示波器的使用實驗
1．了解示波器的主要結(jié)構(gòu)和顯示波形的基本原理。
2．學(xué)會使用示波器和信號發(fā)生器。
3．用示波器觀察李薩如圖形以及利用李薩如圖形測量正弦信號的頻率。
實驗器材
通用示波器，低頻信號發(fā)生器、連接線等。
實驗原理
電子示波器（簡稱示波器）能夠簡便地顯示各種電信號的波形，一切可以轉(zhuǎn)化為電壓的電學(xué)量和非電學(xué)量及它們隨時間作周期性變化的過程都可以用示波器來觀測，示波器是一種用途十分廣泛的測量儀器。
一、示波器的基本結(jié)構(gòu)
示波器的主要部分有示波管、帶衰減器的Y軸放大器、帶衰減器的X軸放大器、掃描發(fā)生器（鋸齒波發(fā)生器）、觸發(fā)同步和電源等，其結(jié)構(gòu)方框圖如圖1６－1所示。為了適應(yīng)各種測量的要求，示波器的電路組成是多樣而復(fù)雜的，這里僅就主要部分加以介紹。
1．示波管
如圖1６－1所示，示波管主要包括電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三部分，全都密封在玻璃外殼內(nèi)，里面抽成高真空。下面分別說明各部分的作用。

