实验三示波器的原理和使用[实验目的]1.初步了解示波管的结构；2.掌握双踪示波器的显示原理和使用方法；3.学习用示波器测量电压、电流、频率，以及相位差。[仪器用具]示波器，低频信号发生器，电感箱，电阻箱，电容箱。[实验原理]电子示波器又称“阴极射线示波器”，它可以非常直观地把各种电过程的图象用荧光屏显示出来。如果配合一些其他仪器和转换装置，它还可以对许多电学量，如：电流、电压、功率、相位、频率，调制度以及一些非电量进行定量测量。因此它是一种用途非常广泛的电子仪器。它构造的主要部分是示波管（如图3-1)：扫描、触发系统：放大部分，包括Y轴放大和X轴放大两部分：电源部分，它供给以上三部分工作的各种电压。（1）示波管如图3-1所示。阴极被加热后发射出电子，经聚集和加速后，电子束穿过加有电压的垂直和水平偏转系统（简称纵偏和横偏）打在荧光屏上，致使荧光物质发光形成-个亮点，亮点在屏上的位移与偏转板上所加电压成正比，因此，亮点的运动轨迹描绘出纵偏和横偏信号的合成运动规律的图象。集焦垂直偏转板加速阳极水平偏转板控制栅极阳极电果灯丝金属涂层荧光屏阴极电子枪个图3-1(2)示波器显示波形的基本原理。如图3-2a所示，在X轴偏转板（即水平偏转）上加一个随时间t按一定比例增加的电压信号U，则光点将从A点向B点移动。如果光点达到B点时突然把U降到零（图中坐标轴上的T点），那么光点就要返回A点。若此后U按上述相同情况变化（幅值U和周期Tx均相同），则光点又会重新由A移到B。这样U周而复始地变化，19
19 实验三 示波器的原理和使用 [实验目的] 1．初步了解示波管的结构； 2．掌握双踪示波器的显示原理和使用方法; 3．学习用示波器测量电压、电流、频率，以及相位差。 [仪器用具] 示波器，低频信号发生器，电感箱，电阻箱，电容箱。 [实验原理] 电子示波器又称 ―阴极射线示波器‖，它可以非常直观地把各种电过程的图象用荧光屏 显示出来。如果配合一些其他仪器和转换装置，它还可以对许多电学量，如：电流、电压、 功率、相位、频率,调制度以及一些非电量进行定量测量。因此它是一种用途非常广泛的电 子仪器。它构造的主要部分是示波管（如图 3-1）；扫描、触发系统；放大部分，包括 Y 轴 放大和 X 轴放大两部分；电源部分，它供给以上三部分工作的各种电压。 (1)示波管如图 3-1 所示。阴极被加热后发射出电子，经聚集和加速后，电子束穿过 加有电压的垂直和水平偏转系统(简称纵偏和横偏)打在荧光屏上，致使荧光物质发光形成一 个亮点，亮点在屏上的位移与偏转板上所加电压成正比，因此，亮点的运动轨迹描绘出纵偏 和横偏信号的合成运动规律的图象。 (2)示波器显示波形的基本原理。如图 3-2a 所示，在 X 轴偏转板(即水平偏转)上加一 个 (2)示波器显示波形的基本原理。如图 3-2a 所示，在 X 轴偏转板(即水平偏转)上加一个 随时间 t 按一定比例增加的电压信号 Ux，则光点将从 A 点向 B 点移动。如果光点达到 B 点 时突然把 Ux降到零(图中坐标轴上的 Tx点)，那么光点就要返回 A 点。若此后 Ux按上述相同 情况变化(幅值 Um 和周期 Tx 均相同)，则光点又会重新由 A 移到 B。这样 Ux 周而复始地变化， 控制栅极 电子枪 灯丝 阴极 集焦 阳极 加速 阳极 垂直偏转板 水平偏转板 电子束 金属涂层 荧光屏 图 3-1
