示波器的使用.docx

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示波器的使用

实验9示波器的使用

示波器是一种利用阴极射线管来显示电学量随时间周期性变化的仪器，它除了能观察电压随时间变化的波形外，还可以定量测量波形的幅值、频率、相位等，是目前科学实验、科研生产常用的电子仪器。

[实验目的]

1．了解示波器的大致结构与工作原理。

2．学习GOS-6021型示波器、GFG-8250A型函数信号发生器的操作使用方法。

3．观察交流正弦信号波形，测量信号周期及电压峰峰值。

4．通过观察李萨如图测量正弦信号频率。

[实验原理]

示波器的具体电路比较复杂，超出了本课程的范围，因此本实验只介绍示波器的大致结构与工作原理。

示波器主要由示波管、电压放大系统、扫描与触发系统以及电源等部分构成。

1．示波管

示波管是用于显示被测信号波形的器件，其结构如图9-2所示，大致可分为三部分，前端为荧光屏，中间为偏转板，后端为电子枪。

（1）荧光屏。

示波管前端的玻璃屏上涂有一层荧光粉，当电子束打到荧光屏上时可使荧光粉发光，从而显示电子束的运动轨迹，即被测信号的波形。

当电子束停止轰击荧光屏时，荧光作用要经过一定时间之后才能停止，这段时间称为“余辉时间”。

如果电子束长时间轰击荧光屏上固定一点，则这一点会被烧坏，形成暗斑，所以使用示波器时要避免电子束长时间轰击荧光屏上固定一点。

（2）电子枪。

电子枪由灯丝1、阴极2、栅极3、阳极4、聚焦极5等部分组成，它的作用是发射电子束，并通过一定的电场分布控制到达荧光屏上的电子数量以及电子

图9-1双踪示波器结构方框图

图9-2示波器结构示意图

束的形状和尺寸大小。

当阴极被点燃的灯丝1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，可以调节荧光屏上光点的亮度，示波器面板上辉度调节旋钮就是起这一作用的。

图9-3聚焦电极内电场分布示意图图9-4电子通过偏转板时

的运动轨迹示意图

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，这些被加速的电子在向荧光屏运动的过程中将向四周发散，因而在荧光屏上观察到的不是一个很小的光点，而是模糊的一片。

如果在电子运动的途径上建立一如图9-3所示的静电场（图中带箭头的实线为电力线，虚线为等位线，SZ线为电子运动轨迹），利用电场对电子的作用，可以使发散的电子束通过这一电场后重新会聚成一细小的电子束。

这一电场对电子的作用就像会聚透镜对光的作用一样，所以称为“静电透镜”。

电子枪中静电透镜的电场分布实际上是由阴极、栅极、阳极、聚焦极的几何形状、相对位置及电位决定的，各电极的几何形状与相对位置已事先仔细设计确定，实际使用时则通过调节聚焦极上的电位来改变电场分布。

示波器面板上的聚焦旋钮就是起这一作用的。

（3）偏转板。

示波管内有两组平行板，一组竖直放置（如图9-2中的6），一组水平放置（如图9-2中的7）。

通常在竖直放置的平行板上加上被测信

3．扫描与触发系统

把一个电压随时间变化的信号加在示波器垂直偏转板上，只能从荧光屏上观察到光点在垂直方向的运动。

如果信号变化较快，看到的只是一条垂直的亮线，而看不到电压随时间变化的波形。

如果在水平偏转板上加上一个电压与时间成正比的信号，使电子束在垂直方向运动的同时沿水平方向匀速移动，把垂直方向的运动在水平方向“展开”，就可以在荧光屏上显示出电压随时间变化的波形。

实际上加在水平偏转板上的信号是如图9-5所示的“锯齿波”，它的特点是在一周内电压与时间成正比，到达最大值后又瞬即回到零。

由于水平偏转板上锯齿波的作用，电子束在水平方向的运动是周期性地来回扫动，但回扫时间极短，所以把它称之为“扫描”。

当扫描信号（锯齿波）的周期与垂直方向信号的周期相同时，可以在荧光屏上显示出如图9-6所示的一个周期的波形。

由于扫描波信号是周期性的，电子束水平方向来回扫描，使得加在垂直偏转板上的信号波形重复出现，由于扫描周期与垂直方向信号周期相同，每次扫描出现的波形完全重合，因而在荧光屏上观察到的波形是稳定的。

