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示波器的使用

【实验目的】
1. 了解示波器的结构和示波器的示波原理；
2. 掌握示波器的使用方法，学会用示波器观察各种信号的波形；
3. 学会用示波器测量直流、正弦交流信号电压；
4. 观察利萨如图，学会测量正弦信号频率的方法。
【实验仪器】
YB4320/20A/40双踪示波器，函数信号发生器，电池。

图1实验仪器实物图
【实验原理】
示波器是一种能观察各种电信号波形并可测量其电压、频率等的电子测量仪器。示波器还能对一些能转化成电信号的非电量进行观测，因而它还是一种应用非常广泛的、通用的电子显示器。
1．示波器的基本结构
示波器的型号很多，但其基本结构类似。示波器主要是由示波管、X轴与Y轴衰减器和放大器、锯齿波发生器、整步电路、和电源等几步分组成。其框图如图2所示。

图2 示波器原理框图
(1) 示波管
示波管由电子枪、偏转板、显示屏组成。
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组成。灯丝通电发热，使阴极受热后发射大量电子并经栅极孔出射。这束发散的电子经圆筒状的第一阳极A1和第二阳极A2所产生的电场加速后会聚于荧光屏上一点，称为聚焦。A1与K 之间的电压通常为几百伏特，可用电位器W2调节，A1与K之间的电压除有加速电子的作用外，主要是达到聚焦电子的目的，所以A1称为聚焦阳极。W2即为示波器面板上的聚焦旋钮。A2与K之间的电压为1千多伏以上，可通过电位器W3调节，A2与K之间的电压除了有聚焦电子的作用外，主要是达到加速电子的作用，因其对电子的加速作用比A1大得多，故称A2为加速阳极。在有的示波器面板上设有W3，并称其为辅助聚焦旋钮。
在栅极G与阳极K之间加了一负电压即UK﹥UG ，调节电位器W1可改变它们之间的电势差。如果G、K间的负电压的绝对值越小，通过G的电子就越多，电子束打到荧光屏上的光点就越亮，调节W1可调节光点的亮度。W1在示波器面板上为“辉度”旋钮。
偏转板：水平(X轴)偏转板由D1、D2组成，垂直(Y轴)偏转板由D3、、D4组成。偏转板加上电压后可改变电子束的运动方向，从而可改变电子束在荧光屏上产生的亮点的位置。电子束偏转的距离与偏转板两极板间的电势差成正比。
显示屏：显示屏是在示波器底部玻璃内涂上一层荧光物质，高速电子打在上面就会发荧光，单位时间打在上面的电子越多，电子的速度越大光点的辉度就越大。荧光屏上的发光能持续一段时间称为余辉时间。按余辉的长短，示波器分为长、中、短余辉三种。
(2) X轴与Y轴衰减器和放大器
示波管偏转板的灵敏度较低(约为0.1～1mm/V)当输入信号电压不大时，荧光屏上的光点偏移很小而无法观测。因而要对信号电压放大后再加到偏转板上，为此在示波器中设置了X轴与Y轴放大器。当输入信号电压很大时，放大器无法正常工作，使输入信号发生畸变，甚至使仪器损坏，因此在放大器前级设置有衰减器。X轴与Y轴衰减器和放大器配合使用，以满足对各种信号观测的要求。
(3) 锯齿波发生器
锯齿波发生器能在示波器本机内产生一种随时间变化类似于锯齿状、频率调节范围很宽的电压波形，称为锯齿波，作为X轴偏转板的扫描电压。锯齿波频率的调节可由示波器面板上的旋钮控制。锯齿波电压较低，必须经X轴放大器放大后，再加到X轴偏转板上，使电子束产生水平扫描，即使显示屏上的水平坐标变成时间坐标，来展开Y轴输入的待测信号。
2．示波器的示波原理
示波器能使一个随时间变化的电压波形显示在荧光屏上，是靠两对偏转板对电子束的控制作用来实现的。如图3a 所示，Y轴不加电压时，X轴加一由本机产生的锯齿波电压ux ，ux=0时电子在E的作用下偏至a点，随着ux 线性增大，电子向b偏转，经一周期时间TX ，ux达到最大值uxm， 电子偏至b点。下一周期，电子将重复上述扫描，就会在荧光屏上形成一水平扫描线ab。

