1.16　示波器的使用实验

一、实验目的

（1）了解示波器的原理。

（2）了解示波器面板上的控制开关、旋钮的作用。

（3）学习用示波器测量交流电压及直流电压的方法。

（4）学习用示波器测量脉冲信号的幅值、周期及频率。

（5）学习用示波器测量两个交流信号的相位差。

二、实验仪器设备

（1）双踪示波器1台。

（2）低频信号发生器1台。

（3）直流稳压电源1台。

三、实验原理与说明

示波器的种类有很多，本实验介绍的是电子示波器中的通用示波器。

示波器是一种能直接观察和真实显示被测信号的综合性电子测量仪器。它不仅能定性观察电路的动态过程，例如观察电压、电流或经过转换的非电量等的变化过程；还可以定量测量各种电参数，如脉冲幅值、上升时间等。所以，它是电工、电子实验及训练中必不可少的重要测量仪器。

1.示波器的工作原理

通用型示波器的工作原理结构框图如图1-16-1所示。

示波器主要是由主机（包括示波管显示电路、标准信号发生器、电源部分等）、垂直偏转系统（Y轴信号通道）和水平偏转系统（X轴通道）等三大部分组成，其中示波管是示波器的核心部件。下面分别简要介绍。

（1）示波管：普通示波管的结构主要是由电子枪、偏转系统和显示部分组成，如图1-16-2所示，它是把电信号变成光信号的转换器。

①电子枪：由灯丝F、阴极C、栅极G1、前加速极G2、第一阳极A1和第二阳极A2组成。电子枪的作用是用来发射电子并形成很细的高速电子束。Y1、Y2是Y轴偏转板，X1、X2是X轴偏转板，S是荧光屏。

示波管的灯丝用于加热阴极。阴极是一个表面涂有氧化物的金属圆筒，在灯丝加热下发射电子。栅极是一个顶端有小孔的圆筒，套在阴极外边，其电位比阴极低，对阴极发射出来的电子起控制作用，只有初速较大的电子才能穿过栅极顶端小孔射向荧光屏，初速较小的电子则折回阴极，如果栅极电位足够低，就会使电子全部返回阴极。因此，调节栅极电位可以控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变亮点的辉度（即示波器面板上“辉度”旋钮的作用）。如果用外加信号控制栅、阴极间电压，则可使亮点辉度随信号强弱而变化。

第一阳极也是一个与阴极同轴的比较短的金属圆筒，A1的电位远高于阴极。第二阳极A2也是与阴极同轴的圆筒，其电位高于A1。前加速极G2位于G1与A1之间，与A2相连，对电子束起加速作用。

由G1、G2、A1及A2构成一个对电子束的控制系统，它对电子束有聚焦作用。改变第一阳极A1的电位（用面板上的“聚焦”旋钮）及第二阳极电位（用面板上的“辅助聚焦”旋钮），使电子束在荧光屏上会聚成细小的亮点，以保证显示波形的清晰度。

②偏转系统：在第二阳极的后面，由两对相互垂直的金属板X1、Y2、X1、X2构成示波器Y轴和X轴的偏转系统。Y轴偏转板在前，X轴偏转板在后，两对板间各自形成静电场。被测信号电压作用在Y轴偏转板上，X轴偏转板上作用着锯齿波扫描电压。通过作用在这两个偏转板上的电压控制着从阴极发射过来的电子束在垂直方向和水平方向的偏转。阳板A2对经过偏转系统后的电子束进一步加速。

③荧光屏：示波器的荧光屏一般为圆形曲面或矩形平面，在其内壁沉积有荧光物质，形成荧光膜。荧光膜受到电子冲击后能将电子的动能转化为光能，形成亮点。当电子束随信号电压偏转时，这个亮点的移动轨迹就形成了信号的波形并显示在荧光屏上。当电子束停止作用后的一段时间内，荧光膜仍保留一段发光过程，这种激励过后辉度所延续的时间称为余辉。余辉时间的长短与使用的荧光物质有关。余辉时间在0.1～1s的称为长余辉；1～100ms的称为中余辉；0.01～1ms的称短余辉。一般低频示波器用于观察缓慢信号的，多用长余辉；观察高频信号宜用短余辉；一般用途多用中余辉。

