示波器的正确使用.docx
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示波器的正确使用
北京市公交技工学校
专业理论课教案（首页）
授课章
节名称
§3-6-9
示波器的正确使用
审批签字
授课班级
零四级十二班
授课时数
5
授课时间
5.26（1～2）、（5～7）
授课方法
讲授
教具
课件、多媒体、实物等
教学目的和要求
1、了解示波器工作原理
2、初步掌握示波器的使用方法。
教学重点
与难点
握示波器的使用方法
作业
工作页
制订教师
赵超越
教学内容及步骤
一、复习引入
二、新课讲授
三、课上小结
四、布置作业
教
学
后
记
授课内容
授课
方法
示波器
示波器是一种直接显示电压或电流变化规律的电子仪器，利用它可以直观地观察被测电信号的变化规律及变化过程，因此它有着广泛的应用领域，在电工测量中占有很重要的地位。
示波器的种类很多，这里仅介绍最常用的通用示波器的基本知识。
通过课学习，要求了解示波器的结构及工作原理，掌握示波器的使用和维护方法。
一、示波器的结构和工作原理
（一）示波器的结构
1、示波器的基本组成
示波器由示波管、扫描信号发生器、垂直放大器（或称y轴放大器）、水平放大器（也称X轴放大器）和电源五部分构成，如图8—1所示。
其各部分作用如下：
（l）示波管它是一种电—光转换器件，它用阴极发射的电子轰击涂在屏幕上的荧光物质使其发光。
当电子被聚焦加速成很细的电子束时，就在荧光屏上形成一个直径很小的光点；当被测信号作用于示波管中的偏转电极时，电子束就随被测信号而移动，此时由于荧光屏的余辉效应，就在荧光屏上形成一条反映被测信号变化规律的曲线（称为波形图）。
（2）扫描信号发生器也称为时基（即时间基准）信号发生器。
它是用来产生二个随时间变化的线性电压，经水平放大器放大后，作用于示波管的水平电极，使示波管荧光屏上形成一条水平直线。
这条线被称为基线。
这一扫描电压完成一个周期变化所需的时间，被用来作为比较被测信号周期的标准，所以这一扫描电压也称为时基信号。
（3）垂直放大器．用来放大或者衰减被测信号电压，使它变换成合适的电压送到垂直水平偏转极板上，产生满足观测要求的垂直偏转，提高垂直偏转灵敏度。
（4）水平放大器用来放大或者衰减扫描信号或外加信号电压，使它变换成合适的电压送到水平偏转极板上，产生满足观测要求的水平偏转，提高水平偏转灵敏度：
（5）电源为各部分电路及示波管提供电能。
2．示波管的结构
示波器是利用示波管把被测电信号转换为光信号并将其在示波管的荧光屏上显示出来的仪器。
了解了示波管的结构、原理及性能，对整个，示波器的工作原理就比较容易掌握了。
示波管的结构和原理如图8—2所示。
它包含电子枪、偏转板、荧光屏三个部分。
（1）电子枪由灯丝1、阴极2、控制栅极3、第一阳极4和第二阳极5构成。
灯丝通电后发热，使涂有氧化物的阴极发热并使阴极发射电子。
阴极发射出的电子经第一阳极和第二阳极加速并聚焦，变成一束直径很细并具有一定速度的电子束；这个电子束再经加速阳极（通常加高压）加速而获很高的速率（能量），最后轰击在荧光屏上。
电子枪中的控制栅极接负压（相对于阴极）。
使阴极发射出来的电子不能全部变成轰击荧光屏的电子束。
调节这个负压的大小，可以控制电子束的强度（电子数量），也可以控制荧光屏上光点的辉度（亮度）o当这个负压足够大时，电子束的电子数目将很少，荧光屏上的光点就不亮了。
示波器面板上调节“辉度”的旋钮，就是控制栅极负压大小的电位器。
第一阳极和第二阳极的电位很高（相对于阴极），且第二阳极的电位比第一阳极要高800—3000V左右。
它们的作用除加速阴极发射电子外，还具有对电子束聚焦的作用，使电子束很细，并具有一定的速度。
（2）荧光屏它是示波器的显示部分。
它的外壳是一个圆筒状的玻璃管，管颈前半部细长，后半部成漏斗状；玻璃管内抽成真空，内壁涂有荧光物质，在高速电子的轰击下可以发光，其发光的强弱决定于电子束的电子数量和速度（能量）。
