电子示波器工作原理与使用(实验用)

电子示波器的原理和使用

示波器是一种用途广泛的电子测量仪器，用它能直接观察电信号的波形，也能测定电压信号的幅度、周期和频率等参数。用双踪示波器还可以测量两个信号之间的时间差或相位差。凡是能转化为电压信号的电学量和非电学量都可以用示波器来观测。借助示波器我们可以直观地“看到”电路各点的状态。示波器的扫描方式是一个可以看到波形的“电压表”；Ｘ－Ｙ方式可以观察两个电子信号的垂直方向的合成，因此示波器是电子工作者的重要工具。 一. 实验目的

1. 了解示波器的原理。

2. 学会使用示波器的扫描应用和Ｘ－Ｙ方式应用。 二. 实验仪器

示波器、信号源、甲电池等 三. 实验原理

电子示波器（简称示波器）是一种能将随时间变化的电压信号直观的显示在荧光屏上的仪器。示波器由示波管、Y轴系统、X轴系统等组成。图3-23-1是示波器的原理框图。

图3-23-1示波器的原理框图

(１)示波器的聚焦和偏转原理

图3-23-2示波管结构示意

示波器中用于显示波形的真空玻璃管叫阴极射线管，简称示波管。如图3-23-2所示。示波管的正面是一个涂有荧光物质的园形屏，当管中的高速运动电子打上去时，就会发出荧光。一般的示波器都是热阴极：阴极由灯丝通电后加热后，阴极上的电子由于热运动而脱离出阴极，称为热激发。由于示波器中的第二阳极电压比阴极高上千伏特。因此，电子被加速后轰击到荧光屏上，使该处的荧光物质发光。 1. 辉度

设电子由阴极热激发时的速度为V0 ,电子到达第二阴极的速度为V2 ,阴极和阳极之间的电压为U2 ,则有：

12图

式中m是电子的质量，且V0<

2mV2?1mV0?eU2

为了控制电子束轰击荧光屏上的强度，也就是控制单位时间轰击荧光屏的电子数目，在阳极前面加一个零到几十伏特的调制极，其形状是一个开有小孔的金属罩，由于调制极电位比阴极要低，而且调制极的电位越低，穿过金属罩小孔的电子越少，亮度越弱。调节调制极的电位，就能够改变荧光屏上光斑的亮度，这就是面板上“辉度”旋钮的作用。 2. 电聚焦

在两个第二阳极A2之间设有一个特殊形状的第一阳极，给第一阳极加上比第二阳极低的电位（例如第二阳极1200V，第一阳极255V），由于第一阳极和第二阳极之间有电位差，其特殊形状的电极构成电子

mV2?2eU2透镜，如光学透镜能会聚光一样，电子透镜能会聚射向荧光屏的电子束。电子透镜聚焦条件由第二阳极A2上的电位U2和第一阳极A1上的电位U1之比决定，调节聚焦U1和辅助聚焦U2就是调节两电位之比，这就是示波器的电聚焦原理。 3、电偏转

由阴极热激发的电子经第二阴极加速后，在到达荧光屏之前，还要经过由水平偏转极板和垂直偏转极板所围成的空间。在偏转极板上加上几十伏特的偏转电压。当电子穿过偏转极中间时，由于受电场力的作用而使电子束偏离直线。偏转电压越大，电场力越大，荧光屏上的亮点偏离荧光屏中心越远，这图3-23-4 锯齿波波形图 就是电偏转原理。

(2) 示波器的扫描原理

如果只在竖偏转板（Y轴）上加一正弦波电压，则电子束将随电压的变化只在竖直方向上往复运动，由荧光屏上看到的是一条竖直亮线。如图3-23-3所示。

要能显示波形，必须同时在水平偏转板加一扫描电压，使电子束的亮点沿水平方向拉开。这种扫描电压的特点应是：电压随时间成线性关系增加到最大值，然后突然回到最小，此后再重复变化。这种扫描电压随时间变化的关系曲线形同“锯齿”，故称为“锯齿波电压”，如图3-23-4所示。如果只在水平转板（X 轴）加上这样的锯齿波电压，则电子束随电压的变化只在水平方向上往复运动，由荧光屏上看到的是一条水平亮线。如图3-23-4所示为只在水平转板上加一锯齿波电压的情形。

如果在竖直偏转板上（Y轴）加正弦波电压，同时在水平偏转板上（X 轴）加锯齿波电压，电子束同时受竖直和水平两个方向电场力的作用，电子的运动是两互相垂直运动的合成。当锯齿波电压比正弦电压变化周期相等时，在荧光屏上能显示完整周期的正弦波电压的波形图，如图3-23-5所示为示波器显示正弦波形的原理图。 １. 连续扫描

