3.12双踪示波器的使用 波器是一种用来展示和观测电信号的电子仪器,它可以直接测量信号电压的大小 和周期,因此,一切可以转化为电压的电学量、非电学量(如电流、电功率、阻抗、温 度、位移、压力、磁场等)以及它们随时间变化的过程都可用示波器来观测。由于电子 射线的惯性小,又能在荧光屏上显示出可见的图像,所以特别适用于观测瞬时变化的过 程,这是示波器重要的优点。 本实验通过使用双踪示波器观察电信号波形及测量电信号的电压及频率,了解示波 器图像跟踪测量技术(请阅读4.2.1节),掌握示波器的原理及使用方法(请阅读附录 I中有关示波器的内容) 【目的与要求】 了解示波器的基本结构和工作原理、掌握示波器的调节和使用; 2.掌握用示波器观察电信号波形的方法 3.掌握用示波器测量电信号的电压和频率的方法; 4.了解示波器图像跟踪测量技术 【仪器与装置】 SR-071A型双踪示波 器、XFD-6型低频讯号发生 输入 前置放大放大器 器、整流滤波线路板等。 示波管 y2(x)输入 【原理】 画酸尽 示波器的规格和型号外触发 很多,但不管哪种示波器都 发电卧但描电路 有图3.12-1所示的几个基 输 本组成部分:示波管、竖直 放大器(Y轴放大器)、水平 放大器(X轴放大器)、扫描 发生器、触发同步和直流电 图3.12-1 源等部分。 1.示波管的基本结构 示波管的基本结构如图3.12-2所示,主要包括电子枪、偏转系统和荧光屏三个 部分,全都密封在玻璃外壳内,里面抽成高真空
3.12 双踪示波器的使用 示波器是一种用来展示和观测电信号的电子仪器，它可以直接测量信号电压的大小 和周期，因此，一切可以转化为电压的电学量、非电学量（如电流、电功率、阻抗、温 度、位移、压力、磁场等）以及它们随时间变化的过程都可用示波器来观测。由于电子 射线的惯性小，又能在荧光屏上显示出可见的图像，所以特别适用于观测瞬时变化的过 程，这是示波器重要的优点。 本实验通过使用双踪示波器观察电信号波形及测量电信号的电压及频率，了解示波 器图像跟踪测量技术（请阅读 4.2.1 节），掌握示波器的原理及使用方法（请阅读附录 Ⅰ中有关示波器的内容）。 【目的与要求】 1．了解示波器的基本结构和工作原理、掌握示波器的调节和使用； 2．掌握用示波器观察电信号波形的方法； 3. 掌握用示波器测量电信号的电压和频率的方法； 4. 了解示波器图像跟踪测量技术。 【仪器与装置】 SR-071A 型双踪示波 器、XFD-6 型低频讯号发生 器、整流滤波线路板等。 【原理】 示波器的规格和型号 很多，但不管哪种示波器都 有图 3.12-1 所示的几个基 本组成部分：示波管、竖直 放大器（Y 轴放大器）、水平 放大器（X 轴放大器）、扫描 发生器、触发同步和直流电 源等部分。 1.示波管的基本结构 示波管的基本结构如图 3.12-2 所示，主要包括电子枪、偏转系统和荧光屏三个 部分，全都密封在玻璃外壳内，里面抽成高真空