为了增加电子束的能量，一般在示波管的锥体部分加有一个加速阳极，其所接电压一般都很高，约9kV以上，它可以使通过偏转板之后的电子束迅速加速，以更大的能量轰击荧光物质，增加光点的亮度。
荧光屏发光的颜色由荧光物质所决定，通常有绿、蓝、白等颜色。
（3）偏转板由两对相互垂直的极板构成，其中决定电子束在垂直方向偏转的极板称为垂直偏转板，，而使电子束在水平方向偏转的极板称为水平偏转板。
电子束从第二阳极穿出后就依次通过这两对偏转板，电子束经偏转板后，其偏转角度与偏转板上电压的大小有关。
电子束偏转原理如图8—3所示。
（二）示波器的工作原理
如果偏转电压Ud为一定值的直流电压，那么光点将停留在荧光屏上某点P；但当Ud是一个随时间变化的交流电压时，光点将按照Ud的变化规律在荧光屏上作直线运动，如图8—4所示。
例如，如果将一正弦交流电压加在垂直偏转板上，则荧光屏上光点的运动将按正弦交流电压的规律在荧光屏上上下下往复运动（类似于简谐振动）。
其运动的最大幅度与偏转电压Ud的最大值成正比，这样可以确定垂直方向单位长度所代表的电压值的大小。
如果正弦交流电压的频率较高（几十赫兹以上），则光点的上下运动很快，用肉眼所看到的就是一根垂直亮线。
可以想象，如果电子束同时在垂直和水平两对偏转极板的作用下，那么必然同时产生垂直方向和水平方向的偏转运动，光点在荧光屏上运动的轨迹就必然同时满足两个偏转电压的变化规律。
对于示波器来说，要在荧光屏上观测的波形通常是被测信号随时间变化的规律。
也就是说，示波器水平方向的偏转电压必须能反映时间间隔标准，以获得相对于时间的变化规律——被测信号的波形图。
由于锯齿电压对时间间隔具有线性变化规律，所以示波器的水平方向偏转电压通常用锯齿波电压。
这个电压也称为扫描电压或时基信号。
有了这个扫描电压，就可以在屏上对波形图进行分析了。
例如，当水平偏转板上加锯齿波电压，而垂直偏转板上加正弦交流电压，两个电压的频率相等时，就可以得到图8—5的波形图。
根据垂直方向单位长度所代表的电压值，可以通过读出光点轨迹在垂直方向的最大幅度而得出垂直偏转板上的电压最大值；根据水平方向单位长度所代表的扫描时间间隔，就可以通过读出光点轨迹在水平方向上完成一个周期的长度，而获得垂直偏转电压的周期和频率。
从图8—5中可以看出，要在荧光屏上得到一个完整、稳定的正弦波的前提条件是：
被测波形与锯齿波扫描电压的频率相同或与扫描频率成整数倍；被测信号与扫描电压同相位（或相位相反）。
也就是说，被测信号与扫描信号必须同步才能获得稳定的波形图。
在实际测量中，由于被测信号与扫描电压不可能完全同步，即使获得暂时的同步，也会因被测信号频率及相位的变化或因电源电压波动等因素影响而破坏已调整好的同步关系。
因此，示波器中一般多利用被测信号去触发扫描电压的方法，使得扫描电压与被测信号在一定范围内保持同步关系。
这种扫描被称为触发扫描。
从图8—1可以看出，可从垂直放大器中取出部分被测信号送到扫描发生器中，作为触发同步信号，以获得稳定的波形图。
示波器不仅能观测被测信号对时间变化的波形，还能观测被测信号对另一信号变化的波形。
此时不需要扫描信号，应把另一信号经水平放大器接至示波管水平偏转板。
如用示波器观测李沙育图形，显示出的就是被测正弦交流电压对同频（或倍频）的另一个正弦交流电压变化的波形。
又如利用示波器观测铁磁材料的磁滞回线，显示的曲线是磁感应强度B相对磁场强度"的变化规律。
二、示波器的使用方法
下面以上海无线电二十一厂生产的XJ——17型通用示波器为例，介绍电子示波器的使用及维护方法。
（一）Ⅺ——17型示波器简介
1．XJ——17型示波器面板介绍
Ⅺ一17型示波器是SBT——5型（电子管）同步示波器的换代产品。
其面板结构如图8-6
所示。
其主要旋钮、转换开关的作用如下：
（1）“AC—⊥一DC”开关是被测信号送至示波器输入耦合方式的选择开关。
置“DC'’时，能通过含有直流分量的输入信号；置“AC’时，只能通过交流信号；置于“⊥”时，输人端接地。
（2）“V／cm’微调是灵敏度选择旋钮（黑色），其上还装有一个红色旋钮，是输入灵敏度微调旋钮。
