大学物理实验讲义实验09示波器原理和使用.docx

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大学物理实验讲义实验09示波器原理和使用

实验5示波器原理和使用

示波器是利用示波管内电子射线的偏转，在荧光屏上显示出电信号波形的仪器。

用

它能直接观察电信号的波形，也能测定电信号的幅度、周期、频率和相位，凡能转化为

电压信号的其它电学量（电流、电功率、阻抗等）和非电学量（温度、位移、速度、压

力、声强、光强、磁场等），其随时间的变化都能用示波器来观测。

由于电子射线的惯性

小，示波器扫描发生器的频率较高（可达几百兆赫），Y轴和X轴放大器的增益很大，输入阻抗高，所以示波器特别适合于观测瞬时变化的过程，并可测量微伏级的电压，而

对被测试系统的影响很小。

因此示波器是一种应用广泛的综合性电信号测试仪器。

示波器按用途和特点可以分为：

通用示波器。

它是根据波形显示基本原理而构成的示波器。

取样示波器，它是先将高频信号取样，变为波形与原始信号相似的低频信号，再应

用基本原理显示波形的示波器。

与通用示波器相比，取样示波器具有频带极宽的优点。

记忆与存储示波器。

这两种示波器均有存储信号的功能，前者是采用记忆示波管，

后者是采用数字存储器来存储信息。

专用示波器。

为满足特殊需要而设计的示波器，如电视示波器、高压示波器等。

智能示波器。

这种示波器内采用了微处理器，具有自动操作、数字化处理、存储及

显示等功能。

它是当前发展起来的新型示波器。

也是示波器发展的方向。

本实验以SS—7802型通用示波器为例，说明示波器的原理和使用方法，

并介绍

GFG

—8016G型数字式函数信号发生器的使用方法。

【实验目的】

1．了解示波器显示图象的原理。

2．较熟练地掌握示波器的调整和使用方法。

3．掌握函数信号发生器的使用方法。

4．学习用示波器观察电信号的波形，测量电信号的电压幅度和频率。

【仪器用具】

SS—7802型示波器（或DS-5000型存储示波器）、GFG—8016G型数字式函数信号发生器（或SPF05A型数字合成函数信号发生器）。

【实验原理】

1.示波器的基本结构和工作原理

示波器内部结构复杂，型号很多，但从功能上看，大致可分为示波管、电压放大装

置（包括Y轴放大和X轴放大两部分）、扫描与整步装置和电源四个部分。

如图

5-1所

示。

（1）示波管：

它包括电子枪、偏转板和荧光屏三部分。

图5-1示波器结构方框图

示波管是示波器的核心，它的构造如图5-2所示，左端为一电子枪，电子枪又包括旁热式阴极、加热阴极的灯丝、控制栅极和第一、第二阳极等，阴极经灯丝加热后发出

一束电子，电子被第一和第二阳极电场加速及聚焦后，形成一束很细的高速电子流打在右端的荧光屏上，屏上的荧光物

图5-2示波管的构造

发光形成一亮点。

调节第一阳极电压（即调“聚焦”旋钮）和调节第二阳极电压（即调“辅助聚焦”旋钮）可达到聚焦的目的，使荧光屏上出现清晰的图象。

在电子枪和荧光屏之间装有两对相互垂直的平行板，称为偏转板。

