示波器的使用（2025年春季）【背景简介】示波器是电子测量中最常用和重要的仪器，其最吸引人的功能当然是把我们看不见、摸不着的电压信号非常直观形象地展示在我们的面前。当然，示波器也可以用于测量电压随时间的变化及各电信号间的相互关系。例如：直观检测信号并测量其幅度大小、周期、频率、相位等多种参数。此外，只要能利用传感器把非电信号转换为电信号，它就可以用来测量其他非电信号，如压力、振动、声、光、热、磁等。因此，示波器在科学实验和工程技术中有着十分广泛的应用，也是所有理工科大学生必须熟练掌握的必备工具。示波器从结构原理划分，可分为模拟示波器和数字示波器两大类。本实验具体介绍双踪（双通道）模拟示波器的功能使用方法，数字示波器的原理及应用将在下学期实验中详细介绍。【实验目的】1.了解模拟示波器的基本结构和工作原理2.全面熟悉模拟示波器面板各旋钮功能并熟练掌握其使用方法3.Y-t模式观察正弦电压信号并测定其峰峰值电压和周期4.X-Y模式观察李萨如图测定未知正弦电压信号的频率【实验原理】一、示波器的结构及工作原理示波器的基本结构主要包括示波管、扫描电路、同步触发电路、X和Y轴放大器、电源等部分，如图1所示。Y2放大控至垂直偏转板CH2(Y)输入制电路Yi放大示波管至水平偏转板CHI(X)输入高压X-Y模式~220V电源X放大Y-t模式低压供给同步控制与触发扫描图1.模拟示波器基本结构框图1/6
1 / 6 示波器的使用 （2025 年春季） 【背景简介】 示波器是电子测量中最常用和重要的仪器，其最吸引人的功能当然是把我们看不见、摸不着的电压信号 非常直观形象地展示在我们的面前。当然，示波器也可以用于测量电压随时间的变化及各电信号间的相互关 系。例如：直观检测信号并测量其幅度大小、周期、频率、相位等多种参数。此外，只要能利用传感器把非 电信号转换为电信号，它就可以用来测量其他非电信号，如压力、振动、声、光、热、磁等。因此，示波器 在科学实验和工程技术中有着十分广泛的应用，也是所有理工科大学生必须熟练掌握的必备工具。 示波器从结构原理划分，可分为模拟示波器和数字示波器两大类。本实验具体介绍双踪（双通道）模拟 示波器的功能使用方法，数字示波器的原理及应用将在下学期实验中详细介绍。 【实验目的】 1．了解模拟示波器的基本结构和工作原理 2．全面熟悉模拟示波器面板各旋钮功能并熟练掌握其使用方法 3．Y-t 模式观察正弦电压信号并测定其峰峰值电压和周期 4．X-Y 模式观察李萨如图测定未知正弦电压信号的频率 【实验原理】 一、示波器的结构及工作原理 示波器的基本结构主要包括示波管、扫描电路、同步触发电路、X 和 Y 轴放大器、电源等部分，如图 1 所示。 图 1. 模拟示波器基本结构框图
1.示波管示波管（CRT）是示波器的核心，如图2所示。它主要由安装在高真空管中的电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成。电子枪用来发射一束强度可调且能聚焦的高速电子流，它由灯丝、阴极、栅极1、聚焦阳极2等部分组成。偏转系统由垂直（Y)偏转板3和水平（X）偏转板4组成。偏转板用来控制电子束在XY方向偏转运动，在偏转板上施加适当电压，电子束通过时运动方向发生偏转，在荧光屏上产生的光点位置随之改变。荧光屏上涂有荧光粉，受电子轰击后发光而形成光点，光点的亮度取决于单位时间打在荧光屏上的电子数量，调节栅极1的电位可以改变加速度从而调节波形亮度；光点的大小由电子束的粗细决定，调节聚焦阳极2（静电聚焦非线性电场）的电位可以改变电子束聚焦的远近从而调节波形的清晰度。