示波器的工作原理与使用

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示波器用处广泛，它的最大特点是能把看不见的电信号变换成能直接观测的电压波形，并能测定电压信号的幅度、周期和频率等参数。双踪示波器还可测量两个信号之间的位相差，是工程技术中常用的电子仪器。

1．了解示波器的主要结构和基本工作原理。2．学会使用示波器和信号发生器。3．学会用示波器观测信号波形。

4．学会用示波器观测李萨如图形并测量市电的频率。

示波器、函数信号发生器、小变压器等。

示波器的规格和型号好多，但不管哪种示波器都由图4-6-1所示的几个基本组成部分：示波管、竖直放大器（Y轴放大器）、水平放大器（X轴放大器）、扫描发生器、触发同步和直流电源等部分。

图4-6-1示波器结构框图

一、示波管

示波管是呈喇叭形的玻璃泡，抽成高真空，内部装有电子枪和两对相互垂直的偏转板，喇叭口的球面壁上涂有荧光物质，构成荧光屏。如图4-6-2所示。

图4-6-2示波管

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1．电子枪：由灯丝、阴极、控制栅极、第一阳极和其次阳极五部分组成，阴极是一个表面涂有氧化层的金属圆筒，灯丝通电加热后发射电子。控制栅极是一个顶端有小孔的圆筒，套在阴极外面，它的电位比阴极稍低，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〞调整旋钮，就是通过调理栅极电位以控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变屏上光斑的亮度。阳极电位比阴极电位高好多，电子被它们之间的电场加速形成射线。当控制栅极、第一阳极与其次阳极之间电位调理适合时，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，其次阳极电位更高，又称加速阳极。面板上的“聚焦〞调理旋钮，就是调理第一阳极电位，使荧光屏上的光斑成为敞亮、明了的小圆点。有的示波器还有“辅助聚焦〞，实际是调理其次阳极电位。

2．偏转系统：它由两对相互垂直的偏转板组成，一对竖直偏转板，称为Y偏转板；一对水平偏转板，称为X偏转板。在偏转板上加上适当电压，当电子束通过时运动方向将发生偏转，从而使电子束在荧光屏上产生的光斑位置也发生改变。

3．荧光屏：屏上涂有荧光粉，电子打上去它就发光，形成光斑。荧光屏前有一块透明的、带刻度的坐标板，供测量光点位置用，在性能较好的示波管中，寻常将刻度线直接刻在屏玻璃内表面上，使其与荧光粉紧贴在一起，以消除视差，使光点位置的测量更确凿。

二、示波器显示波形的原理

1．扫描作用:

假使只在竖直偏转板上加一交变的正弦电压，则电子束的亮点将随电压的变化在竖直方向来回运动，假使电压频率较高，则看到的将是一条竖直亮线。要显示出波形，必需同时在水平偏转板上加一个扫描电压，使电子束的亮点同时沿着水平方向拉开。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，然后突然回到最小，此后再重复地变化。扫描电压随时间变化的关系曲线形同“锯齿〞，故称“锯齿波电压〞。

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，电子同时受竖直、水平两个方图4-6-3示波器显示正弦波形原理图向的力的作用，则电子的运动为两相互垂直的运动的合成。当锯齿波电压与正弦电压变化周期相等时，在荧光屏上将能显示出一个完整的正弦电压的波形图（随着时间的推移,X和Y信号同步周期性地出现），如图4-6-3所示。

2．同步作用

要在示波器荧屏上获得稳定的波形，被测信号的频率fY必需为扫描电压（锯齿波）频率fX的整数（N）倍，即有

52fY?NfX（4-6-1）

假使被测信号与锯齿波两者频率不满足上述整倍数的关系，每次扫描显示的图形就不能重合，结果荧光屏上浮现向左或向右移动的波形，这样就难以对信号进行观测和测量。

电源电压不稳定或其他原因，都会引起被测信号和扫描信号频率的变化，所以必需设法使两者频率自动保持整数比，为此，可利用被测信号电压或与此有关的电压，去强迫控制锯齿波的频率，使之与被测信号频率保持整数比，这就是同步（或称为整步），用来控制锯齿波频率的信号则称为同步信号。

