实训示波器的使用.docx
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实训示波器的使用
物理实验与实训
项目指导书
项目名称：
示波器的使用
项目类别：
实训型
项目学时数：
12
项目模块数：
3
物理实验教学中心
2010年
示波器的使用
在电子产品的研发、调试和维修工作中，常常需要对各种电路进行检测，示波器是一种最常用的测试仪表。
它能快速地把肉眼看不见的电信号的时变规律以可见的形象显示出来。
除了用于观测信号波形外，示波器还能测量信号的电压、电流、频率、相位差、失真度等，结合测量电路还可以对压力、振动、声、光、热、磁等非电量进行测试，是一种应用非常广泛的仪器。
示波器按其用途和结构特点可分为普通示波器、通用示波器、多线多踪示波器、记忆示波器、取样示波器、智能示波器和图示仪等。
尽管各种类型示波器的复杂程度相差很大，但其基本结构都是由示波管（阴极射线管）和扫描电路组成。
【实训目的】
（1）了解示波器的基本结构和工作原理
（2）学习示波器与信号源的使用方法
（3）学会用示波器观察各种信号的波形
（4）学习测量正弦交流信号电压的方法
（5）学会测量正弦交流信号频率的方法
（6）学习用示波器测量相位差
（7）学习用示波器测量电阻值、电容值和电感值
【实训器材】
YB4320示波器，YB1600P信号发生器，电阻，电感，电容，三极管，万能电路板，导线等。
【实训原理】
示波器一般是由示波管、X轴偏转系统、Y轴偏转系统、电源电路四部分组成，如图1所示。
图1.示波器组成简图
主要组成部分的作用如下:
（1）X轴偏转系统（水平系统）。
其作用是产生扫描锯齿波并加以放大，以驱动电子束进行水平扫描。
由触发整形电路、扫描发生器及X放大器组成。
（2）Y轴偏转系统（垂直系统）。
其主要作用是放大被测信号电压，使之达到适当幅度，以驱动电子束作垂直偏转。
由衰减器、放大器及延迟线组成。
（3）主机部分。
主要包括示波管、增辉电路、电源和校准信号发生器。
示波管是示波器的显示器件，用来观测信号波形。
增辉电路的作用是在扫描正程使光迹加亮，而在扫描回程使光迹消隐。
电源电路将交流市电变换成多种高、低压电源，以满足示波管及其他电路工作需要。
校准信号发生器则提供幅度、周期都很准确的方波信号，用作校准示波器的有关性能指标。
一、示波管的工作原理
示波管是示波器的核心。
它由电子枪、偏转板和荧光屏三大部分组成，封装在抽成真空的玻璃壳内。
被测信号波形显示在荧光屏上，如图2所示。
1.电子枪部分
电子枪的作用是发射一束高速运动并聚焦成细束的电子射线（阴极射线）。
电子枪由灯丝、阴极、控制极、第一阳极和第二阳极组成。
其相对位置如图2所示。
图2.示波管内部结构
电子枪的阴极是一个金属圆筒，里面装有一个加热用的灯丝。
灯丝通电后阴极受热，向外发射电子。
控制栅极是套在阴极外面的金属圆筒，顶部中心有一小孔。
阴极发射的电子在阳极高电压作用下，沿着控制栅的小孔经阳极区直冲荧光屏形成光点。
控制栅的作用，就是控制电子束的强弱。
它加有一个对阴极为负的电压，改变这个负压的数值，就会改变穿过小孔的电子数目，也就改变了光点的亮度。
示波器面板上设有“辉度”旋钮，其作用就是改变控制栅上的负压，从而调节荧光屏上光点或波形的亮度。
从阴极发射出来的电子束，由于电子间的互相排斥将散开，这样在荧光屏上看到的就不是一个亮点，而是模糊的一团。
像光学透镜聚集光线那样，电子枪内利用静电场构成的静电透镜，能够把电子束聚成很细的电子束。
电子束穿过由阴极，控制栅，第一阳极组成的第一静电透镜，集聚在控制栅极前面不远处，紧接着电子束又通过第一阳极和第二阳极所组成的第二静电透镜，再次聚焦。
这种聚焦方法，称为静电聚焦。