（1）熒光屏：它是示波器的顯示部分，當(dāng)加速聚焦后的電子打到熒光上時，屏上所涂的熒光物質(zhì)就會發(fā)光，從而顯示出電子束的位置。當(dāng)電子停止作用后，熒光劑的發(fā)光需經(jīng)一定時間才會停止，稱為余輝效應(yīng)。
（2）電子槍：由燈絲H、陰極K、控制柵極G、第一陽極A1、第二陽極A2五部分組成。燈絲通電后加熱陰極。陰極是一個表面涂有氧化物的金屬筒，被加熱后發(fā)射電子。控制柵極是一個頂端有小孔的圓筒，套在陰極外面。它的電位比陰極低，對陰極發(fā)射出來的電子起控制作用，只有初速度較大的電子才能穿過柵極頂端的小孔然后在陽極加速下奔向熒光屏。示波器面板上的“亮度”調(diào)整就是通過調(diào)節(jié)電位以控制射向熒光屏的電子流密度，從而改變了屏上的光斑亮度。陽極電位比陰極電位高很多，電子被它們之間的電場加速形成射線。當(dāng)控制柵極、第一陽極、第二陽極之間的電位調(diào)節(jié)合適時，電子槍內(nèi)的電場對電子射線有聚焦作用，所以第一陽極也稱聚焦陽極。第二陽極電位更高，又稱加速陽極。面板上的“聚焦”調(diào)節(jié)，就是調(diào)第一陽極電位，使熒光屏上的光斑成為明亮、清晰的小圓點。有的示波器還有“輔助聚焦”，實際是調(diào)節(jié)第二陽極電位。
（3）偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)：它由兩對相互垂直的偏轉(zhuǎn)板組成，一對垂直偏轉(zhuǎn)板Y，一對水平偏轉(zhuǎn)板X。在偏轉(zhuǎn)板上加以適當(dāng)電壓，電子束通過時，其運(yùn)動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而使電子束在熒光屏上的光斑位置也發(fā)生改變。
容易證明，光點在熒光屏上偏移的距離與偏轉(zhuǎn)板上所加的電壓成正比，因而可將電壓的測量轉(zhuǎn)化為屏上光點偏移距離的測量，這就是示波器測量電壓的原理。
2．信號放大器和衰減器
示波管本身相當(dāng)于一個多量程電壓表，這一作用是靠信號放大器和衰減器實現(xiàn)的。由于示波管本身的X及Y軸偏轉(zhuǎn)板的靈敏度不高（約0.1—1mm/V），當(dāng)加在偏轉(zhuǎn)板的信號過小時，要預(yù)先將小的信號電壓加以放大后再加到偏轉(zhuǎn)板上。為此設(shè)置X軸及Y軸電壓放大器。衰減器的作用是使過大的輸入信號電壓變小以適應(yīng)放大器的要求，否則放大器不能正常工作，使輸入信號發(fā)生畸變，甚至使儀器受損。對一般示波器來說，X軸和Y軸都設(shè)置有衰減器，以滿足各種測量的需要。
3．掃描系統(tǒng)
掃描系統(tǒng)也稱時基電路，用來產(chǎn)生一個隨時間作線性變化的掃描電壓，這種掃描電壓隨時間變化的關(guān)系如同鋸齒，故稱鋸齒波電壓，這個電壓經(jīng)X軸放大器放大后加到示波管的水平偏轉(zhuǎn)板上，使電子束產(chǎn)生水平掃描。這樣，屏上的水平坐標(biāo)變成時間坐標(biāo)，Y軸輸入的被測信號波形就可以在時間軸上展開。掃描系統(tǒng)是示波器顯示被測電壓波形必需的重要組成部分。
二、示波器顯示波形的原理
如果只在豎直偏轉(zhuǎn)板上加一交變的正弦電壓，則電子束的亮點將隨電壓的變化在豎直方向來回運(yùn)動，如果電壓頻率較高，則看到的是一條豎直亮線，如圖1６－2所示。要能顯示波形，必須同時在水平偏轉(zhuǎn)板上加一掃描電壓，使電子束的亮點沿水平方向拉開。這種掃描電壓的特點是電壓隨時間成線性關(guān)系增加到最大值，最后突然回到最小，此后再重復(fù)地變化。這種掃描電壓即前面所說的“鋸齒波電壓”，如圖1６－3所示。當(dāng)只有鋸齒波電壓加在水平偏轉(zhuǎn)板上時，如果頻率足夠高，則熒光屏上只顯示一條水平亮線。
如果在豎直偏轉(zhuǎn)板上（簡稱Y軸）加正弦電壓，同時在水平偏轉(zhuǎn)板上（簡稱X軸）加鋸齒波電壓，電子受豎直、水平兩個方向的力的作用，電子的運(yùn)動就是兩相互垂直的運(yùn)動的合成。當(dāng)鋸齒波電壓比正弦電壓變化周期稍大時，在熒光屏上將能顯示出完整周期的所加正弦電壓的波形圖。如圖1６－4所示。
三、同步的概念
如果正弦波和鋸齒波電壓的周期稍微不同，屏上出現(xiàn)的是一移動著的不穩(wěn)定圖形。這種情形可用圖1６－5說明。設(shè)鋸齒波電壓的周期Tx比正弦波電壓周期Ty稍小，比方說Tx/Ty=7/8。在第一掃描周期內(nèi)，屏上顯示正弦信號0—4點之間的曲線段；在第二周期內(nèi)，顯示4—8點之間的曲線段，起點在4處；第三周期內(nèi)，顯示8—11點之間的曲線段，起點在8處。這樣，屏上顯示的波形每次都不重疊，好象波形在向右移動。同理，如果Tx比Ty稍大，則好象在向左移動。以上描述的情況在示波器使用過程中經(jīng)常會出現(xiàn)。其原因是掃描電壓的周期與被測信號的周期不相等或不成整數(shù)倍，以致每次掃描開始時波形曲線上的起點均不一樣所造成的。為了使屏上的圖形穩(wěn)定，必須使Tx/Ty=n（n＝1，2，3，…），n是屏上顯示完整波形的個數(shù)。
為了獲得一定數(shù)量的波形，示波器上設(shè)有“掃描時間”（或“掃描范圍”）、“掃描微調(diào)”旋鈕，用來調(diào)節(jié)鋸齒波電壓的周期Tx（或頻率fx），使之與被測信號的周期Ty（或頻率fy）成合適的關(guān)系，從而在示波器屏上得到所需數(shù)目的完整的被測波形。輸入Y軸的被測信號與示波器內(nèi)部的鋸齒波電壓是互相獨(dú)立的。由于環(huán)境或其它因素的影響，它們的周期（或頻率）可能發(fā)生微小的改變。這時，雖然可通過調(diào)節(jié)掃描旋鈕將周期調(diào)到整數(shù)倍的關(guān)系，但過一會兒又變了，波形又移動起來。在觀察高頻信號時這種問題尤為突出。為此示波器內(nèi)裝有掃描同步裝置，讓鋸齒波電壓的掃描起點自動跟著被測信號改變，這就稱為整步（或同步）。有的示波器中，需要讓掃描電壓與外部某一信號同步，因此設(shè)有“觸發(fā)選擇”鍵，可選擇外觸發(fā)工作狀態(tài)，相應(yīng)設(shè)有“外觸發(fā)”信號輸入端。
