示波器的使用實(shí)驗(yàn)
1．了解示波器的主要結(jié)構(gòu)和顯示波形的基本原理。
2．學(xué)會(huì)使用示波器和信號(hào)發(fā)生器。
3．用示波器觀察李薩如圖形以及利用李薩如圖形測(cè)量正弦信號(hào)的頻率。
實(shí)驗(yàn)器材
通用示波器，低頻信號(hào)發(fā)生器、連接線等。
實(shí)驗(yàn)原理
電子示波器（簡(jiǎn)稱示波器）能夠簡(jiǎn)便地顯示各種電信號(hào)的波形，一切可以轉(zhuǎn)化為電壓的電學(xué)量和非電學(xué)量及它們隨時(shí)間作周期性變化的過(guò)程都可以用示波器來(lái)觀測(cè)，示波器是一種用途十分廣泛的測(cè)量?jī)x器。
一、示波器的基本結(jié)構(gòu)
示波器的主要部分有示波管、帶衰減器的Y軸放大器、帶衰減器的X軸放大器、掃描發(fā)生器（鋸齒波發(fā)生器）、觸發(fā)同步和電源等，其結(jié)構(gòu)方框圖如圖1６－1所示。為了適應(yīng)各種測(cè)量的要求，示波器的電路組成是多樣而復(fù)雜的，這里僅就主要部分加以介紹。
1．示波管
如圖1６－1所示，示波管主要包括電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三部分，全都密封在玻璃外殼內(nèi)，里面抽成高真空。下面分別說(shuō)明各部分的作用。