(1)电子枪:由灯电子枪 偏转系统 荧光屏 丝、阴极、控制栅极、 第一阳极和第二阳 FKG AI.A Y 极五部分组成,阴极 是一个表面涂有氧 化层的金属圆筒,被 灯丝通电加热后发 射电子。控制栅极是 个顶端有小孔的 圆筒,套在阴极外 亮度聚焦辅助助焦 面,它的电位比阴极 稍低,对阴极发射出 图3.12-2 来的电子起控制作用,只有初速度较大的电子才能穿过栅极顶端的小孔,然后在阳极加 速下奔向荧光屏,示波器面板上的“亮度”调整旋钮就是通过调节栅极电位以控制射向 荧光屏的电子流密度从而改变屏上光斑的亮度。阳极电位比阴极电位高很多,电子被它 们之间的电场加速形成射线。当控制栅极、第一阳极与第二阳极之间电位调节合适时, 电子枪内的电场对电子射线有聚焦作用所以第一阳极也称聚焦阳极,第二阳极电位更 高,又称加速阳极,面板上的“聚焦”调节旋钮,就是调节第一阳极电位,使荧光屏上 的光斑成为明亮、清晰的小圆点,有的示波器还有“辅助聚焦”,实际是调节第二阳极 电位 (2)偏转系统:它由两对互相垂直的偏转板组成,一对竖直偏转板,一对水平偏转 板,在偏转板上加上适当电压,当电子束通过时运动方向将发生偏转,从而使电子束在 荧光屏上产生的光斑位置也发生改变。 (3)荧光屏:屏上涂有荧光粉,电子打上去它就发光,形成光斑。不同材料的荧光 粉发光的颜色不同,发光过程的延续时间(一般称为余辉时间)也不同。荧光屏前有 块透明的、带刻度的坐标板,供测量光点位置用,在性能较好的示波管中,通常将刻度 线直接刻在屏玻璃内表面上,使与荧光粉紧贴在一起,以消除视差,使光点位置的测量 更准确。 示波器显示波形的原理 (1)扫描作用 如果只在竖直偏转板上加一交变的正弦电压,则电子束的亮点将随电压的变化在竖 直方向来回运动,如果电压频率较高,则看到的将是一条竖直亮线。如图3.12-3(a) 所示。 2
2 （1）电子枪：由灯 丝、阴极、控制栅极、 第一阳极和第二阳 极五部分组成，阴极 是一个表面涂有氧 化层的金属圆筒，被 灯丝通电加热后发 射电子。控制栅极是 一个顶端有小孔的 圆筒，套在阴极外 面，它的电位比阴极 稍低，对阴极发射出 来的电子起控制作用，只有初速度较大的电子才能穿过栅极顶端的小孔，然后在阳极加 速下奔向荧光屏，示波器面板上的“亮度”调整旋钮就是通过调节栅极电位以控制射向 荧光屏的电子流密度从而改变屏上光斑的亮度。阳极电位比阴极电位高很多，电子被它 们之间的电场加速形成射线。当控制栅极、第一阳极与第二阳极之间电位调节合适时， 电子枪内的电场对电子射线有聚焦作用所以第一阳极也称聚焦阳极，第二阳极电位更 高，又称加速阳极，面板上的“聚焦”调节旋钮，就是调节第一阳极电位，使荧光屏上 的光斑成为明亮、清晰的小圆点，有的示波器还有“辅助聚焦”，实际是调节第二阳极 电位。 （2）偏转系统：它由两对互相垂直的偏转板组成，一对竖直偏转板，一对水平偏转 板，在偏转板上加上适当电压，当电子束通过时运动方向将发生偏转，从而使电子束在 荧光屏上产生的光斑位置也发生改变。 （3）荧光屏：屏上涂有荧光粉，电子打上去它就发光，形成光斑。不同材料的荧光 粉发光的颜色不同，发光过程的延续时间（一般称为余辉时间）也不同。荧光屏前有一 块透明的、带刻度的坐标板，供测量光点位置用，在性能较好的示波管中，通常将刻度 线直接刻在屏玻璃内表面上，使与荧光粉紧贴在一起，以消除视差，使光点位置的测量 更准确。 2．示波器显示波形的原理 （1）扫描作用: 如果只在竖直偏转板上加一交变的正弦电压，则电子束的亮点将随电压的变化在竖 直方向来回运动，如果电压频率较高，则看到的将是一条竖直亮线。如图 3.12-3（a） 所示