如果正弦波和锯齿波电压的周期稍有不同，屏上出现的是移动着的不稳定图形。这种情况可以用图3-23-6说明：设X 轴加的锯齿波电压的周期TX比Y 偏转板上的正弦波电压周期TY 稍小。比如TX /TY=7/8，在第一扫描周期(第一个锯齿波)内，屏上显示正弦信号0-4点之间的曲线段；在第二周期（第二个锯齿波）内，显示4-8点之间的曲线段；在第三周期（第三个锯齿波）内，显示8-11点之间的曲线断段。其中第一个

曲线段的结束和第二个曲线段的起点对应相同的Y 偏转电压。第二曲线断的尾部和第三曲线段的起点对应相同的Y 偏转板电压。这样，在屏上显示的波形不重迭，好象波形在向右移动。如果TX和TY差别稍大一些，一个一个的波形由于荧光屏的余辉和人眼的视觉暂留，看到的是多个波形在屏上的迭加结果。其原因是扫描电压的周期TX与被测信号的周期TY不相等或不成整数倍关系，以致于每次扫描的起点在Y轴上不相同。

为了获得稳定波形(单一波形)，每次扫描在Y 轴上应有相同的起点。在连续扫描中，锯齿波的周期称为扫描周期，扫描周期TX和Y轴上被测信号周期TY之间应满足

T?nT（n是整数） XY在示波器上设有扫描范围和扫描微调以及整步调节，用来调节TX，使之满足nTX=nTY 。从而在示波器上得到完全重迭的波形，看到的是单一稳定的波形。称之为同步扫描。

上面所述的X轴锯齿波是一个紧接一个产生的,称为连续扫描方式。

2. 触发扫描方式

为了获得稳定波形(单一波形)，每次扫描在Y 轴上应有相同的起点。在示波器的扫描方式中，另一种称为触发扫描方式：在触发扫描方式中，X 轴所加的锯齿波 UX 和Y 轴待测电压 UY之间的关系如图3-23-7所示。在触发扫描中。锯齿波的起点由被测信号的某一斜率和电平点触发产生，一个锯齿波显示

一屏，一个锯齿波结束后，等候待测信号UY相同的斜率和电平点再次触发产生下一个锯齿波。由于每屏波形起点对应待测信号UY相同的斜率和电平（每屏有相同的起点），所以波形自然稳定(各屏重迭)。 (3)X-Y方式：李萨如图形

如果示波器的X轴和Y轴输入是频率相同或成整数比的两个正弦电压，则屏上将呈现特殊形状的光点的轨迹，这种轨迹称为李萨如图形。图3-23-8所示为 fX ：fY=2 ：1 的李萨如图形。频率比不同时，将形成不同的李萨如图形。图3-23-8所示的是频率比成简单整数比的几组李萨如图形。从图形中可总结出如下规律：fX ：fY=nX:：nY ，其中nX为水平线与轨迹相切的切点数,nY为竖直线与轨迹相切的切点数。利用李萨如图形能方便准确地比较两交变信号的频率。

(4)示波器的测量原理 示波器除了能直观地显示之外，其测量内容可归结为两类：电压和时间的测量，而电压和间的测量最后都归结为屏上波形长度的测量。 1. 电压的测量

示波器屏上光点Y轴偏转距离DY正比于输入电压UY，比例系数KY称为电压偏转因数，有DY=KYUY ,Y轴电压偏转因数KY的单位为：V/DIV。

2. 时间的测量

在触发扫描方式的示波器中，每个锯齿波的长度是确定的（在连续扫描方式中锯齿波的长度不确定），也就是说，在触发扫描方式的示波器中，每一屏的时间是确定的。利用波形在X轴上的长度，可以测量屏上波形两点之间的时间间隔。在扫描方式时，示波器屏上光点X轴偏转距离DX正比于时间t，比例系数KS称为时基因数，有DX=KSt，时基因数KS的单位为：S/DIV。

在触发扫描方式的示波器中，一般在出厂时Y轴的电压偏转因数和X轴扫描的时基因数都已标定了。 四. 实验内容

1. 示波器的光点调节 调节亮度和聚焦。

2. Y轴系统调节

把待测信号接到Y轴，选择Y轴输入方式为交流耦合或直流耦合方式。调节Y轴电压偏转因数（或Y轴衰减），使信号在屏内大小适中。

3. 扫描方式的X轴系统调节 选择扫描方式为“内”方式。（如果是连续扫描示波器,选择合适的扫描范围,调节扫描微调或同步调节,应能显示出稳定波形。） 选择触发斜率的正负，调节触发电平，即可显示出波形。 4. 观测李萨如图形

观测李萨如图形时，示波器应设在X-Y方式。

2. Y轴系统调节

把待测信号接到Y轴，选择Y轴输入方式为交流耦合或直流耦合方式。调节Y轴电压偏转因数（或Y轴衰减），使信号在屏内大小适中。

3. 扫描方式的X轴系统调节 选择扫描方式为“内”方式。（如果是连续扫描示波器,选择合适的扫描范围,调节扫描微调或同步调节,应能显示出稳定波形。） 选择触发斜率的正负，调节触发电平，即可显示出波形。 4. 观测李萨如图形

观测李萨如图形时，示波器应设在X-Y方式。

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