（1）熒光屏：它是示波器的顯示部分，當(dāng)加速聚焦后的電子打到熒光上時(shí)，屏上所涂的熒光物質(zhì)就會(huì)發(fā)光，從而顯示出電子束的位置。當(dāng)電子停止作用后，熒光劑的發(fā)光需經(jīng)一定時(shí)間才會(huì)停止，稱為余輝效應(yīng)。
（2）電子槍：由燈絲H、陰極K、控制柵極G、第一陽(yáng)極A1、第二陽(yáng)極A2五部分組成。燈絲通電后加熱陰極。陰極是一個(gè)表面涂有氧化物的金屬筒，被加熱后發(fā)射電子?？刂茤艠O是一個(gè)頂端有小孔的圓筒，套在陰極外面。它的電位比陰極低，對(duì)陰極發(fā)射出來(lái)的電子起控制作用，只有初速度較大的電子才能穿過(guò)柵極頂端的小孔然后在陽(yáng)極加速下奔向熒光屏。示波器面板上的“亮度”調(diào)整就是通過(guò)調(diào)節(jié)電位以控制射向熒光屏的電子流密度，從而改變了屏上的光斑亮度。陽(yáng)極電位比陰極電位高很多，電子被它們之間的電場(chǎng)加速形成射線。當(dāng)控制柵極、第一陽(yáng)極、第二陽(yáng)極之間的電位調(diào)節(jié)合適時(shí)，電子槍內(nèi)的電場(chǎng)對(duì)電子射線有聚焦作用，所以第一陽(yáng)極也稱聚焦陽(yáng)極。第二陽(yáng)極電位更高，又稱加速陽(yáng)極。面板上的“聚焦”調(diào)節(jié)，就是調(diào)第一陽(yáng)極電位，使熒光屏上的光斑成為明亮、清晰的小圓點(diǎn)。有的示波器還有“輔助聚焦”，實(shí)際是調(diào)節(jié)第二陽(yáng)極電位。
（3）偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)：它由兩對(duì)相互垂直的偏轉(zhuǎn)板組成，一對(duì)垂直偏轉(zhuǎn)板Y，一對(duì)水平偏轉(zhuǎn)板X(qián)。在偏轉(zhuǎn)板上加以適當(dāng)電壓，電子束通過(guò)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而使電子束在熒光屏上的光斑位置也發(fā)生改變。
容易證明，光點(diǎn)在熒光屏上偏移的距離與偏轉(zhuǎn)板上所加的電壓成正比，因而可將電壓的測(cè)量轉(zhuǎn)化為屏上光點(diǎn)偏移距離的測(cè)量，這就是示波器測(cè)量電壓的原理。
2．信號(hào)放大器和衰減器
示波管本身相當(dāng)于一個(gè)多量程電壓表，這一作用是靠信號(hào)放大器和衰減器實(shí)現(xiàn)的。由于示波管本身的X及Y軸偏轉(zhuǎn)板的靈敏度不高（約0.1—1mm/V），當(dāng)加在偏轉(zhuǎn)板的信號(hào)過(guò)小時(shí)，要預(yù)先將小的信號(hào)電壓加以放大后再加到偏轉(zhuǎn)板上。為此設(shè)置X軸及Y軸電壓放大器。衰減器的作用是使過(guò)大的輸入信號(hào)電壓變小以適應(yīng)放大器的要求，否則放大器不能正常工作，使輸入信號(hào)發(fā)生畸變，甚至使儀器受損。對(duì)一般示波器來(lái)說(shuō)，X軸和Y軸都設(shè)置有衰減器，以滿足各種測(cè)量的需要。
3．掃描系統(tǒng)
掃描系統(tǒng)也稱時(shí)基電路，用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間作線性變化的掃描電壓，這種掃描電壓隨時(shí)間變化的關(guān)系如同鋸齒，故稱鋸齒波電壓，這個(gè)電壓經(jīng)X軸放大器放大后加到示波管的水平偏轉(zhuǎn)板上，使電子束產(chǎn)生水平掃描。這樣，屏上的水平坐標(biāo)變成時(shí)間坐標(biāo)，Y軸輸入的被測(cè)信號(hào)波形就可以在時(shí)間軸上展開(kāi)。掃描系統(tǒng)是示波器顯示被測(cè)電壓波形必需的重要組成部分。
二、示波器顯示波形的原理
如果只在豎直偏轉(zhuǎn)板上加一交變的正弦電壓，則電子束的亮點(diǎn)將隨電壓的變化在豎直方向來(lái)回運(yùn)動(dòng)，如果電壓頻率較高，則看到的是一條豎直亮線，如圖1６－2所示。要能顯示波形，必須同時(shí)在水平偏轉(zhuǎn)板上加一掃描電壓，使電子束的亮點(diǎn)沿水平方向拉開(kāi)。這種掃描電壓的特點(diǎn)是電壓隨時(shí)間成線性關(guān)系增加到最大值，最后突然回到最小，此后再重復(fù)地變化。這種掃描電壓即前面所說(shuō)的“鋸齒波電壓”，如圖1６－3所示。當(dāng)只有鋸齒波電壓加在水平偏轉(zhuǎn)板上時(shí)，如果頻率足夠高，則熒光屏上只顯示一條水平亮線。
如果在豎直偏轉(zhuǎn)板上（簡(jiǎn)稱Y軸）加正弦電壓，同時(shí)在水平偏轉(zhuǎn)板上（簡(jiǎn)稱X軸）加鋸齒波電壓，電子受豎直、水平兩個(gè)方向的力的作用，電子的運(yùn)動(dòng)就是兩相互垂直的運(yùn)動(dòng)的合成。當(dāng)鋸齒波電壓比正弦電壓變化周期稍大時(shí)，在熒光屏上將能顯示出完整周期的所加正弦電壓的波形圖。如圖1６－4所示。
三、同步的概念
如果正弦波和鋸齒波電壓的周期稍微不同，屏上出現(xiàn)的是一移動(dòng)著的不穩(wěn)定圖形。這種情形可用圖1６－5說(shuō)明。設(shè)鋸齒波電壓的周期Tx比正弦波電壓周期Ty稍小，比方說(shuō)Tx/Ty=7/8。在第一掃描周期內(nèi)，屏上顯示正弦信號(hào)0—4點(diǎn)之間的曲線段；在第二周期內(nèi)，顯示4—8點(diǎn)之間的曲線段，起點(diǎn)在4處；第三周期內(nèi)，顯示8—11點(diǎn)之間的曲線段，起點(diǎn)在8處。這樣，屏上顯示的波形每次都不重疊，好象波形在向右移動(dòng)。同理，如果Tx比Ty稍大，則好象在向左移動(dòng)。以上描述的情況在示波器使用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)。其原因是掃描電壓的周期與被測(cè)信號(hào)的周期不相等或不成整數(shù)倍，以致每次掃描開(kāi)始時(shí)波形曲線上的起點(diǎn)均不一樣所造成的。為了使屏上的圖形穩(wěn)定，必須使Tx/Ty=n（n＝1，2，3，…），n是屏上顯示完整波形的個(gè)數(shù)。
為了獲得一定數(shù)量的波形，示波器上設(shè)有“掃描時(shí)間”（或“掃描范圍”）、“掃描微調(diào)”旋鈕，用來(lái)調(diào)節(jié)鋸齒波電壓的周期Tx（或頻率fx），使之與被測(cè)信號(hào)的周期Ty（或頻率fy）成合適的關(guān)系，從而在示波器屏上得到所需數(shù)目的完整的被測(cè)波形。輸入Y軸的被測(cè)信號(hào)與示波器內(nèi)部的鋸齒波電壓是互相獨(dú)立的。由于環(huán)境或其它因素的影響，它們的周期（或頻率）可能發(fā)生微小的改變。這時(shí)，雖然可通過(guò)調(diào)節(jié)掃描旋鈕將周期調(diào)到整數(shù)倍的關(guān)系，但過(guò)一會(huì)兒又變了，波形又移動(dòng)起來(lái)。在觀察高頻信號(hào)時(shí)這種問(wèn)題尤為突出。為此示波器內(nèi)裝有掃描同步裝置，讓鋸齒波電壓的掃描起點(diǎn)自動(dòng)跟著被測(cè)信號(hào)改變，這就稱為整步（或同步）。有的示波器中，需要讓掃描電壓與外部某一信號(hào)同步，因此設(shè)有“觸發(fā)選擇”鍵，可選擇外觸發(fā)工作狀態(tài)，相應(yīng)設(shè)有“外觸發(fā)”信號(hào)輸入端。