它们分别由示波器面板上的辉度（INTENsity）和聚焦（FOCUS）旋钮来调节实现。oCRT-Theheartoftheoscilloscope1. Grid 2. FocusElectronbeamCathode3.Vert.plates4.Horiz.platesZeroFluorescentsignalElectron gunScreenxY-deflection电子枪荧光屏偏转板图2.示波管（CRT）结构示意图2.扫描当偏转板加上一定的电压后，电子束将受到电场的作用而偏转，光点在荧光屏上移动的距离与偏转板上所加的电压近似成正比。若在Y偏转板上加正弦电压，X偏转板不加电压，荧光屏上光点只是作上下方向的谐振动，振动频率较快时，看起来是一条垂直线段。如果屏上的光点同时沿X轴正方向作匀速运动，我们就能看到光点描出的时间函数是一段正弦曲线。光点从左往右沿X轴正向的匀速运动及反跳至起点重复移动的周期过程，称为扫描。获得扫描的方法，是在X轴偏转板上加一个电压与时间成正比的信号，称锯齿波电压或扫描电压，由示波器内的扫描电路一时基发生器产生。若水平方向扫描电压信号的周期Tx刚好是垂直方向被测电压信号周期T，的整数倍N时，则屏上将显示出稳定不动的波形，这被称为扫描同步，示波器的这种工作模式称之为Y-t模式。实现同步扫描的条件：Tx= NTy3.同步触发由于信号电压和扫描电压来自两个独立的信号源，它们的周期难以调节成准确的整数倍关系，通常屏上的波形会发生横向漂移，造成观察困难。示波器的设计者巧妙地利用同步控制原理解决这一难题：设定恰当的启动扫描的电压值即调节触发电平（LEVEL）不要超出被测信号变化的范围，并选择被测信号在触发电平之变化趋势即触发斜率（或极性SLOPE）（“+”为电压增加，“一”为电压减小），触发控制器（TRIGGER）会检测被测信号的电压值是否达到触发电平，同时被测信号是否满足触发斜率设定的变化趋势，如果二者同2/6
2 / 6 1.示波管 示波管（CRT）是示波器的核心，如图 2 所示。它主要由安装在高真空管中的电子枪、偏转系统 和荧光屏三部分组成。电子枪用来发射一束强度可调且能聚焦的高速电子流，它由灯丝、阴极、栅极 1、聚 焦阳极 2 等部分组成。偏转系统由垂直(Y)偏转板 3 和水平(X)偏转板 4 组成。偏转板用来控制电子束在 XY 方向偏转运动，在偏转板上施加适当电压，电子束通过时运动方向发生偏转，在荧光屏上产生的光点位置随 之改变。荧光屏上涂有荧光粉，受电子轰击后发光而形成光点，光点的亮度取决于单位时间打在荧光屏上的 电子数量，调节栅极 1 的电位可以改变加速度从而调节波形亮度；光点的大小由电子束的粗细决定，调节聚 焦阳极 2 （电电聚焦非性电电））的电位可以改变电子束聚焦的近从从而调节波形的晰度度。它们分由由示 波器面板上的辉度（INTENsity）和聚焦（FOCUS）旋钮来调节实现。 图 2. 示波管（CRT）结构示意图 2.扫描 当偏转板加上一定的电压后，电子束将受到电）的作用而偏转，光点在荧光屏上移动的距离与偏转 板上所加的电压从似成正比。若在 Y 偏转板上加正弦电压，X 偏转板不加电压，荧光屏上光点只是作上下 方向的谐振动，振动频率较快时，看起来是一条垂直性段。如果屏上的光点同时沿 X 轴正方向作匀速运动， 我们就能看到光点描出的时间函数是一段正弦曲性。