示波器面板上的“聚焦”旋钮，就是通过改变第一阳极电压使电子束在荧光屏上形成一个很圆的亮点。
2.偏转部分
示波管的偏转部分，是由两对互相垂直的偏转板构成。
一对上、下平行，称为垂直偏转板，另一对左、右平行，称为水平偏转板。
示波器的面板上设有“水平位移”和“垂直位移”的旋钮，就是用来分别调节水平和垂直偏转板上的直流电压，来控制荧光屏上光点的位置。
3.荧光屏部分
荧光屏是在示波管末端的玻璃内壁上涂一层荧光物质而形成。
电子束打在荧光屏上使荧光粉发光，发光的亮度决定于打在上面的电子数量和速度。
二、示波器显示波形的工作原理
1、波形显示
在示波管的两组偏转板上若加有直流电压可以使光点上下，左右移动。
但若在垂直偏转板上加一个周期性变化的交流电压，则由于荧光屏的余辉作用和人眼的视觉残留作用，看到的是一条垂直亮线。
如要将这垂直亮线水平展开，则需在水平偏转板上加一随时间均匀增加的线性电压，即锯齿电压。
示波管的波形显示是在垂直偏转板上加有足够大的被测信号电压（例如被测信号是正弦交流电压），同时在水平偏转板上加有与之相对应的锯齿波电压。
电子束在这两个电压的作用下，既要随垂直偏转板上的电压做上、下运动，也要随水平偏转板上的线性电压做匀速水平运动，在荧光屏上则显示出正弦波形。
若要获得一个稳定的波形，则要求被测信号应是周期性变化的信号，并且与扫描电压的周期相同。
图3示波器显示波形的原理
2、扫描
扫描电路产生一个锯齿波电压。
该锯齿波电压的频率能在一定的范围内连续可调。
锯齿波电压的作用是使示波管阴极发出的电子束在荧光屏上形成周期性的、与时间成正比的水平位移，即形成时间基线。
这样，才能把加在垂直方向的被测信号按时间的变化波形展现在荧光屏上。
3、同步
锯齿波电压和待测信号来自不同的振荡源，要使它们的周期做到准确相等，或正好为简单整数比是困难的，尤其是在频率较高时更为困难，从而造成图像不稳定。
为了使荧光屏上显示的图形保持稳定，要求锯齿波电压信号的频率和被测信号的频率保持同步。
需要在其扫描电路上输入一个与被测信号相关的触发信号，使扫描过程与被测信号密切配合。
三、示波器使用注意事项
在使用示波器进行观测时，除应遵守电子测量仪器的一般注意事项外，还要特别注意以下各点。
1避免在阳光直射下或明亮的环境中使用示波器。
如工作条件所限，无法避开强光源的照射，可采用遮光罩进行测试。
使用时，辉度应适中，不宜过亮，且光点不宜长时间停留在同一点上，以免损坏荧光屏。
2使用示波器进行波形测量时，应注意把波形调到有效屏面的中心区进行测量，以免因示波管的边缘失真而产生测量误差。
3在测试过程中，应避免手指或人体其他部位直接触及Y轴输入端和探针，以免因人体感应电压影响测试结果。
4不应使用去掉外壳或屏蔽罩的示波器，以免发生人身意外或影响测量的精度。
另外，完整的示波器虽用屏蔽罩将示波管隔离，但在强磁场作用下仍会引起显著的波形失真，所以示波器不宜在强磁场附近进行测量。
5示波器在使用时，被测信号电压的幅度（包括信号的直流电压）不得超过说明书中规定的最大输入电压值。
特别要注意的是，说明书所给出的这一电压值往往是峰-峰值。
6示波器在使用中要避免振动和冲击，最忌频繁开关电源。
示波器暂时不用不必关断电源，只需将亮度旋钮调至最小位置即可。
【实训内容】
一、熟悉示波器面板控制键
图4示波器面板
1.主机电源
（1）电源开关
将电源开关按键弹出即为“关”位置，将电源线接入，按电源开关，以接通电源。
（2）辉度和聚焦旋钮
辉度调节旋钮用于调节光迹的亮度，顺时针方向旋转旋钮，亮度增强。
使用时应使亮度适当，若过亮，容易损坏示波管。
聚焦调节旋钮用于调节光迹的聚焦（粗细）程度，使用时以图像清晰为佳。
2.垂直方向部分
（1）信号输入通道
