1、13-5 示波器的使用阴极射线示波器是一种用途较为广泛的电子仪器，它可以把原来肉眼看不见的电压变化变换成可见的图像，以供人们分析研究。示波器可用来测量电压的大小和一切可转换为电压的电学量(如电流、电功率、阻抗等 )和非电学量(如位移、速度、压力、频率、温度、磁场、光强等)。在无线电制造工业和电子测量技术等领域，它是不可缺少的测试设备。一、实验目的1. 了解示波器的基本结构，熟悉示波器的调节和使用。2. 学习用示波器观察电压波形及测量信号的电压和周期。3. 通过观察李萨如图形，学会用示波器测量频率的方法。二、实验仪器示波器(GOS-620 双轨迹示波器)、函数信号发生器、波形整流仪。函数信号发生
2、器的作用是产生各种波形、频率的电信号。整流波形仪的功能是将 50Hz的照明电变成脉动直流电以及稳恒直流电。这些仪器的面板图请参见本实验的附录部分。三、实验原理示波器动态显示物理量随时间变化的思路是将这些物理量转换成随时间变化的电压，加在电极板上，极板间形成相应的变化的电场，使进入这个变化电场的电子运动情况相应的随时间变化，最后把电子运动的轨迹用荧光屏显示出来。以 GOS-620 双轨迹示波器为例介绍示波器的基本结构和显示波形的原理。GOS-620 双轨迹示波器的基本结构原理如图 1 所示。图 1 示波器原理电子示波器主要由四大部分组成：阴极射线示波器系统；扫描、触发系统；放大系统；电源系统。下
3、面主要介绍与示波器显示波形原理相关的几个部分。1. 示波管的内部结构。2图 2 示波管结构示波管内部结构如图 2 所示。阴极被加热发射出大量电子，经过各个电极的聚焦、加速后高速轰击荧光屏，发生荧光。在靠近阴极处设置控制栅极，调节其电位(相对阴极为负电位) 来控制电子束流的强度，使荧光“辉度”改变。在电子束路径两旁设置两对平行板电极，改变加在其上的电压，可控制电子束的运动。2. 电偏转系统。在示波管内，有两对平行板电极，垂直方向的一对平行板电极称为水平(或 )偏转板，x简称为横偏板。水平方向的一对平行板电极称为垂直(或 )偏转板，简称为纵偏板。在y偏转板上加电压时，其电场致使飞速运动的电子束(
4、及其在屏上的光点) 沿水平、垂直xy、方向发生偏移，这种现象称为电偏移。若幅度为 伏特的电压使电子束沿纵向(或横向) 偏转 (cm)，则定义 为偏转电压U /Uy灵敏度，简称为灵敏度，记作 ，即K(V/cm，读作伏每厘米) (1)/Uy偏转电压灵敏度(也称伏/格值)表示：使电子束沿纵向(或横向 )偏转 1cm(即一格)的电压幅度。显然，偏转电压灵敏度为 (V/cm)时，使电子束偏转 (cm)的电压幅度为：y(2)利用(2)式，从电子束的偏转格数，可测出被测电压值。3. 扫描系统。若仅在横偏板上加周期性变化的电压 ，则电子束(或光点) 沿水平方向作周而复始xUt的往返运动，其位移随电压增大而增大
5、(电压达到最大值时它也达到最大) ，随电压减小而减小。而当电压恢复到起始值时，电子束(或光点) 便回到起始位置。电子束 (或光点)的这种周而复始的往返运动称为扫描。此时 称为扫描电压。当扫描较快(频率较高) 时，荧光xt屏上仅显示一条水平亮线，称为扫描线。若 是如图 2 中所示的周期为 的线性锯齿UST波电压，则电子束的水平位移 ，即位移与时间成线性关系。xt若在横偏板上加的扫描电压，使电子束在 秒内沿水平方向位移 厘米，则 为TL/L每厘米扫描时间，简称为厘米扫描时间。记作 ，即0t(S/cm，读作秒每厘米) (3)0/tL厘米扫描时间(也称时间/格值)表示电子束沿水平方向扫描 1cm(即
