏转板上所加的电压成正比，因而可以将电压 的测量转化为屏上光点偏离距离的测量，这就是示波器测量电压的原理。 （2）信号放大器和衰减器 示波器本身相当于一个多量程电压表，这一作用是靠信号放大器和衰减器实现的。由于示波 管本身的X 轴和 Y轴偏转板的灵敏度不高（0.1mm/V～1mm/V），当加在偏转板的信号过小时，要 预先将小的信号电压加以放大后再加到偏转板上，为此设置 X 轴及 Y 轴电压放大器。衰减器的作 用是使过大的输入信号电压变小以适应放大器的要求，否则放大器不能正常工作，使输入信号发 生畸变，甚至使仪器受损。对于一般示波器来说，X 轴和 Y 轴都设置有衰减器，以满足各种测量 的需要。 （3）扫描系统 扫描系统也称时基电路，用来产生一个随时间做线性变化的扫描电压，这种扫描电压随 时间变化的关系如锯齿，故称为锯齿波电压。这个电压经 X 轴放大后加到示波管的水平偏 转板上，使电子束发生水平扫描。这样，屏上的水平坐标变成时间坐标，Y 轴输入的被测信 号波形就可以在时间轴上展开。扫描系统是示波器显示被测电压波形必须的重要组成部分。 2．示波器显示波形原理 如果只在竖直偏转板上加一交变的正弦电压，则电子束的亮点随电压的变化在竖直方向 来回运动，如果电压频率较高，则看到的是条竖直亮线，如图 2.27 所示。要能显示波形， 必须同时在水平偏转板上加一扫描电压，使电子束的亮点沿水平方向拉开。这种扫描电压的 特点是电压随时间成线性关系增加到最大值，最后突然回到最小，此后再重复地变化。这种 扫描电压即前面所说的“锯齿波电压”，如图 2.28 所示。当只有锯齿波电压加在水平偏转板 上时，如果频率足够高，则荧光屏上只显示一条水平亮线。 如果在竖直偏转板上（简称 Y 轴）加正弦电 压，同时在水平偏转上（简称 X 轴）加锯齿波电
压，电子受竖直、水平两个方向力的作用，电子的运动就是两个相互垂直的运动方向的合成，当锯齿波电压比正弦电压变化周期稍大时，在荧光屏上将能显示出完整周期的所加正弦电压波形图，如图2.29所示。3.同步的概念为了观察到稳定的波形，只有当扫描电压的周期Tx与被测信号周期Ty保持整数倍的关系，即Tx=nTy（其中n为1、2、3..是整数）时，荧光屏上才会出现稳定的波形。如果正弦波和锯齿波的周期稍微不同，屏上出现的是一移动着的不稳定图形。这种情形可用图2.30说明。设锯齿波电压的周期Tx比正弦波电压周期T稍小，比方说Tx/Ty=7/8。在第一扫描周期内，屏上显示正弦信号0～4点的曲线段：在第二扫描周期内，显示4～8点的曲线段，起点在4处：第三扫描周期内，显示8～11点的曲线段，起点在8处。这样，屏上显示的波形都不重叠，好像波形在向右移动。同理，如果T比T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。这是由扫描电压的周期与被测信号的周期不相等或不成整数倍，以至于每次扫描开始时波形曲线上的起点均不一样所造成的。为了获得一定数量的波形，示波器上设有“扫描时间”、“扫描微调”旋钮，用来调节锯齿波电压的周期Tx，使之与被测信号的周期Ty成合适的关系，从而在示波器屏上得到所需数目的完整的被测波形。输入Y轴的被测信号与示波器内部的锯齿波电压是互相独立的。由于环境或其他因素的影响，它们的周期可能发生微小的改变。这时，虽然可通过调节扫描旋钮将周期调整到整数倍关系，但过一会又变了，波形又移动起来。在观察高频信号时这种问题尤为突出。为此，示波器内部装有扫描同步装置，让锯齿波电压的扫描起点自动跟着被测信号改变，这被称为整步（或同步）。面板上的“电平”旋转即为此而设，在使用中，有时需要让扫描电压与外部某一信号同步，因此面板设有“触发选择”；可选择外触发工作状态，相应地设有“外触发”信号输入端。UA4.1UT-gT1+t图2.30T/T=7/8时显示的波形四、实验内容及步骤1.示波器的调节，观察扫描及正弦波形①熟悉示波器面板上各调节旋钮，明确它们的功能。然后将“扫描时间”旋钮旋到“0.5μs”，反时针旋“亮度”旋钮至尽头，“X轴位移”、“Y轴位移”旋到中间位置。接通电源，预热3～5min。顺时针方向旋“亮度”旋钮，直至屏上出现扫描线。调节“聚焦”、“X轴位移”、“Y轴位移”等旋钮，使扫描线最细，位置居中，长短稍小于屏的直径，亮度适中，能看得清楚，但又不过亮。②观察光点扫描。将“扫描时间”旋钮由高频率逐档旋到低频率，观察扫描频率变化