图3 偏转板加电压时电子的偏转情况
如图3 b所示，Y轴加一正弦信号uy ，X轴不加锯齿波信号，则电子束产生的光点只作上下方向上的振动，电压频率较高时则形成一条竖直的亮线cd。
如图4所示，Y轴加一正弦电压uy ，X轴加上锯齿波电压ux ，且fx=fy ， 这时光点的运动轨迹是X轴和Y轴运动的合成。最终在荧光屏上显示出一完整周期的uy波形。
⒊ 整步
从上述分析中可知，要在荧光屏上呈现稳定的电压波形，待测信号的频率f y必须与扫描信号频率fx相等或是其整数倍，即fy=nfX(或TX= nTy)，只有满足这样的条件时，扫描轨迹才是重合的，故形成稳定的波形。通过改变示波器上的扫描频率旋钮，可以改变扫描频率fX ，使fy=nfX条件满足。但由于fX的频率受到电路噪声的干扰而不稳定，fy=nfX的关系常被破坏，这就要用整步(或称同步)的办法来解决。即从外面引入一频率稳定的信号(外整步)或者把待测信号(内整步)加到锯齿波发生器上，使其受到自动控制来保持fy=nfX的关系，从而使荧光屏上获得稳定的待测信号波形。

图4 示波器的示波原理图解

【实验仪器介绍】
现以YB4320/20A/40双踪示波器为例（面版见图5所示），介绍示波器的一般使用方法：
图5 YB4320/20A/40/60前面板示意图

一、YB4320/20A/40/60型双踪示波器旋钮和开关的功能
A、电源及示波管控制系统
交流电源插座，该插座下端装有保险丝管。
（1） 电源开关（POWER）：按键弹出即为“关位置”。按下为“开”位置。
（2） 电源指示灯：电源按通时，指示灯亮。
（3） 亮度旋钮（INTENSITY）；顺时针方向旋转，亮度增强。
（4） 聚焦旋钮（FOSUS、）：用来调节光迹及波形的清晰度。
（5） 光迹旋转旋钮（TRACE ROTATION）：用于调节光迹与水平刻度线平行。
（6） 刻度照明旋钮（SCALE ILLUM）：用于调节屏幕刻度亮度。
B、垂直系统
（30）通道1输入端[CH1 INPUT （X）]：用于垂直方向输入。在X－Y方式时输入端的信号成为X信号。
（22）（29）、交流――接地――直流 耦合选择开关（AC－GND－DC）选择垂直放大器的耦合方式。
交流(AC)：垂直输入端由电容器来耦合
接地(GND)：放大器的输入端接地
直流(DC)：垂直放大器输入端与信号直接耦合。
（26）（33）：衰减开关（VOLT/DIV）：用于选择垂直偏转灵敏度的调节。如果使用的是
10：1探头。计算时将幅度×10。
（25）（32）：垂直微调旋钮（VARIBLE）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.
(20)（36）：CH1×5扩展，CH2×5扩展（CH1×5MAG，CH2×5MAG），按下×5扩展键，垂直方向的信号扩大5倍，最高灵敏度为1mv/div。
（23）（35）：垂直移位（POSITION）调节光迹在屏幕中的垂直位置。垂直方式工作按钮（VERTICAL MODE）垂直方向的工作方式选择。
（34）：通道1选择（CH1）：屏幕上仅显示CH1的信号。
（28）：通道2选择（CH2）：屏幕上仅显示CH2的信号。