如果板上加有电压，则电子束经过偏转板时受正电极吸引，受负电极排斥，从而使电子束在荧光屏上的亮点位置也跟着改变，所以偏转板是用来控制亮点位置的。

两对偏转板中，横方向的一

对称为X轴偏转板（或叫水平偏转板），纵方向的一对称为Y轴偏转板（或叫垂直偏转

板）。

在一定范围内，亮点的位移与偏转板上所加电压成正比，调节“X轴移位”和“Y

轴移位”旋钮可以改变亮点的位置。

由于控制栅极的电位低于阴极，调节栅极电位可控制穿过栅极的电子数，即控制了

电子流的强度。

荧光屏上亮点的亮度决定于射到屏上电子的数目和能量（由加速阳极的

电压决定），从而调节栅极电位（即调“辉度”旋钮）可以改变亮点的亮度。

（2）电压放大装置（包括

Y轴放大和

轴放大两部分）

示波器的输入分为Y轴、X轴两个通道，输入信号电压经输入端的衰减器衰减后，

送到电压放大器放大。

放大后的信号电压最终加到示波器的Y轴偏转板或X轴偏转板上，

亮点随信号电压的变化沿左右或上下作直线运动，形成一条水平或垂直亮线。

调节“

轴增益”或“

轴增益”旋钮，可以控制输入信号的放大幅度（注意只是将显示比例放

大或缩小，而不能改变信号电压本身的幅值大小）

。

在示波器的

Y轴和

X轴输入端还设

置有衰减器，如果信号电压过大，可利用Y轴（或X轴）衰减器使信号电压变小，以适

应电压放大器的要求。

这些都是通过“V/cm”偏转灵敏度选择开关实现。

（3）扫描与整步装置

这是示波器的关键部分。

它主要由锯齿波电压发生器（即扫描电压发生器）构成。

图5-3锯齿波波形图

如果在X轴偏转板上加上锯齿形电压，如图

5-3（a）所示，锯齿形电压的特点是：

电压从负开始（t

t0）随时间成正比地增加到正（

t0tt1），然后又突然返回负

（tt1）。

再从此开始与时间成正比地增加（

t2）,如此重复，这时，荧光

屏上的亮点从左（t

t0）匀速地向右运动（t0

），到右端后马上回到左端（tt1），

然后再从左端匀速地向右运动（

t1tt2）,

不断重复前述过程。

亮点只在水平

方向运动，我们在荧光屏上看到的便是一条水平线，如图

5-3（b）所示。

如果在Y轴偏转板上加上正弦电压，如图

5-4（a）所示，而X轴偏转板上不加任

何电压，则亮点的运动是在纵方向作正弦式振荡，在横方向不动，我们看到的是一条垂直的亮线，如图5-4（b）所示。

图5-4正弦波波形图

如果在Y轴偏转板上加上正弦电压，在X轴偏转板上加上锯齿形电压，则荧光屏上

的亮点将同时进行方向互相垂直的两种位移，我们看到的将是亮点的合成位移，即正弦

图形。

用示波器观察波形的原理可用图5-5来说明。

简谐振动可用一个作匀速圆周运动

的质点在某方向上的投影来代表，这个圆称为简谐振动的参考圆。

在Y轴偏转板上加上

正弦电压时，可以用参考点在垂直方向投影的运动来代表。

我们假定信号电压与扫描电

压的周期相同，起始点也相同，都是从零开始的，我们把这两个电压的周期分成八等份，分别用1，2，3，8表示。

从图5-5看到，当时间从0到1时，X轴偏转板上的锯

齿形电压使亮点从原点0向右移，而Y轴偏转板上的交流电压正好是正半周，它要亮点

