电子测量实验
--示波器的原理和应用
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示波器的原理和应用
【目的】
1. 了解示波器的主要组成部分，扫描和同步的作用原理，加深对信号合成的理解。

2. 熟练使用示波器观察信号特征（正弦波、三角波、方波），利用李萨如图形测量信号频率。

【重点】
了解示波器的基本结构、工作原理及使用方法。

【难点】
1.熟练掌握示波器各主要旋钮的作用和用法。

2.能使用示波器观察信号特征（正弦波、三角波、方波），且会利用李萨如图形测量信号频率。

【预习问题】
1. 示波器的工作原理以及主要组成部分是什么？其主要用途有哪些？
2. 如何使用示波器观察各种信号特征以及测量信号频率？
一、实验原理
示波器动态显示随时间变化的电压信号思路是将电压加在电极板上，极板间形成相应的变化电场，使进入这变化电场的电子运动情况相应地随时间变化，最后把电子运动的轨迹用荧光屏显示出来。

示波器主要由示波管（见图1））和复杂的电子线路构成。

示波器的基本结构见图2。

图1 示波管示意图
1.偏转电场控制电子束在视屏上的轨迹
偏转电压U 与偏转位移Y （或X ）成正比关系。

如图3所示：y U Y。

图3偏转电压U 与偏转位移Y
如果只在竖直偏转板（Y 轴）上加一正弦电压，则电子只在竖直方向随电压变化而往复运动，见图4a 。

要能够显示波形，必须在水平偏转板（X 轴）上加一扫描电压，见图4b 。

图4a 信号随时间变化的规律 （加在Y 偏转板） 图4b 锯齿波电压（加在X 偏转板）
示波器显示波形实质：见图5，沿Y 轴方向的简谐运动与沿X 轴方向的匀速运动合成的一种合运动。

显示稳定波形的条件：扫描电压周期应为被测信号周期的整数倍，即T x =nT y （ n=1，2，3…）（见图6） 2.同步扫描（其目的是保证扫描周期是信号周期的整数倍）
（1）同步的概念：为了显示如图5所示的稳定图形，只有保证正弦波到I y 点时，锯齿波正好到i 点，从而亮点扫完了一个周期的正弦曲线。

由于锯齿波这时马上复原，所以亮点又回到A 点，再次重复这一过程。

光点所画的轨迹和第一周期的完全重合，所以在荧光屏上显示出一个稳定的波形，这就是所谓的同步。

由此可知同步的一般条件为：
T x = nT y ，n = 1，2，3…
图2 示波器的基本结构简图
其中T x 为锯齿波周期，T y 为正弦周期。

若n = 3，则能在荧光屏上显示出三个完整周期的波形。

为了达到“同步”目的，示波器采用三种方式：“内同步”：将待测信号一部分加到扫描发生器，当待测信号频率f y 有微小变化，它将迫使扫描频率f x 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；一般在观察信号时，都采用“内同步”（或称为“内触发”）。

注：若为同步显示的波形出现走动状态，此时应调节：扫描步长，同步方式（一定打在“内”），“电平”位置。

如果正弦波和锯齿波电压的周期稍微不同，荧光屏上出现的是一移动着的不稳定图形。

这情形可用图8说明。

设锯齿波形电压的周期T x 比正弦波电压周期T y 稍小，比方说T x = nT y ，n =7/8。

在第一扫描周期内，荧光屏上显示正弦信号0～4点之间的曲线段；在第二周期内，显示4～8点之间的曲线段，起点在4处；第三周期内，显示8～11点之间曲线段，起点在8处。

这样，荧光屏上显示的波形每次都不重叠，好像波形在向右移动。

同理，如果T x 比T y 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。

其原因是扫描电压的周期与被测信号的周期不相等或不成整数倍，以致每次扫描开始时波形曲线上的起点均不一样所造成的。

U y
x
U y
x T T 8 7 x T y
T t
1
2 3
4 5 6
7
8 9
10 11
12 t
1 6 9
2 0 5
7
4
8
图8
图6 Tx=2Ty 时合成的图形
亮点在轴方向的位移y （垂直输入信号正弦波-)
亮点在轴方向的位移x （水平扫描信号锯齿波）
-荧光屏A
B
C
D
E F G
H
I By By
Dy
Cy Ay
Ey Iy Hy
Gy
Fy a b c d e f g h i
t
a b c d e f g h i t
U
图5 波形显示原理图
（2）手动同步的调节：为了获得一定数量的稳定波形，示波器设有“扫描周期”、“扫描微调”旋钮，用来调节锯齿波电压的周期T x （或频率f x ），使之与被测信号的周期T Y （或频率f Y ）成整数倍关系，从而，在示波器荧光屏上得到所需数目的完整被测波形。