光点从左往右沿 X 轴正向的匀速运动及反跳至起点重 复移动的周期过程，称为扫描。获得扫描的方法，是在 X 轴偏转板上加一个电压与时间成正比的信号，称 锯齿波电压或扫描电压，由示波器内的扫描电路—时基发生器产生。若水平方向扫描电压信号的周期 Tx 刚 好是垂直方向被测电压信号周期 Ty 的整数倍 N 时，则屏上将显示出稳定不动的波形，这被称为扫描同步， 示波器的这种工作模式称之为 Y-t 模式。 实现同步扫描的条件： Tx ＝ N Ty 3.同步触发 由于信号电压和扫描电压来自两个独立的信号源，它们的周期难以调节成准确的整数倍关系， 通常屏上的波形会发生横向漂移，造成观察困难。示波器的设计者巧妙地利用同步控制原理解决这一难题： 设定恰当的启动扫描的电压值即调节触发电平（LEVEL）不要超出被测信号变化的范围，并选择被测信号在 触发电平之变化趋势即触发斜率 （或极电 SLOPE）( ＋”为电压增加， －”为电压减小），触发控制器（TRIGGER） 会检测被测信号的电压值是否达到触发电平，同时被测信号是否满足触发斜率设定的变化趋势，如果二者同
时满足一一同步触发的充要条件。那么，触发控制器便启动锯齿波扫描电压，如此可确保扫描周期与被测信号周期总是成整数倍关系，从而在荧光屏上显示稳定的波形。电路的这种控制作用称为同步，如图3所示。LEVELTRIG'D.SLOPE+Y-axisPeriodicsignal充要条件：1Tx=2Ty触发电平V.t触发斜率2.X-axisSawtooth（极性）signal>同步扫描条件：T=NT图3.同步触发扫描基本原理4.放大器一般示波器垂直和水平偏转板的灵敏度不高，当加在偏转板上的电压较小时，电子束不能发生足够的偏转，光点位移很小。为了便于观测，需要预先把小的输入电压经放大后再送到偏转板上，为此设计了垂直和水平放大器。示波器的垂直偏转系数是指光迹在荧光屏Y方向偏转一格时对应的电压值，面板标识为VOLTS/DIV（DIV为荧光屏上一大格，通常为1cm)。若示波器的垂直偏转系数指向0.5V/DIV，则当光迹在Y方向偏转6.0格时，Y轴输入电压的峰一峰值应为3.0V。同理，水平偏转系数（或时基扫描系数）是指光迹在X方向偏转一大格对应的扫描时间，面板标识为TIME/DIV。5.X-Y模式当示波器由Y-t模式切换为X-Y模式时，扫描信号被切断，此时，通道1（CH1(X)）被连接到X偏转板，通道2（CH2(Y)）还是被连接到Y偏转板。在这种模式下，电子束同时受到连接X、Y偏转板的输入电压形成的电场力的作用，如果此两路电压均为正弦波信号，且周期或频率的比值为有理数（整数比），则我们会在荧光屏上看到闭合稳定的漂亮图案，这便是相互垂直谐振动合成的轨迹一李萨如图，如图4所示。VerticalaxisVOLTAGEfromCH2(Y)HorizontalaxisVOLTAGEfromCH1(X)V信号发生器一图4.李萨如图3/6