（34）（28）：双踪选择（DVAL）：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的信号。
（31）：叠加（ADD）：显示CH1 和CH2输入电压的代数和。
（21）：CH2极性开关（INVERT）：按此开关时CH2显示反相电压值。
C、水平方向部分
（15）：扫描时间因数选择开关（TIME/DIV）：共20档。在0.1μs/div~0.2s/div范围选择扫描速率。
（11）：X—Y控制键。选择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。
（23）：通道2垂直移位键（POSITION）：控制通道2信号在屏幕中的垂直位置，当工作在X—Y方式时，该键用于Y方向的移位。
（12）：扫描微调控制键（VARIBLE）：此旋钮以顺时针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。
（14）：水平移位（POSITION）：用于调节轨迹在水平方向移动。顺时针方向旋转，光迹右移，逆时针方向旋转，光迹左移。
（9）：扩展控制键（MAG×5）、(MAG×10,仅YB4360)按下去时,扫描因数×5扩展或×10扩展.。扫描时间是Time/Div开关指示数值的1/5或1/10。例如，用×5扩展时，100μs/Div为20μs/Div。部分波形的扩展：将波形的尖端移到水平尺寸的中心，按下×5或×10扩展按钮，波形将扩展5倍或10倍。
（8）：ALT扩展按钮（ALT—MAG）：按下此键，扫描因数×1；×5或×10同时显示。此时要把放大部分移到屏幕中心，按下ALT—MAG键。扩展以后的光迹可由光迹分离控制键（13）移位距×1光迹1.5div或更远的地方。同时使用垂直双踪方式和水平ALT—MAG可在屏幕上同时显示四条光迹。
D、触发（TRIG）
（18）：触发源选择开关（SOVRCE）：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。
（43）：交替触发（ALT TRIG）：在双踪交替显示时，触发信号交替来自于两个Y通道，此方式可用于同时观察两路不相关的信号。
（19）：外触发输入插座（EXT INPVT）：用于外部触发信号的输入。
（17）：触发电平旋钮（TRIG LEVEL）：用于调节被测信号在某一电平触发同步。
（10）：触发极性按钮（SLOPE）：触发极性选择 。用于选择信号的上升沿和下降沿触发。
（16）：触发方式选择（TRIG MODE）：
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。当输入信号频率低于20HZ时，用常态触发方式。
（41）：Z轴输入连接器（后面板） （Z AXTS INPVT）：Z轴输入端。加入正信号时，辉度降低；加入负信号时，辉度增加。常态下的5VP-P的信号能产生明显的辉度调节。
（39）：通道1输出（CH1 OVT）：通道1信号输出连接器，可用于频率计数器输入信号。
（7）：校准信号（CAL）：电压幅度为0.5VP-P频率为1KHZ的方波信号。
（27）：接地柱⊥：接地端。

