第3章基础实验:89.（2）将探针压在内电极表面上，调节电源输出电压，使内电极电势为5V（3）取一张大小适度的白纸放在载纸板上，用纸夹将纸固定好（4）将探针轻靠电极，描出两极边缘处的若干点.描点过程中不要碰动水槽（5）依次描绘电势为1.00V.2.00V.3.00V.4.00V的若于个点，每根等势线上的点数不少于10个，并且分布比较均勾2.描绘聚焦电极横载面上的电场分布图按图3-9-7（b）连接好电路，操作方法与1相同.先描出两对电极，将两对电极间的电势差调到6.00V.依次描出1.00V.2.00V.3.00V.4.00V.5.00V的等势线【注意事项】1.不要将水酒到实验台上，以免造成仪器漏电2.水槽电极应接近水平.否则，其中自来水的电阻不均勾，3.等势线急弯处，记录点应密一些，以免连线困难，3.10示波器的使用【引言】示波器是一种用途广泛的电子测量仪器，用它能直接观测电信号的波形，也能测量电信号的幅度、周期和频率等参数.用双踪示波器还可以测量两个信号之间的时间差或相位差，凡是可以转化为电压信号的电学量和非电学量都可以便用示波器进行观测，示波器是从事电路设计和电子制作人员必不可少的工具，也是从事科学研究的常用仪器。【实验目的】1.了解示波器的结构和工作原理2.学会示波器的使用方法【实验原理】示波器的基本组成部分有示波管、X轴放大器、Y轴放大器、扫描发生器（锯齿波发生器）、触发同步和电源等，其结构方框图如图3-10-1所示.为了适应各种测量的要求，示波器的电路组成是多样而复杂的，这里仅就主要部分加以简单介绍Y轴输入Y放大内点电子枪荧触发YIgH光YOY同步外触发屏TA,TAKIG扫描发生器t辅助聚焦0亮度聚焦电源X放大X轴输入图3-10-1示波器结构示意图1.示波管的基本结构如图3-10-1所示，示波管主要包括电子枪、偏转系统和荧光屏3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
(2)将探针压在内电极表面上,调节电源输出电压,使内电极电势为5V. (3)取一张大小适度的白纸放在载纸板上,用纸夹将纸固定好. (4)将探针轻靠电极,描出两极边缘处的若干点.描点过程中不要碰动水槽. (5)依次描绘电势为1灡00V,2灡00V,3灡00V,4灡00V 的若干个点,每根等势线上的点数不少于10个,并 且分布比较均匀. 2.描绘聚焦电极横截面上的电场分布图 按图3灢9灢7(b)连接好电路,操作方法与1相同.先描出两对电极,将两对电极间的电势差调到6.00V,依 次描出1灡00V,2灡00V,3灡00V,4灡00V,5灡00V 的等势线. 暰注意事项暱 1.不要将水洒到实验台上,以免造成仪器漏电. 2.水槽电极应接近水平.否则,其中自来水的电阻不均匀. 3.等势线急弯处,记录点应密一些,以免连线困难. 3灡10 示波器的使用 暰引言暱 示波器是一种用途广泛的电子测量仪器,用它能直接观测电信号的波形,也能测量电信号 的幅度、周期和频率等参数.用双踪示波器还可以测量两个信号之间的时间差或相位差.凡是 可以转化为电压信号的电学量和非电学量都可以使用示波器进行观测.示波器是从事电路设 计和电子制作人员必不可少的工具,也是从事科学研究的常用仪器. 暰实验目的暱 1.了解示波器的结构和工作原理. 2.学会示波器的使用方法. 暰实验原理暱 示波器的基本组成部分有示波管、X 轴放大器、Y 轴放大器、扫描发生器(锯齿波发生器)、 触发同步和电源等,其结构方框图如图3灢10灢1所示.为了适应各种测量的要求,示波器的电路 组成是多样而复杂的,这里仅就主要部分加以简单介绍. 图3灢10灢1 示波器结构示意图 1.示波管的基本结构 如图3灢10灢1所示,示波管主要包括电子枪、偏转系统和荧光屏3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. 第3章 基础实验 ·89·