为了测量波形的高度或宽度，在荧光屏玻璃内侧刻有垂直和水平方向的分刻度线，使测量准确度较高。

圆形荧光屏线性度较差，屏幕利用率低，中间比较平整的部分称有效面积，四周则较差，矩形荧光屏比较平整，有效面积较大。在使用示波器时应尽量使波形映在有效面积内。

（2）波形显示原理：水平偏转系统由触发电路（同步电路）、扫描发生器和水平放大器等组成，由它产生时间基准的扫描电压ux（锯齿波形电压）。

在X轴偏转板加上线性扫描电压时，电子束在屏幕上按时间沿水平方向展开，形成时间基线。当仅在X轴偏转板加上锯齿波电压时，亮点沿水平方向作等速移动，当扫描电压达到最大值（Um）时，亮点亦达最大偏转，然后从该点迅速回到起始点，若扫描电压重复变化时，在屏幕上就显示一条水平亮线，这个过程称为扫描。在X偏转板有扫描电压作用的同时，在Y偏转板加上被测信号电压，就可以将其波形显示在荧光屏上。这样，电子束就可以随着输入电压的变化而形成图形。

①同步：为了在荧光屏上至少能看到被测电压以uy一个周期而且稳定的图形，要求扫描电压ux的周期Tx与Y轴输入的被测电压uy的周期Ty之比具有整数倍的关系，即

式中，n应为正整数。当n=1，即Tx=Ty时，荧光屏显示的波形如图1-16-3（a）所示；当Tx=2Ty时，波形显示如图1-16-3（b）所示。如果不满足 为整数倍关系，每次扫描的起始点将对应着被测电压uy的不同相位点，荧光屏上显示的波形是不断滚动的不稳定图形，如图1-16-3（c）所示。

由此可见，为了在屏幕上获得稳定的图形，Tx与Ty必须为整数倍关系，即Tx=nTy，以保证每次扫描起始点都对应信号电压uy的相同相位点上，这种过程称为同步。

②扫描发生器：扫描发生器电路产生线性锯齿波，其斜率由“时间/格”开关决定。

扫描系统的核心部分是扫描发生器、扫描闸门及释抑电路所组成的闭环电路。扫描闸门的主要作用是将输入信号变换成正向矩形脉冲，控制锯齿波的起始点和终止点。释抑电路的作用是控制锯齿波的幅度，达到等幅扫描，保证扫描的稳定性。

扫描方式有连续扫描和触发扫描两种。连续扫描是扫描的正程（由左向右）接着回程（至右端最大偏转位置又回到起始出发点），回程结束又接着正程，使扫描连续地进行。触发扫描的特点是只有在被测信号出现的时刻，受触发信号的作用而启动扫描，每到来一个触发信号只扫描一次，第二次扫描须在第二个触发信号作用下才能发生。若无触发信号时，只呈现一个亮点，处于等待扫描状态。一般情况下，触发信号与被测信号是相关的，这样就可以使扫描电压与被测信号保持严格的同步关系。

触发扫描方式中又分为常态、自动（高频）等几种方式。常态触发扫描方式是只有触发信号作用后扫描电路才工作，无触发信号时.荧光屏上见不到扫描线。自动触发扫描方式是当没有触发信号时，扫描系统仍然工作，荧光屏上仍显示出扫描的基线，当加触发信号后，可自动改为触发扫描工作方式。

③水平放大器：水平放大器进行锯齿波信号的放大，或在X-Y方式下对X轴信号进行放大，使示波器中的电子束产生水平偏转。

④Z轴放大器电路（见图1-16-1）决定示波管的辉度和消隐。这个电路把来自辉度控制器、扫描发生器门电路和Z轴外输入端的电流相加。该电路的输出端与示波管的控制栅极相连。

⑤触发信号源在触发扫描工作方式时，触发信号可分为内触发、外触发和电源触发三种。

●　内触发：触发信号来自被测信号。通过示波器内部电路将此信号取出，作用于触发电路。

●　外触发：触发信号来自外部输入的某一信号，多用来观测脉冲波形或某个非重复性变化的波形。

●　电源触发：触发信号来自50Hz的交流电源，多用于观测交流电整流电路波形。

触发信号的耦合方式又分为：直接耦合（DC），用于接入直流或缓慢变化的信号；交流耦合（AC），触发信号经示波器内部电容接至触发电路，用于观测低频到较高频信号；高频耦合（HF），多用于观测频率高干5MHz的信号。