實驗裝置
一、XJ4318型示波器（如圖1６－6所示）各旋鈕的用途及使用方法
1．內(nèi)刻度坐標(biāo)線：它消除了光跡和刻度線之間的觀察誤差，測量上升時間的信號幅度和測量點位置在左邊指出。
2．電源指示器：它是一個發(fā)光二極管，在儀器電源通過時發(fā)紅光。
3．電源開關(guān)：它用于接通和關(guān)斷儀器的電源，按入為接通，彈出為關(guān)斷。
4．AC、⊥、DC開關(guān)：可使輸入端成為交流耦合、接地、直流耦合。
5．偏轉(zhuǎn)因數(shù)開關(guān)：改變輸入偏轉(zhuǎn)因數(shù)5mV/DIV—5V/DIV，按1—2—5進(jìn)制共分10個檔級。
6．PULL×5：改變Y軸放大器的發(fā)射極電阻，使偏轉(zhuǎn)靈敏度提高5倍。
7．輸入：作垂直被測信號的輸入端。
8．微調(diào)：調(diào)節(jié)顯示波形的幅度，順時針方向增大，順時針方向旋足并接通開關(guān)為“標(biāo)準(zhǔn)”位置。
9．儀器測量接地裝置。
10．PULL×10：改變水平放大器的反饋電阻使水平放大器放大量提高10倍，相應(yīng)地也使掃描速度及水平偏轉(zhuǎn)靈敏度提高10倍。
11．t/DIV開關(guān)：為掃描時間因數(shù)檔級開關(guān)，從0.2μs—0.2s/DIV按1—2—5進(jìn)制，共十九檔，當(dāng)開關(guān)順時針旋足是X—Y或外X狀態(tài)。
12．微調(diào)：用以連續(xù)改變掃描速度的細(xì)調(diào)裝置。順時針方向旋足并接通開關(guān)為“校準(zhǔn)”位置。
13．外觸發(fā)輸入：供掃描外觸發(fā)輸入信號的輸入端用。
14．觸發(fā)源開關(guān)：選擇掃描觸發(fā)信號的來源，內(nèi)為內(nèi)觸發(fā)，觸發(fā)信號來自Y放大器；外為外觸發(fā)，信號來自外觸發(fā)輸入；電源為電源觸發(fā)，信號來自電源波形，當(dāng)垂直輸入信號和電源頻率成倍數(shù)關(guān)系時這種觸發(fā)源是有用的。
15．內(nèi)觸發(fā)選擇開關(guān)：是選擇掃描內(nèi)觸發(fā)信號源。
    CH1—加到CH1輸入連接器的信號是觸發(fā)信號源。
    CH2—加到CH2輸入連接器的信號是觸發(fā)信號源。
    VERT—垂直方式內(nèi)觸發(fā)源取自垂直方式開關(guān)所選擇的信號。
16．CAL0.5：為探極校準(zhǔn)信號輸出，輸出0.5Up-p幅度方波，頻率為1KHz。
17．聚焦：調(diào)節(jié)聚焦可使光點圓而小，達(dá)到波形清晰。
18．標(biāo)尺亮度：控制坐標(biāo)片標(biāo)尺的亮度，順時針方向旋轉(zhuǎn)為增亮。
19．亮度：控制熒光屏上光跡的明暗程度，順時針方向旋轉(zhuǎn)為增亮，光點停留在熒光屏上不動時，宜將亮度減弱或熄滅，以延長示波器使用壽命。
20．位移：控制顯示跡線在熒光屏上Y軸方向的位置，順時針方向跡線向上，逆時針方向跡線向下。
21．垂直方式開關(guān)：五位按鈕開關(guān)，用來選擇垂直放大系統(tǒng)的工作方式。
    CH1—顯示通道CH1輸入信號。
    ALT—交替顯示CH1、CH2輸入信號，交替過程出現(xiàn)于掃描結(jié)束后回掃的一段時間里，該方式在掃描速度從0.2μs/DIV到0.5ms/DIV范圍內(nèi)同時觀察兩個輸入信號。
    CHOP—在掃描過程中，顯示過程在CH1和CH2之間轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換頻率約500KHz。該方式在掃描速度從1ms/DIV到0.2s/DIV范圍內(nèi)同時觀察兩個輸入信號。
    CH2—顯示通道CH2輸入信號。
    ALL OUT ADD—使CH1信號與CH2信號相加（CH2極性“+”）或相減（CH2極性（“－”）。
22．CH2極性：控制CH2在熒光屏上顯示波形的極性“+”或“－”。
23．X位移：控制光跡在熒光屏X方向的位置，在X—Y方式用作水平位移。順時針方向光跡向右，逆時針方向光跡向左。
24．觸發(fā)方式開關(guān)：五位按鈕開關(guān)，用于選擇掃描工作方式。
    AUTO—掃描電路處于自激狀態(tài)。
    NORM—掃描電路處于觸發(fā)狀態(tài)。
    TV—V—電路處于電視場同步。
    TV—H—電路處于電視行同步。
25．+、－極性開關(guān)：供選擇掃描觸發(fā)極性，測量正脈沖前沿及負(fù)脈沖后沿宜用“+”，測量負(fù)脈沖前沿及正脈沖后沿宜用“－”。
26．電平鎖定：調(diào)節(jié)和確定掃描觸發(fā)點在觸發(fā)信號上的位置，電平電位器順時針方向旋足并接通開關(guān)為鎖定位置，此時觸發(fā)點將自動處于被測波形中心電平附近。
二、XD2信號發(fā)生器
這是一種正弦信號發(fā)生器，它能產(chǎn)生頻率為1Hz到1MHz的正弦電壓。它的頻率比較穩(wěn)定，輸出幅度可調(diào)。面板上的電壓表指示是在輸出衰減前的信號電壓有效值。面板布置如圖1６－7所示。
頻率范圍共分六檔。每一檔中，又由右上方三個旋鈕來調(diào)節(jié)信號頻率。例如當(dāng)各旋鈕的位置處于圖中位置時，輸出信號頻率的讀數(shù)為                                     
          