6、1 格)的时间。显然，厘3米扫描时间为 (S/cm)时，电子束沿水平方向扫描 (cm)所用的时间为：0t L(4)0Tt用(4)式，从电子束横向扫描距离 ，可测定时间间隔。L图 3 扫描电压与信号同周期图 4 扫描电压与信号不同周期4. 示波器显示波形原理。在纵偏板上加周期为 的被观测的信号 (如正弦波 )，而在横偏板上加周期为yT)yUt的线性锯齿波扫描电压 时，后者使 方向振动沿 方向展开，呈现二维平面图形。ST()xt x当 ， (如图 3 所示)时，每次锯齿波的扫描起始点会准确落到被观测yn1,2信号的同相位点上，于是周而复始扫出完全相同的波形，从而稳定地显示，即扫描电压和被观测的信号
7、达到同步，称为扫描同步。但若 (如图 4 所示)时，则每次扫描起始SyTn点会落在非同相位点上，于是每次扫出的波形不重复，其结果屏上波形在不断地在移动(或者向右、或者向左)，无法观测到稳定的波形，即扫描不同步。由此可见，扫描显示稳定波形的条件( 即扫描同步条件)是：扫描电压周期 为被观测信号周期 的整数倍，即SyT4， (5)SyTnS/, 12,3yTn实际上，由于被观测信号和锯齿波的周期很难严格地满足(5)式的要求，所以仅通过用手调节示波器的“ 扫描时间”(即调整锯齿波周期 )旋钮的方法是无法实现扫描同步的。S5. 整步。示波器实现扫描同步的过程称为整步。常用示波器实现扫描同步可有两种方式
8、：触发扫描和连续扫描，这里只介绍触发扫描。GOS-620 示波器通过其触发系统实施触发扫描来实现扫描同步。触发扫描同步原理：由输入的被观测信号提供触发信号，送至触发电路，当其电平达到某一选择的触发电平(如图 4 中的 A 点电平)时，触发电路便输出触发脉冲，用它去启动扫描电路进行扫描。扫描的时间是事先设定好的，比如由 A 点自左至右移动，直至 A点。这个扫描时间就是扫描周期 。如果ST扫描周期大于信号的一个周期，在扫描期间，信号电压会多次达到触发值，但是扫描的电路不再受此期间到来的触发脉冲( 如图 5 中虚线所示脉冲 )的任何影响，直至本次扫描结束。扫描结束后，扫描电压迅速恢复为零，之后等到下
9、一个触发脉冲到来时，它又重新启动扫描电路进行下一次扫描。因每一个触发脉冲产生在相同的信号电压位置，所以每次扫描的起始点会准确地落在同相位点上，于是每次扫出的波形完全重复而稳定地显示被观测信号的波形。这就是触发扫描实现同步的原理。四、实验步骤1. 仪器初始化。示波器面板图见本实验附录图 6。打开电源之前，VERT MODE(14)按扭置于CH1，ALT/CHOP(12)凸起， CH2 INV(16)凸起，三个 POSITION(11)(19)(32)按扭置于中央位置，VOLTS/DIV(7)(22)按扭置于 0.5V/DIV 档，VARIABLE(9)(21)按扭顺时针转到底CAL 位置，AC-
10、GND-DC(10)(18)置于 GND 档，SOURCE(23)置于 CH1 档，SLOPE 凸起，TRIG. ALT(27)凸起，TREGGER MODE(25)置于 AUTO 档，TIME/DIV(29)置于0.5mSec/DIV 档， SWP. VAR(30)按扭顺时针到底 CAL 位置，10MAG 凸起。2. 观察波形和测量电压。(1) 测量交流信号的峰-峰电压值。打开函数信号发生器的电源，示波器的 VERT MODE(14)按扭置于 CH2，用双头线将信号发生器的主输出端和示波器的 CH2 输入端相连，将右边的 AC-GND-DC 置于 AC 位置，调节右边的 VOLTS/DIV