3 / 6 时满足——同步触发的充要条件。那么，触发控制器便启动锯齿波扫描电压，如此可确保扫描周期与被测信 号周期总是成整数倍关系，从而在荧光屏上显示稳定的波形。电路的这种控制作用称为同步，如图 3 所示。 图 3. 同步触发扫描基本原理 4. 放大器 一般示波器垂直和水平偏转板的灵敏度不高，当加在偏转板上的电压较小时，电子束不能发生足 够的偏转，光点位移很小。为了便于观测，需要预先把小的输入电压经放大后再送到偏转板上，为此设计了 垂直和水平放大器。示波器的垂直偏转系数是指光迹在荧光屏 Y 方向偏转一格时对应的电压值，面板标识 为 VOLTS/DIV （DIV 为荧光屏上一大格，通常为１cm)。若示波器的垂直偏转系数指向 0.5V/DIV，则当光 迹在 Y 方向偏转 6.0 格时， Y 轴输入电压的峰—峰值应为 3.0V。同理，水平偏转系数（或时基扫描系 数）是指光迹在 X 方向偏转一大格对应的扫描时间，面板标识为 TIME/DIV。 5. X-Y 模式 当示波器由 Y-t 模式切换为 X-Y 模式时，扫描信号被切断，此时，通道 1 （CH1(X)）被连接到 X 偏转板，通道 2（CH2(Y)）还是被连接到 Y 偏转板。在这种模式下，电子束同时受到连接 X、Y 偏转板 的输入电压形成的电）力的作用，如果此两路电压均为正弦波信号，且周期或频率的比值为有理数（整数 比），则我们会在荧光屏上看到闭合稳定的漂亮图案，这便是相互垂直谐振动合成的轨迹——李萨如图，如 图 4 所示。 图 4. 李萨如图
二、测量原理1.测量已知信号的峰峰值电压和周期将信号发生器输出的已知正弦波电压信号输入到示波器的CH1通道，将示波器工作模式切换到Y-t模式，在校准状态下将波形调到最佳状态，即在荧光屏上显示至少一个周期、纵向幅度尽可能大的稳定波形，上下左右移动波形，对准网格（方格边长1cm被5等分），以中央刻度线为标尺，测定相关距离，读取相关示数，便可间接求得峰峰值电压和周期(Vp-p = D,Y(公式1)T=DX其中，Vp-p为峰峰值电压，D,为垂直偏转系数（VOLTS/DIV)，Y为峰谷垂直距离：T为周期，D为水平偏转系数（TIME/DIV），X为相邻峰或谷水平距离。图5所示分别为测量峰峰值电压和周期效果图。suremenSnaptogndVerticalscaleHorizontal scale DD,-IV/DIV-1V/cm=0.2ms/DIV=02msY=6.4division44diy44C图5.峰峰值电压和周期的测量2.测量未知信号的频率将信号发生器输出的已知正弦电压信号接入到示波器的CH1(X)通道，被测未知正弦电压信号接入CH2(Y)通道，同时将示波器工作模式切换到X-Y模式，调节已知信号频率使两正弦电压的周期或频率成简单整数比时，合成轨迹为一稳定的闭合图案李萨如图形，如图4所示。分别对图形作一根水平和垂直切线，并设水平切线与图形的切点数为N、垂直切线与图形的切点数为N，那么，在X、Y方向的电压信号频率、f与Nx、N，有如下确定关系，Nx=Tx=f(公式2)NyTyfx因此，只要读取已知信号的频率，就可以由公式（2）求出未知信号的频率4/6
4 / 6 二、测量原理 1.测量已知信号的峰峰值电压和周期 将信号发生器输出的已知正弦波电压信号输入到示波器的 CH1 通道，将示波器工作模式切换到 Y-t 模 式，在校准状态下将波形调到最佳状态，即在荧光屏上显示至少一个周期、纵向幅度尽可能大的稳定波形， 上下左右移动波形，对准网格（方格边长 1cm 被 5 等分），以中央刻度性为标尺，测定相关距离，读取相关 示数，便可间接求得峰峰值电压和周期： { 𝑉𝑝−𝑝 = 𝐷𝑦𝑌 𝑇 = 𝐷𝑥𝑋 (公式 1) 其中，Vp-p 为峰峰值电压， Dy 为垂直偏转系数（VOLTS/DIV），Y 为峰谷垂直距离；T 为周期，Dx 为水 平偏转系数（TIME/DIV）, X 为相邻峰或谷水平距离。图 5 所示分由为测量峰峰值电压和周期效果图。 