其中：
灵敏度选择旋钮从0．01V／cm5V／em，分为9个挡级；红色微调旋钮可以有2.5倍的微调范围。
右旋钮旋到底时为标准位置。
（3）“↑↓”旋钮是Y轴（垂直方向）位移调节旋钮，其作用是调节光迹在垂直方向上的位置。
（4）“y输入”插座的作用是通过输入探头引入被测信号。
（5）“自动、触发”开关（船形开关）是触发方式选择开关。
一般置于“触发”位置；如果需要测量频率较低的信号时，则放在“自动”位置。
（6）“+、-”开关为触发极性开关，是选择触发信号的上升部分或下降部分来对扫描信号进行触发的控制开关。
在“+”挡时，用触发信号的上升部分；在“-”时，用触发信号的下降部分o
（7）“内、外”开关是触发源选择开关。
在“内”位置时，触发信号取自y轴输入信号；在“外”位置时，触发信号取自由“X／触发”输入端输入的外触发信号。
（8）“AC、DC'’开关是“X，触发”输入端耦合方式选择开关，其作用与
（1）类似。
（9）“X，触发”插座是外触发信号和X（水平方向）外接触信号共用的输入插座，受“t／cm”旋钮控制。
当“t／cm”旋钮置于扫描时，该插座可以作为触发信号输入。
此时，“触发源选择”开关应置于“外”位置。
当“t／cm”旋钮置于“外X”时，该插座作为X轴（水平方向）的信号输入端，其耦合方式由“AC、DC”开关选择。
（10）“t／cm”微调是扫描速度选择开关（黑色），可以从0.2ps/cm——1s／cm分21挡级；（符合l2、5·进制关系），其上的红色旋钮为微调旋钮，可以使扫描速度有2.5倍的变化范围。
右旋到底时为标准位置。
（11）“←→”旋钮是X轴（水平方向）位移调节旋钮，其作用是调节水平方向上光迹的位置。
（12）“拉一电源开”旋钮是电源开关及光点辉度（亮度）调节旋钮；该旋钮处于拉出的位置时，电源接通。
处于按的位置时，电源断开。
当电源接通时，沿顺时针方向旋转该旋钮光迹辉度逐渐增加。
（13）图8—19是聚焦旋钮。
调节该旋钮可以使光点的直径小于lmm，即使光点聚焦良好。
注意，在仪器的右侧面还设有“辅助聚焦”电位器，当调节聚焦旋钮不能使光点聚焦良好时。
可以用小改锥调节“辅助聚焦”电位器使光点有良好的聚焦。
另外，有的示波器以及有示波管显示的专用仪器的辅助聚焦旋钮设置在面板上。
（14）图8—20是标尺亮度旋钮。
调节该旋钮可以使标尺具有一定的亮度，以便于准确地读数。
（15）图8—21的“电平”旋钮是调节触发灵敏度的旋钮。
当示波管荧光屏上显示的波形不稳定或紊乱时（即触发不良），调节该旋钮，可以使显示的波形稳定。
2．XJ--17型示波器的使用方法
（1）在开启电源开关之前，应将r输入耦合开关置于“上”位置，使y轴输入对地短路，将“v／cm'’置于最大“5”位置，“t／cm置于“外X”位置。
将辉度旋钮“拉一电源开”旋钮逆时针旋到底。
然后开启“拉一电源开”电源开关，电源指示灯应亮。
预热几分钟后，调节“拉一电源开”旋钮（此时为辉度调节），荧光屏上应出现光点（注意应使光点亮度适中）。
如荧光屏上没有出现光点，可调“¨”或“与”旋钮，使光点出现在荧光屏中间。
（2）调节聚焦旋钮，使光点成为一个直径不大于lmm的小点。
如不能达到此要求，可用小改锥调节在仪器右侧后部上方的“辅助聚焦”电位器，使光点聚焦良好。
然后调节标尺亮度旋钮，使标尺亮度适中，以便于测量时读数。
（3）测量前，仪器应进行校准。
将“U／cm”置于“．01”位置；“t／cm”置于“1ms”位置。
此时,荧光屏上出现水平的一根光迹，光迹长度应为重0格。
如不是或过长，应调节仪器右侧的“水平辐度”电位器，使光迹长度为10格。
用一根两端带有插头（Q9插头）的电缆将仪器右侧校准信号，（1kHz、50mV）输出插口和面板上“y输入’’插口连接起来，将y输入耦合开关置于“AC”位置。
然后把仪器右侧面校准信号输出插口旁的开关开启，此时在荧光屏上可显示出一个周期的方波信号。
然后调节y输入校准旋钮（“v／cm'’上红色旋钮），使显示出的方波幅度为5div（此时垂直方向ldiv代表10mV电压辐度）。