三、李萨如图形

假使X、Y偏转板上加的电信号都是正弦波，当fX和fY之比为整数比时，电子束受到它们的合作用，光点将会描绘出特定的图形——李萨如图形,如图4-6-4所示。

图4-6-4李萨如图形图4-6-5不同频率的李萨如图形

图4-6-5给出了几种不同频率的李萨如图形。可以证明X、Y方向上正弦波的频率与李萨如图形在X、Y方向的切点数nX、nY有如下关系

fXnY（4-6-2）?fYnX根据已知频率可以利用李萨如图形求出未知频率。

1.用示波器观测波形。

(1)对照仪器熟悉示波器、信号发生器各旋钮和按键的功能。

(2)调理信号发生器输出一个电信号，输出频率最好≥500Hz，观测信号发生器输出的正弦波、方波、三角波波形。

2.将微调旋钮(27)逆时针旋足即置于校准位置，根据扫描速度旋钮（26）的指示值测上述三角波的频率f测，并与信号发生器读出的实际频率f实相比较求相对误差。

3.测量小变压输出信号的峰-峰值。4.用李萨如图形测市电频率。

(1)将信号发生器接入示波器的CH1(X)，将待测信号(由小变压器提供)接入CH2(Y)。(2)调理示波器，使之处于“X-Y〞工作方式。

(3)选择信号发生器的适合量程，改变输出频率fx，使之产生符合下表要求的李萨如图

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形，填入表4-6-1中，由此计算市电频率fy。

表4-6-1用李萨如图形测市电频率

nx∶ny2∶11∶12∶31∶21∶3fx/Hz李萨如图形fy/Hzf

y/Hz1．认真阅读有关仪器的介绍，把握所使用的示波器、信号发生器面板上各旋钮的作用后再进行操作。

2．为了保护荧光屏不被灼伤，使用示波器时，光点亮度不能太强，而且也不能让光点长时间停在荧光屏的一个位置上。在试验过程中，假使短时间不使用示波器，可将“辉度〞旋钮调到最小，不要经常通断示波器的电源，以免缩短示波管的使用寿命。

3．示波器上所有开关与旋钮都有一定强度与调理角度，使用时应轻轻地旋转，不能用力过猛。

1．假使开启示波器的电源开关后，在屏幕上既看不到扫描又看不到光点，可能有哪些原因？应分别作怎样的调理？

2．假使y轴信号的频率fy比x轴信号的频率fx大得多，示波器上看到什么情形？相反，若fy比fx小好多，又会看到什么情形？

3．在测量市电频率操作中，假使将待测信号接入CH1(X)，将已知信号接入CH2(Y)，现象有何不同，这样是否可以测量出市电频率？请解释。

图4-6-6YB43020/YB43020B前面板控制件位置图

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控制件的作用

序号12345控制件名称电源开关（POWER）亮度（INTENSITY）聚焦（FOCUS）探极校准信号（PROBEADJUST）耦合方式（ACGNDDC）通道1输入插座CH1(X)通道1灵敏度选择开关（VOLTS/DIV）微调（VARIABLE）垂直位移（POSITION）垂直方式（MODE）耦合方式（ACGNDDC）通道2输入插座垂直位移（POSITION）通道2灵敏度选择开关微调水平位移（POSITION）极性（SLOPE）电平（LEVEL）扫描方式（SWEEPMODE）

控制件作用按入此开关，仪器电源接通，指示灯亮。光迹亮度调理，顺时针旋转光迹增亮。用以调理示波管电子束的焦点，使显示的光点成为细而明了的圆点。此端口输出幅度为0.5V频率为1kHz的方波信号，用以校准Y轴偏转系数和扫描时间系数。垂直通道1的输入耦合方式选择，AC：信号中的直流分量被隔开，用以观测信号的交流成份；DC：信号与仪器通道直接耦合，当需要观测信号的直流分量或被测信号的频率较低时应选用此方式，GND输入端处于接地状态，用以确定输入端为零电位时光迹所在位置。双功能端口，在常规使用时，此端口作为垂直通道1的输入口，当仪器工作在X-Y方式时此端口作为水平轴信号输入口。选择垂直轴的偏转系数，从2mV/div～10V/div分12个档级调整，可根据被测信号的电压幅度选择适合的档级。用以连续调理垂直轴的CH1偏转系数，调理范围≥2.5倍，该旋钮逆时针旋足时为校准位置，此时可根据“VOLTS／DIV〞开关度盘位置和屏幕显示幅度读取该信号的电压值。用以调理光迹在CH1垂直方向的位置。选择垂直系统的工作方式。CH1：只显示CH1通道的信号。CH2：只显示CH2通道的信号。交替：用于同时观测两路信号，此时两路信号交替显示，该方式适合于在扫描速率较快时使用。断续：两路信号断续工作，适合于在扫描速率较慢时同时观测两路信号。叠加：用于显示两路信号相加的结果，当CH2极性开关被按入时，则两信号相减。CH2反相：此按键未按入时，CH2的信号为常态显示，按入此键时，CH2的信号被反相。作用于CH2，功能同控制件(6)垂直通道2的输入端口，在X-Y方式时，作为Y轴输入口。用以调理光迹在垂直方向的位置。功能同（8）功能同（9）用以调理光迹在水平方向的位置。用以选择被测信号在上升沿或下降沿触发扫描。用以调理被测信号在变化至某一电平日触发扫描。选择产生扫描的方式。自动(AUTO)：当无触发信号输入时，屏幕上显示扫描光迹，一旦有触发信号输入，电路自动转换为触发扫描状态，调理电平可使波形稳定的显示在屏幕上，此方式适合观测频率在50Hz以上的信号。常态(NORM)：无信号输入时，屏幕上无光迹显示，有信号输入时，55

