大学物理实验：示波器的使用

【实验概述与思政要素】

诺贝尔奖获得者，德国物理学家K.F.布劳恩在1897年出于对物理现象的好奇而发明了CRT示波器。他向荧光CRT上的水平偏转片施加一个振荡信号，然后向纵向偏转片发送一个测试信号。这两个偏转片会在小荧光屏上产生瞬态的电波图像。该发明逐步演变成一台测量仪器，并且其性能在后续的50多年里不断改善。工程师霍华德·卫林在1947年所作的改进让示波器成为一台非常实用的仪器，首次能够通过触发器来控制扫描功能。

示波器是一种广泛应用于科研、生产和实验教学的综合性电子图示测量仪器。它可以直接观察电信号的波形，测量电压的幅度、周期（频率）等参数。用双踪示波器还可测量两个电压之间的时间差或相位差。配合各种传感器，它可用来观测非电学量（如压力、温度、磁感应强度、光强等）随时间的变化过程。示波器的电路比较复杂，不属于本实验的讨论范围，这里仅限于学习示波器的基本原理和使用方法。

【实验目的】

①了解示波器的主要组成部分及其工作原理。

②掌握用示波器观察电信号的波形和李萨如图形的方法。

③学习用示波器测量电信号的幅度、周期（频率）的方法。

【实验原理】

（1）示波器的基本结构

示波器一般由以下几部分构成：示波管、扫描电路、同步触发电路、X轴和Y轴放大器、电源等，如图4.4.1所示。

图4.4.1　示波器的结构

1）示波管

示波管是示波器的心脏，主要包括电子枪、偏转系统和荧光屏三部分，全都密封在玻璃外壳内，里面抽成高真空。下面分别说明各部分的作用。

①荧光屏，它是示波器的显示部分，当加速聚焦后的电子打到荧光上时，屏上所涂的荧光物质就会发光，从而显示出电子束的位置。当电子停止作用后，荧光剂的发光需经一定时间才会停止，称为余辉效应。

②电子枪，由灯丝H、阴极K、控制栅极G、第一阳极A1、第二阳极A2五部分组成。灯丝通电后加热阴极。阴极是一个表面涂有氧化物的金属筒，被加热后发射电子。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”调整就是通过调节电位以控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变了屏上的光斑亮度。阳极电位比阴极电位高很多，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、第二阳极之间的电位调节合适时，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。第二阳极电位更高，又称加速阳极。面板上的“聚焦”调节，就是调节第一阳极电位，使荧光屏上的光斑成为明亮、清晰的小圆点。有的示波器还能“辅助聚焦”，实际是调节第二阳极电位。

③偏转系统，它由两对相互垂直的偏转板组成，一对垂直偏转板Y，一对水平偏转板X。在偏转板上加以适当电压，电子束通过时，其运动方向发生偏转，从而使电子束在荧光屏上的光斑位置也发生改变。

容易证明，光点在荧光屏上偏移的距离与偏转板上所加的电压成正比，因而可将电压的测量转化为屏上光点偏移距离的测量，这就是示波器测量电压的原理。

2）信号放大器和衰减器

示波管本身相当于一个多量程电压表，这一作用是靠信号放大器和衰减器实现的。由于示波管本身的X及Y轴偏转板的灵敏度不高（0.1～1mm/V），当加在偏转板的信号过小时，要预先将小的信号电压加以放大后再加到偏转板上。为此设置X轴及Y轴电压放大器。衰减器的作用是使过大的输入信号电压变小以适应放大器的要求，否则放大器不能正常工作，输入信号会发生畸变，甚至使仪器受损。对一般示波器来说，X轴和Y轴都设置有衰减器，以满足各种测量的需要。

3）扫描系统

扫描系统也称时基电路，用来产生一个随时间作线性变化的扫描电压，这种扫描电压随时间变化的关系如同锯齿，故称锯齿波电压，这个电压经X轴放大器放大后加到示波管的水平偏转板上，使电子束产生水平扫描。这样，屏上的水平坐标变成时间坐标，Y轴输入的被测信号波形就可以在时间轴上展开。扫描系统是示波器显示被测电压波形必需的重要组成部分。