本实验所用示波器为双踪示波器，有两个输入通道，分别为通道1（CH1）和通道2（CH2），可分别接上示波器探头，再将示波器外壳接地，探头插至待测部位进行测量。
通道1输入端（CH1）用于垂直方向的输入，在X-Y方式时输入端的信号成为X轴信号。
通道2输入端（CH2）和通道1一样，但在X-Y方式时输入端的信号仍为Y轴信号。
（2）通道选择键（垂直方向的工作方式选择）
CH1：
屏幕上仅显示CH1的信号。
CH2：
屏幕上仅显示CH2的信号。
双踪选择：
同时按下CH1和CH2按钮，屏幕上会出现双踪并自动以断续或交替方式同时显示CH1和CH2上的信号。
叠加（ADD）：
显示CH1和CH2输入电压的代数和。
（3）耦合选择开关
选择垂直放大器的耦合方式
交流（AC）：
用于观测交流信号时使用。
接地（GND）：
放大器的输入端接地，用来确定零电位基准位置。
直流（DC）：
用于观测直流信号或观测交流信号同时检测其中的直流分量时使用。
（4）垂直灵敏度调节旋钮
调节垂直偏转灵敏度，应根据输入信号的电压幅度调节该旋钮的位置，将旋钮指示的数值（如0.5V/div，表示垂直方向每格幅度为0.5V）乘以被测信号在屏幕垂直方向所占格数，即得出该被测信号的幅度。
（5）垂直微调旋钮
垂直微调用于连续改变电压偏转灵敏度。
此旋钮在正常情况下应位于顺时针方向旋转到底的位置。
将旋钮逆时针方向旋到底，垂直方向的灵敏度下降到2.5倍以上。
（6）垂直移位旋钮
调节光迹在屏幕中的垂直位置。
（7）CH1×5扩展、CH2×5扩展
按下×5扩展按键，垂直方向的信号扩大5倍。
3.水平方向部分
（1）扫描时间因数选择开关
调节水平速度，应根据输入信号的频率调节旋钮的位置，将该旋钮指示数值（如0.5ms/div，表示水平方向每格时间为0.5ms）乘以被测信号一个周期占有格数，即得出该信号的周期，也可以换算成频率。
（2）扫描微调控制键
此旋钮以顺时针方向旋转到底时处于校准位置，扫描由TIME/Div开关指示。
该旋钮逆时针方向旋转到底，扫描减慢2.5倍以上。
正常工作时，该旋钮位于校准位置。
（3）水平移位
用于调节光迹在水平方向移动。
（4）X-Y控制键
如X-Y工作方式时，垂直偏转信号接入CH2输入端，水平偏转信号接入CH1输入端。
4.触发
（1）触发源选择开关
选择触发信号源
内触发（INT）：
CH1或CH2上的输入信号是触发信号。
通道2触发（CH2）：
CH2上的输入信号是触发信号。
电源触发（LINE）：
电源频率成为触发信号。
外触发（EXT）：
触发输入上的触发信号是外部信号，用于特殊信号的触发。
（2）触发方式选择
自动（AUTO）：
在自动扫描方式时扫描电路自动进行扫描。
在没有信号输入或输入信号没有被触发同步时，屏幕上仍然可以显示扫描基线。
常态（NORM）：
有触发信号才能扫描，否则屏幕上无扫描线显示。
当输入信号的频率低于20Hz时，请用常态触发方式。
TV-H：
用于观察电视信号中行信号波形。
TV-V：
用于观察电视信号中场信号波形。
（3）触发电平旋钮
用于调节被测信号在某一电平触发同步
二、示波器的基本操作
1、调节前的基本操作
使用示波器的最主要目的就是观测电路中电信号（电压、电流等）的波形，所以应选用符合测量要求的示波器。
在选定示波器后应注意以下几方面。
（1）检查示波器------外观检查示波器是否有明显的不正常现象，如电源电压变换插座类型是否与所用电源电压一致，保险座内保险丝是否完好，一些附件如探针是否齐全、完好等。
（2）面板预置打开电源开关前先检查输入的电压，将电源线插入后面板上的交流插孔，如下表所示设定各个控制键：
电源
电源开关弹出
触发方式
自动
亮度
顺时针方向旋转
触发源
内
聚焦
