-
实验十
示波器的原理和使用
示波器是电工、电子、计算机等设备设计、调试和维修中使用得最广泛、功能最强大的
电子测量仪器之一，它可以把原来肉眼看不见的变化电压变换成可见的图像，使人们可以直
接观察电信号波形高速变化的情况，
研究它们的瞬间变化过程。
在科学研究和工农业生产中，
示波器被广泛地用来测定电信号的幅度、周期、
频率和位相等各种参数。通过各种传感器，
示波器还可用来观察各种物理量、化学量、生
物量等高速变化的过程，成为科学研究和生产
活动中强有力的检测工具。
【实验目的】
（
1
）了解示波器的基本结构和工作原理，掌握
使用示波器和信号发生器的基本方法。
（
2
）学会使用示波器观测电信号波形和电压幅值以及频率。
（
3
）学会使用示波器观察李萨如图并
测频率。
【实验原理】
不论何
种型号和规格的示波器都包括了如图
1
所示的几个基本组成部分
：示波管（又称
阴极射线管，
cathode ray tub
e
，
简称
CRT
）
、
垂直放大电路
（
Y
放大）
、
水平放大电路
（
X
放大）
、
扫描信号发生电路（锯齿波发生器）
、自检标准信号发生电路（自检
信号）
、触发同步电路、
电源等。
衰减器
Y
2
1 <
/p>
示波管
Y
轴输入
Y
90
R
轴
电
10<
/p>
9
R
压
X
1
X
2
放
大
100
R
器
Y
1
地
X
轴电压放大器
K
2
内
锯齿波
外
电
压
衰
90<
/p>
R
9
R
R
K
1
外部输入
减
发生器
100
1
10
器
地
X
轴输入
图
1
示波器基本组成框图
1.
示波管的基本结构
示波管的基本结构
如图
2
所示。主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成，全
都密
封在玻璃壳体内，里面抽成高真空。
-1-
（
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。
灯
丝通电后加热阴
极。阴极是一个表面涂有氧化物的金属圆筒，被加热后发射电子。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射向荧光
屏。
示波器面板上的
“辉
度”调整就是
通过调节栅极电位以控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变了荧光屏上的光
斑亮度。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
与第二阳极电位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，
就是
调第一阳极电位，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
以适当电压，电子束通过时，其运动方向发生偏转，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：荧光屏上涂有荧光粉，电子打上去它就发光，形成光斑。不同材料的荧光
< br>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，供测定光点的位置用。在性能较好的示波管中，将刻度线直接刻在
荧光屏玻璃内表面上，使之与荧光粉紧贴在一起以消除视差，光点位置可测得更准。
< br>
偏转系统
电子枪
X
荧
Y
K
H
光
H
A
1
A
2
Y
X
G
1
G
2
屏
辅
V
2
助
聚
聚
调
焦
焦
辉
R
1
R
3
R
2
图
2
示波管结构图
H
-
灯丝
K
-
阴极
G
1
，
G
2
-
控制栅极
A
1
-
第一阳极
A
2
-
第二阳极
Y
-
竖直偏转板
X
-
水平偏
转板
2.
波形显示原理
（
1
）仅在垂直偏转板（
Y
偏转板）
加一正弦交变电压：如果仅在
Y
偏转板加一正弦交变
电压，则电子束所产生的亮点随电压的变化在
y
方
向来回运动，如果电压频率较高，由于人
眼的视觉暂留现象，
则
看到的是一条竖直亮线，
其长度与正弦信号电压的峰
-
峰值成正比，
如
图
3<
/p>
所示。
（
2
）仅在水平偏转板加一扫描（锯齿）电压：为了能使
y
方向所加的随时间
t
变化
的信
号电压
U
y
(t
)
在空间展开，需在水平方向形成一时间轴。这一
