大学物理实验-示波器的使用及结构

示波器是一种利用阴极射线管内电子束在电场中偏转，显示随时间变化的电信号的观测仪器.用它能直接测量电压信号的幅度、周期和频率等参数，也能定性地观察电路的动态过程，即观察波形.配以各种传感器还可以用于各种非电量的测量，如压力、声光信号等，医学上常用示波器观察生物体的心电、脑电、肌电和心音等，示波器已成为电子电工、实验教学、医药卫生、科学研究等领域最常用的电子仪器.

【实验目的】

（1）了解示波器的主要结构和显示波形的基本原理.

（2）学会用示波器观察波形并测量电压的幅度、周期和频率.

（3）观察李萨如图形，利用李萨如图形测量正弦信号的频率.

【实验原理】

1.示波器的基本结构

示波器主要由示波管（CRT）、X轴（水平）放大系统、Y轴（垂直）放大系统、扫描与触发系统和电源五大部分构成.如图3-4-1所示.

图3-4-1　示波器的基本结构框图

（1）示波管（CRT）

示波管全名为阴极射线示波管，是示波器的核心.它是一只抽成真空的玻璃管，其结构如图3-4-2所示，包含三个部分：电子枪、偏转板和荧光屏.

图3-4-2　示波管结构示意图

1—灯丝；2—阴极；3—栅极；4—阳极；5—聚焦极；6—垂直偏转板；7—水平偏转板

①电子枪：电子枪由灯丝、阴极、栅极、阳极、聚焦极等部分组成，其作用是发射可以控制的会聚的高速电子束.当阴极被点燃的灯丝加热之后，向外发射电子，通过栅极后形成一电子束，栅极的电位相对阴极为负，因此调节栅极相对阴极的电位，可以控制通过栅极的电子数目，从而控制到达荧光屏上的电子数目.打到荧光屏上的电子数目越多，则荧光屏上发出的光越强，因而改变栅极电位，可以调节荧光屏上亮点的亮度，示波器面板上辉度调节旋钮就是起这一作用的.阳极相对栅极有很高的电位，对通过栅极的电子起加速作用.聚焦极的作用就像会聚透镜对光的作用一样，可以使发散的电子束通过这一电场后会聚成一细小的电子束，因而改变聚焦极电位，可以调节电子束的聚焦程度.

②偏转板：示波管内有一对垂直（Y轴）偏转板和一对水平（X轴）偏转板，其作用是控制电子束的偏转方向.若某一对偏转板上加上电压，电子束通过它时因受电场力作用而发生偏转，荧光屏上的亮点也将偏转，且偏转量的大小与所加电压大小成正比，这就是示波器能够测量电压的依据.电压加在垂直偏转板上，亮点作纵向偏移；电压加在水平偏转板上，亮点作横向偏移.

③荧光屏：荧光屏的作用是显示电子束的运动轨迹.荧光屏玻璃内表面涂有一层荧光粉，当高速电子流轰击时会发出荧光，从而显示电子束的运动轨迹.

（2）基本电路

①X，Y轴放大系统：要使亮点在荧光屏上移动一定的距离，必须在偏转板上加足够的电压.一般示波管偏转板的灵敏度不高，偏转1cm得有几十伏的电压，而被测信号的电压一般较低，只有几伏、几毫伏，甚至更低.因此为了使电子束能在荧光屏上获得明显的偏移，必须对被测信号进行电压放大，X，Y轴放大系统就起这一作用.

②扫描与触发系统：它能产生一个锯齿形的扫描电压以及使波形稳定的同步信号，从而在荧光屏上显示被测信号的波形.

③电源：它是示波器的能源部分，提供仪器各电路所需的工作电压.

2.示波器显示波形的原理

把待测信号加在示波器Y轴偏转板上，如待测信号是正弦交流电压Uy=Umsinωt，则电子束在Y轴产生的位移y也随时间按正弦规律变化

在荧光屏上的光点只在竖直方向运动，如果信号频率较大，看到的只是一条竖直的亮线.

若在X轴偏转板上加一个与时间成线性关系的锯齿形电压（即扫描电压），例如，电压从零开始与时间成正比地增加到最大，然后突然减到零，并按这种规律周期性变化.在该扫描电压作用下，光点将在水平方向上匀速从左端移到右端，然后迅速回到初始位置，接着又重复上述过程，我们把这种过程称为扫描.扫描电压的频率较大，在荧光屏上看到一条水平亮线（即扫描线）.光点在水平方向的位移与时间成正比，即

在上述两种电压同时作用下，荧光屏上亮点的轨迹是上述两种互相垂直的位移的合成.由式（3-4-1）、式（3-4-2）可得亮点轨迹方程

可见，亮点运动轨迹是正弦曲线，与待测信号的变化规律一致，从而在示波器上可以观察到待测信号随时间变化的波形.亮点在水平方向的位移相当于被测信号的时间轴，故扫描过程也称时基扫描.上述分析用图3-4-3可直观表现出来.