在示波器面板上设有触发电平和触发极性的调节旋钮，用来控制显示波形的起始点。

触发极性控制是指在触发信号的上升沿触发、还是下降沿触发。用上升沿触发称为正极性触发，下降沿触发称负极性触发。

（3）垂直偏转系统。示波器的垂直偏转系统的作用是将被测信号输送到示波管垂直偏转板的通道，然后准确地再现输入信号的波形。这部分电路主要由衰减器、延迟和放大器组成。

SS-5702示波器的垂直偏转系统包括两套独立的衰减器和前置放大器以及一个主放大器（垂直放大器）（见图1-16-1），需要在示波管上显示的信号送到输入端后，先在前置放大器中转换成推挽输出信号并经放大，然后送到下一级放大（主放大器），最后送到示波管的垂直偏转板。

垂直通道各部分的作用如下：

①衰减器：是一个电阻分压器，又称示波器灵敏度粗调开关。Y轴的输入信号变化较大，可能是几毫伏的小信号，也可能是上百伏的高电压信号。当测量幅度大的信号时，必须将输入进来的被测信号进行衰减，否则幅度过大，荧光屏上显示的波形会出现失真。

②放大器：Y轴输入通道的放大器作为显示波形幅度的微调（面板上Y轴增益旋钮）。它与衰减器配合使用，可以将显示的波形调至便于观察的适当幅度。

③延迟：当输入信号经衰减、放大后作用于垂直偏转板时，从Y轴放大器取出的信号也作用于触发电路，使触发电路产生触发信号，以便使扫描电路开始扫描，但因触发电路和扫描发生器工作都需要一定时间，这就使扫描信号出现时刻晚于作用于垂直偏转板上的被测信号，因而荧光屏上显示的波形就会缺少被测信号在开始部分的图形，所以在垂直偏转系统加入延迟电路，以使作用于垂直偏转板上的被测信号延迟到扫描电压出现后到达，这样就可以保证输入信号的全貌无失真地显示在荧光屏上。

④垂直工作波形选择方式。SS-5702双踪示波器垂直工作方式有下述4种：

●　CHI：只显示通道1的输入信号。

●　CH2：只显示通道2的输入信号。

●　ADD：显示两通道输入信号的代数和（相加）。

●　DUAL：CH1、CH2两通道信号电子切换显示（双踪）。这种显示方式又分为交替方式和断续方式两种。

交替方式：当“时间/格”开关置于高于或等于0.5ms/格的位置时实行交替方式显示。此种方式适用于观察测量频率较高的信号波形，因为扫描频率高，从示波器荧光屏上将显示出两个通道的信号波形。在交替方式下，主放大器中的垂直方式开关电路由来自扫描发生器的交替信号驱动，引起CH1和CH2的信号以完整的扫描交替显示，如图1-16-4（a）所示。

断续方式：当“时间/格”开关置于低于或等于1ms/格位置时实行断续方式显示。在此种方式下，垂直方式开关电路以大约100kHz的重复频率自激振荡去切换二极管门电路（开或关），使得无论扫描速度如何，示波器都以大约100kHz的重复频率断续显示两通道的输出信号，垂直方式开关电路送出断续消隐信号到Z轴放大器，以消隐切换动作的暂态过程。这时，显示在荧光屏上的图像是由一些断续的虚线构成，如图1-16-4（b）所示。断续工作方式一般用于输入信号频率较低时，采用断续方式同时显示两个通道的波形。

2.示波器的使用

示波器的应用范围十分广泛，除了用于显示被测电压波形外，还可以进行各种测量，如幅值、频率、相位等。所以，正确地使用示波器非常重要。

以SS-5702型双踪示波器为例，说明使用及测量方法。其面板布置如图1-16-5所示。

（1）电压的定量测量。将“V/格”微调旋钮置于CAL位置，用探头的×1位置测量，测量值可以用：电压（U）=“V/格”设定值（V/格）×输入信号显示幅度（格）来计算。若用探头×10挡位置进行测量，则最后求出的电压（U）要再乘10。

测直流电压时需将“扫描方式”开关置AUTO位置，扫描速度应调节到使屏幕上的扫描线不发生闪烁为止。先将“交流—地—直流”开关置GND，将基准扫描线移到水平刻度线上，再将“交流—地—直流”开关置DC，并输入被测电压，扫描线在垂直方向上的位移即为被测信号的电压幅度。例如，扫描线上移为正，下移为负。定量值可根据所选用的“V/格”旋钮的刻度值去计算。