向上移，合成的结果电子束就打在荧光屏的“1”位置上。

当时间到达2时，亮点就打在

“2”位置上，因为两对偏转板上所加的电压是连续不断的，所以亮点的移动也是连续不断的，结果绘出如图5-5中从“0”到“8”的一条正弦曲线。

当锯齿形电压从最大

突然跳回零时，亮点立即从“8”突然跳回到“0”，这时Y轴偏转板上的交流电压也正好回到第二个周期的零点上，因此在第二个周期中画出的曲线正好和第一个周期的完全重合。

这样不断重复，所以我们可以在荧光屏上看见一条稳定的正弦曲线。

图5-5示波器显示波形原理图

上面讨论的是在扫描电压的周期

TX与信号电压的周期

TY相等时，荧光屏上可以稳

定的显示出一个波长的信号波形。

如果扫描电压的周期

TX是信号电压的周期

TY的两倍

（即TX

2TY），则在荧光屏上可以看到两个波长的信号波形，同理，若

nTY，

则荧光屏上将显示出n个波长的信号波形。

即

nTY

1，2，3，

（

5-1）

由于周期和频率具有互为倒数的关系，因此上式也可以表示为

nfX

1，2，3，

（5-2）

（5-2）式中，fY为加在Y轴偏转板上的信号电压的频率，

fX为加在X轴偏转板上的

扫描电压的频率。

如上所述，为了在荧光屏上观察到稳定的波形，必须使扫描电压的周期

TX与信号

电压的周期TY相等或成整数倍关系，否则稍有偏差，所显示的波形就会向左或向右移动。

例如，当TY

5-6中0~4所示，而第二次扫描

显示的波形如图5-6中4‘~8所示。

两次扫描显示的波形不相重合，

其结果是好象波形在

不断地向左移动。

同理，当

而实际上，

由于产生

fY和fX的振荡源是互相独立的振荡源，它们之间的频率比不会自然满足简单

整数比，所以示波器中的锯齿形扫描电压的频率必须可调。

除了人工调节之外，在示波

器内部还加装了自动频率跟踪的装置，称为“整步”。

在人工调节到接近满足（5-2）式的条件时，再加入“整步”的作用，扫描电压的周期就能准确地等于待测电压周期的整

数倍，从而获得稳定的波形。

图5-6TyTx2Ty时波形向左移动

如果所加信号

fY为三角波（或方波）电压的频率，

fX为扫描电压的频率，则可在

荧光屏上观察到三角波（或方波）信号的波形。

（4）电源部分

电源部分的作用是将市电220V的交流电压转变为各个数值不等的直流电压，以满足示波器各部分电路工作的需要。

2.示波器的基本测量方法

（1）如何测量电信号的电压幅度

对于待测电信号，可测出其在荧光屏的

Y轴上的波形幅度大小，从而测出它的电压

幅度。

示波器设有Y轴灵敏度选档旋钮，

Y轴灵敏度可用KU来表示，其单位是V/cm。

KU表示在荧光屏Y轴上，使亮点偏移1cm距离所需输入的信号电压幅值，显然，KU值是Y轴上的电压分度值。

因此，对于一个被显示的信号，只要从荧光屏的刻度板上量出

其双振幅APP（即波形在Y轴方向上的最低点到最高点的距离），则可测出其电压峰峰值UPP，即

UPP

APP

（5-3）

对于正弦信号，其电压有效值

U与UPP的关系为

UPP

（5-4）

为了提高示波器的输入阻抗、

减小输入电容，常用分压比为

10:

1的低电容衰减探头

将信号输入至示波器的Y通道。

由于探头对信号电压具有

10倍的衰减，因此使用衰减

探头时，（5-3）式应改写为

UPP

10KUAPP

（5-5）

（2）如何测量电信号的周期和频率

①利用时基因数测量周期和频率

对于待测电信号，可测出其在荧光屏的

X轴上的波长大小，从而测出它的周期和频

率。

示波器设有扫描速度选档旋钮，扫描速度可用

vt来表示，vt表征示波器展开被测信

号波形的能力，它的定义是：

单位时间内亮点在荧光屏上

X轴方向移动的距离，其单位

为cm/s。

扫描速度的倒数Kt

称为时基因数，它的定义是：

亮点在X轴方向移动一

个单位距离所需的时间，其单位为

s/cm（或为ms/cm

、μs/cm）。

虽然扫描速度和时基

因数是两个不同的概念，但是在实用上常习惯地将时基因数作为示波器扫描速度的标称

而不加区别。

显然，Kt是X轴上的时间分度值。

因此，对于一个被显示的信号，只要

从荧光屏的刻度板上量出其波长

，则其周期T为

（5-6）

该信号的频率为

（5-7）

②利用李萨如图形测量正弦信号的频率

如果在示波器的Y轴和X轴偏转板上都加上正弦信号电压，

那么荧光屏上亮点的运

动将是两个互相垂直的振动的合成。

当两个正弦信号的频率相等或成简单整数比时，荧

光屏上亮点的合成轨迹为一稳定的闭合曲线，称为李萨如图形。

李萨如图形可用来测量

未知频率。

令fY、fX分别代表Y轴和X轴偏转板上输入信号的频率，

nY、nX分别代

表Y方向和X方向的切线与图形相切的切点数，则有

（5-8）

如果fX已知，从荧光屏上的图形求出

nY和nX，由（5-8）式即可求得

fY。

因此，利用

李萨如图形可以测量正弦信号的频率。

几个常用的李萨如图形如图5-7所示，供参考。

图5-7几种简单的李萨如图形

【仪器介绍】

1.SS-7802型示波器介绍

本实验使用日本岩崎公司生产的

ss-7802型双踪示波器，这是一种通用示波器，能

同时观测二个不同电信号的瞬变过程。

它的结构原理如前所述，它的面板如图

5-8所示，

面板上各旋钮和按键按其功能分成了

9大部分，并分别用虚线框框起来，这

9大部分的

作用可参ss-7802型示波器使用指南和有关说明。

要补充说明的是，当按下

，并使示

波器处于AUTO或NORM的扫描模式时，示波器的水平偏转通道（

x通道）接机内扫

描信号（锯齿波），示波器的CH1、CH2通道均为垂直偏转通道（

y通道），需外接信号

电压；当示波器处于

x-y模式时，示波器的x通道断开机内扫描信号（锯齿波）

，需外接

信号电压，此时CH1通道为x通道，CH2通道为y通道。

由于此时扫描信号（锯齿波）

已撤去，因此扫描时基因数旋钮已不起作用，示波器的

x、y通道均需外接信号电压。

IWATSU

OSCILLOSCOPE

SS-7802

20MHz

FUNCTION

TRIGLEVEL

POSITION

COARSE

READY

TRIG'D

FINE

CURSORS

SLOPE

MAG

TIME/DIV

V.tOFFTCK/C2

AVARIABLE

HOLDOFF

SOURCECOUPL

SLOW

FAST

SWEEPMODE

HORIZDISPLAY

AUTO

NORMSGL/RST

X-Y

ALTCHOP

POSITIONCH1

POSITION

CH2

ADD

CH1+CH2

INV

VOLTS/DIV

DC/AC

VARIABLE

DC/AC

VARIABLE

GND

2mV

POWERINTEN

READOUT

FOCUSSCALE

PF400VMAX

BEAMFIND

ON/OFF

TRACE

CAL

STBYON

ROTATION

CAT

1KHz0.6V

CH1

CH2

EXT

TRIG

123

图5-8SS-7802型示波

图5-9屏幕显示数字的意义

SS-7802型示波器使用指南

按键/旋钮

英文名

中文名

操作方法

功

能

部位序号

①

POWER

电源开关

按下

按下后仪器接通~220V市电

INTEN

亮度

旋转

顺时针旋转，扫迹亮度增加

READOUT

文字显示

旋转