并由于发光物质的特性又能使光迹有一定的保留时间，于是就得到一条“扫描线”，一般称它为时间基线，只要在X轴偏转板上加一个类似“锯齿”形式的电压信号，就可以得到这样一条基线。假如在X轴加有扫描电压的同时，在Y轴加一正弦变化电压（图3-2b)，则电子流不但受到水平电场力而且还受到铅直方向电场力的作用，示波屏上不再是一条经过中心的水平方向光迹。设正弦电压信号Uy的周期T,与U的周期Tx相同，当U,为正半周时，偏转板Yi的电位高于Y2，所以在水平中心线的上方出现一个正弦波正半周的波形；当U，为负半周时，偏转板Y2的电位高，正弦波负半周的波形就出现在中心线的下方。当扫描电压第一个周期结束时，正好完整显示了一个周期的信号波形Uy：而且电子束立即回到原点，并开始扫描第二个周期的信号波形。光点所画的轨迹和第一周期的完全重合，所以在屏上显示出一个波形。由于在每一个周期内，加在X轴偏转板上的锯齿波电压与时间成线性关系，因而示波管所显示的波形也就是待测电压信号在（(Uy，t)坐标图上的波形，这就是示波器显示波形的基本原理。YiUXXiX2>UU(a)(b)图3-2示波器显示波形原理图如U的周期为U，的n倍（整数），屏上就显示n个正弦波形，当被测信号系统频率不是扫描电压频率的整数倍时，荧光屏上的波形就会左右移动。为了观察到稳定的波形，就需要始终保持U和U,频率整数倍的关系，为此，一般就设法引入另一个幅值可以调节的电压，以控制扫描电压的频率，从而满足上述条件，这就是整步（同步）作用，所引入的电压叫整步电压（即触发源），整步电压可以取自被测信号（称内整步），或电源电压（称电源整步）；也可将另一外加信号由“整步输入接线柱接入，这称为外整步，总之，视情况而定。在一般情况下，常使用“内整步”。通过选择合适的整步源（触发源），并调整触发电平在较小的合适水平，就可以获得被测信号的稳定波形。如果级偏压加一个正弦电压，横偏压也加一个正弦扫描电压，当两电压信号的频率成20
20 并由于发光物质的特性又能使光迹有一定的保留时间，于是就得到一条 ―扫描线‖,一般称它 为时间基线，只要在 X 轴偏转板上加一个类似“锯齿”形式的电压信号，就可以得到这样一 条基线。 假如在 X 轴加有扫描电压的同时,在 Y 轴加一正弦变化电压(图 3-2b)，则电子流不但 受 到水平电场力而且还受到铅直方向电场力的作用，示波屏上不再是一条经过中心的水平方向 光迹。设正弦电压信号 Uy的周期 Ty 与 Ux的周期 Tx相同，当 Uy为正半周时,偏转板 Y1的电 位高于 Y2 ，所以在水平中心线的上方出现一个正弦波正半周的波形；当 Uy为负半周时，偏 转板 Y2 的电位高，正弦波负半周的波形就出现在中心线的下方。当扫描电压第一个周期结 束时，正好完整显示了一个周期的信号波形 Uy；而且电子束立即回到原点，并开始扫描第 二个周期的信号波形。光点所画的轨迹和第一周期的完全重合，所以在屏上显示出一个波形。 由于在每一个周期内，加在 X 轴偏转板上的锯齿波电压与时间成线性关系，因而示波管所显 示的波形也就是待测电压信号在(Uy,t)坐标图上的波形，这就是示波器显示波形的基本原 理。 (a) (b) 图 3－2 示波器显示波形原理图 如 Ux的周期为 Uy 的 n 倍(整数)，屏上就显示 n 个正弦波形，当被测信号系统频率不是 扫 描电压频率的整数倍时，荧光屏上的波形就会左右移动。为了观察到稳定的波形，就需要始 终保持 Ux和 Uy 频率整数倍的关系，为此，一般就设法引入另一个幅值可以调节的电压，以 控制扫描电压的频率，从而满足上述条件，这就是整步(同步)作用，所引入的电压叫整步电 压（即触发源），整步电压可以取自被测信号(称内整步)，或电源电压(称电源整步)；也可 将另一外加信号由 ―整步输入‖接线柱接入，这称为外整步，总之，视情况而定。在一般情 况下，常使用 ―内整步‖。通过选择合适的整步源（触发源），并调整触发电平在较小的合适 水平，就可以获得被测信号的稳定波形。 如果纵偏压加一个正弦电压，横偏压也加一个正弦扫描电压，当两电压信号的频率成 t Uy X1 X2 Y1 Y2 Ux Tx t X1 X2 Tx t Ux A B