大学物理实验:90:（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，屏上所涂的荧光粉就会发光，形成光斑，从而显示出电子束的位置.当电子停止作用后，荧光粉的发光需经一定时间才会停止，称为余辉效应.不同材料的荧光粉发光的颜色不同，余辉时间也不相同（2）电子枪由灯丝H、阴极K、控制栅极G、第一阳极A1、第二阳极A，5部分组成.灯丝通电后加热阴极.阴极是一个表面镀有氧化物的金属筒，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.其电位比阴极低，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克服栅极与阴极间的电场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”调整就是通过调节栅极电位以控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变了屏上的光斑亮度.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、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，就是调第一阳极电位，使荧光屏上的光斑成为明亮、清晰的小圆点.具有“辅助聚焦”的示波器，实际是调节第二阳极电位，以进一步调节光斑的清晰度，（3）偏转系统它由两对相互垂直的偏转板组成，一对垂直偏转板Y（简称Y轴），另一对水平偏转板X（简称X轴）.在偏转板上加以适当电压，电子束通过时，受电场力的作用，运动方向发生偏转，从而便电子束在荧光屏上产生的光斑位置也发生改变由于光点在荧光屏上偏移的距离与偏转板上所加的电压成正比，因而可将电压的测量转化为屏上光点偏移距离的测量，这就是示波器测量电压的原理。2.X，Y轴信号放大/衰减器示波管本身相当于一个多量程电压表，这一作用是靠信号放大器实现的.由于示波器本身的X及Y偏转板的灵敏度不够高，当加到偏转板的信号较小时，电子束不能发生足够的偏转以至荧光屏上光点的位移太小，不便观测.为此，设置X轴及Y轴电压放大器，预先把小的信号电压加以放大，再加到偏转板上，当输入信号电压过大时，放大器不能正常工作，甚至受损.因此，在输入端和放大器之间设有衰减器（分压器），将过大的输人电压衰减，以适应信号放大器的要求.3.扫描发生器与波形显示原理如果仅在Y轴上加上一个交变正弦电压信号，则电子束在荧光屏上产生的亮点将随电压的变化在竖直方向来回运动.当电压频率较高时，由于视觉暂留和屏幕余辉作用，则看到的是一条垂直亮线，如图3-10-2所示.同样，如果仅仅在X轴加上一个交变电压信号，则会看到一Uyt条水平亮线A/要能显示波形，必须在Y轴上加一个交变正弦电压信1号同时在X轴上加一扫描电压：扫描电压的特点是电压随时间线性地增加到最大值，然后回到最小，再重复地变电压波型显示波型图3-10-2只加竖直偏转电压的情形化.这种扫描电压随时间的变化关系形同锯齿，故称“锯齿波电压”，如图3-10-3所示，它是由扫描发生器产生的.它的作用是使电子束的亮点匀速地由荧光屏的左边移动到右边，然后迅速返回左边，接着又由左边移动至右边.光点的这种