t
轴可通过在水平偏转板加一如
图
4
所示的锯齿电压
U
x<
/p>
(t)
，由于该电压在
0
～
1
时间内电压随时间成线性关系达到最大值，
使电子束在荧光屏上产生的亮点随时间线性水平移动，最后到达荧光屏的最右端。在
1
～
2
时间内
（最理想情况是该时间为零）
U
x
(t)
突然回到起点
（即亮点回到荧光屏的最左端）<
/p>
。
如此
重复变化，若频率足够高的话，则
在荧光屏上形成了一条如图
4
所示的水平亮线，即
t
轴。
常规显示波形：如果在
Y
偏转板加一正电压（实际上任何所想观察的波形均可）同时在
X
偏转板加一锯齿电压，电子束受竖直、水平两个方向的力的作用下，电子的运动是两相互< p>
垂直运动的合成。当两电压周期具有合适的关系时，在荧光屏上将能显示出所加正弦电压完
整周期的波形图。如图
5
所示。
-2-
O
U
x
O
t
2
1
U
x
t
图
3
在垂直偏转板加一正弦交变电压
图
4
在水平偏转板加一扫描（锯齿）电压
3
．同步原理
亮点在
y
轴方向的位移
（
1
）
同步的概念：
为了显
示如图
5
U
（垂直输入信号
-
正弦波
)
荧光屏
所示的稳定图形，只有保证正弦波到
I
y
Cy
C
点时，锯齿波正好到
i
点，从而亮点扫
B
Dy
D
By
By
Ey
Iy
Ay
完了一个周期的正弦曲线。由于锯齿波
E
I
A
a
c<
/p>
e
b
d
f
g
h
i
F
H
t
这时马上复原，所以亮点又回到
A
点，
Fy
Hy
G
Gy
再次重复这一过程。光点所画的轨迹和
第一周期的完全重合，所以在荧光屏上
显示出一个稳定的波形，这就是所谓的
亮点在
x
轴方向的位移
a
（水平扫描信号
-
锯齿波）
b
同步
。
c
d
由此
可知同步的一般条件为：
e
f
T
x
=
nT
y
，
n
= 1
，
2
，
3
…
g
< br>其中
T
x
为锯齿波周期，
T
y
为正弦周期。
h
i
若
n
=
3
，
则能在荧光屏上显示出三个完
t<
/p>
整周期的波形。
图
5
波形显示原理图
如果正弦波和锯齿波
电压的周期稍
微不同，荧光屏上出
现的是一移动着的不
1
9
1
6
9
6
稳定图形。这情形可
U
y
用图
6<
/p>
说明。设锯齿
t
波形电压的周期
T
x
10
2
5
7
0
2
7
5
0
比正弦波电压周期
T
y
11
4
4
稍小，比如
T
x
=
nT
y
，
n
=7/8
。在第一扫描
T
x
3
8
周期内，荧光屏上显
8
12
T
y
示正弦信号
0
～
4
点
之间的曲线段；在第
U
x
二周期内，
显示
4<
/p>
～
8
7
T
x
?
T
y
点之间的曲线段，起
8
点在
4
处；第三周期
内，显示
8
～
11
点之
t
间曲线段，起点在
8
图
26-6
T
X
=(7/8)
T
Y
时的波形
处。这样，荧光屏上
显示的波形每次都不
-3-
重叠，好像波形在向右移动
。同理，如果
T
x
< br>比
T
y
稍大，则好像在向左移动
。以上描述的情
况在示波器使用过程中经常会出现。其原因是扫描电压的周期与被测信号
的周期不相等或不
成整数倍，以致每次扫描开始时波形曲线上的起点均不一样所造成的。
（
2
）手动
同步的调节：为了获得一定数量的稳定波形，示波器设有“扫描周期”
、
“扫描
微调”旋钮，用来调节锯齿波电压的周期
T
x
（或频率
f
x<
/p>
）
，使之与被测信号的周期
T
Y
（或频
率
f
Y
）成整数倍关系，从而，在示波器荧光屏上得到所需数目的完整被测波形
。
（
3
）<
/p>
自动触发同步调节：
输入
Y
轴的被测信号与示波器内部的锯齿波电压是相互独立的。
由于环境或其它因素
的影响，它们的周期（或频率）可能发生微小的改变。这时虽通过调节
扫描旋钮使它们之
间的周期满足整数倍关系，
但过了一会可能又会变，
使波形无法
稳定下来。
这在观察高频信号时就尤其明显。为此，示波器内设有触发同步电路，它从垂
直放大电路中
取出部分待测信号，
输入到扫描发生器，
迫使锯齿波与待测信号同步，
此称为“内同步”
。操
作时，首先使示波器水平扫描处于待触发状态，然后使用“电平”
< br>（
LEVEL
）旋钮，改变触
发
电压大小，当待测信号电压上升到触发电平时，扫描发生器才开始扫描。若同步信号是从
仪器外部输入时，则称“外同步”
。
4.