正比时，得出来的图形将是李萨如图形，如表（一）中所示，李萨如图形用来测量未知频率，令fy、f分别代表纵偏压和横偏压的频率，nx代表X方向的切线和图形相切的切点数，n代表Y方向的切线和图形相切的切点数，则有fu=nxfny(3-1)如果已知fx，则由稳定的李萨如图形和关系式(3-1)可求出fy双踪示波器，双踪示波器具有两个Y轴输入通道，两个独立信号Yi和Y2分别接到双踪示波器的“Yi信号输入”和“Y2信号输入”端，利用电子开关电路，将两个通道输入信号交替地耦合到Y轴后级放大器，使两组输入信号交替地作用于Y轴偏转系统，利用荧光屏上光迹余辉，与人眼视觉惯性，可在荧光屏上同时看到两组输入信号波形。输入信号在荧光屏上有四种显示方式：（1）Yi显示：此时只显示Y信号，不显示Y2信号，以便对Yi信号单独观察。（2）Y2显示：此时只显示Y2信号，不显示Yi信号。（3)交替：此时第一次扫描显示Y（或Y2)然后第二次显示Y2（或Y1），不断重复显示，由于一般扫描的周期相当短，在显示一个信号时，另一个信号前一次的显示余辉尚未消失，看到的是两个信号的波形同时显示在屏上。（4)断续：同一次扫描中，在10μS数量级的极短时间交替显示Yi和Y2，亦即信号Yi只来得及显示其完整波形的很小一段就转而显示信号Y2，同样，Y2也只显示很小一段又转而第二次显示Y1，如此不断重复进行，在一个扫描周期内可同时显示Yi和Y2两个信号的波形。只是两个信号的波形都是断续的。[实验内容](一)测量电压和电流1：接通交流电源(220V)，荧光屏上应显示一条扫描线，调节INTENSITY（辉度），FOCUS（聚集），X轴左右移位等旋钮，使扫描线亮度适中，清晰；调节Y轴上下移位旋钮使扫描线跟屏上的基准线重合。21
21 正比时，得出来的图形将是李萨如图形，如表(一)中所示，李萨如图形用来测量未知频率, 令 fy、fx分别代表纵偏压和横偏压的频率, nx 代表 X 方向的切线和图形相切的切点数,ny 代 表 Y 方向的切线和图形相切的切点数，则有 y x x y n n f f (3-1) 如果已知 fx ,则由稳定的李萨如图形和关系式(3-1)可求出 fy. 双踪示波器，双踪示波器具有两个 Y 轴输入通道，两个独立信号 Y1 和 Y2 分别接到双踪 示波器的 ―Y1 信号输入‖和 ―Y2 信号输入‖端，利用电子开关电路，将两个通道输入信号交替 地耦合到 Y 轴后级放大器，使两组输入信号交替地作用于 Y 轴偏转系统，利用荧光屏上光 迹余辉，与人眼视觉惯性，可在荧光屏上同时看到两组输入信号波形。输入信号在荧光屏上 有四种显示方式：(1) Y1显示：此时只显示 Y1 信号，不显示 Y2 信号，以便对 Y1 信号单独观 察。(2) Y2 显示：此时只显示 Y2信号，不显示 Y1 信号。(3)交替：此时第一次扫描显示 Y1 (或 Y2)然后第二次显示 Y2 (或 Y1 )，不断重复显示，由于一般扫描的周期相当短，在显示一个 信号时，另一个信号前一次的显示余辉尚未消失，看到的是两个信号的波形同时显示在屏上。 (4)断续：同一次扫描中，在 10µS 数量级的极短时间交替显示 Y1 和 Y2，亦即信号 Y1只来得 及显示其完整波形的很小一段就转而显示信号 Y2，同样, Y2 也只显示很小一段又转而第二 次显示 Y1，如此不断重复进行，在一个扫描周期内可同时显示 Y1和 Y2 两个信号的波形。只 是两个信号的波形都是断续的。 [实验内容] (一)测量电压和电流 1． 接通交流电源(220V)，荧光屏上应显示一条扫描线，调节 INTENSITY(辉度)， FOCUS(聚集)，X 轴左右移位等旋钮，使扫描线亮度适中，清晰；调节 Y 轴上下移位旋钮， 使扫描线跟屏上的基准线重合
元图3-3测量交流回路的电压和电流2.按图3-3联接线路图，调节信号频率f=5000Hz，电压表指示为1V，选取C=0.03μF，R=100Q，分别用示波器的Y1、Y2通道测量电阻和信号源两端的电压。（二）观察李萨如图形并测量频率1．选择示波器的水平显示方式为X-Y水平方式，从低频信号发生器取出频率为50Hz、电压幅度约为1V的电压信号，将其接至Y（Y2)轴输入端钮。2．从另一台低频信号发生器取出另一个幅值也约为1V、频率为fx的信号接至X轴输入端钮，调节示波器的有关旋钮，使波形大小适合观测，再调节信号发生器的输出频率，使示波器屏幕上出现稳定的、如表（一)中的各个图形，分别读出fx并完成下表。。李萨如图形举例表（一)1:11:21:32:33:23:42:1f,:fx李萨如图形nxnyfx (Hz)50505050505050fy (Hz)22