（2）示波器显示波形的原理

如果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，如果电压频率较高，则看到的是一条竖直亮线，如图4.4.2所示。要能显示波形，必须同时在水平偏转板上加一扫描电压，使电子束的亮点沿水平方向拉开。这种扫描电压的特点是电压随时间呈线性关系增加到最大值，最后突然回到最小，此后再重复变化。这种扫描电压即前面所说的“锯齿波电压”，如图4.4.3所示。当只有锯齿波电压加在水平偏转板上时，如果频率足够高，则荧光屏上只显示一条水平亮线。

如果在竖直偏转板上（简称Y轴）加正弦电压，同时在水平偏转板上（简称X轴）加锯齿波电压，电子受竖直、水平两个方向的力的作用，电子的运动就是两个相互垂直的运动的合成。当锯齿波电压比正弦电压变化周期稍大或者相同时，在荧光屏上将能显示出所加正弦电压完整周期的波形图。如图4.4.4所示。

图4.4.2　正弦波信号

图4.4.3　锯齿波扫描电压

图4.4.4　示波器显示波形的原理

（3）同步的概念

如果正弦波和锯齿波电压的周期不等或者不成整数倍，屏上出现的是一个移动着的不稳定图形。这种情形可用图4.4.5说明。设锯齿波电压的周期Tx比正弦波电压周期Ty稍小，如Tx/Ty=7/8。在第一扫描周期内，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点之间的曲线段，起点在8处。这样，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Tx比Ty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。为了使屏上的图形稳定，必须使Tx/Ty=n（n=1，2，3，…），n是屏上显示完整波形的个数。

为了获得一定数量的波形，示波器上设有“扫描时间”（或“扫描范围”）、“扫描微调”旋钮，用来调节锯齿波电压的周期Tx（或频率fx），使之与被测信号的周期Ty（或频率fy）成合适的关系，从而在示波器屏上得到所需数目的完整的被测波形。输入Y轴的被测信号与示波器内部的锯齿波电压是互相独立的。由于环境或其他因素的影响，它们的周期（或频率）可能发生微小的改变。这时，虽然可通过调节扫描旋钮将周期调到整数倍的关系，但过一会儿又变了，波形又移动起来。在观察高频信号时这种问题尤为突出。为此示波器内装有扫描同步装置，让锯齿波电压的扫描起点自动跟着被测信号改变，这就称为整步（或同步）。有的示波器中，需要让扫描电压与外部某一信号同步，因此设有“触发选择”键，可选择外触发工作状态，相应设有“外触发”信号输入端。

图4.4.5　Tx=7Ty/8时显示的波形

（4）示波器的基本应用

1）电压的测量

如图4.4.6所示，直接从示波器屏幕上读出被测电压所占的格数Dy，再换算成电压值，即

式中，Up-p为被测电压的峰-峰值（V）；Dy为被测电压峰-峰值所占格数（DIV）。

2）周期和频率的测量

如图4.4.7所示，直接从示波器屏幕上读出被测信号一个周期所占的格数Dx，再换算成周期值，即

式中，T为被测信号的周期；Dx为被测信号一个周期所占的格数。根据频率与周期的关系f=即可求出信号的频率。

图4.4.6　电压的测量

图4.4.7　周期的测量

3）李萨如图形

如果在示波器的X和Y偏转板上分别输入两个正弦信号，且它们频率的比值为简单整数，这时荧光屏上就呈现出李萨如图形（见图4.4.8），它们是两个互相垂直的简谐振动合成的结果。利用李萨如图形可以比较两个信号的频率。若fx和fy分别代表X与Y轴输入信号的频率，当李萨如图形稳定后，对图形作水平和竖直割线（两条割线均应与图形有最多的相交点），设Nx和Ny分别为李萨如图形与水平割线及竖直割线的最多的交点数目，则有如下关系

因此，只要知道了fx或fy其中一个，就可以求出另一个。

图4.4.8　不同相位差的李萨如图形

【实验仪器】

GOS-620双踪示波器、SP1641B低频信号发生器、同轴电缆等。

【实验内容】

（1）示波器的校准

①根据示波器的说明书要求，将有关旋钮置于初始位置，并接通电源，预热3min后，调节“亮度”“聚焦”“Y位移”“X位移”等旋钮，使其在荧光屏中间得到一条亮度适中、清晰的扫描线。

②方波的校准。用同轴电缆将示波器的校准信号（方波，f=1000Hz，Up-p=2V）接到CH1通道，仔细调节垂直偏转因素和扫描偏转因素，以及X、Y位移等旋钮，使波形稳定并位于屏幕的正中间，并显示两个周期的方波。读出T、Up-p的值，与理论值进行比较，判断示波器是否正常工作。用同样的方法校准CH2通道。将方波校准示波器数据记录在表4.4.1中。

