实验十一 示波器的原理和使用
授课班级： 教学课次： 授课时间:
授课地点： 物理实验中心（3S310） 授课形式： 预习讲授和指导
授课要点： 了解示波器结构及显示波形的原理；学习用示波器测电
压、时间间隔(或频率、相位差)
时间分配： 讲授25分钟，学生熟悉仪器等20分钟
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实验十一 示波器的原理和使用
电子示波器是用来直接显示、观察和测量电压波形及其参数的电子仪器。一切可转化为电压的电学量(如电流、电阻等)和非电学量(如温度、压力、磁场、光强等)，它们的动态过程均可用示波器来观察和测量．现代示波器的频率响应可从直流至109Hz；它可观察连续信号，也能捕捉到单个的快速脉冲信号并将它贮存起来，定格在屏幕上供仔细分析研究；它还能在屏上测量电压、时间、频率等各种参数．示波器是用途极为广泛的一种通用现代测量工具。
[实验目的]
1．了解示波器显示波形的原理(电偏转、扫描、同步)； 2．学习示波器的使用方法；
3．学习用示波器测电压、时间[间隔](或频率、相位差)。
[实验仪器]
YB4325双踪示波器，功率函数发生器等。
[实验原理]
一、电子示波器的结构原理
示波器主要由四部分组成：阴极射线示波管；扫描、触发系统；放大系统；电源系统．
图 11—１ 示波管内部结构
１．示波管内部结构如图11—1所示．阴极被加热发射出大量电子，经聚焦、加速后高
速轰击荧光屏，发出荧光．在靠近阴极处设置控制栅极，调节其电位(相对阴极为负电位)来
控制电子束流强度，使荧光“辉度”改变．在电子束路径两旁设置两对平行 板电极，改变加在其上的电压，可控制电子束的运动．
2．电偏转
在示波管内，有两对平行板电极，垂直方向的一对平行板电极为水平(或X)偏转板，简称横偏板，水平方向的一对平行板电极为垂直(或Ｙ)偏转板，简称纵偏板．在X，Ｙ偏转板上加电压时，其电场致使飞速运动电子束(及其在屏上光点)沿水平、垂直方向发生偏移．这种现象称弥为电[致]偏转．
若电压U(单位V)使电子束沿纵向(或横向)偏转Y(单位cm)，则定义U／Y为偏转因数，记作K，即
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K＝Ｕ／Y． （11．1)
K的单位：V/cm，读作伏每厘米，也用伏[特]／格表示，也就是使电子束沿纵向(或横向)偏转1cm(即1格)的电压值．显然，偏转因数为K时，使电子束偏转Ｙ的电压值为
Ｕ=KY (11．2) 用(11．2)式，从电子束的偏转数值，可测出被测电压值．
为了便于观测不同幅度的信号，在示波器面板上设置可手控调节的“偏转因数”钮(通道1为(10)、通道2为(15)，参见图11—5)．它包括：断续可变的“粗调”钮(为多掷开关)；连续可调的“微调”钮(为带开关的电位器)．当把“微调”钮顺时针旋到底关闭至‘校正’位时，“粗调”钮给出该档偏转因数的校正值，以供未知电压幅度的定量测试用．
3．扫描
若仅在横偏板上加周期性变化的电压ＵＸ（t），则电子束(或光点)沿水平方向作周而复始的往返运动，其位移随电压增大而变大(电压达最大值时它也最大)，随电压减小而变小，而当电压恢复到起始值时，电子束(或光点)便回到起始位置．电子束 (或光点)的这种周而复始的往返运动称为扫描．此时的ＵＸ（t）称为扫描电压．当扫描较快(频率较高)时，荧光屏上仅显示一条水平亮线称为扫描线．若ＵＸ（t）是如图11—2中所示的周期为TS的线性锯齿波电压，则电子束的水平位移X ?ＵＸ?t，即位移与时间成线性关系．
图11—2
若在横偏板上加的扫描电压，致使电子束在周期T(以s为单位)内沿水平方向位移L(以cm为单位)，则T／L为每厘米扫描的时间，简称厘米扫描时间，记作t。，即
t。=T/L (11．3)