(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,屏上所涂的荧光粉就会发 光,形成光斑,从而显示出电子束的位置.当电子停止作用后,荧光粉的发光需经一定时间才会 停止,称为余辉效应.不同材料的荧光粉发光的颜色不同,余辉时间也不相同. (2)电子枪 由灯丝 H、阴极 K、控制栅极G、第一阳极 A1、第二阳极 A25部分组成.灯丝通电后加热阴 极.阴极是一个表面镀有氧化物的金属筒,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.其电位比阴极低,对阴极发射出来的电子起控制作用,只有初速度较大的 电子才能克服栅极与阴极间的电场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“亮度暠调整就是通过调节栅极电位以控制射向荧光屏的电子流密度,从而改变了 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、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“聚焦暠调节,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.具有“辅助聚焦暠的示波器,实际 是调节第二阳极电位,以进一步调节光斑的清晰度. (3)偏转系统 它由两对相互垂直的偏转板组成,一对垂直偏转板Y(简称Y 轴),另一对水平偏转板 X(简称 X 轴).在偏转板上加以适当电压,电子束通过时,受电场力的作用,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. 由于光点在荧光屏上偏移的距离与偏转板上所加的电压成正比,因而可将电压的测量转 化为屏上光点偏移距离的测量,这就是示波器测量电压的原理. 2.X,Y 轴信号放大/衰减器 示波管本身相当于一个多量程电压表,这一作用是靠信号放大器实现的.由于示波器本身 的 X 及Y 偏转板的灵敏度不够高,当加到偏转板的信号较小时,电子束不能发生足够的偏转, 以至荧光屏上光点的位移太小,不便观测.为此,设置X轴及Y轴电压放大器,预先把小的信号 电压加以放大,再加到偏转板上.当输入信号电压过大时,放大器不能正常工作,甚至受损.因 此,在输入端和放大器之间设有衰减器(分压器),将过大的输入电压衰减,以适应信号放大器 的要求. 3.扫描发生器与波形显示原理 如果仅在Y 轴上加上一个交变正弦电压信号,则电子束在荧光屏上产生的亮点将随电压 的变化在竖直方向来回运动.当电压频率较高时,由于视觉暂留和屏幕余辉作用,则看到的是 一条垂直亮线,如图3灢10灢2所示.同样,如果仅仅在 X 轴加上一个交变电压信号,则会看到一 图3灢10灢2 只加竖直偏转电压的情形 条水平亮线. 要能显示波形,必须在Y 轴上加一个交变正弦电压信 号同时在 X 轴上加一扫描电压.扫描电压的特点是电压 随时间线性地增加到最大值,然后回到最小,再重复地变 化.这种扫描电压随时间的变化关系形同锯齿,故称“锯 齿波电压暠,如图3灢10灢3所示,它是由扫描发生器产生的.它的作用是使电子束的亮点匀速地 由荧光屏的左边移动到右边,然后迅速返回左边,接着又由左边移动至右边 . 光点的这种 ·90· 大学物理实验
第3章基础实验91运动称为扫描，当只有锯齿波电压加到X轴上时，如果频率很低，可以看到光斑不断重复地从左到右勺速运动.随着频率的升高，光斑运动速度加快.若频率足够高，则屏幕上显示一条水平亮线.如果在竖直偏转板上加正弦电压，同时在水平偏转板上加锯齿波电压，则光斑将在竖直方向作简谐振动的同时还沿水平方向做速运动.这两个运动的叠加使光斑的轨迹为一正弦曲线，当锯齿波电压和正弦电压周期相同时，在屏幕上将显示出一个完整的所加正弦电压的波形图，如图3-10-4所示.