如果扫描信号的周期是垂直方向信号周期的2倍或3倍，则荧光屏上显示2个或3个周期的垂直方向信号的波形。

设荧光屏上显示波形的周期数为N，则

（2）

式中，Tx，fx为扫描信号的周期与频率；Ty，fy为垂直方向信号的周期与频率。

如果扫描信号周期不是垂直方向信号周期的整数倍，则每次扫描所得波形将不会完全重合，因而从荧光屏上看到的是不稳定的波形，为了观察到稳定的波形，示波器的扫描信号（锯齿波）的频率是可调的，示波器面板上的扫描速率转换开关与扫描微调旋钮就是用来调节扫描信号频率的。

图9-5扫描信号波形图图9-6扫描原理图

双踪扫描是利用一个电子开关来实现的。

电子开关实际上是一个自动的快速单刀双掷开关，它把输入两个Y轴输入端（CHl通道与CH2通道）的两个信号轮换着送入Y轴放大器，在荧光屏上的两个不同位置轮流显示这两个信号。

轮换速度足够快时，由于入眼的视觉暂留作用，就可在荧光屏上同时观察到两个信号波形。

[实验仪器]

GOS-6021型双踪示波器，GFG-8250型信号发生器，被测信号源。

一、GOS-6021型双踪示波器

打开电源后，所有的主要面板设定都会显示在屏幕上。

LED位于前板用于辅助和指示附加资料的操作。

不正确的操作、或将控制钮转到底时，蜂鸣器都会发出警讯。

所有的按钮、TME/DIV控制钮都是电子式选择，它们的功能和设定都可以被存储。

前面板可以分成四大部分：

显示器控制、垂直控制、水平控制、触发控制。

图9-7GOS-6021前面板

1、显示器控制

显示器控制钮调整屏幕上的波形，和提供探棒补偿的信号源

（1）POWER为按键式~220V电源开关

（2）TRACEROTATION为扫描水平调节器

（3）INTEN—控制钮轨迹亮度调节，顺时针方向调整增加亮度，反时针方向减低亮度。

（4）FOCUS聚焦控制钮

（5）CAL此端子输出一个0．5Vp-p、lkHz的参考信号，给探棒使用。

（6）Groundsocket一一地线孔，此接头可作为直流的参考电位和低频信号的测量。

（7）TEXT/ILLUM一一具有双重功能的控制钮。

这个按钮用于选择TEXT读值亮度功能和刻度亮度功能。

以“TEXT”，或“ILLUM”显示在读值装置中。

以下次序将发生（按钮后）

“TEXT”——“ILLUM”——“TEXT”