图3.12-3 要显示出波形,必须同时在水平偏转板上加一个扫描电压,使电子束的亮点同时沿 着水平方向拉开。这种扫描电压的特点是电压随时间成线性关系增加到最大值,然后突 然回到最小,此后再重复地变化。扫描电压随时间变化的关系曲线形同“锯齿”故称“锯 齿波电压”,如图3.12-3b)所示。产生锯齿波电压的电路在图3.11-1中用“扫描电 路”方框表示。当只有锯齿波电压加在水平偏转板上,如果频率足够高,则会在荧光屏 上显示一条水平亮线。 如果在竖直偏转板上 (简称F轴)加正弦电压, 同时在水平偏转板上(简称 X轴)加锯齿波电压,电子 同时受竖直、水平两个方向 的力的作用,则电子的运动 为两相互垂直的运动的合 成。当锯齿波电压与正弦电 压变化周期相等时,在荧光 屏上将能显示出一个完整的 正弦电压的波形图(随着时 间的推移X和Y信号同步周 期性地出现),如图3.12 所示 (2)触发扫描 普通示波器的扫描电压 3.12-4 是采用自激锯齿波振荡器产 生的连续信号,当Y轴输入信号时,就显示波形,当Y轴未输入信号时,就显示一条水 3
3 要显示出波形，必须同时在水平偏转板上加一个扫描电压，使电子束的亮点同时沿 着水平方向拉开。这种扫描电压的特点是电压随时间成线性关系增加到最大值，然后突 然回到最小，此后再重复地变化。扫描电压随时间变化的关系曲线形同“锯齿”故称“锯 齿波电压”，如图 3.12-3（b）所示。产生锯齿波电压的电路在图 3.11-1 中用“扫描电 路”方框表示。当只有锯齿波电压加在水平偏转板上，如果频率足够高，则会在荧光屏 上显示一条水平亮线。 如果在竖直偏转板上 （简称 Y 轴）加正弦电压， 同时在水平偏转板上（简称 X 轴）加锯齿波电压，电子 同时受竖直、水平两个方向 的力的作用，则电子的运动 为两相互垂直的运动的合 成。当锯齿波电压与正弦电 压变化周期相等时，在荧光 屏上将能显示出一个完整的 正弦电压的波形图（随着时 间的推移 X 和 Y 信号同步周 期性地出现），如图 3.12-4 所示。 （2）触发扫描: 普通示波器的扫描电压 是采用自激锯齿波振荡器产 生的连续信号，当 Y 轴输入信号时，就显示波形，当 Y 轴未输入信号时，就显示一条水
平线,这种扫描方式称为连续扫描,连续扫描对于显示正弦波、对称方波、三角波等是 比较合适的,但如用来显示很窄的脉冲信号时,就很不理想,因为难以看清脉冲的前后 沿等情况,为此,必须采用触发扫描方式,所谓触发扫描,就是使扫描电路在被测脉冲 信号或与之有一定关系的外来脉冲信号的触发下,才产生扫描电压,经过一定时间后又 自动恢复到起始状态,完成一次扫描,然后等待下一个脉冲的到来,再重新进行一次扫 描。因为扫描的起点由触发信号控制,因此,每次显示的波形必定重合,图象必然稳定 现代通用示波器一般都有触发扫描功能。 (3)同步作用 要在示波器荧屏上获得稳定的波形,被测信号的频率f必须为扫描电压(锯齿波) 频率fx的整数倍(N倍,即有 fr=nx (3.12-1) 因为只有满足上述条件,锯齿波在被测信号的每周或每隔若干周的同一点上开始扫 描,即两者保持固定的相位关系,使每次荧光屏上显示的图象重合(即对X的每一个扫 描周期,Y有完全相同的波列对应)才可看到稳定的被测信号波形 如果被测信号与锯齿波两者频率不满足上述整倍数的关系,或两者中的任一频率发 生变化,则锯齿波每次扫描就不在信号波形的同一点上开始,而每次扫描显示的图形就 不能重合,结果荧光屏上呈现向左或向右移动的波形,这样就难以对信号进行观察和测 在实验电路中,由于电源电压不稳定或其他原因,都会引起被测信号和扫描信号频 率的变化,这种变化随时可能发生,依靠人工手动调节“扫描微调”旋钮,无法始终保 