压，电子受竖直、水平两个方向力的作用，电子的运动就是两个相互垂直的运动方向的合成。 当锯齿波电压比正弦电压变化周期稍大时，在荧光屏上将能显示出完整周期的所加正弦电压 波形图，如图 2.29 所示。 3．同步的概念 为了观察到稳定的波形，只有当扫描电压的周期 TX 与被测信号周期 TY保持整数倍的关 系，即 TX = nTY（其中 n 为 1、2、3.是整数）时，荧光屏上才会出现稳定的波形。如果 正弦波和锯齿波的周期稍微不同，屏上出现的是一移动着的不稳定图形。这种情形可用图 2.30 说明。设锯齿波电压的周期 TX 比正弦波电压周期 TY稍小，比方说 TX/TY = 7/8。在第一 扫描周期内，屏上显示正弦信号 0～4 点的曲线段；在第二扫描周期内，显示 4～8 点的曲线 段，起点在 4 处；第三扫描周期内，显示 8～11 点的曲线段，起点在 8 处。这样，屏上显示 的波形都不重叠，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。这是由扫描电压的周期与被测信号的周期不 相等或不成整数倍，以至于每次扫描开始时波形曲线上的起点均不一样所造成的。 为了获得一定数量的波形，示波器上设有“扫描时间”、“扫描微调”旋钮，用来调节锯齿波 电压的周期TX，使之与被测信号的周期 TY成合适的关系，从而在示波器屏上得到所需数目的完 整的被测波形。输入 Y轴的被测信号与示波器内部的锯齿波电压是互相独立的。由于环境或其他 因素的影响，它们的周期可能发生微小的改变。这时，虽然可通过调节扫描旋钮将周期调整到 整数倍关系，但过一会又变了，波形又移动起来。在观察高频信号时这种问题尤为突出。为此， 示波器内部装有扫描同步装置，让锯齿波电压的扫描起点自动跟着被测信号改变，这被称为整步 （或同步）。面板上的“电平”旋转即为此而设，在使用中，有时需要让扫描电压与外部某一信 号同步，因此面板设有“触发选择”；可选择外触发工作状态，相应地设有“外触发”信号输入 端。 1．示波器的调节，观察扫描及正弦波形 ① 熟悉示波器面板上各调节旋钮，明确它们的功能。然后将“扫描时间”旋钮旋到“0.5 s”， 反时针旋“亮度”旋钮至尽头，“X 轴位移”、“Y 轴位移”旋到中间位置。接通电源，预热 3～ 5min。顺时针方向旋“亮度”旋钮，直至屏上出现扫描线。调节“聚焦”、“X 轴位移”、“Y 轴 位移”等旋钮，使扫描线最细，位置居中，长短稍小于屏的直径，亮度适中，能看得清楚，但 又不过亮。 ② 观察光点扫描。将“扫描时间”旋钮由高频率逐档旋到低频率，观察扫描频率变化
时，光点的扫描情况。③观察正弦波形。将“偏转因数”选择开关旋到“5V”档。取低频信号发生器的频率约为100Hz，把低频率信号发生器的信号输入示波器的Y1（或Y2）通道输入插座。观察并调整出现的波形。2.观察交变电流整流后的波形①把低频信号发生器的信号输入示波器的Y1（或Y2）通道输入插座。低频信号发生器的频率调到50Hz左右，适当调节其他旋钮，使屏上显示出稳定的2～3个完整的波形。在坐标纸上描下波形。②将低频信号发生器的输出接到半波整流板的输入端，再将整流板的输出端接到示波器的输入插座上，观察单相半波整输。0输R出入口流的电压波形，并描下波形。按图2.31接钱。③将信号发生器的频率增大到5000Hz，观察整流后的电压波形，选择有代表性的波形描绘下来。图2.31半波整流3.观察李萨如图形示波管内的电子束受X偏转板上正弦电压的作用时，屏上的亮点做X轴向的谐振动：受Y偏转板上正弦电压作用时，亮点在Y方向做谐振动。若X和Y偏转板同时加上正弦电压时，亮点的运动是两个相互垂直振动的合成。一般地，如果频率比值xf为整数比，合成运动的轨迹是一个封闭的图形，称为李萨如图形，如图2.32所示。2:3Ji3:23:42:1I:1I:21:3李萨如图形图2.32f:f=N:N的几种李萨如图形李萨如图形与振动频率之间有如下简单关系。X方向切线对图形的切点数_Y方向切线对图形的切点数fx如果或f中有一个是已知的，则可由李萨如图形的切点数确定频率比，求出另一个未知频率来。具体操作如下。触发方式选择“电源触发”（即X通道输入示波器内部自带50Hz正弦信号），操作：将触发源置于“LINE”或“电源”挡位。②扫描旋钮打到“X一Y”处或按下“X一Y”键（即观察两个正弦信号的合成波形）。③信号发生器输出强度调到最小，输出衰减调到“零”，输出端接示波器CH1通道输入端。④调节示波器“输出强度”旋钮，使荧光屏上的波形大小适中。改变信号发生器的频率直到屏上得到不同的李萨如图形。将相应的f、fx实际值填入表2.8中。实际操作时，fr：fx不可能成标准的整数比，因此两个振动的周期差要发生缓慢的改变，图形不可能很稳定，只求调到变化最缓慢即可。相应的值及图形填入表2.8中。表2.8数据表2:13:1fr:fx1:13:21:2李萨如图形水平切点竖直切点fi(Hz)计算值1