（3）自动触发同步调节：输入Y 轴的被测信号与示波器内部的锯齿波电压是相互独立的。

由于环境或其它因素的影响，它们的周期（或频率）可能发生微小的改变。

这时虽通过调节扫描旋钮使它们之间的周期满足整数倍关系，但过了一会可能又会变，使波形无法稳定下来。

这在观察高频信号时就尤其明显。

为此，示波器内设有触发同步电路，它从垂直放大电路中取出部分待测信号，输入到扫描发生器，迫使锯齿波与待测信号同步，此称为“内同步”。

操作时，首先使示波器水平扫描处于待触发状态，然后使用“电平”（LEVEL ）旋钮，改变触发电压大小，当待测信号电压上升到触发电平时，扫描发生器才开始扫描。

若同步信号是从仪器外部输入时，则称“外同步”。

3.利萨如图形
利萨如图形形成实质：沿Y 轴方向的简谐运动与沿X 轴方向的简谐振动合成的一种合运动。

)t f 2sin(20y )t f 2sin(20x 2y 1x φ+⋅⋅π=φ+⋅⋅π=
利用利萨如图形测定未知信号的频率 公式：y x x y f f n n ::=
式中的x n 、y n 分别为利萨如图形于X 、Y 轴的切点数。

二、实验仪器
双踪示波器、信号发生器
三、实验步骤
1.将信号源的100Hz 的正弦波输出与示波器的CH1通道相连，将示波器的输入信号耦合置“AC ”，按下“CH1”键，适当调整CH1通道的衰减灵敏度和扫描频率，如果波形不稳定，适当调节电平level ，直到出现稳定的正弦波形，并记录该波形。

2.按上面的方法分别观察记录频率为1KHz 的方波和三角波。

U Y
t 0 1
2
3
4 5
6 7
81
5
0 2
3
7 6 80 1 2
3
4
5 6
7 8t U X
（） a （） b （） d （） c （） e （）f f f y x
=
1
1f f y x
=
2
1f f y x
=
1
2f f y
x
=
31f f y
x
=
32f f y
x
=
43图9
图10
3.选择“X-Y ”方式，将信号源选择正弦波输出，接CH2通道，改变其频率，观察下面给出的6个李萨如图形，记录下来，计算各个图形下信号源正弦波的频率，已知CH1通道正弦信号频率为x f =100kHz(高频信号源).
四、数据记录和数据处理
1）观察记录波形：正弦波、三角波、方波。

2）用信号发生器产生一正弦波，用示波器观察并记录，计算信号的峰－峰值V P-P 、频率f 、周期T ； 记录出方波的周期、频率、上升沿和下降沿时间。

电压和频率测量数据记录见表1。

表1 电压和频率数据表
示波器观测数据
V/div 垂直格数
V P-P
Time/div 水平格数
f （Hz ）
正弦波 三角波 方波
3）调出李萨如图形，记录在实验手册上，根据x y y x n n f f ::=分别计算每一个信号的频率y f 若x f =100kHz 为约定真值（高频信号源给出），依次求出实验板信号发生器的输出频率y f （示波器读数） ，并与该信号发生器读数值y f ' （示波器上频率计的读数）进行比较，一一求出它们的相对误差，并讨论之。

数据表参考表3。

表2 数据表
n x :n y
1:1 1:2 1:3 2:3 图形
x y
x
y f n n f =
F'y
%100'⨯-=
y
y y f f f E
4）调出下列波形并分析其产生的原因。

五、思考题
1）示波器的主要组成部分是什么？示波管的主要组成部分是什么？
2）示波器的主要用途有哪些？
3）为什么示波器的扫描信号必须是锯齿波？
4）若示波器一切正常，但开机后看不见光迹和光点，可能的原因有那些？
5）若想观察一待测电信号，你能够描述应该如何调节双踪示波器吗？若想观察李萨如图形又该如何调节？
6）若发现示波器上的图形向右运动，扫描信号的频率与待测电信号的频率有什么关系？
7）1V峰峰值的正弦波，它的有效值是多少？
8）假定在示波器的输入端输入一个正弦电压，所用水平扫描频率为120Hz，在屏上出现了三个完整的正弦波周期，那么输入电压的频率为多少？。