（2）时间的测量。可以通过扫描速度测量时间，示波器的X轴是时间轴，经过定量校准，在一定的扫描速度下，X轴每格对应着的时间是一定的。根据选定的扫描速度ms/格挡（或μs/格挡），再从示波器荧光屏上的X轴坐标读出厘米数（格数），即可以求出时间。

用SS-5702示波器测量时间的方法：置“时间/格微调”旋钮于CAL位置，读取X轴上的格数，即“时间/格”，再用时间（s）=时间/格（设定值）×被测信号的时间长度（格）。若拉出了“×5扩展开关”则其时间值还要乘上1/5。

（3）频率的测量。频率测量有两种计算方法，第一种是用上述测量时间的方法求出输入信号一个周期的时间，然后用：频率=1/周期（f=1/T）的方法算出频率；第二种方法是数出有效区域中10格内的信号重复数N，再用

算出频率，N越大，第二种方法的精确度越高。

四、实验内容与步骤

（1）接通示波器电源开关，使显示屏出现水平扫描线，将示波器的Y轴输入测示线的测示探头与地线短接，这时Y轴输入信号为零。调节聚焦亮度、上下位移旋钮的作用看是否正常，应注意亮度不宜太亮。读出自较信号的频率及幅值，看是否与面板上所标数值一致。将数据填入表1-16-1。

（2）测量直流稳压电源输出电压的大小，直流稳压电源输出调到5V及10V，先用直流电压表测量，再用示波器测量，二者测量结果应大致相同。将数据填入表1-16-2。

注意，用示波器测量直流电压时，Y轴选择开关应根据被测电压的大小选择合适档次。例如：测量5V直流电压时，Y轴选择开关可置于1V/cm的位置，微调旋钮置于校正位置。接入待测电压后，水平线移动的高度为：

h=5cm

这时测得直流电压的大小为：

（3）测量音频信号发生器的输出电压。将信号发生器输出频率调到1kHz，有效值电压调到2V。示波器Y轴选择开关和水平扫描开关放在适当位置，例如Y轴开并置于1V/cm的位置，水平扫描开关放在0.1ms/cm的位置，微调旋钮均置于校正位置。接入电压后，在示波器显示屏上显示的波形图1-16-6所示，交流电压峰到峰的高度为h，单位为cm，通过h可求出交流电压峰-峰值为

有效值为

将数据填入表1-16-3。

（4）用示波器测量交流信号及方波信号的周期。一般用的方法为内扫描法，就是用示波器内部的水平扫描时间来测量，将示波器扫描开关调到适当位置，微调旋钮置于校正位。Y轴开关选择合适，如内扫描时间置于0.5ms/cm，测量的波形如图1-16-7所示，示波器显示屏上读出一个周期的距离x=4cm，则被测交流信号的周期为

T=x×0.5ms/cm=4×0.5=2ms

用信号源输出频率为500Hz，幅值为2V正弦交流信号，再用示波器测量其周期，将数据填入表1-16-4。

用信号源输出频率为100Hz，幅值为2V的方波信号，再用示波器测量其周期，将数据填入表1-16-4。

（5）相位测量。通常用双踪示波器测量相同频率的两个交流信号的相位差。例如，测量RC串联电路的u1及i的相位差，如图1-16-8所示。

图中，R=510Ω，C=0.47μF，f=600Hz。

从示波器显示屏上可以看出i超前u1，其相位差的大小可以通过交流电压或电流在一周期的水平扫描长度计算：

为了能够更精确地测量出u1、i的相位差，可使用x轴扩展或将扫描速度增大。将数据填入表1-16-5。

五、注意事项

（1）示波器正常使用温度应在0～40℃。使用时不要将其他仪器或杂物盖在示波器的通风孔上，以免影响散热，造成仪器过热而发生故障。

（2）使用时示波器的辉度不要过高，因为过亮的光点或扫描轨迹会使操作者感到刺眼。而且，这样的亮点或扫描轨迹长时间停留在同一位置上会导致示波管荧光屏涂层灼伤。

（3）不要加过高的输入电压。一般示波器对于每个信号的输入，都有额定的最高允许电压范围，应根据该示波器的技术说明书上规定的范围使用。

六、思考题

（1）示波器能否测量220V电压？

（2）示波器电源开关打开后，能否立刻接入测量探头？