如果锯齿波电压的周期是正弦波电压周期的n（n为整数）倍，荧光屏上将显示n个完整的正弦波形UU图3-10-3只加水平锯齿波电压的情形图3-10-4扫描原理图4.触发同步电路与同步原理如果所加正弦电压和锯齿波电压的周期稍有不同，屏幕上出现的是移动着的不稳定图形，这种情形可用图3-10-5说明.设锯齿波电压的周期T，比正弦波电压的周期T，稍小，比方说T/T、一7/8.在第一扫描周期内，屏幕上显示正弦信号0～1间的曲线段，起点在0°：在第二周期内，显示1～2之间的曲线段，起点在1处：第三周期内，显示2～3点之间的曲线段.起点在2'处.这样屏幕上每次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，则波形向左移动.U,t131.31222U.TT→11T. =8图3-10-5T./T,=7/8时显示的波形为了获取一定数目的完整波形，示波器上设有“扫描速率”转换开关和“扫描微调”旋钮用来调节锯齿波电压的周期，使之与被测信号的周期成适当的关系，从而在屏幕上得到稳定的
运动称为扫描. 当只有锯齿波电压加到 X 轴上时,如果频率很低,可以看到光斑不断重复地从左到右匀 速运动.随着频率的升高,光斑运动速度加快.若频率足够高,则屏幕上显示一条水平亮线.如 果在竖直偏转板上加正弦电压,同时在水平偏转板上加锯齿波电压,则光斑将在竖直方向作简 谐振动的同时还沿水平方向做匀速运动.这两个运动的叠加使光斑的轨迹为一正弦曲线.当锯 齿波电压和正弦电压周期相同时,在屏幕上将显示出一个完整的所加正弦电压的波形图,如 图3灢10灢4所示.如果锯齿波电压的周期是正弦波电压周期的n(n为整数)倍,荧光屏上将显示 n个完整的正弦波形. 图3灢10灢3 只加水平锯齿波电压的情形 图3灢10灢4 扫描原理图 4.触发同步电路与同步原理 如果所加正弦电压和锯齿波电压的周期稍有不同,屏幕上出现的是移动着的不稳定图形, 这种情形可用图3灢10灢5说明.设锯齿波电压的周期Tx 比正弦波电压的周期Ty 稍小,比方说 Tx/Ty =7/8.在第一扫描周期内,屏幕上显示正弦信号0~1间的曲线段,起点在0曚;在第二周 期内,显示1~2之间的曲线段,起点在1曚处;第三周期内,显示2~3点之间的曲线段,起点在 2曚处.这样屏幕上每次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, 则波形向左移动. 图3灢10灢5 Tx/Ty =7/8时显示的波形 为了获取一定数目的完整波形,示波器上设有“扫描速率暠转换开关和“扫描微调暠旋钮, 用来调节锯齿波电压的周期,使之与被测信号的周期成适当的关系,从而在屏幕上得到稳定的 第3章 基础实验 ·91·
:92.大学物理实验被测波形如果输入Y轴的被测信号与示波器内部的扫描电压是完全独立的，由于环境和其他因素（如工作电源电压起伏、电路元件热扰动等）的影响，它们的周期会发生微小的改变.这时，虽可通过调节扫描微调将周期调到整数借关系，但过一会文变广，波形文移动起来，在观察高频信号时，这个向题尤为突出，为此示波器内设有触发同步电路，从Y轴电压放大器中取出部分待测信号去控制（触发）锯齿波电压发生器，使锯齿波电压的扫描起点自动随着被测信号改变，以保持扫描周期与被测信号周期的整数倍关系，从而便正弦波稳定，这就是所请的同步（或整步）.面板上的触发“电平”调节旋钮即为此而设，适当调节该旋钮可使波形稳定，为厂达到“同步”自的，一般采用3种方式：内同步（或称为内触发）：将待测信号一部分加到扫描发生器，当待测信号频率，有微小变化，它将迫使扫描频率f追踪其变化，保证波形的完整稳定；外同步：从外部电路中取出信号加到扫描发生器，迫使扫描频率f变化，保证波形的完整稳定：电源同步：同步信号从电源变压器获得，一般在观察信号时，都采用内同步5.