實(shí)驗(yàn)裝置
一、XJ4318型示波器（如圖1６－6所示）各旋鈕的用途及使用方法
1．內(nèi)刻度坐標(biāo)線：它消除了光跡和刻度線之間的觀察誤差，測(cè)量上升時(shí)間的信號(hào)幅度和測(cè)量點(diǎn)位置在左邊指出。
2．電源指示器：它是一個(gè)發(fā)光二極管，在儀器電源通過(guò)時(shí)發(fā)紅光。
3．電源開(kāi)關(guān)：它用于接通和關(guān)斷儀器的電源，按入為接通，彈出為關(guān)斷。
4．AC、⊥、DC開(kāi)關(guān)：可使輸入端成為交流耦合、接地、直流耦合。
5．偏轉(zhuǎn)因數(shù)開(kāi)關(guān)：改變輸入偏轉(zhuǎn)因數(shù)5mV/DIV—5V/DIV，按1—2—5進(jìn)制共分10個(gè)檔級(jí)。
6．PULL×5：改變Y軸放大器的發(fā)射極電阻，使偏轉(zhuǎn)靈敏度提高5倍。
7．輸入：作垂直被測(cè)信號(hào)的輸入端。
8．微調(diào)：調(diào)節(jié)顯示波形的幅度，順時(shí)針?lè)较蛟龃?，順時(shí)針?lè)较蛐悴⒔油ㄩ_(kāi)關(guān)為“標(biāo)準(zhǔn)”位置。
9．儀器測(cè)量接地裝置。
10．PULL×10：改變水平放大器的反饋電阻使水平放大器放大量提高10倍，相應(yīng)地也使掃描速度及水平偏轉(zhuǎn)靈敏度提高10倍。
11．t/DIV開(kāi)關(guān)：為掃描時(shí)間因數(shù)檔級(jí)開(kāi)關(guān)，從0.2μs—0.2s/DIV按1—2—5進(jìn)制，共十九檔，當(dāng)開(kāi)關(guān)順時(shí)針旋足是X—Y或外X狀態(tài)。
12．微調(diào)：用以連續(xù)改變掃描速度的細(xì)調(diào)裝置。順時(shí)針?lè)较蛐悴⒔油ㄩ_(kāi)關(guān)為“校準(zhǔn)”位置。
13．外觸發(fā)輸入：供掃描外觸發(fā)輸入信號(hào)的輸入端用。
14．觸發(fā)源開(kāi)關(guān)：選擇掃描觸發(fā)信號(hào)的來(lái)源，內(nèi)為內(nèi)觸發(fā)，觸發(fā)信號(hào)來(lái)自Y放大器；外為外觸發(fā)，信號(hào)來(lái)自外觸發(fā)輸入；電源為電源觸發(fā)，信號(hào)來(lái)自電源波形，當(dāng)垂直輸入信號(hào)和電源頻率成倍數(shù)關(guān)系時(shí)這種觸發(fā)源是有用的。
15．內(nèi)觸發(fā)選擇開(kāi)關(guān)：是選擇掃描內(nèi)觸發(fā)信號(hào)源。
    CH1—加到CH1輸入連接器的信號(hào)是觸發(fā)信號(hào)源。
    CH2—加到CH2輸入連接器的信號(hào)是觸發(fā)信號(hào)源。
    VERT—垂直方式內(nèi)觸發(fā)源取自垂直方式開(kāi)關(guān)所選擇的信號(hào)。
16．CAL0.5：為探極校準(zhǔn)信號(hào)輸出，輸出0.5Up-p幅度方波，頻率為1KHz。
17．聚焦：調(diào)節(jié)聚焦可使光點(diǎn)圓而小，達(dá)到波形清晰。
18．標(biāo)尺亮度：控制坐標(biāo)片標(biāo)尺的亮度，順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)為增亮。
19．亮度：控制熒光屏上光跡的明暗程度，順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)為增亮，光點(diǎn)停留在熒光屏上不動(dòng)時(shí)，宜將亮度減弱或熄滅，以延長(zhǎng)示波器使用壽命。
20．位移：控制顯示跡線在熒光屏上Y軸方向的位置，順時(shí)針?lè)较蜊E線向上，逆時(shí)針?lè)较蜊E線向下。
21．垂直方式開(kāi)關(guān)：五位按鈕開(kāi)關(guān)，用來(lái)選擇垂直放大系統(tǒng)的工作方式。
    CH1—顯示通道CH1輸入信號(hào)。
    ALT—交替顯示CH1、CH2輸入信號(hào)，交替過(guò)程出現(xiàn)于掃描結(jié)束后回掃的一段時(shí)間里，該方式在掃描速度從0.2μs/DIV到0.5ms/DIV范圍內(nèi)同時(shí)觀察兩個(gè)輸入信號(hào)。
    CHOP—在掃描過(guò)程中，顯示過(guò)程在CH1和CH2之間轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換頻率約500KHz。該方式在掃描速度從1ms/DIV到0.2s/DIV范圍內(nèi)同時(shí)觀察兩個(gè)輸入信號(hào)。
    CH2—顯示通道CH2輸入信號(hào)。
    ALL OUT ADD—使CH1信號(hào)與CH2信號(hào)相加（CH2極性“+”）或相減（CH2極性（“－”）。
22．CH2極性：控制CH2在熒光屏上顯示波形的極性“+”或“－”。
23．X位移：控制光跡在熒光屏X方向的位置，在X—Y方式用作水平位移。順時(shí)針?lè)较蚬廑E向右，逆時(shí)針?lè)较蚬廑E向左。
24．觸發(fā)方式開(kāi)關(guān)：五位按鈕開(kāi)關(guān)，用于選擇掃描工作方式。
    AUTO—掃描電路處于自激狀態(tài)。
    NORM—掃描電路處于觸發(fā)狀態(tài)。
    TV—V—電路處于電視場(chǎng)同步。
    TV—H—電路處于電視行同步。
25．+、－極性開(kāi)關(guān)：供選擇掃描觸發(fā)極性，測(cè)量正脈沖前沿及負(fù)脈沖后沿宜用“+”，測(cè)量負(fù)脈沖前沿及正脈沖后沿宜用“－”。
26．電平鎖定：調(diào)節(jié)和確定掃描觸發(fā)點(diǎn)在觸發(fā)信號(hào)上的位置，電平電位器順時(shí)針?lè)较蛐悴⒔油ㄩ_(kāi)關(guān)為鎖定位置，此時(shí)觸發(fā)點(diǎn)將自動(dòng)處于被測(cè)波形中心電平附近。
二、XD2信號(hào)發(fā)生器
這是一種正弦信號(hào)發(fā)生器，它能產(chǎn)生頻率為1Hz到1MHz的正弦電壓。它的頻率比較穩(wěn)定，輸出幅度可調(diào)。面板上的電壓表指示是在輸出衰減前的信號(hào)電壓有效值。面板布置如圖1６－7所示。
頻率范圍共分六檔。每一檔中，又由右上方三個(gè)旋鈕來(lái)調(diào)節(jié)信號(hào)頻率。例如當(dāng)各旋鈕的位置處于圖中位置時(shí)，輸出信號(hào)頻率的讀數(shù)為                                     
          