图3-4-3　示波器显示波形的原理

由于水平锯齿扫描电压是周期性的，使得加在垂直偏转板上的信号波形重复出现.如果待测信号的频率fy小于扫描电压的频率fx，或两者不成整数关系，由于扫描各周期显示的波形不重合，因而显示不稳定波形.只有fy与fx成整数比时，才会显示稳定波形，即波形稳定的条件是：fy=Nfx（N=1，2，3，…）.

在实际测量中，为了观察到稳定的波形，fx是可调的，示波器面板上的时基扫描旋钮与时基微调旋钮就是用来调节扫描信号频率的.

3.李萨如图

作为示波器的一种应用，我们介绍李萨如图.

如果在示波器的水平偏转板和垂直偏转板上分别输入两个正弦信号，且它们的频率比值为简单的整数比，这时荧光屏上显示的图形即为李萨如图.它是两个互相垂直的简谐振动合成的结果.李萨如图与两个正弦信号的频率有如下关系：

式中 Nx——水平方向切线与图形的切点数；

Ny——竖直方向切线与图形的切点数.

如果已知fy，从李萨如图上可知切点数Nx和Ny，利用上式就可算出fx了.所以，利用李萨如图，可测未知正弦信号的频率，见表3-4-1.

表3-4-1　李萨如图形与频率的关系

【实验器材】

示波器、函数信号发生器、连接线若干根.

XJ4210型示波器前面板如图3-4-4所示.(www.xing528.com)

图3-4-4　XJ4210示波器前面板

（1）PULLON，INTENS 拉出为电源开，顺时针方向调整增加亮度，逆时针方向减低亮度.

（2）lkHz1V1Vp-p，lkHz的方波校正信号.

（3）V/divVERNIERY轴控制旋钮，控制输入信号的幅值.中心处的旋钮为Y轴微调旋钮，可连续改变，顺时针旋足为校准位置.

（4）AC⊥DCY轴输入信号的耦合方式转换开关.

（5）Y轴位移，调节图形或亮点在Y轴上的位移.

（6）INY轴待测信号输入端.

（7）t/divVERNIER时基选择，调节扫描周期.中心处的旋钮为时基微调旋钮，可连续改变扫描周期，顺时针旋足为校准位置.

（8）←→X轴位移，调节图形或亮点在X轴上的位移.

（9）EXTXX轴外加信号输入端.

（10）LEVELTRIG调节扫描信号电平值，能使波形稳定显示.

（11）+-EXTX触发信号极性开关.

（12）INTTVEXT触发信号选择开关.

【实验内容与步骤】

示波器已校正好，开机前先了解示波器面板上各功能键的作用，并把各个旋钮调到居中.

1.正弦信号的观测

（1）把待测信号输入到示波器前面板的Y轴输入端“IN”.

（2）调节Y轴位移“”及X轴位移“←→”找到信号.应特别注意的是，定量测量时，必须始终保持Y轴微调旋钮与时基微调旋钮在校准位置上，即顺时针旋足.

（3）通过调节“V/divVERNIER”和“t/divVERNIER”使正弦波信号稳定在显示屏内.

用示波器测量电压时，一般是测量其峰峰值up-p，即从波峰到波谷之间的值，然后再计算电压的有效值，实验时利用荧光屏前的刻度标尺分别读出与电压峰峰值对应的竖直方向距离y及一个周期波形所对应的水平方向距离x，如图3-4-5所示，有

图3-4-5　正弦信号波形图

根据，就可得到正弦信号的有效值u和频率f.

2.观察李萨如图，用李萨如图测量正弦信号频率

（1）上述正弦信号仍接在示波器的Y输入端，将函数信号发生器输出的正弦信号接到示波器的EXTX输入端.

（2）将触发信号选择开关拨到EXT.

（3）调节EXTX输入端的信号发生器输出信号的频率，分别得到1∶1，1∶2，2∶3，2∶1的李萨如图形.描下李萨如图形，记下相应的信号发生器输出的正弦信号的频率fy及垂直方向上的切点数Ny、水平方向的切点数Nx，计算被测正弦信号的频率fx.

【数据记录与处理】

1.正弦信号的观测（表3-4-2）

记下待测正弦信号的输出电压___________________和频率________________________.

表3-4-2　正弦信号电压与周期的测量数据表

计算电压与频率的百分误差.

2.观察李萨如图，用李萨如图测量正弦信号频率（表3-4-3）

示波器Y轴输入的正弦信号频率fy =_____________________.

表3-4-3　用李萨如图测量正弦信号频率的数据表

自学提纲

1.简述示波器的结构.

2.简述示波器显示波形的原理.它是如何模拟时间的？

3.示波器显示稳定波形的条件是什么？

4.示波器上显示的波的纵向幅度太小，应如何处理？波的数目太多，又如何处理？

5.什么是李萨如图？如何利用李萨如图测量未知正弦信号的频率？