表4.4.1　方波校准示波器数据记录(www.xing528.com)

（2）观察并测量正弦电压的幅度和周期

①开启低频信号发生器，选择电压输出，将输出端接到示波器的CH2通道，输出频率fs=500Hz，输出电压Up-p=2V。

②调节示波器垂直偏转因素“V/DIV”和扫描偏转因素“TIME/DIV”，以及X、Y位移等旋钮，在荧光屏上显示4～5个周期的正弦波形，并使其稳定。

③利用X、Y位移等旋钮，准确读出峰-峰值所占格数Dy（DIV），则待测电压的峰-峰值为

调节扫描偏转因素，使得可以从屏幕上准确地读出n个周期（建议3～4个周期）波形的水平距离Dx（DIV），则信号的周期T′s为

然后求出正弦波的频率

将以上测量和计算结果填入表4.4.2。

表4.4.2　正弦电压的幅度和周期（频率）测量数据记录

（3）观察李萨如图形并测量频率

①CH2通道仍接信号发生器电压输出端，CH1通道接信号发生器上“点频输出”接线柱（输出的是一个正弦信号，频率fx=100Hz固定不变）。

②将示波器置于X-Y工作状态，即将扫描偏转因素调节旋钮逆时针转到底，置于蓝色X-Y挡，这时可观察李萨如图形。

③调节信号发生器的输出频率，在20～600Hz之间调出6个“稳定”的李萨如图形，画出李萨如图形，将数据记入表4.4.3，并求出fy值。

【数据处理】

①使用方波校准示波器，并完成数据记录。

②完成测量正弦电压幅度、频率的表格（表4.4.3）。

③完成李萨如图形测量频率表格，比较计算值与信号发生器的输出值，分析误差产生原因。

表4.4.3　李萨如图形法测量频率数据

续表

【思考题】

1.Y轴输入端有信号，但屏上只有一条垂直的亮线是什么原因？如何调节才能使波形沿X轴展开？

2.用示波器观察周期为0.2ms的信号电压，若在屏上呈现5个周期的稳定波形，扫描电压的周期应等于多少？

3.荧光屏上无光点出现，有几种可能的原因？怎样调节才能使光点出现？

4.若示波器显示的波形不断向右移动，说明扫描频率偏高还是偏低？

5.将待测的信号输入到示波器的输入端子中，若要显示的波形幅度增大，则垂直偏转因素（V/DIV）的数值应该____________（增大、不变、减小）；而扫描偏转因素（TIME/DIV）的数值越大，则示波器显示的信号周期数越____________（少、不变、多）。

6.用示波器观察50Hz的正弦交流电压信号，当荧光屏上正好完整显示两个周期稳定波形时，其扫描电压的周期是____________，若被测信号的频率是2500Hz，同样得到两个周期的稳定波形，这时扫描周期是____________。

7.用示波器观察一个已知幅值为4V，周期为500Hz的方波信号，在荧光屏上要让一个周期的方波在X轴方向上占4格，在Y轴方向上占4格，那么示波器的扫描偏转因素“TIME/DIV”应调至____________，垂直偏转因素“V/DIV”应调至____________。

8.示波器要能显示波形，必须在水平偏转电极上加一扫描电压，使电子束的亮点沿水平方向展开，该扫描电压为（　）。

9.将示波器扫描偏转因素旋钮置于5μs/DIV，此时在屏幕水平轴10DIV长度范围内正好看到4个完整的正弦波，此波的频率是（　）。

A.0.5MHz　B.0.08MHz

C.0.8MHz　D.5MHz

10.在示波器校准试验中，某同学将峰-峰值电压2V，频率1kHz的标准方波接入示波器CH1通道，该通道垂直偏转因素为0.5V/DIV，扫描偏转因素为0.1ms/DIV，此时发现示波器显示的波形如图4.4.9所示。

（1）请问该波形下的示波器CH1通道是否为已校准状态？

（2）在图中画出校准后一个周期的波形。

图4.4.9　题10图

【附录】

GOS-620示波器

（1）前面板说明

1）CRT显示屏

2）VERTICAL垂直偏向

3）TRIGGER触发

4）水平偏向

（2）后面板说明

（3）各旋钮和按键的初始化