信號(hào)發(fā)生器的輸出電壓是經(jīng)過(guò)內(nèi)部衰減器后輸出的。輸出信號(hào)的大小由面板上電壓表讀數(shù)和衰減倍數(shù)的大小決定。由于衰減倍數(shù)范圍較大，故取其對(duì)數(shù)值刻在“輸出衰減”旋鈕周?chē)?。衰減倍數(shù)用分貝（dB）值表示，其定義為
                
其中U為未經(jīng)衰減器的電壓，由面板上電壓表讀出，示值為有效值。U出為經(jīng)過(guò)衰減器后的輸出電壓有效值。
實(shí)驗(yàn)步驟
(一)清點(diǎn)主要儀器
1.示波器(  )  2.函數(shù)發(fā)生器(  )
（二）觀察與測(cè)量
1．觀察信號(hào)發(fā)生器波形
（1）將信號(hào)發(fā)生器的輸出端接到示波器Y軸輸入端上。
（2）開(kāi)啟信號(hào)發(fā)生器，調(diào)節(jié)示波器（注意信號(hào)發(fā)生器頻率與掃描頻率），觀察正弦波形，并使其穩(wěn)定。
2．測(cè)量正弦波電壓
在示波器上調(diào)節(jié)出大小適中、穩(wěn)定的正弦波形，選擇其中一個(gè)完整的波形，先測(cè)算出正弦波電壓峰—峰值Up-p，即
                    Up-p＝（垂直距離DIV）×（檔位V/DIV）×（探頭衰減率）
然后求出正弦波電壓有效值U為
               