TEXT/ILLUM功能和VARIABLE（9）控制钮相关。

顺时针旋转此钮增加TEXT亮度或刻度亮度。

反时针则减低，按此钮可以打开或关闭TEXT/ILLUM功能。

（8）光标量测功能（CURSORSMEASUREMENTFUNCTION），有两个按钮和VARIABLE（9）控制钮有关。

（9）VIRABLE通过旋转或按VARIABLE按钮，可以设定光标位置，TEXT/ILLUM功能。

（10）◢MEM-0-9◣--SAVE/RECALL

此仪器包含10组稳定的记忆器，可用于储存和呼叫所有电子式的选择钮的设定状态。

2、垂直控制

垂直控制按钮选择输出信号及控制幅值

（11）CH1-按钮

（12）CH2-按钮

（13）CH1POSITION-控制钮

（14）CH2POSITION-控制钮

通道1和通道2的垂直波形定位可用这两个旋钮来设置。

X-Y模式中，CH2POSITION可用来调节Y轴信号偏转灵敏度。

（15）ALT/CHOP这个按钮有多种功能，只有两个通道都开启后，才有作用。

（16）ADD—INV一具有双重功能的按钮。

ADD一读出装置显示“+”号表示相加模式。

反向功能会使CH2信号反向180。

显示。

（17）CH1VOLTS/DIV

（18）CH2VOLTS/DIV—CHl/CH2的控制钮有双重功能。

（19）CHl，AC/DC

（20）CH2，AC/DC按一下此钮，切换交流（一的符号）或直流（二的符号）的输入耦合。

（21）CH1GND——Pxl0

（22）CH2GND——Pxl0一双重功能按钮。

GND按一下此钮，使垂直放大器的输入端接地。

Pxl0长按（约3秒钟）为扫描扩展开关

（23）CH1-X--输入BNC插座

（24）CH2-Y-输入BNC插座此BNC插座是作为CH1、CH2信号的输入。

3、水平控制

水平控制可选择对基本操作模式和调节水平刻度，位置和信号的扩展。

（25）HPOSITION水平位置调节器

（26）TIME/DIV-VAR为扫描时间微调

（27）X-Y按住此钮一段时间，仪器可作为X-Y示波器用。

X-Y符号将取代时间偏向系数显示在读出装置上。

（28）⨯1/MAG按下此钮，将在⨯1（标准）和MAG（放大）之间选择扫描时间，信号波形将会扩展（如果用MAG功能）

（29）MAGFUNCTION（放大功能），当处于放大模式时，波形向左右方向扩展，显示在屏幕中心。

4、触发控制

触发控制决定两个信号及双轨迹的扫描起点

（30）ATO/NML-按钮及指示LED此按钮选择自动或一般触发模式

（31）SOURCE选择触发信号源，当按钮按下时，触发源以下列顺序改变

VERT-CH1-CH2-LINE-EXT-VERT

VERT（垂直模式）

为了观察两个波形，同步信号将随着CH1和CH2的信号轮流改变。

CH1触发信号源，来自CH1输入端

CH2触发信号源，来自CH2输入端

LINE触发信号源，从交流电源取样波形获得。

对显示与交流电源频率相关的波形极有帮助。

EXT触发信号源从外部连接器输入，作为外部触发源信号。

（32）TV-选择视频同步信号的按钮。

（33）SLOPE-触发斜率选择按钮按一下此按钮信号的触发斜率以产生时基。

（34）COUPLING选择触发耦合AC

（35）TRIGGERLEVEL一带有TRG，LED的控制钮。

（36）HOLDOFF一控制钮

当信号波形复杂，使用TRIGGERLEVEL（35）不可获得稳定的触发，旋转此钮可以调节HOLD-OFF时间（禁止触发周期超过扫描周期）

（37）TRIGEXT—外部触发信号的输入端BNC插头。

二、GFG-8250A函数信号发生器面板介绍

图9-8函数信号发生器

现就主要功能键介绍如下：

1．PowerSwitch按下此键接通电源。

4．Counter以6⨯0.3"绿色的LED显示出外的频率。

内部Display则以5⨯0.3"绿色的LED显示。

5．Frequency显示出频率的值。

7．Frequency在面板中选择所需频率范围键，各按键的频率范围表示于RangeSelector表9-1

表9-1：

（用于GFG-8250A）

按键

100

10k

100k

频率范围

0.5Hz

5Hz

50Hz

500Hz

5kHz

50kHz

500kHz

50MHz

8．FunctionSelector输出波形选择按钮

11DCOffset拉起此旋钮时，可在±10V之间选择任何直流准位加于讯号之输出。

12．Outputamplitude顺转时可获得其最大输出值，反转时可取得-20dB之输出。

拉起此旋钮时亦可观察到20dB衰减输出

13．SWEEPON按下此旋钮顺转可得频率最大值。

逆转可得频率最小值（保持旋钮指标在前板标示刻度内）。

拉起旋钮，开始自动扫描的功能，最高扫描频率的限制由旋钮的旋转位置来决定。

18．INT/EXT选择内部计数模式，或外部计数模式（待测信号由BNC接头（19）输入加以计数之选择钮）。

19．EXTCounter外部计数器信号输入端。

20．TTL/CMOSTTL/CMOS兼容的信号输出端。

21．VCF/MODVCF所需的控制电压输入或外部调变之输入端。

22．MainOutput主要信号波形的输出端。

[实验内容]

