实验八 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。
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。
3．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。 电源开关（POWER）：按键弹出即为“关位置”。按下为“开”位置。 电源指示灯：电源按通时，指示灯亮。 亮度旋钮（INTENSITY）；顺时针方向旋转，亮度增强。 聚焦旋钮（FOSUS、）：用来调节光迹及波形的清晰度。 光迹旋转旋钮（TRACE ROTATION）：用于调节光迹与水平刻度线平行。 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。