李萨如图形的基本原理如果示波器的X轴和Y轴分别输入的是频率相同或成简单整数比的两个正弦电压，则示波屏十的光点将现特殊形状的轨迹，这种轨迹图称为季萨如图形图3-10-6所示为f，：f，=2：1的李萨如图形.频率比不同时将出现不同的李萨如图形，若两频率不成简单的整数比关系，图形将十分复杂，甚至模糊一片.如图3-10-7所示为频率成简单的整数比关系的几种李萨如图形.从图形中可总结出如下规律yf,1f,2f,1(b) -(e)-(a)J1J2J1U018J,3f,3f,4(e):(d)-(f) -了”图310-7，2，，的季萨如图图3-10-6J，f=2：1的李萨如图形形如果做一假想方框（图3-10-7中虚线框），则图形与此框相切时，横边上的切点数n与竖边上的切点数n之比恰好等于Y轴和X轴输人的两正弦信号的频率之比，即n-fnyf但若出现图（b）或图（f）所示的图形，有端点与假想边框相接时，应在竖边、横边各计为1/2个切点.所以利用李萨如图形能方便地得出两个正弦信号的频率比.若已知其中一个信号的频率，数出图上的切点数n和n便可算出另一待测信号的频率6.几种物理量的测量方法下面介绍用示波器测量几种常用的电学量的方法，测量精度取决于示波器的分辨率和输人衰减器以及Y轴放大器的总电压增益的稳定性等
被测波形. 如果输入Y 轴的被测信号与示波器内部的扫描电压是完全独立的,由于环境和其他因素 (如工作电源电压起伏、电路元件热扰动等)的影响,它们的周期会发生微小的改变.这时,虽 可通过调节扫描微调将周期调到整数倍关系,但过一会又变了,波形又移动起来.在观察高频 信号时,这个问题尤为突出.为此示波器内设有触发同步电路,从Y 轴电压放大器中取出部分 待测信号去控制(触发)锯齿波电压发生器,使锯齿波电压的扫描起点自动随着被测信号改 变,以保持扫描周期与被测信号周期的整数倍关系,从而使正弦波稳定,这就是所谓的同步(或 整步).面板上的触发“电平暠调节旋钮即为此而设,适当调节该旋钮可使波形稳定. 为了达到“同步暠目的,一般采用3种方式:内同步(或称为内触发):将待测信号一部分加 到扫描发生器,当待测信号频率fy 有微小变化,它将迫使扫描频率fx 追踪其变化,保证波形 的完整稳定;外同步:从外部电路中取出信号加到扫描发生器,迫使扫描频率fx 变化,保证波 形的完整稳定;电源同步:同步信号从电源变压器获得.一般在观察信号时,都采用内同步. 5.李萨如图形的基本原理 如果示波器的 X 轴和Y 轴分别输入的是频率相同或成简单整数比的两个正弦电压,则示 波屏上的光 点 将 呈 现 特 殊 形 状 的 轨 迹,这 种 轨 迹 图 称 为 李 萨 如 图 形.图 3灢10灢6 所 示 为 fy暶fx =2暶1的李萨如图形.频率比不同时将出现不同的李萨如图形,若两频率不成简单的整 数比关系,图形将十分复杂,甚至模糊一片.如图3灢10灢7所示为频率成简单的整数比关系的几 种李萨如图形.从图形中可总结出如下规律: 图3灢10灢6 fy暶fx =2暶1的李萨如图形 图3灢10灢7 fy暶fx =nx暶ny 的李萨如图 形 如果做一假想方框(图3灢10灢7中虚线框),则图形与此框相切时,横边上的切点数nx 与竖 边上的切点数ny 之比恰好等于Y 轴和X 轴输入的两正弦信号的频率之比,即 nx ny = fy fx 但若出现图(b)或图(f)所示的图形,有端点与假想边框相接时,应在竖边、横边各计为 1/2个切点.所以利用李萨如图形能方便地得出两个正弦信号的频率比.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. 6.几种物理量的测量方法 下面介绍用示波器测量几种常用的电学量的方法,测量精度取决于示波器的分辨率和输 入衰减器以及Y 轴放大器的总电压增益的稳定性等. ·92· 大学物理实验