中间
触发电平
锁定
AC-GND-DC
接地（GND）
TIME/DIV
0.5ms/div
垂直移位
中间，（×5）弹出
水平移位
中间,（×5弹出）
垂直工作方式
CH1
VOLT/DIV
0.1v/div
（3）无信号测试所有的控制键如上设定后，打开电源。
大约15秒后，示波器屏幕上将出现一扫描线。
调节辉度和聚焦旋钮，使扫描线亮度适当，且最清晰。
如无扫描线，可能是由于“Y轴移位”或“X轴移位”旋钮调得不当造成。
此时可适当调节“Y轴移位”或“X轴移位”旋钮使扫描线与水平刻度线平行。
注：
一般情况下，V/DIV微调控制钮及TIME/DIV微调控制钮设定到“校准”位置。
（4）校准连接探头（10:
1）到CH1输入端，将0.5V（峰-峰）校准信号加到探头上。
将“AC-GND-DC”开关置“AC”，标准信号波形将显示在示波器屏幕上。
此时，屏幕上应显示稳定方波，其幅度为5div，周期为1div，否则应分别调节V/DIV微调控制钮及TIME/DIV微调控制钮，使波形达到上述要求。
如图5所示。
图5标准信号波形图
（5）测量信号将待测信号输入示波器中，调节“V/DIV”及“TIME/DIV”到适当位置，使显示出来的波形幅度适中，周期适中。
调节“垂直移位”和“水平移位”旋钮于适当位置，使显示波形对准刻度，以便读数。
三、示波器的测量练习
1.电压测量
利用示波器可以测量各种波形的电压幅度，包括测量脉冲和测量各种非正弦波电压的幅度。
更有实际意义的是它可以测量一个脉冲电压波形各部分的电压幅值，如上冲量等。
电压测量方法是先在示波器屏幕上测出被测电压的波形高度，然后和相应的偏转灵敏度相乘。
测量时应注意将偏转灵敏度的微调旋钮置于“校准”位置（顺时针旋转到底），同时还要注意探头衰减开关的位置。
因此可以得到电压测量换算公式：
式中
—被测电压峰-峰值或任意两点间电压值，V；
h—被测电压波形峰-峰高度或任意两点间高度，div；
—偏转灵敏度，V/div；
—探头衰减系数，一般为1或10。
【练习1】直流电压测量
a.将示波器各旋钮调到适当位置，使屏幕上出现扫描线，将“AC-GND-DC”开关置于“GND”位置，然后调节“垂直移位”旋钮，使扫描线位于屏幕中间。
b.确定被测电压极性。
接入被测电压，将“AC-GND-DC”开关置于“DC”位置，注意扫描光迹的偏移方向，若光迹向上偏移，则被测电压为正极性，否则为负极性。
c.将“AC-GND-DC”开关再置于“GND”位置，然后按照直流电压极性的相反方向，将扫描线调到屏幕刻度线的最低或最高位置上，将此定为零电平线，此后不再调节“垂直移位”旋钮。
d.测量直流电压值。
将“AC-GND-DC”开关再拨到“DC”位置上，选择合适的垂直偏转灵敏度（V/DIV），使屏幕显示尽可能多地覆盖垂直分度，以提高测量准确度。
如在测量中，示波器的垂直偏转灵敏度开关置于0.2V/div，被测信号经衰减10倍的探头接入，屏幕上扫描的光迹向上偏移4.5div，则被测电压极性为正，其大小为：
U=4.5div×0.2V/div×10=9V
【练习2】正弦波峰-峰测量
a.测量时先将“AC-GND-DC”开关置于“GND”位置，调节扫描线至屏幕中心（或其他位置），将此定为零电平线，此后不再调节“垂直移位”旋钮。
b将“AC-GND-DC”置于“AC”位置，接入被测电压，选择合适的垂直偏转灵敏度，使显示波形的垂直偏转尽可能大但不要超过屏幕有效面积，还应调节有关旋钮，使屏幕上显示一个或几个稳定波形。
如在测量中，示波器的垂直偏转灵敏度开关置于0.5V/div，探头未衰减，被测正弦波峰-峰值占6.0div，则其峰-峰值为:
峰值（幅值）为：
有效值为：
U=