【实验内容与步骤】
1、调整示波器，观察标准方波波形
(1)熟悉YB4320/20A/40/60型双踪方波器控制面板上各控制器的作用。
电源和扫描
（1）确认所用市电电压在198V~242V。确保所用保险丝为指定的型号。
（2）断开“电源”开关，把电源开关（POWER）弹出即为“关”位置。将电源线接入。
（3）设定各个控制键在下列相应位置：
亮度（INTENSITY）：顺时针方向旋转到底；聚焦（FOCUS）：中间；垂直移位（POSITION）：中间（×5）键弹出； 垂直方式：CH1；触发方式（TRIG MODE）：自动（AUTO）； 触发源（SOVRCE）：内（INT）；触发电平（TREG LEVEL）：中间；时间/格（Time/Div）：0.5μs/div； 水平位置：X1（×5MAG）（×10MAG）均弹出。
（4）接通“电源”开关，大约15S后，出现扫描光迹。
聚焦
（1）调节“垂直位移”旋钮，使光迹移至荧光屏观测区域的中央。
（2）调节“辉度（INTENSITY）旋钮”将光迹的亮度调至所需要的程度。
（3）调节“聚焦（FOCUS）旋钮”，使光迹清晰。
加入触发信号
（1）将下列控制开关或旋钮置于相应的位置：
垂直方式：CH1；AC—GND—DC（CH1）：DC；V/DIV（CH1）：5mv ；
微调（CH1）：（CAL）校准：耦合方式：AC；触发源：CH1
（2）用探头将“校正信号源”送到CH1输入端。
（3）将探头的“衰减比”旋转置于“×10”档位置，调节“电平”旋钮使仪器触发。
将触发电平调离“自动”位置，并向反时针方向转动直至方波波形稳定，再微调“聚焦”和“辅助聚焦”使波形更清晰，并将波形移至屏幕中间。此时方波在Y轴占5div ，X轴占10div，否则需校准。
2、观察各种信号波形
将函数信号发生器的输出端接示波器的“Y轴输入“端，观察正弦、方波、三角波等的波形。调节示波器的有关旋钮，使荧光屏上出现稳定的波形。把1、2两步的有关数据记录在表1中。
3、电压测量
（1）电压的定量测量。将“V/DIV”微调置于“CAL”位置，就可以进行电压的定量测量。测量值可由下列公式计算后得到：
用探头“×1位置”进行测量时，其电压值为：V=V/DIV设定值×信号显示幅度（DIV）
用探头“×10位置”进行测量时，其电压值为：U=V/DIV设定值×信号显示幅度（DIV）×10。
（2）直流电压测量。该仪器具有高输入阻抗，高灵敏度和快速响应的优势，下面介绍测量过程：
将Y轴输入耦合选择开关置于“⊥”，“电平”置于“自动”。屏幕上形成一水平扫描基线，将“v/div ”与“t/div ”置于适当的位置，且“v/div ”的微调旋钮置于校准位置，调节Y轴位移，使水平扫描基线处于荧光屏上标的某一特定基准(0伏)。
① 将“扫描方式”开关置“AUTO”（自动）位置，选择“扫描速度”使扫描光迹不发生闪烁的现象。
② 将“AC—GND—DC”开关置“DC”位置，且将被测电压加到输入端。扫描线的垂直位移即为信号的电压幅度。如果扫描线上移，则被测电压相对地电位为正；如果扫描线下移，则该电压相对地电位为负。电压 值可用上面公式求出。例如，将探头衰减比置于×10位置，垂直偏转因数（V/Div）置于“0.5v/div”,微调旋钮置于“CAL”位置，所测得的扫描光迹偏高5div。根据公式，被测电压为：
0.5(V/DIV)×5(DIV)×10=25V
测三次直流电压值，取其平均值，记入表2中。
（3）交流电压测量。调节“V/DIV”切换开关到合适的位置，以获得一个易于读取的信号幅度。从下面图6所示的图形中读出该幅度并用公式计算之。
图6 交流电压测量