11、及 TIME/DIV 钮，并调节LEVEL 钮便可观察到稳定的波形。读出右边的 VOLTS/DIV 钮上的电压档位 K 及示波器荧光屏上波形在竖直方向占据的光屏总格数 Y，两者的乘积就是被测波形的峰- 峰电压值 ，p-V读出 TIME/DIV 钮上的时间档位 及示波器荧光屏上波形的一个周期所占的水平光屏格数0T图 5 触发扫描的整步5L，两者的乘积就是被测波形的周期 T。将所得的数据填入表 1 中。注意：测量电压一定要保证 VARIABLE(9)(21)按扭顺时针转到底 CAL 位置；测量周期一定保证 SWP. VAR(30)按扭顺时针到底 CAL 位置。表 1 用示波器测量交流信号的电压和周
12、期频率= K= Y= p-V0TL= T=(2) 用双头线将整流波形仪的输出信号接入到 CH1 通道。VERT MODE(14)按扭置于CH1。首先将左边的 AC-GND-DC 置于 GND 的位置，调节 POSITION(11)旋钮，使得光点位于显示屏中心。然后将 AC-GND-DC 置于 DC 位置。改变整流波形仪的输出信号，依次观察半波整流、全波整流、一次滤波、二次滤波的波形。保持二次滤波波形，调节左边的VOLTS/DIV，读出左边的 VOLTS/DIV 钮上的电压档位 K 及荧光屏上波形偏离水平中心线的竖直光屏格数 Y，两者的乘积就是二次滤波的波形电压 VK=_，Y=_，V=_3. 观
13、察李萨如图形和测量频率。完成前两步后，各接线不动。将整流波形仪的输出波形调整至“交流” ，将会输出频率为 50Hz 的正弦交流信号，即 。函数信号发生器的信号输入 CH2 通道。将示波50Hzxf器 TIME/DIV 钮旋至左边最底部的 X-Y 控制键，两个 AC-GND-DC 开关都置于 AC。此时会出现绕动的曲线，即李萨如图形。调节信号发生器上的频率按钮，使屏幕上出现表 2 所示的各个图形，记下频率 ，填入表 2 中。yf表 2 李萨如图形的观测图形 yfx6图6 示波器面板图7五、注意事项1. 必须弄清楚所用示波器、信号发生器的型号与面板上各旋钮的作用后再开始实验。2. 荧光屏上的光点亮
14、度不可调得太亮，且不可将光点固定在荧光屏上某点时间过长，以免损坏荧光屏。3. 示波器上所有开关与旋钮都有一定强度与调节角度，使用时应轻轻地缓慢旋转，不能用力过猛或随意乱旋。六、思考题1. 示波器有那些主要组成部分？示波器如何将一个正弦波电压展现出来？2. 示波器图形不稳定是什么原因造成？应该调节哪些部分？3. 怎样用示波器测量正弦信号电压的有效值？4. 怎样用示波器测量正弦信号的周期和频率？七、附录：GOS-620 示波器前面板介绍：CRT 显示屏区域(2) INTEN：轨迹及光点亮度控制钮(3) FOCUS：轨迹聚焦调整钮(4) TRACE ROTATION：使水平轨迹与显示屏的刻线平行的调
15、整钮(5) 电源指示灯(5) POWER：电源主开关，压下此按扭可接通电源，开关凸起时，则切断电源(33) 显示屏VERTICAL 垂直偏向区域(7)(22) VOLTS/DIV：垂直衰减控制钮，以此钮选择 CH1 及 CH2 的输入信号衰减幅度，设定显示屏上一个格子代表的电压大小。范围为 5mV/DIV5V/DIV，共 10 档。(9)(21) VARIABLE：与垂直衰减旋钮同轴，在中心，是灵敏度微调控制，至少可调到显示值的 1/2.5。在 CAL 位置时，灵敏度即为档位显示值。当此旋钮拉出时(5MAG 状态)，垂直放大器灵敏度增加 5 倍。(8)(20) CH1(X)-CH2(Y)：信号