图 5. 峰峰值电压和周期的测量 2.测量未知信号的频率 将信号发生器输出的已知正弦电压信号接入到示波器的 CH1(X)通道，被测未知正弦电压信号接入 CH2(Y)通道，同时将示波器工作模式切换到 X-Y 模式，调节已知信号频率使两正弦电压的周期或频率成简 单整数比时，合成轨迹为一稳定的闭合图案——李萨如图形，如图 4 所示。分由对图形作一根水平和垂直 切性，并设水平切性与图形的切点数为 Nx、垂直切性与图形的切点数为 Ny，那么，在 X、Y 方向的电压 信号频率 fx 、 fy 与 Nx、Ny 有如下确定关系， 𝑁𝑥 𝑁𝑦 = 𝑇𝑥 𝑇𝑦 = 𝑓𝑦 𝑓𝑥 (公式 2) 因此，只要读取已知信号的频率 fx ，就可以由公式（２）求出未知信号的频率 fy
【实验仪器】1.SG4320A/SG4320B型双踪模拟示波器2.EE1420型函数信号发生器3.待测正弦电压信号源【实验内容】1.测量已知信号的峰峰值电压和周期统一规定信号发生器输出已知信号参数范围：正弦波、频率约1-3KHz，幅度约2-5V：按照上述测量原理1测量相关量，完成数据表1记录，由公式（1）可求得已知信号的峰峰值电压和周期。表1正弦信号电压与周期测量数据表函数信号发生器双踪模拟示波器测量计算值频率电压幅度XT垂直偏转系数Y水平偏转系数Vo-pD, (V/div)(div)D (ms/div)(v)(Hz)Un.(v)(div)(ms)1.110000005.2102.利用李萨如图测量未知信号的频率把已知和未知正弦信号分别加到水平和垂直偏转板，则荧光屏上光点的运动轨迹是两个互相垂直的谐振动的合成。当两个正弦信号频率或周期比为整数之比时，其轨迹是一个闭合且稳定的李萨如图。按照上述测量原理2，利用李萨如图的规律即公式(2)，分别求出Nx：N,=1:1，1:2，2:1，2:3几种情况下未知信号的频率，完成数据表2的记录，并与Y-t模式下测量的未知信号频率对照。表2未知信号频率测量数据表李萨如图N2211N2311ffu5/6
5 / 6 【实验仪器】 1. SG4320A/SG4320B 型双踪模拟示波器 2. EE1420 型函数信号发生器 3. 待测正弦电压信号源 【实验内容】 1. 测量已知信号的峰峰值电压和周期 统一规定信号发生器输出已知信号参数范围：正弦波、频率约 1-3KHz，幅度约 2-5V；按照上述测量原 理 1 测量相关量，完成数据表 1 记录，由公式（1）可求得已知信号的峰峰值电压和周期。 表 1 正弦信号电压与周期测量数据表 函数信号发生器 双踪模拟示波器 测量计算值 频率 (Hz) 电压幅度 Up-p(V) 垂直偏转系数 Dy(V/div) Y (div) 水平偏转系数 Dx(ms/div) X (div) Vp-p (V) T (ms) 1.11000000 5.210 2. 利用李萨如图测量未知信号的频率 把已知和未知正弦信号分由加到水平和垂直偏转板，则荧光屏上光点的运动轨迹是两个互相垂直的谐 振动的合成。当两个正弦信号频率或周期比为整数之比时，其轨迹是一个闭合且稳定的李萨如图。按照上述 测量原理 2，利用李萨如图的规律即公式(2)，分由求出 Nx : Ny = 1:1，1:2，2:1，2:3 几种情况下未知信号的 频率，完成数据表 2 的记录，并与 Y-t 模式下测量的未知信号频率对照。 表 2 未知信号频率测量数据表 李 萨 如 图 Nx 1 1 2 2 Ny 1 2 1 3 fx fy