调节“t／cm'’上的红色校准旋钮，使方波的水平辐度为10div（此时，水平方向ldiv代表0.1ms）。
注意，校准时，如屏上出现紊乱的曲线，可调节“电平”旋钮，使方波曲线稳定。
仪器一经校准后，上述两个红色标准旋钮不得再调节，否则应重新校正。
（4）测量信号辐度。
根据被测信号的性质，如信号中是否含有直流分量以及测量要求选择y输入耦合开关于“AC'’或“DC”位置；将10：
1衰减探头插入“y输入”插13；根据被测信号辐度和频率选择“U／em'’和“t／em'’的位置。
注意，测量前应把输入探头对地短路；若被测信号电压的峰—峰值小于100mY，则可选用同轴开路电缆代替10：
1的输入探头。
将探头或开路电缆的两个鳄鱼夹跨接于被测电路两端（注意应先接地线，然后再接输入端；取下时，以相反的顺序进行），此时屏上显示出被测波形。
如波形紊乱，则可调节“电平”旋钮，使图形稳定。
对于交流信号而言，信号电压的峰—峰值Up—p的计算方法为：
Up-p=峰—峰之间的格数X*U／cm的读数×探头的衰减倍数
例如：
示波器“U／cm”置于“0.2”挡级（微调置于“校准”位置），如果被测波形y轴.坐标刻度的坐标辐度为’5div，输入电缆是10：
1衰减探头，则所测信号的电压为：
Up—p=5×0.2×10V=10V
对于直流信号而言，先把“自动、触发”开关置于“自动”位置。
“AC一⊥一DC”开关置“⊥”位置，此时显示的时基线为零电平的参考时基线。
，调节“↓↑”旋钮，使显示的零电平时基线位于标尺的中间；将“U／em”置较大位置，“AC一⊥一DC”开关置“DC”位置，待测直流电压通过探头输入示波器后，观察并测量出扫描线偏离电平时基线的格数。
若此格数太小，可适当改变“U／em”挡位置，使读数约为2-4格止。
此时待测直流电压的大小即可换算得出：
待测直流电压=扫描线偏离零电平线的格数דv／cm”的读数×探头衰减倍数例如：
扫描线偏离零电平线的格数为3.2div，“v／em'’放在0.5v／cm位置，所用探头的衰减比为10：
1，该待测直流电压的大小为：
3.2×0.5×10=16V
（5）测量信号的周期。
将信号输入并调节示波器得到稳定波形显示后，测出待测信号一个完整周期在水平方向所占格数（出v），读出“t／cm”则可得出待测信号的周期r：
r=待测信号一个完整周期在水平方向所占格数דt／cm”的读数
例如，测出图8-22方波的一个周期所占格数为4div，“t／em”放在“50μs／cm”，则该方波的周期
T=4×50ps=200μs
事实上，该方法也可被用来测各种不同波形的时间参数，如测量脉冲宽度，脉冲波上升、下降时间。
（6）测量信号的频率。
测量信号的频率常利用测其周期后，利用它们互为倒数的关系换算得出。
除此之外，还可采用李沙育图形法测试。
从X轴输入一个已知频率信号发fx，这一信号可由外部信号发生器产生；另从y轴输入待测信号fy。
此时荧光屏上将显示两信号的合成波形，波形的形状不仅与两信号的频率有关，而且与两信号的相位差也有关。
这种图形称为李沙育图形。
利用李沙育图形测量信号频率的方法是：
作一不过波形任一交点的水平线和一竖直线，如图8-23所示。
水平线与图形的交点数为nx，竖直线与图形的交点数为nv，则有以下关系成立：
Fy：
ny=Fx：
nx
由此即可换算后待测信号的频率。
值得一提的是，当两信号频率一定且保持不变时，相位差不同显示出的波形形状也不相同。
图8-24为常见的几种李沙育图形。
不过，尽管李沙育图形与信号的相差有关，但只要两信号的频率比一定，则由不同图形算得的结果却是一致的。
因而使用该法测频率时，须考虑信号的相差问题。
（二）SR8型双踪示波器简介
SR8型双踪示波器是全晶体管化的小型示波器，它可同时在示波器荧光屏上显示两个不同信号的波形，以供比较研究。
双踪示波器的基本工作原理与前述普通示波器相同，只是增加了一个y轴输入通道和门电路电子开关及放大器进行切换放大而已。
以下简述SR8双踪示波器的面板旋钮作用及使用调节方法.