22 图 3-3 测量交流回路的电压和电流 2. 按图3-3联接线路图，调节信号频率f=5000Hz，电压表指示为1V，选取C=0.03µF， R=100Ω ，分别用示波器的 Y1、Y2 通道测量电阻和信号源两端的电压。 （二）观察李萨如图形并测量频率 1. 选择示波器的水平显示方式为 X-Y 水平方式，从低频信号发生器取出频率为 50Hz、电压幅度约为 1V 的电压信号，将其接至 Y (Y2)轴输入端钮。 2. 从另一台低频信号发生器取出另一个幅值也约为 1V、频率为 fx的信号接至 X 轴输入端钮，调节示波器的有关旋钮，使波形大小适合观测，再调节信号发生器的输出 频率，使示波器屏幕上出现稳定的、如表(一)中的各个图形，分别读出 fx并完成下表。 李萨如图形举例表(一) fy:fx 1:1 1:2 1:3 2:3 3:2 3:4 2:1 李萨如 图形 nx ny fx (Hz) fy (Hz) 50 50 50 50 50 50 50 Y2 C Y1 R
（三）测量相位差1.图3-4为实验原理线路图，按图接好线路，其中信号源频率为f=500Hz，电感L=1HR=3200Q2.调节有关旋钮使二波形稳定后，调节Y1,Y2「移位旋钮，使两个波形都移到关于一个周期(360°)的时间为T，而波形B00的对称轴上，如图3-5.从屏幕的主格中测得波形A-滞后于波形A的时间为△t.则二波形的相位差为：3600x△tβ=T0>L=1H500HZ1VYR=3200Q2咖地图3-4相位差实验原理图图3-5相位差的测量[数据处理]1.利用电阻计算图3-3回路的电流.并把测得的信号源电压与电压表指示进行比较2．完成表（一）的内容.3.求出内容(三)中的相位差，并与理论值比较[思考题]开机后，如果屏上出现一从左向右的亮点，通过调节哪些旋钮，可以得到一扫描线1.2．在荧光屏上可以观察到示波器产生的锯齿波吗？3.可以用示波器来测量直流电压吗?如何测量？实验内容（一）中测得的信号源电压为什么与电压表的指示值不一致4.5.可以用示波器来测量交流元件（如电容，电感）吗？如何测量？SS7802型示波器使用说明1POWER：电源开关键，接通或断开电源23
23 (三） 测量相位差 1. 图 3-4 为实验原理线路图,按图接好线路,其中信号源频率为 f=500Hz，电感 L=1H， R=3200Ω . 2.调节有关旋钮使二波形稳定后,调节 Y1,Y2 移位旋钮,使两个波形都移到关于 oo’的对称轴上,如图 3-5.从屏幕的主格中测得波形 A 一个周期(3600 )的时间为 T,而波形 B 滞后于波形 A 的时间为Δ t.则二波形的相位差为: t T 0 360 图 3-4 相位差实验原理图 图 3-5 相位差的测量 [数据处理] 1. 利用电阻计算图 3-3 回路的电流.并把测得的信号源电压与电压表指示进行比较. 2. 完成表（一）的内容. 3. 求出内容(三)中的相位差,并与理论值比较. [思考题] 1. 开机后,如果屏上出现一从左向右的亮点,通过调节哪些旋钮,可以得到一扫描线. 2. 在荧光屏上可以观察到示波器产生的锯齿波吗? 3. 可以用示波器来测量直流电压吗?如何测量? 4. 实验内容(一)中测得的信号源电压为什么与电压表的指示值不一致. 5. 可以用示波器来测量交流元件(如电容,电感)吗?如何测量? SS7802 型示波器使用说明 1 POWER:电源开关键,接通或断开电源. B A Y2 500HZ 1V Δ t T R=3200Ω Ω L=1H 地 Y1