时，光点的扫描情况。 ③ 观察正弦波形。将“偏转因数”选择开关旋到“5V”档。取低频信号发生器的频率 约为 100Hz，把低频率信号发生器的信号输入示波器的 Y1（或 Y2）通道输入插座。观察并 调整出现的波形。 2．观察交变电流整流后的波形 ① 把低频信号发生器的信号输入示波器的 Y1（或 Y2）通道输入插座。低频信号发生 器的频率调到 50Hz 左右，适当调节其他旋钮，使屏上显示出稳定的 2～3 个完整的波形。 在坐标纸上描下波形。 ② 将低频信号发生器的输出接到半波整流板的输入端，再 将整流板的输出端接到示波器的输入插座上，观察单相半波整 流的电压波形，并描下波形。按图 2.31 接钱。 ③ 将信号发生器的频率增大到 5 000Hz，观察整流后的电 压波形，选择有代表性的波形描绘下来。 3．观察李萨如图形 示波管内的电子束受 X 偏转板上正弦电压的作用时，屏上的亮点做 X 轴向的谐振动； 受 Y 偏转板上正弦电压作用时，亮点在 Y 方向做谐振动。若 X 和 Y 偏转板同时加上正弦电 压时，亮点的运动是两个相互垂直振动的合成。一般地，如果频率比值 fX:fY为整数比，合成 运动的轨迹是一个封闭的图形，称为李萨如图形，如图 2.32 所示。 李萨如图形与振动频率之间有如下简单关系。 Y X X f Y f = 方向切线对图形的切点数 方向切线对图形的切点数 如果 fX 或 fY 中有一个是已知的，则可由李萨如图形的切点数确定频率比，求出另一个 未知频率来。 具体操作如下。 ① 触发方式选择“电源触发”（即 X 通道输入示波器内部自带 50Hz 正弦信号），操作： 将触发源置于“LINE”或“电源”挡位。 ② 扫描旋钮打到“X―Y”处或按下“X―Y”键（即观察两个正弦信号的合成波形）。 ③ 信号发生器输出强度调到最小，输出衰减调到“零”，输出端接示波器 CH1 通道输入端。 ④ 调节示波器“输出强度”旋钮，使荧光屏上的波形大小适中。改变信号发生器的频 率直到屏上得到不同的李萨如图形。将相应的 fY、fX 实际值填入表 2.8 中。 实际操作时，fY : fX 不可能成标准的整数比，因此两个振动的周期差要发生缓慢的改变， 图形不可能很稳定，只求调到变化最缓慢即可。 相应的值及图形填入表 2.8 中。 表 2.8 数据表 fY : fX 1:1 2:1 3:1 3:2 1:2 李萨如图形 水平切点 竖直切点 fY(Hz) 计算值
指示值五、注意事项示波器上所有旋钮都是逆时针减小，顺时针增大。②保持聚焦良好的情况下，调节辉度旋钮，应降低亮度，不应过亮，以看得清为准，并尽量避免让电子束固定打在荧光屏上的某一点，以避免损坏荧光屏。③示波器所有开关及旋钮均有一定的转动范围，决不可用力旋转，以免使内部电子线路发生短路或使旋钮发生错位。如果旋钮发生错位，可将旋钮逆时针旋到极限位置，对应于周边刻度的起始值，然后顺时针逐挡旋动，找到真实的所需示值位置。④观察中注意勿超过仪器允许的上限电压。实验完毕注意仪器复位，关闭电源。六、思考题①示波器上的正弦波形不断地向右“跑”或向左“跑”，这是什么原因？应如何调整？②当李萨如图形不稳定时，能否用示波器的同步旋钮将其调稳？为什么？
指示值 ① 示波器上所有旋钮都是逆时针减小，顺时针增大。 ② 保持聚焦良好的情况下，调节辉度旋钮，应降低亮度，不应过亮，以看得清为准， 并尽量避免让电子束固定打在荧光屏上的某一点，以避免损坏荧光屏。 ③ 示波器所有开关及旋钮均有一定的转动范围，决不可用力旋转，以免使内部电子线 路发生短路或使旋钮发生错位。如果旋钮发生错位，可将旋钮逆时针旋到极限位置，对应于 周边刻度的起始值，然后顺时针逐挡旋动，找到真实的所需示值位置。 ④ 观察中注意勿超过仪器允许的上限电压。实验完毕注意仪器复位，关闭电源。 ① 示波器上的正弦波形不断地向右“跑”或向左“跑”，这是什么原因？应如何调整？ ② 当李萨如图形不稳定时，能否用示波器的同步旋钮将其调稳？为什么？