1．面板主要旋钮的作用
SR8型双踪示波器的面板图如图8-25所示。
（1）“DC一⊥一AC”开关称为输入耦合方式选择开关。
置“DC"位置时。
输入包括直流量在内的信号；置“AC”位置时，输入的只是交流分量；置“⊥”位置时，输入端与地短接。
（2）“U／div”微调是y轴偏转灵敏度选择。
旋钮（黑色）及微调旋钮（红色）。
偏转灵敏度选择范围从10mV／div~20V／div，分为11挡级。
各挡符合1、2、5进制关系。
将红色旋钮反时针旋到底，则有大于2．5倍的变化范围。
（3）“极性拉一YA”开关是一推拉开关，不拉出时作正常显示，拉出时作倒柜显示。
此开关只能控制从A输入端输入的信号.
（4）“内触发，拉一YB”开关是一推拉开关。
在按的位置时，触发信号分别取自YA及YB通道的输入信号。
此时只能作一般的双踪显示，不能作时间比较；在拉的位置．触发信号只从YB通道取出。
所以双踪显示时，可以比较两被测信号的时间和相位差。
（5）“t／div”微调有扫描速率选择旋钮（黑色）及微调旋钮（红色）。
其扫描速率从0.2S／div-Is／div，按1、2、5进制分为21挡。
当红色旋钮旋到底时，扫描速率有2.5倍的变化范围.
（6“扩展，拉X10”是一推拉开关。
在按的位置时，作为正常显示，在拉出的位置时，被测信号在X轴向显示的波形扩展了10倍，故可用来观测快速脉冲或重复频率较高的被测信号。
（7）“外触发X外接”插座是外触发信号和X外接信号共同的输入插座，受t／div扫描速率开关控制。
当扫描速率开关置扫描各挡时，可作为输人外触发信号用；当扫描速率开关置于X外接时，作为X外接信号输入。
（8）“内、外”开关是触发源选择开关。
在“内”位置时，触发信号取自Yr通道的被测信号；在“外”位置时，触发信号由“外触发”端输入。
（9）“AC、AC（H）、DC”开关为触发耦合方式开关。
“AC”为交流耦合状态，这时触发性能不受直流分量影响；“AC（H）”也为交流耦合状态，但触发信号是通过高通滤波器的，可以抑制叠加在触发信号上的低频干扰信号；“DC”直流成低频率时，为直接耦合状态。
（10）“高频、常态、自动”开关为触发方式开关。
一般置“常态”位置。
若需显示频率较高信号时，放在“高频’’位置较好。
若需显示的频率信号较低时，则放在“自动”位置较为有利。
（11）“+、-”开关称为触发极性开关“+”的位置表示用脉冲上升沿进行触发；“-”的位罩表示用脉冲下降沿进行触发。
2．调节与使用
SR8型双踪示波器的使用方法与前述Ⅻ，鞠17型通用示波器相似。
使用时，在加入信号前先调出扫描线。
若扫描线偏离荧光屏，可按下“寻迹’’开关，扫描线即可呈现于屏幕上，由此即可找出扫描线偏离荧光屏的方向，然后调节“移位’’旋钮，使之回到屏幕中央。
由于本机内r轴有两路输人（YA和YB），因此若作单踪显示，可将信号从“乩”（或
“YB”）端输入，这时显示方式开关应相应拨至“h’’（或“YB’’）挡；若作双踪显示，则显示方式开关拨至“交替”或“断续”挡，信号从“h”和“YB’’分别输人。
“交替’’显示方式适合观测频率较高的信号，“断续”显示方式适合观测频率较低的信号。
使用双踪示波器测量幅度、时间参数等的方式与普通示波器相同，因此不再赘述。
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