当测量叠加在直流电压上的交流电压时,将”AC-GND-DC”开关置于DC位置时就可测出所包含直流分量的值.如果仅需测量交流分量,则将该开关置于“AC”位置。按这种方法测得的值为峰—峰值电压（VP—P）。正弦波信号有效值为：。测三次，取平均值，计算出其有效值。记入表3中。

例如，将探头衰减比置于×1的位置，垂直偏转因数（V/DIV）置“5v/div”位置，“微调”旋钮置于“校正（CAL）”位置，所测得波形峰一峰值为6格（见图6所示）。则UP—P=5（V/div）×6(div)=30V有效值电压为：V=30/=10.6（V）
4、时间测量
信号波形两点间的时间间隔可按下列公式进行计算：
时间（s）=(Time/DIV)设定值×对应于被测时间的长度（div）ד5倍扩展”旋钮设定值的倒数。
上式中：置“Time/DIV”微调旋钮于CAL位置。读取“Time/DIV”以及“×5倍扩展”旋钮设定值。“×5倍扩展”旋钮设定值的倒数在扫描未扩展时为“1”，在扫描扩展时是“1/5”。
（1） 脉冲宽度测量方法如下：
① 调节脉冲波形的垂直位置，使脉冲波形的顶部和底部距刻度水平线的距离相等，如图7所示
②调节“Time/DIV”开关到合适位置,使扫描信号光迹易于观测。
图7 脉冲宽度测量
③读取上升沿和下降沿中点之间的距离,即脉冲沿与水平刻度线相交的两点之间的距离,然后用公式计算脉冲宽度。
例如图7中“Time/DIV”设定在10μs/div位置，则有脉冲宽度
ta=10(μs/div)×2.5(div)=25(μs)
(2) 脉冲上升（或下降）时间的测量方法如下：
①调节脉冲波形的垂直位置和水平位置，方法和脉冲宽度测量方法相同。
图8 上升(或下降)时间测量
②在图8中,读取上升沿10%到90%Um所经历的时间tr，则有tr=50（μs/div）×1.1(div)=55(μs)
频率测量
频率测量有两种方法:
(1) 由时间公式求出输入的周期T(单位为S),然后用下式求出信号的频率:f= =（HZ）
(2) 数出有效区域中10div内重复的周期数n.(时间单位为S)，然后用下式计算信号的频率f=n/[(Time/DIV)设定值×10（div）]
图9 频率的测量
当n很大（30~50）时，第二种方法的精确度比第一种方法高。这一精度大致与扫描速度的设计精度相等。但当n较小时，由于小数点以下难以数清，会导致较大的误差。例如图9中,方波器的”Time/DIV”,设定在“10μs/div”位置上，测得波形如图B1.6所示,10格内重复周期数n=40则该信号的频率为：f==400KHZ.
5、相位测量
图10 相位测量
两个信号之间相位差的测量可以利用仪器的双踪显示功能进行。如图B1.7给出了两个具有相同频率的超前和滞后的正弦波信号,用双踪方波器显示的例子。此时,”触发源”开关必须置于超前信号相连接的通道,同时调节”Time/DIV”开关,使显示的正弦波波形大于1个周期，如图B1.7所示。一个周期占6格，则1格刻度代表波形相位60º，故相位差ΔΦ=（div）数×2π/div/周期=1.5×360º/6=90º
6、观察利萨如图
将按钮“X－Y”按下，此时由“ch1”端口输入的信号就为X轴信号，其偏转灵敏度仍按该通道的垂直偏转因数开关指示值读取，从“ch2”端口输入Y轴信号，这时示波器就工作在X-Y显示方式。
在示波器X轴和Y轴同时各输入正弦信号时，光点的运动是两个相互垂直谐振动的合成，若它们的频率的比值fx︰fy =整数时，合成的轨迹是一个封闭的图形，称为利萨如图。利萨如图的图形与频率比和两信号的位相差都有关系，但利萨如图与两信号的频率比有如下简单的关系

nx，ny分另为利萨如图的外切水平线的切点数和外切垂直线的切点数，如图11所示

图11 利萨如图
因此，如fx 、fy 中有一个已知且观察它们形成的利萨如图，得到外切水平线和外切垂直线的切点数之比，即可测出另一个信号的频率。实验时，X轴输入某一频率的正弦信号作为标准信号，Y轴输入一待测信号，调节Y轴信号的频率，分别得到三种不同的nx ：ny的利萨如图，计算出fy ，读出Y轴输入信号发生器的频率fy/。
用两信号发生器分别给示波器的X轴和Y轴同时各输入正弦信号，调节两信号发生器的输出频率，观察使得：等5种情况下的利萨如图，并描绘出图形在实验坐标纸上。
【数据记录及处理】
表1 观察各种波形
测试波形
幅值
频率
Volts/div
Y格数
VP-P
A Time/div
X格数
T
f
校正波

正弦波

方波

三角波

表2 测直流电压数据

表3 测正弦交流电压数据

表4 用坐标纸描出李萨如图形（或频率比由实验指导教师指定）
【思考题】
1、若示波器正常，观察波形时，如荧光屏上什么也看不到，会是那些原因，实验中应怎样调出其波形？
2、用示波器观察波形时，示波器上的波形移动不稳定，为什么？应调节哪几个旋钮使其稳定？
3、直流电压测量时，确定其水平扫描基线时，为什么Y轴输入耦合选择开关要置于“⊥”？
4、假定在示波器的输入端输入一个正弦电压，所用水平扫描频率为120Hz，在屏上出现了三个完整的正弦波周期，那么输入电压的频率为多少？
5、某同学用示波器测量正弦交流电压，经与用万用电表测量值比较相差很大，分析是什么原因？
6、观察利萨如图时，两相互垂直的正弦信号频率相同时，图上的波形还在不停的转动，为什么？
7、如何使用示波器测量两个频率相同的正弦信号的相位差？