t。的单位为s／cm，也用“时间／格”表示，也就是电子束沿水平方向扫描1cm(即l格)的时间．电子束沿水平方向扫描L所用的时间为
T＝t。L． (11．4)
为了便于观测不同周期的信号，在示波器面板上设置可手控调节的“扫描时间”钮(20)(参见图
11-5)．它包括：断续可变的“扫描粗调”钮(为多掷开关)；连续可调的“扫描微调”钮(24)；当按入扫描非校准状态开关键时，扫描时基进入非校准调节状态，此时调节扫描微调有效；当弹出扫描非校准状态开关键时，扫调节扫描微调无效，“扫描粗调”钮给出该挡的厘米扫描时间的校正值，以供交变信号的周期(或频率)乃至非周期性信号时间间隔的定量测试用．
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4．同步
在纵偏板上加周期为ＴＹ的被观测(如正弦波)信号ＵＹ(t),而在横偏板上加周期为TS的线性锯齿波扫描电压UX(t)时，后者使Y方向振动沿X方向扫开，呈现二维平面图形．
当TS=nTY,n＝l，2，3，?(如图11—2所示)时，每次锯齿波的扫描起始点会准确地落到被观测信号的同相位点，于是周而复始地扫出完全相同的波形从而稳定地显示，即扫描信号和被观测信号达到同步，称为扫描同步．但若TS?nTY (如图11—3所示)时，则每次扫描起始点会落在非同相位点，于是每次扫出的波形不重复，其结果屏上波形不断地
图11—3
在移动(或向右，或向左)，无法观测到稳定波形，即扫描不同步．由此可见，扫描显示稳定波形的条件(即扫描同步条件)是：扫描电压周期TS为被观测信号周期Ty的整数倍，即
TS=nTY 或 ＴＳ／ＴＹ＝n, n=1,2,3,….. (11．5)
实际中，由于被观测信号和锯齿波的周期很难严格地始终满足(11．5)式的要求，所以，仅通过手控调节“扫描时间”(即调锯齿波周期TS)的方法是无法实现扫描同步的．
常用示波器实现扫描同步可有两种方式：触发扫描和连续扫描．这里只介绍触发扫描． YB4325示波器通过其触发系统实施触发扫描来实现[扫描]同步．
５．触发扫描同步原理：由输入的被观测信号提供触发信号，送至触发电路，当其电平达到某一选择的触发电平(如图11—4中的A点电平)时，触发电路便输出触发脉冲，用它去启动扫描电路进行扫描(即光点启动，由A点自左至右移动，直至A点)．当扫描电压由最
/大值迅速恢复到启动电压值时，光点从A点迅速返回到A点．在锯齿波(在该周期内)扫描期间，扫描电路不再受期间到来的触发脉冲(如图11—4中虚线所示脉冲)的任何影响；直至本次扫描结束．之后等到下一个触发脉冲到来时，它又重新启动扫描电路进行下一次扫描．因
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每一个触发脉冲产生于同触发电平所对应的触发信号的同相位(0点，故每次扫描的起始点会准确地落在同相位点，于是每次扫出的波形完全重复而稳定地显示(被观测)波形，这就是触发扫描实现同步的原理．
为了在各种不同情况下确保获得触发扫描来实现同步，在示波器面板上设置：“触发源”、“触发耦合方式”、“扫描方式”、“触发电平／触发极性”等键钮(参见图11—5)，供观测者选择与调控．
(1)“触发源”键(29)：当它置于CH1、”或\”时为内触发，这时系统从经过前置放大后的通1、通道2信号中取出部分信号作为触发信号；当它置于“外触发”时，须由“外触发”信号输入端(26)输入触发信号才能实施触发扫描．
(2)“触发耦合”方式键(29)：用来选择触发信号与触发电路间耦合方式．当它置于AC(EXT DC) 时，对内触发为交流耦合，对外触发为直流耦合(从直流到各种频率信号都能触发)；当它置于“TV”时为全电
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