持两者整数比的关系,所以必须设法使两者频率自动保持整数比,为此,可利用被测信 号电压或与此有关的电压,去强迫控制锯齿波的频率,使之与被测信号频率保持整数比 这就是同步(或称为整步),用来控制锯齿波频率的信号则称为同步信号 需要指出的是同步信号的幅度必须适当,太小达不到同步的目的,太大则使锯齿波 发生畸变,必然引起被测信号严重失真 (5)李萨如图形 如果X、Y偏转板上加的电信号都是正弦波,当fx和f之比为整数比时,电子 束受到它们的合作用,光点将会描绘出特定的图形—一李萨如图形。图3.12-5描绘的 是=二的两个正弦波电讯号合成的李萨如图形
4 平线，这种扫描方式称为连续扫描，连续扫描对于显示正弦波、对称方波、三角波等是 比较合适的，但如用来显示很窄的脉冲信号时，就很不理想，因为难以看清脉冲的前后 沿等情况，为此，必须采用触发扫描方式，所谓触发扫描，就是使扫描电路在被测脉冲 信号或与之有一定关系的外来脉冲信号的触发下，才产生扫描电压，经过一定时间后又 自动恢复到起始状态，完成一次扫描，然后等待下一个脉冲的到来，再重新进行一次扫 描。因为扫描的起点由触发信号控制，因此，每次显示的波形必定重合，图象必然稳定， 现代通用示波器一般都有触发扫描功能。 （3）同步作用: 要在示波器荧屏上获得稳定的波形，被测信号的频率 Y f 必须为扫描电压（锯齿波） 频率 X f 的整数倍（ N 倍），即有 Y Nf X f = （3.12-1） 因为只有满足上述条件，锯齿波在被测信号的每周或每隔若干周的同一点上开始扫 描，即两者保持固定的相位关系，使每次荧光屏上显示的图象重合（即对 X 的每一个扫 描周期，Y 有完全相同的波列对应）才可看到稳定的被测信号波形。 如果被测信号与锯齿波两者频率不满足上述整倍数的关系，或两者中的任一频率发 生变化，则锯齿波每次扫描就不在信号波形的同一点上开始，而每次扫描显示的图形就 不能重合，结果荧光屏上呈现向左或向右移动的波形，这样就难以对信号进行观察和测 量。 在实验电路中，由于电源电压不稳定或其他原因，都会引起被测信号和扫描信号频 率的变化，这种变化随时可能发生，依靠人工手动调节“扫描微调”旋钮，无法始终保 持两者整数比的关系，所以必须设法使两者频率自动保持整数比，为此，可利用被测信 号电压或与此有关的电压，去强迫控制锯齿波的频率，使之与被测信号频率保持整数比， 这就是同步（或称为整步），用来控制锯齿波频率的信号则称为同步信号。 需要指出的是同步信号的幅度必须适当，太小达不到同步的目的，太大则使锯齿波 发生畸变，必然引起被测信号严重失真。 （5）李萨如图形: 如果 X、Y 偏转板上加的电信号都是正弦波，当 X f 和 Y f 之比为整数比时，电子 束受到它们的合作用，光点将会描绘出特定的图形——李萨如图形。图 3.12-5 描绘的 是 1 2 = Y X f f 的两个正弦波电讯号合成的李萨如图形
图3.12-6给出了几种不同频率的李萨如图形。可以证明两个正弦波的频率之比等 U, =Y(n) X(t)Y()) ○区 Ux=X() 00×X 0- 图3.12千6 于李萨如图形在X、Y方向的极大值个数nx、n1之比。即 (3.12-2) 利用李萨如图形可以根据已知频率求出未知频率。 低压~ CH2 (a)半波整流 (b)桥式整流 H2 (c)电容滤波 (d)x形滤波