1．使用练习

开机前的准备工作：

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。

2．信号电压与周期的测量

（1）将GFG-8250A函数信号发生的正弦信号输入到示波器两通道中的任一通道（CHl或者CH2）；

（2）调节“垂直位移（13）（14）”及“水平位移（25）”找到信号；

（3）通过调节“扫描时间系数选择开关（26）”和“垂直偏转系数开关（15）（18）”使正弦波信号在显示屏内；

（4）微调（35），使波形稳定。

图9-9正弦信号波形图

用示波器测量电压时，一般是测量其峰峰值Upp，即从波峰到波谷之间的值，如图9-9所示。

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垂直方向距离y及一个周期波形所对应的水平方向距离x，则

Upp=y（cm）×Y偏转因数（V/cm或mV/cm）

T=x（cm）×扫描时间系数（s/cm或ms/cm、μs/cm）

按表9-2要求测量信号发生器输出的正弦信号的电压峰峰值Upp与周期T，并用坐标纸描下信号波形。

表9-2正弦信号电压与周期测量数据表（数据的具体测量按实验室的要求）

信号发生器

示波器

测量结果

频率

（Hz）

电表电压

（V）

Y1偏转因数

（V·cm-1）

（cm）

时基因数

（ms·cm-1）

（cm）

Upp

（V）

（ms）

注意：

（1）该示波器有一个量测系统，可精确的、直接的读出电压、时间频率（LED显示），所测值可与之比较。

（2）示波器的标尺刻度盘与荧光屏不在同一平面上，之间有一定距离，读数时要尽量减小视差。

（3）电压表指示的电压值是正弦信号的有效值Ueff，它与峰峰值Upp之间的关系为

。

3．观察李萨如图，用李萨如图测量正弦信号频率

把两个正弦信号分别加到垂直于水平偏转板，则荧光屏上光点的运动轨迹是两个互相垂直的谐振动的合成。

当两个正弦信号频率之比为整数之比时，其轨迹是一个稳定的闭合曲线。

例如，垂直方向信号的频率fy是水平方向信号频率fx的一倍时，合成结果得到如图9-10所示的闭合曲线。

图9-11是一组频率比为整数比时两信号合成的封闭曲线，这种曲线称为李萨如图。

如果两个信号的频率比不是整数比，图形不稳定。

当接近整数比时，可以观察到转动的图形。

李萨如图的形状还随两个信号的幅值以及位相不同而变化。

图9-10两个正弦信号合成图9-11fy：

fx为1:

1，1:

2，1:

3，2:

3时

李萨如图的示意图的李萨如图

由图9-11可见，封闭的李萨如图在垂直方向的切点数目Ny与水平方向的切点数目Nx之比与两相应信号的频率之比成反比：

（3）

利用这一关系可以测量正弦信号频率。

如果其中一个信号的频率已知一连续可调，则把两个正弦信号分别输入Y轴与X轴，调出稳定的李萨如图，从李萨如图上数出切点数Ny与Nx，记下已知信号的频率，即可由式（3）算出待测正弦信号的频率。

（1）按下“X-Y控制键（27）”，此时CH1通道转变为水平输入端（X轴），CH2通道转变为垂直输入端（Y轴）。

（2）将被测正弦信号和信号发生器输出的正弦信号分别输入到CHl和CH2通道。

（3）调节GFG-8250A信号发生器输出信号的频率，分别得到1:

1、1:

2、2:

3的李萨如图形。

在坐标纸上描下李萨如图，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Nx、水平方向的切点数Ny，计算被测正弦信号的频率，填入表9-3。

表9-3用李萨如图测量正弦信号频率数据表

fx/Hz

fy/Hz

4．实验报告要求列出下列结果

（1）信号电压与周期测量。

列出表2的内容，在坐标纸上按1:

1比例作出所测信号波形图。

（2）利用李萨如图形测量正弦信号频率。

列出表3内容，作出相应的李萨如图。

[思考题]

（1）示波器是好的，但荧光屏上不出现图像，试分析在什么情况下会出现这种现象?

（2）扫描时间系数选择开关上标出的是扫描时间系数，如何测定扫描波的频率?

如果荧光屏显示出一个完整波形，但图像向右缓慢移动，扫描波频率比被测信号频率高还是低?

你能用实验确定吗?

（3）如何使李萨如图稳定?

不稳定时对测量结果有什么影响?

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