3．測(cè)量正弦波周期和頻率
在示波器上調(diào)節(jié)出大小適中、穩(wěn)定的正弦波形，選擇其中一個(gè)完整的波形，先測(cè)算出正弦波的周期T，即
                    T＝（水平距離DIV）×（檔位t/DIV）
然后求出正弦波的頻率 。
4．利用李薩如圖形測(cè)量頻率
設(shè)將未知頻率fy的電壓Uy和已知頻率fx的電壓Ux（均為正弦電壓），分別送到示波器的Y軸和X軸，則由于兩個(gè)電壓的頻率、振幅和相位的不同，在熒光屏上將顯示各種不同波形，一般得不到穩(wěn)定的圖形，但當(dāng)兩電壓的頻率成簡(jiǎn)單整數(shù)比時(shí)，將出現(xiàn)穩(wěn)定的封閉曲線，稱為李薩如圖形。根據(jù)這個(gè)圖形可以確定兩電壓的頻率比，從而確定待測(cè)頻率的大小。
圖16－8列出各種不同的頻率比在不同相位差時(shí)的李薩如圖形，不難得出：
      
所以未知頻率
               
但應(yīng)指出水平、垂直直線不應(yīng)通過(guò)圖形的交叉點(diǎn)。
測(cè)量方法如下：
（1）將一臺(tái)信號(hào)發(fā)生器的輸出端接到示波器Y軸輸入端上，并調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出電壓的頻率為50Hz，作為待測(cè)信號(hào)頻率。把另一信號(hào)發(fā)生器的輸出端接到示波器X軸輸入端上作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率。
（2）分別調(diào)節(jié)與X軸相連的信號(hào)發(fā)生器輸出正弦波的頻率fx約為25Hz、50Hz、100Hz、150Hz、200Hz等。觀察各種李薩如圖形，微調(diào)fx使其圖形穩(wěn)定時(shí)，記錄fx的確切值，再分別讀出水平線和垂直線與圖形的交點(diǎn)數(shù)。由此求出各頻率比及被測(cè)頻率fy，記錄于下表中。
（3）觀察時(shí)圖形大小不適中，可調(diào)節(jié)“V／DIV”和與X軸相連的信號(hào)發(fā)生器輸出電壓。

標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率fx （Hz） 25 50 100 150 200
李薩如圖形（穩(wěn)定時(shí)）     
     
待測(cè)電壓頻率
    
fy的平均值（Hz） 
注意事項(xiàng)
1.為了保護(hù)熒光屏不被灼傷,示波器上光點(diǎn)的亮度不可調(diào)得太強(qiáng),也不能讓亮點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間停在熒光屏的一點(diǎn)上。
    2.示波器上所有開(kāi)關(guān)與旋鈕都有一定的強(qiáng)度和調(diào)節(jié)角度，調(diào)節(jié)時(shí)不要用力過(guò)猛。
    3.注意公共端的使用，接線時(shí)嚴(yán)禁短路。
思考討論
1. 示波器為什么能顯示被測(cè)信號(hào)的波形？
2. 熒光屏上無(wú)光點(diǎn)出現(xiàn)，有幾種可能的原因？怎樣調(diào)節(jié)才能使光點(diǎn)出現(xiàn)？
3. 熒光屏上波形移動(dòng)，可能是什么原因引起的？