5 图 3.12-6 给出了几种不同频率的李萨如图形。可以证明两个正弦波的频率之比等 于李萨如图形在 X、Y 方向的极大值个数 X n 、 Y n 之比。即 Y X Y X n n f f = （3.12-2） 利用李萨如图形可以根据已知频率求出未知频率
【内容及步骤】 1.熟悉示波器各旋钮的功能和调节方法(请阅读附录Ⅰ之八) 2.测量交流电压值 (1)将低频率信号发生器输出的50/交流信号,由示波器CH2端输入,调节扫 描时间转换开关使图形稳定;调节CH2分度值旋钮D,使图形大小适中 (2)读出图形纵方向最大和最小的刻度之差值,记为M(cm) (3)计算交流电的峰峰值Up-p=M×D2(V) 正弦波交流电的有效值U=UpP/2√2 3.将交流信号发生器的输出信号(50H),逐次经图3.12-7所示各电路由CH2 输入示波器,依次观测图3.12-7中各电路的输出波形,并画出Uy~t曲线 4.测量交流电整流滤波后的纹波因数 交流电整流滤波后输出的电压中除直流电压外,还有一些交流电压(称为纹波电压) 见图3.12-8所示,其交流分量与直流分量的百分比称为纹波因数y (1)测量整流滤波后的直流分量: 测量出直流分量(应取在交流分量的中间) 至基准线的距离H,记录CH2通道分度值旋 钮指示值D2(/cm),则直流电压 U=HD,O (2)测量整流滤波后的交流分量 将CH2耦合方式置“AC”,旋转CH2通 道分度值旋钮,使交流信号放大,测出交流分 量峰峰距离h,记录CH2通道分度值旋钮指 原基准线H:直流分量 示值D(/cm),则交流分量峰峰值 h:交流分量 Upp=hD(),进而算出其有效值U 图3.12-8 (由于滤波后的交流成分的波形比较复杂,暂按正弦波处理) (3)计算交流电整流滤波后的纹波因数γ 6
6 【内容及步骤】 1.熟悉示波器各旋钮的功能和调节方法（请阅读附录Ⅰ之八）。 2.测量交流电压值 （1）将低频率信号发生器输出的 50Hz 交流信号，由示波器 CH2 端输入，调节扫 描时间转换开关使图形稳定；调节 CH2 分度值旋钮 D2 ，使图形大小适中。 （2）读出图形纵方向最大和最小的刻度之差值，记为 M （ cm ） （3）计算交流电的峰峰值 UP−P = M D2 （ V ） 正弦波交流电的有效值 U~ =UP−P / 2 2 3.将交流信号发生器的输出信号（ 50Hz ），逐次经图 3.12-7 所示各电路由 CH2 输入示波器，依次观测图 3.12-7 中各电路的输出波形，并画出 U t Y ~ 曲线。 4.测量交流电整流滤波后的纹波因数 交流电整流滤波后输出的电压中除直流电压外，还有一些交流电压（称为纹波电压） 见图 3.12-8 所示，其交流分量与直流分量的百分比称为纹波因数 。 （1）测量整流滤波后的直流分量： 测量出直流分量（应取在交流分量的中间） 至基准线的距离 H ，记录 CH2 通道分度值旋 钮指示值 ( / ) 2 D V cm ，则直流电压 ( ) U− = HD2 V 。 （2）测量整流滤波后的交流分量： 将 CH2 耦合方式置“AC”，旋转 CH2 通 道分度值旋钮，使交流信号放大，测出交流分 量峰峰距离 h，记录 CH2 通道分度值旋钮指 示 值 ( / ) 2 D V cm ， 则 交 流 分 量 峰 峰 值 ( ) UP−P = hD2 V ,进而算出其有效值 U~ 2 2 ~ UP P U − = （由于滤波后的交流成分的波形比较复杂，暂按正弦波处理） （3）计算交流电整流滤波后的纹波因数 ：