信號發(fā)生器的輸出電壓是經(jīng)過內(nèi)部衰減器后輸出的。輸出信號的大小由面板上電壓表讀數(shù)和衰減倍數(shù)的大小決定。由于衰減倍數(shù)范圍較大，故取其對數(shù)值刻在“輸出衰減”旋鈕周圍。衰減倍數(shù)用分貝（dB）值表示，其定義為
                
其中U為未經(jīng)衰減器的電壓，由面板上電壓表讀出，示值為有效值。U出為經(jīng)過衰減器后的輸出電壓有效值。
實驗步驟
(一)清點主要儀器
1.示波器(  )  2.函數(shù)發(fā)生器(  )
（二）觀察與測量
1．觀察信號發(fā)生器波形
（1）將信號發(fā)生器的輸出端接到示波器Y軸輸入端上。
（2）開啟信號發(fā)生器，調(diào)節(jié)示波器（注意信號發(fā)生器頻率與掃描頻率），觀察正弦波形，并使其穩(wěn)定。
2．測量正弦波電壓
在示波器上調(diào)節(jié)出大小適中、穩(wěn)定的正弦波形，選擇其中一個完整的波形，先測算出正弦波電壓峰—峰值Up-p，即
                    Up-p＝（垂直距離DIV）×（檔位V/DIV）×（探頭衰減率）
然后求出正弦波電壓有效值U為
               
3．測量正弦波周期和頻率
在示波器上調(diào)節(jié)出大小適中、穩(wěn)定的正弦波形，選擇其中一個完整的波形，先測算出正弦波的周期T，即
                    T＝（水平距離DIV）×（檔位t/DIV）
然后求出正弦波的頻率 。
4．利用李薩如圖形測量頻率
設(shè)將未知頻率fy的電壓Uy和已知頻率fx的電壓Ux（均為正弦電壓），分別送到示波器的Y軸和X軸，則由于兩個電壓的頻率、振幅和相位的不同，在熒光屏上將顯示各種不同波形，一般得不到穩(wěn)定的圖形，但當(dāng)兩電壓的頻率成簡單整數(shù)比時，將出現(xiàn)穩(wěn)定的封閉曲線，稱為李薩如圖形。根據(jù)這個圖形可以確定兩電壓的頻率比，從而確定待測頻率的大小。
圖16－8列出各種不同的頻率比在不同相位差時的李薩如圖形，不難得出：
      
所以未知頻率
               
但應(yīng)指出水平、垂直直線不應(yīng)通過圖形的交叉點。
測量方法如下：
（1）將一臺信號發(fā)生器的輸出端接到示波器Y軸輸入端上，并調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出電壓的頻率為50Hz，作為待測信號頻率。把另一信號發(fā)生器的輸出端接到示波器X軸輸入端上作為標(biāo)準(zhǔn)信號頻率。
（2）分別調(diào)節(jié)與X軸相連的信號發(fā)生器輸出正弦波的頻率fx約為25Hz、50Hz、100Hz、150Hz、200Hz等。觀察各種李薩如圖形，微調(diào)fx使其圖形穩(wěn)定時，記錄fx的確切值，再分別讀出水平線和垂直線與圖形的交點數(shù)。由此求出各頻率比及被測頻率fy，記錄于下表中。
（3）觀察時圖形大小不適中，可調(diào)節(jié)“V／DIV”和與X軸相連的信號發(fā)生器輸出電壓。

標(biāo)準(zhǔn)信號頻率fx （Hz） 25 50 100 150 200
李薩如圖形（穩(wěn)定時）     
     
待測電壓頻率
    
fy的平均值（Hz） 
注意事項
1.為了保護(hù)熒光屏不被灼傷,示波器上光點的亮度不可調(diào)得太強(qiáng),也不能讓亮點長時間停在熒光屏的一點上。
    2.示波器上所有開關(guān)與旋鈕都有一定的強(qiáng)度和調(diào)節(jié)角度，調(diào)節(jié)時不要用力過猛。
    3.注意公共端的使用，接線時嚴(yán)禁短路。
思考討論
1. 示波器為什么能顯示被測信號的波形？
2. 熒光屏上無光點出現(xiàn)，有幾種可能的原因？怎樣調(diào)節(jié)才能使光點出現(xiàn)？
3. 熒光屏上波形移動，可能是什么原因引起的？