调整屏幕上显示的文字亮度

②

FOCUS

聚焦

旋转

调整扫迹以及文字的清晰程度

SCALE

刻度

旋转

调整屏幕上刻度线的亮度

TRACE

扫迹旋转

用改锥旋

当扫迹不水平时，可用它调整。

ROTATETION

③

CAL

校准信号接口

连线

输出1KHZ、0.6V方波校准信号

┻

地线接口

连线

机壳接地端

④

CH1/CH2

输入接口

连线

Y1/Y2输入接口,接输入信号

轴

垂

POSITION

位置

旋钮

垂直位置调节

按下,相应通道工作,屏幕最下一行左边显示该通道

CH1，CH2

通道1,2

按

直

数1：

或2：

。

⑤

水

平

部

分

⑥

触

发

部

分

⑦

水平

显示

⑧

扫描

模式

VOLTS/DIV

Y轴灵敏度

旋转/按

（VARLABLE）

调节及微调

DC/AC

直流/交流

按

GND

接地

按

ADD

相加

按

INV

反相

按

POSITION

位置

旋转

FINE

位置微调

按下

TIME/DIV

时间分度调节

旋转/按

MAG×10

扫速放大

按

TRIGLEVEL

触发电平

旋转

SLOPE

触发沿选择

按

每按一下，

SOURCE

触发源选择

改变一次

COUPL

耦合方式

按

视频触发

按

模式选择

READY

单次触发

指示灯

状态指示

亮与灭

TRIG’D

触发指示

亮与灭

扫描显示

按

X-Y

X-Y显示

按

AUTO或

自动/正常

按

NORM

调节Y轴灵敏度，调节时，屏幕左下边通道数电

压/分度因子值相应改变，按下再旋转，可作灵敏度微调，此时不能进行Y轴信号幅度测量

直流时，信号直接输入，屏幕上电压/分度因子值

后电压单位为V；交流时，信号通过电容输入，分

度因子的电压单位为

v。

按下后相应输入端接地，输入信号与

Y轴放大器

断开，屏幕左下分度因子后显示⊥符号。

按下后，屏幕显示

Y1+Y2波形，同时屏幕下方通

道2数前出+号即显示+2：

按下后，Y2波形反相，同时屏幕下方显示+2：

↓，

若此时ADD也按下则屏幕显示

Y1—Y2波形。

水平位置调节

按下，FINE指示灯亮时转动

POSITION，可作水

平位置微调，再按一次，

FINE灯灭。

旋转时，调节选择扫描速度，按下后再旋转可作微

调，扫描时间因子值显示在屏幕左上角，

单位是S、

ms或μs，微调时数值前为>号，不微调是=号。

按下后，扫描速度放大

10倍，屏幕中心波形向左

右展开。

屏幕右下角显示

MAG。

调节触发电平，可使图象稳定。

选择触发，上升沿+，下降沿—

选择触发信号来源（CH1、CH2、LINE或EXT），

LINE是以电源频率作触发源，EXT为外触发。

触发源符号显示在屏幕左上扫描因子后。

选择触发耦合模式（AC、DC、HF-R、LF-R）视频触发模式有BOTH、ODD、EVEN或TV-H

亮时，处于单次触发准备状态，触发后灯变暗。

触发脉冲来时，灯亮。

此时所示的图形才稳定。

按后显示Y1，Y2或Y1、Y2波形。

按下后，CH1信号加到X轴（水平轴）。

CH1、CH2

或ADD信号加到Y轴（垂直轴）。

用于观察李萨如图或磁滞回线等。

任一按下均为连续扫描状态，相应指示灯亮。

AUTO适用于50Hz以上信号。

NORM适合于低频信号。

SGL/RST

按下选择单次扫描状态，且处于等待状态，READY

单次

按

灯亮，单扫后灯灭。

⑨

这部分的作用及用法详见下面的光标测量功能简

光标测FUNCTION

介

量功能

SS-7802示波器的光标测量部分功能简介

⑨FUNCTION，功能选择键，可用于光标测量调节上，使用说明如下：

（1）按下V-t-OFF以选择t（时间间隔测量）、V（电压差测量）或OFF（关闭测

量）。

当选择t时，屏幕显示两条竖直的水平测量光标H1、H2，选择V时，屏幕显示

两条水平的垂直测量光标V1、V2。

（2）转动FUNCTION，可调整光标位置。

每按一次FUNCTION，测量光标按原转动之方

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