李萨如图形的原理
如果示波器的
X
和
Y
输入是频率相同或成简单整数比的两个正弦电压，
则荧光屏上将呈
现特殊的光点轨迹，这种轨迹图称为李萨如图形。图
7
所示的为
f
Y
：
f
x
=
2
：
1
的李萨如图
形。频率比不同的输入将形成不同的李萨如图形。图
8
所示的是频率比成简单整数比值的几
组李萨如图形。
从中可总结出如下规律：
如果作一个限制光点<
/p>
x
、
y
方向变化
范围的假想方框，
则图形与此框相切时，横边上切点数
n
x
与竖边上的切点数
n
y
之比恰好等于
Y
和
X
输入的两
正弦信号的频率之比，即
< br>f
y
：
f
x
=
n
x
：
n
y
。但若
出现图（
b
）或（
f
< br>）所示的图形，有端点与假
想边框相接时，应把一个端点计为
1/2
个切点。所以利用李萨如图形能方便地比较两正弦信
号的频率。若已知其中一个信号的频率，数出图上的切点数
n
x
和
n
y
，便可
算出另一待测信号
的频率。
U
Y
1
5
6
5
1
2
3
0
1
U
X
2
5
6
7
t
8
4
3
f
y
3
（
d
）
=
f
x
1
f
y
3
（
e
）
=
f
x
2
< br>（
f
）
f
y
4
=
f
x
3
f
y
1
（
a
）
=
f
x
1
f
y
2
（
b
）
=
f
x
< br>1
f
y
1
（
c
）
=
f
x
2
0
2
3
4
6
7
8
t
8
0
7
图
7
fy
:
fx
=2 :
1
的李萨如图形
图
8
fy
:
fx
=
n
X
:
n
y
的几种李萨如图形
5.
整流滤波原理
整流电路的任务是将交
流电变换成直流。完成这一任务是靠二极管的单向导电作用，常
见的是半波、全波、桥式
整流电路。为简单起见，二极管用理想模型来处理，并以桥式整流
电路图
9
为例分析，交流电压
U
2<
/p>
,
R
L
是要求支
流供电的负载电阻。在电压
U
2
的正、
负半周
-4-
< br>（设
a
端为正，
b
端为负是正半周）内电流通路分别用图
10
中的实线
和虚线箭头表示。
U
2
?
t
a
i
U
2
U
L
i
L
?
t
R
L
C
b
U
L
图
9
桥式整流电路图
< br>通过负载
R
L
的电流
i
L
以及电压
v
L
的波形如图
10
所示
。显然，它们是单方向的全波脉
动波形，
单个二极管的导通角为
?
。
加一滤波电容
C
，
并联的电容
C
在电源供给电压升高时，
能把部分能量存储起来，而当电源电压降低时，就把能
量释放出来，使负载电压比较平滑，
即
C
具有平波的作用，降低纹波。
?
t
图
26-10
< br>负载
R
L
的电流
i
L
以及电压
U
L
的波形
【实验仪器】
<
/p>
（
1
）
XJ43
21
示波器（面板分布图及功能请参见附录
1
< br>）
。
（
2
）
DF-1010
超低频信号发生
器（面板分布图及功能请参见附录
2
）
。
（
3
）<
/p>
EM1643
信号发生器（面板分布图及功能请参见附录
3
）
。
【实验内容】
1.
观测信号波形并测量峰
-
峰电压值和频率
（
1
）
DF-1010
超低频信号发生器
的调节
打开电源开关，调节波形选择
1
在“～”正弦波位置。倍乘为“
1
ms”,
周期挡
4
为
“
2
”
位置
，周期挡
3
为“
5
”
位置，周期挡
2
为“
0
”
位置，衰减挡
6
为“
15V<
/p>
”
，
幅度挡<
/p>
7
为
“
6V
”
,
输出
8
接
“
0
，
+A
”
。
此时从
DF-1010
超低频信号发生器输出
V
PP
＝
6V
，
频率为
400H
Z
的正弦波。
（
2
）示波器的使用
仪器使用时面板控制件位置（以<
/p>
CH1
输入为例）
，其它按键为弹出位置
，见表
1
。
面板控制件
DUAL
（
34
）
(29)
VOLTS/DIV(33)
V
ARIABLE(12)(25)(32)
POSITION (14)(23)(35)
表
26-1
面板控制件位置
作用位置
面板控制件
CH1
FOCUS(4)
AC
TRIG
MODE(16)
1
SOURCE(18)
右旋到底
CAL
SLOPE(10)
居中
TIME/DIV(15)
作用位置
信号线变细
AUTO
INT
+
0.5ms
通过
CH1
输入从
DF-
1010
超低频信号发生器输出
V
PP
＝
6V
，频率为
400Hz
的正弦波。
调节
TRIG
LEVEL
（
17
）使波形稳定
,
调节
POSITION
，读出测量值。
根据探头上的衰减比
（×
10
，×
1
）
，计算
V
P
-
P
和周期。<
/p>
-5-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
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