用信号发生器作为信号源，选择六个不同的输入电压，用示波器测量对应的电压，并填到下表中。
交流电压测量值
信号电压（V）
（V/div）
h（div）
（V）
（V）
U（V）
误差（%）
2．频率测量
用示波器测量频率是，应注意将扫描时间因数微调置于“校准”位置（顺时针旋到底），同时还要注意有没有扫描扩展。
时间测量换算公式为：
式中T—被测时间值，s；
X—被测波形宽度，div；
—示波器扫描时间因数，s/div；
—水平扩展倍数，一般为1或10倍。
根据信号频率和周期成倒数关系，因此，被测信号频率为
【练习3】正弦波频率测量
用信号发生器作为信号源，选择六个不同频率的信号，用示波器测量对应的频率值，并填入下表。
信号频率（Hz）
（s/div）
X（div）
f（Hz）
误差（%）
3．正弦波相位差测量
a．测量时先将“AC-GND-DC”开关置于“GND”位置，调节两组扫描线至屏幕中心（或其他位置），将此定为零电平线，此后不再调节。
b．将两个被测信号分别接到Y轴两个通道的输入端，选择相位超前的信号作触发源，同时按下通道选择中的“CH1”和“CH2”按键。
c．适当调节“垂直移位”，使两个信号重叠起来。
如图，此时AC为两信号起始点之间的水平距离，AB为两信号波形宽度，则计算相位差的公式为：
在测量相位时，一定要采用相位超前的信号作固定的内触发源，而不是使X系统受两个通道的信号轮流触发，否则，会产生相位误差。
4．利用X-Y功能进行频率和相位的测量
（1）利用X-Y功能测量频率
利用X-Y功能进行频率测量就是利用李沙育图形进行频率测量。
当示波器的垂直和水平信号输入端同时分别输入一个信号时，在示波器上会出现如下图所以波形中的一种形状。
利用这个功能，在测量某一个未知信号的频率时，可以取一个已知的信号频率作为输入信号之一，未知频率信号作为另一个输入。
在测量时通过可以改变已知信号的频率，同时观察示波器上的波形，根据波形的形状即可判定未知信号的频率。
图6李沙育图形
【练习4】
a．测量时先将“AC-GND-DC”开关置于“GND”位置，调节两组扫描线至屏幕中心（或其他位置），将此定为零电平线，此后不再调节。
b．设置示波器工作于X-Y方式，并从X轴和Y轴输入正弦波时，调节信号频率，使示波器屏幕上显示李沙育图形。
c．若李沙育图形与水平线和垂直线的焦点分别为m和n，则：
若已知其中一个信号的频率，则可算得另一个信号的频率。
注意：
当所作的水平线和垂直线与图形的交点是两条光迹的交点时，应算作相交两次。
当两个信号的周期不成整数倍时，显示的波形不稳定，且会周期变化。
（2）利用X-Y功能测量相位差
从上图可知X-Y功能中两信号频率相同（1：
1）相位不同时会有不同形状的波形，利用这种方法可进行相同频率的相位差检测。
将两个同频率的正弦信号分别输入到示波器的X轴和Y轴，则可在屏幕上显示一个椭圆。
此时，可算得两信号的相位差为：
图7李沙育图形法测相位差
【练习5】
用X-Y功能检测音箱双声道的相位差。
【练习6】
自行设计一个可变频率的正弦波振荡器，并用示波器测量其不同的频率值。
提示：
正弦波振荡器主要分为RC振荡器、LC振荡器和晶体振荡器。
【思考题】
1.说明示波器的结构及各部分作用。
2.简述示波器显示波形的原理。
3.使用示波器观察图形时，调节哪些旋钮才能做到如下结果？
①显示波形的位置在示波器屏幕中上、下移动及左、右移动。
使显示的波形清晰，扫描线均匀，亮度适中。
②波形的幅度大小适中。
③显示出2-3个完整的波形。
④波形稳定。
4．用示波器测量正弦交流电压，其测量结果与用万用表测量结果进行比较，相差很大，可能是什么原因？
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