第3章基础实验·93.（1）测量电压把待测信号输入到示波器的Y轴，调节示波器面板上各开关旋钮到适当的位置（注意要将示波器输入衰减微调旋钮顺时针旋到底，置于校准位置），使示波屏上显示一稳定波形，如图3-10-8所示.然后直接从示波器屏幕分划板上读出被测信号波形高度所占的格数H，则信号电压的峰一峰值（峰谷差）为(3-10-1)U--=Dy X H,式中DY是示波器Y轴的偏转灵敏度（VOLTS/DIV）（2）测量周期和频率把待测信号输人到示波器的Y轴，调节示波器面板上各开关旋钮到适当的位置（注意：要将扫描速度微调旋钮置于校准位置）使示波屏上显示一稳定波形，如图3-10-9所示，然后从示波器屏幕上读出被测信号波形一个周期所占宽度的格数L，则被测信号的周期为T=D, XL,(3-10-2)式中D.为示波器扫描速度开关的偏转灵敏度（TIME/DIV）1图3-10-8待测信号输入到示波器的Y轴图3-10-9待测信号输入到示波器的X轴（3）测量两同频率信号的相位差设有两信号：yr=Aicosot，y2=A2cos（ot一）.y2比y滞后相位，这一相位差可以从示波器显示的波形中测出.方法一：双踪法示波器工作于“交替”方式时可同时显示出和义两个通道输入信号的波形，此时有两种方式测量它们的相位差①如图3-10-10（a）所示，利用屏幕上的标尺测出一个波形波长入和另一个波形滞后距离1，则两信号的相位差为2元／(3-10-3)P=入②如图3-10-10（b）所示，分别调节示波器两个通道的垂直灵敏度旋钮及微调旋钮，使示波器上显示的两信号波形的幅度相等，利用屏幕上的标尺测出波形的幅度H和两波形交叉处的高度h，则两信号的相位差为=2arcco(3-10-4)
(1)测量电压 把待测信号输入到示波器的Y 轴,调节示波器面板上各开关旋钮到适当的位置(注意要将 示波器输入衰减微调旋钮顺时针旋到底,置于校准位置),使示波屏上显示一稳定波形,如 图3灢10灢8所示.然后直接从示波器屏幕分划板上读出被测信号波形高度所占的格数 H,则信 号电压的峰 - 峰值(峰谷差)为 Up-p =DY 暳H, (3灢10灢1) 式中DY 是示波器Y 轴的偏转灵敏度(VOLTS/DIV). (2)测量周期和频率 把待测信号输入到示波器的Y 轴,调节示波器面板上各开关旋钮到适当的位置(注意:要 将扫描速度微调旋钮置于校准位置),使示波屏上显示一稳定波形,如图3灢10灢9所示.然后从 示波器屏幕上读出被测信号波形一个周期所占宽度的格数L,则被测信号的周期为 T=Dx 暳L, (3灢10灢2) 式中Dx 为示波器扫描速度开关的偏转灵敏度(TIME/DIV). 图3灢10灢8 待测信号输入到示波器的Y 轴 图3灢10灢9 待测信号输入到示波器的X 轴 (3)测量两同频率信号的相位差 设有两信号:y1 =A1cos氊t,y2 =A2cos(氊t-氄).y2 比y1 滞后相位氄,这一相位差可以从 示波器显示的波形中测出. 方法一:双踪法 示波器工作于“交替暠方式时可同时显示出y2 和y1 两个通道输入信号的波形,此时有两 种方式测量它们的相位差. 栙 如图3灢10灢10(a)所示,利用屏幕上的标尺测出一个波形波长毸和另一个波形滞后距离 l,则两信号的相位差为 氄= 2毿l 毸 . (3灢10灢3) 栚 如图3灢10灢10(b)所示,分别调节示波器两个通道的垂直灵敏度旋钮及微调旋钮,使示 波器上显示的两信号波形的幅度相等,利用屏幕上的标尺测出波形的幅度 H 和两波形交叉处 的高度h,则两信号的相位差为 氄=2arccos æh è ç ö ø ÷ H . (3灢10灢4) 第3章 基础实验 ·93·