光迹旋转(TRACEROTATION)调理光迹与水平线平行。67891011121314151617181920

2122232425262728293031触发指示(TRIG’DREADY)扫描扩展指示×5扩展交替扩展扫描光迹分开扫描速率选择开关微调（VARIABLE）慢扫描开关AC/DC外触发输入插座且触发电平旋钮在适合位置上，电路被触发扫描，当被测信号频率低于50Hz时，必需选择该方式。锁定：仪器工作在锁定状态后，无需调理电平即可使波形稳定的显示在屏幕上。单次：用于产生单次扫描，进入单次状态后，按动复位键，电路工作在单次扫描方式，扫描电路处于等待状态，当触发信号输入时，扫描只产生一次，下次扫描需再次按动复位按键。该指示灯具有两种功能指示，当仪器工作在非单次扫描方式时，该灯亮表示扫描电路工作在被触发状态，当仪器工作在单次扫描方式时，该灯亮表示扫描电路在准备状态，此时若有信号输入将产生一次扫描，指示灯随之熄灭。在按入“×5扩展〞或“交替扩展〞后指示灯亮。按入后扫描速度扩展5倍。按入后，可同时显示原扫描时间和被扩展×5后的扫描时间。（注：在扫描速度慢时，可能出现交替闪烁）用于调理主扫描和扩展×5扫描后的扫描线的相对位置。根据被测信号的频率高低，选择适合的档极。当扫描“微调〞置校准位置时，可根据度盘的位置和波形在水平轴的距离读出被测信号的时间参数。用于连续调理扫描速率，调理范围≥2.5倍。逆时针旋足为校准位置。用于观测低频脉冲信号。外触发信号的耦合方式，选中择外触发源，且信号频率很低时，应将开关置DC位置。选中择外触发方式时，触发信号由此端口输入。触发源（TRIGGERSOURCE）用于选择不同的触发源。二、用示波器测量电参数1．电压的测量

示波器的电压测量实际上是对所显示波形的幅度进行测量，测量时应使被测波形稳定地显示在荧光屏中央，幅度一般不宜超过6div，以避免非线性失真造成的测量误差。

（1）交流电压的测量

①将信号输入至CH1或CH2插座，将垂直方式置于被选用的通道。

②将Y轴“灵敏度微调〞旋钮置校准位置，调整示波器有关控制件，使荧光屏上显示稳定、易观测的波形，则交流电压幅值：

Vp-p=垂直方向格数(div)×垂直偏转因数(V/div)

（2）直流电平的测量

①设置面板控制件，使屏幕显示扫描基线。②设置被选用通道的输入耦合方式为“GND〞。

③调理垂直移位，将扫描基线调至适合位置，作为零电平基准线。④将“灵敏度微调〞旋钮置校准位置，输入耦合方式置“DC〞，被测电平由相应Y输入端输入，这时扫描基线将偏移，读出扫描基线在垂直方向偏移的格数(div)，则被测电平：

V＝垂直方向偏移格数（div）×垂直偏转因数（V/div）×偏转方向（＋或一）式中，基线向上偏移取正号，基线向下偏移取负号。

2．时间测量

时间测量是指对脉冲波形的宽度、周期、边沿时间及两个信号波形间的时间间隔（相位差）等参数的测量。一般要求被测部分在荧光屏X轴方向应占(4～6)div。

（1）时间间隔的测量

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对于一个波形中两点间的时间间隔的测量，测量时先将“扫描微调〞旋钮置校准位置，调整示波器有关控制件，使荧光屏上波形在X轴方向大小适中，读出波形中需测量两点间水平方向格数，则时间间隔：

时间间隔=两点之间水平方向格数（div）×扫描时间因数（t/div）（2）脉冲边沿时间的测量

上升（或下降）时间的测量方法和时间间隔的测量方法一样，只