16、输入通道 1 与通道 2；在 X-Y 模式中，CH1 为 X 轴的信号输入端，CH2 为 Y 轴信号输入端。(10)(18) AC-GND-DC：输入信号偶合选择按键组。 AC 表示垂直输入信号通过电容器耦合，可以滤掉直流或极低频率的输入信号。GND 表示屏蔽输入信号，并将垂直衰减器输入端接地，使之产生一个零电压参考信号。DC 表示垂直输入信号直接耦合输入，直流交流信号都会输入示波器。(11)(19) POSITION：调整轨迹及光点的在显示屏上的垂直位置。通常，当输入信号为零时，应当调整此旋钮，使得光点在显示屏的中央。(12) ALT/CHOP：当在双轨迹模式下，放开此键，则 CH1 与 C
17、H2 的信号以交替方式显示。(13)(17) DC BAL：调整垂直直流平衡点。(14) VERT MODE：CH1 及 CH2 选择垂直操作模式。CH1 ：示波器仅接收并显示 CH1通道的信号。CH2：示波器仅接收并显示 CH2 通道的信号。DUAL ：示波器接收并同时显示 CH1 与 CH2 两个通道的信号。ADD：将 CH1 及 CH2 的信号相加后显示；当 CH2 INV8键(16)为按下状态时，即可显示 CH1 减去 CH2 的信号。(16) CH2 INV：此键按下时，CH2 的讯号将会被反向。TRIGGER 触发区域(26) SLOPE：触发斜率选择键。凸起时为正斜率触发，即当信
18、号正向通过触发准位时进行触发。压下时为负斜率触发，即当信号负向通过触发准位时进行触发。(24) TRIG. IN： 触发信号输入端子，可输入外部触发信号。欲用此端子时，须先将SOURCE 选择器 (23)置于 EXT 位置。(23) SOURCE： 触发信号选择开关。CH1：当 VERT MODE 选择开关(14) 选择 DUAL或 ADD 位置时，以 CH1 输入端的信号作为内部触发源。 CH2：当 VERT MODE 选择开关(14)选择 DUAL 或 ADD 位置时，以 CH2 输入端的信号作为内部触发源。LINE ：将 AC 电源线频率作为触发信号。EXT：将 TRIG. IN 端子输
19、入的信号作为外部触发信号源。(25) TRIGGER MODE：触发模式选择开关。AUTO：当没有触发信号或触发信号的频率小于 25Hz 时，扫描会自动产生。NORM：当没有触发信号时，扫描将处于预备状态，屏幕上不会显(27) TRIG. ALT：当 VERT MODE 设置为 ADD 或者 DUAL 模式，且 SOURCE 设置为 CH1 或 CH2 触发时，按下此键，则自动设定 CH1 与 CH2 交替做为触发信号源。示任何轨迹。本功能主要用于观察25Hz 的信号。TV-V：用于观测电视信号之垂直画面信号。TV-H：用于观测电视信号之水平画面信号。(28) LEVEL：触发准位调整钮，旋转
20、此钮以同步波形，并设定该波形的起始点。将旋钮向“”方向移，触发准位会向上移；将旋钮向 “”方向移，触发准位会向下移。HORIZNTAL 水平偏向区域(29) TIME/DIV：扫描时间选择钮，用来设定扫描信号的持续时间。其周边的数字表示显示屏上横向一个格子代表的时间，从 0.2s/DIV 到 0.5s/DIV 共 20 个档位。注意，只有当旋钮(30)旋转至 CAL 位置时，则指示值才是准确的。X-Y：设定为 X-Y 模式。(30)SWP.VAR：扫描时间的可变控制钮，旋转此按钮，扫描时间可延长至为指示数值的 2.5 倍；旋转至 CAL 位置时，则指示值才是准确的。(31) 10MAG：放大键，按下此键可将扫描图形放大 10 倍。(32) POSITION：调整轨迹及光点在显示屏上的水平位置。其他功能(1) CAL(2vp-p)：此端子会输入一个 2Vp-p，1KHz 的方波，用以校正测试棒及检查垂直偏向的灵敏度。(15) GND：示波器接地端子。函数信号发生器以及整流波形仪的面板见图 7：9图 7 函数信号发生器图 8 整流波形仪