Y=-×100% 【数据处理】 示波器型号 测量电压和时间的相对不确定度为En=50% 1.计算交流电的有效值 CH2分度值D2=(V/cm);:峰峰高度差M=cm; 有效值U 不确定度Ln=有效值xE1,/3 结果U=U±lu 2.将观测到的波形画在Uy~t图上。 3.计算交流电整流滤波后的纹波因数γ。 表3.12.1 滤波形式 电容滤波 π形滤波 幅度值H= 直流分量 分度值D2 直流电压U 幅度值h 分度值D 交流分量 纹波电压U 纹波因数γ 【注意事项】 7
7 = ~ 100% U− U 【数据处理】 示波器型号： ；测量电压和时间的相对不确定度为 Eu = 5.0% ； 1．计算交流电的有效值 CH2 分度值 D2 = （V/cm）； 峰峰高度差 M = cm； 有效值 U~ = 不确定度 uU = 有效值× EU / 3 ； 结果 U~ =U~ uU 2．将观测到的波形画在 U t Y ~ 图上。 3．计算交流电整流滤波后的纹波因数 。 表 3.12.1 滤 波 形 式 电容滤波 形滤波 直流分量 幅度值 H = 分度值 D2 = 直流电压 U− 交流分量 幅度值 h = 分度值 D2 = 纹波电压 U~ = 纹波因数 = 【注意事项】
1.认真阅读附录Ⅰ中有关仪器的介绍,掌握所使用的示波器、信号发生器面板上 各旋钮的作用后再操作。 2.为了保护荧光屏不被灼伤,使用示波器时,光点亮度不能太强,而且也不能让 光点长时间停在荧光屏的一个位置上。在实验过程中,如果短时间不使用示波器,可将 辉度”旋钮调到最小,不要经常通断示波器的电源,以免缩短示波管的使用寿命。 3.示波器上所有开关与旋钮都有一定强度与调节角度,使用时应轻轻地缓缓旋转, 不能用力过猛或随意乱旋转。 【问题】 1.如果打开示波器的电源开关后,在屏幕上既看不到扫描又看不到光点,可能有 哪些原因?应分别作怎样的调节? 2.示波器观测50H正弦波电压时,在荧光屏上看到如图3.12-9所示波形,则产生 的原因是什么? (c) 图3.12-9 【设计内容】 根据示波器显示图形的原理,测量下列各频率,并给出结果的说明 1.当频率计输出信号频率为100/时,调节示波器扫描信号旋钮,使示波器显示 4个完整的波形。则扫描信号频率为多少? 2.根据李萨如图形,求出被测信号频率(由实验室给出具体测量要求)
8 1．认真阅读附录Ⅰ中有关仪器的介绍，掌握所使用的示波器、信号发生器面板上 各旋钮的作用后再操作。 2．为了保护荧光屏不被灼伤，使用示波器时，光点亮度不能太强，而且也不能让 光点长时间停在荧光屏的一个位置上。在实验过程中，如果短时间不使用示波器，可将 “辉度”旋钮调到最小，不要经常通断示波器的电源，以免缩短示波管的使用寿命。 3．示波器上所有开关与旋钮都有一定强度与调节角度，使用时应轻轻地缓缓旋转， 不能用力过猛或随意乱旋转。 【问题】 1．如果打开示波器的电源开关后，在屏幕上既看不到扫描又看不到光点，可能有 哪些原因？应分别作怎样的调节？ 2．示波器观测 50Hz正弦波电压时，在荧光屏上看到如图 3.12-9 所示波形，则产生 的原因是什么？ 【设计内容】 根据示波器显示图形的原理，测量下列各频率，并给出结果的说明 1．当频率计输出信号频率为 100Hz 时，调节示波器扫描信号旋钮，使示波器显示 4 个完整的波形。则扫描信号频率为多少？ 2．根据李萨如图形，求出被测信号频率（由实验室给出具体测量要求）