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示波器的使用

【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，学会使用示波器观察各种信号的波形；

3、学会使用示波器测量直流和正弦交流信号电压；

4. 观察利沙如图，学习如何测量正弦信号的频率。

【实验室仪器】

YB4320/20A/40双迹示波器、函数信号发生器、电池、万用表。

图1 实验设备实物图

【实验原理】

示波器是一种电子测量仪器，可以观察各种电信号波形，并测量它们的电压、频率等。示波器还可以观察一些可以转换成电信号的非电量，所以也是一种应用非常广泛和通用电子显示器。

一、示波器的基本结构

示波器的型号很多，但基本结构大同小异。 示波器主要由示波管、X轴和Y轴衰减器和放大器、锯齿波发生器、全步进电路、电源等组成。 其框图如图2所示。

图 2 示波器框图

(1)示波管

示波管由电子枪、偏转板和显示屏组成。

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。 灯丝通电升温，使阴极受热后放出大量电子，通过栅孔射出。 发散的电子束被圆柱形第一阳极A1和第二阳极A2产生的电场加速，然后会聚在荧光屏上的一点上，这称为聚焦。 A1与K之间的电压通常为几百伏，可用电位器W2调节。 A1与K之间的电压不仅使电子加速，而且主要达到聚焦电子的目的，所以A1称为聚焦阳极。 W2是示波器面板上的调焦旋钮。 A2与K之间的电压大于1000伏，可用电位器W3调节。 A2与K之间的电压不仅具有聚焦电子的作用，还具有加速电子的作用，因为它对电子的加速作用远大于A1，所以A2被称为加速阳极。 有的示波器面板上有W3，称为辅助调焦旋钮。

在栅极G和阳极K之间加负电压，即UK>UG，通过调节电位器W1可以改变它们之间的电位差。 G与K之间的负电压绝对值越小，通过G的电子越多，荧光屏上的光斑越亮，可以通过调节W1来调节光斑的亮度。 W1是示波器面板上的“亮度”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。 偏转板加电压后，可以改变电子束的运动方向，从而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位差成正比。

显示屏：显示屏是在示波器底部的玻璃中镀上一层荧光材料。 当高速电子撞击它时，它会发出荧光。 单位时间内撞击它的电子越多，电子的速度越大，光斑的亮度就越大。 荧光屏上的发光会持续一段时间，称为余辉时间。 根据余辉的长短，示波器分为长余辉、中余辉和短余辉三种。

(2) X轴和Y轴衰减器和放大器

示波管偏转板灵敏度低（约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，无法观察到。 因此，需要将信号电压放大后加到偏转板上。 为此，在示波器中设置了X轴和Y轴放大器。 当输入信号电压很高时，放大器不能正常工作，输入信号会失真，甚至损坏仪器，所以在放大器的前级加装衰减器。 X轴和Y轴衰减器和放大器一起使用，可以满足各种信号观测的要求。

(3) 锯齿波发生器

锯齿波发生器可以在示波器本身产生频率调节范围较宽、随时间变化的锯齿状电压波形，称为锯齿波，用作X轴偏转板的扫描电压。 锯齿波频率的调节可以通过示波器面板上的旋钮控制。 锯齿波电压低，必须经过X轴放大器放大，然后加到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，扩展Y轴输入待测信号。

2.示波器示波器原理

示波器可以在荧光屏上显示随时间变化的电压波形示波器使用方法图解，这是通过两对偏转板控制电子束来实现的。 如图3a所示，当Y轴不加电压时，机器产生的锯齿波电压ux加在X轴上。 当ux=0时，电子在E的作用下偏向a点。随着ux线性增加，电子偏向b点，经过一个循环时间TX后，ux达到最大值u xm，电子偏向b点. 在下一个循环中，电子将重复上述扫描，在荧光屏上形成一条水平扫描线ab。

图3 向偏转板施加电压时电子的偏转

如图3b所示，如果在Y轴上加正弦信号uy，在X轴上不加锯齿波信号示波器使用方法图解，则电子束产生的光斑只会上下方向振动，而垂直电压频率高cd时会形成亮线。

如图4所示，Y轴加正弦电压uy，X轴加锯齿波电压ux，fx=fy。 此时光点的运动轨迹就是X轴和Y轴运动的合成。 最后在荧光屏上显示一个完整周期的uy波形。

▌整步

从以上分析可以看出，要在荧光屏上呈现出稳定的电压波形，被测信号的频率fy必须等于或等于扫描信号频率fx的整数倍，即，fy=nf X（或TX=nT y），只有在这样的条件下，扫描轨迹重合，才能形成稳定的波形。 通过改变示波器上的扫描频率旋钮，可以改变扫描频率f X ，从而满足条件fy=nf X 。 但由于f X 的频率受电路噪声的干扰而不稳定，经常破坏fy=nf X 的关系，需要采用全步（或同步）的方法来解决。 即从外部引入一个频率稳定的信号（外整步）或将待测信号（内整步）加到锯齿波发生器中，使其自动控制保持fy=nf X的关系，使荧光屏获得稳定的待测信号波形。

图4 示波器示波器原理图

【实验仪器介绍】

现以YB4320/20A/40双迹示波器（面板如图5所示）为例，介绍示波器的一般使用方法：

图 5YB4320/20A/40/60 前面板示意图

一、YB4320/20A/40/60双迹示波器旋钮开关的作用

A.电源及示波器控制系统

交流电源插座，下端装有保险丝管。

(1)电源开关(POWER)：按钮弹出时为“关机位置”。 按到“开”位置。

(2) 电源指示灯：当电源打开时，该指示灯亮。

(3)亮度旋钮(INTENSITY)； 顺时针旋转以增加亮度。

(4) 聚焦旋钮（FOSUS， ）：用于调节光迹和波形的清晰度。

(5) TRACE ROTATION旋钮(TRACE ROTATION)：用于调整迹线与水平刻度线的平行度。

(6) 刻度亮度旋钮(SCALE ILLUM)：用于调节屏幕刻度的亮度。

B、垂直系统

(30) 通道1输入[CH1INPUT(X)]：用于垂直输入。 在 XY 模式下，输入端的信号变为 X 信号。 (22)(29)、AC-GND-DC耦合选择开关(AC-GND-DC)选择垂直放大器的耦合方式。

交流电（AC）：垂直输入端通过电容耦合

接地（GND）：放大器的输入端接地

直流电 (DC)：垂直放大器输入直接耦合到信号。

(26)(33)：衰减开关(VOLT/DIV)：用于选择垂直偏转灵敏度的调节。如果您正在使用

10:1 探头。 以 10 计算振幅。

(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。 正常情况下，该旋钮应在顺时针旋到底的位置。 逆时针转动旋钮到底，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×5扩展键，垂直方向的信号将扩展5倍，灵敏度最高为 1mv/div。

(23) (35)：垂直位移（POSITION）调整光迹在屏幕上的垂直位置。 垂直模式工作键（VERTICAL MODE）选择垂直方向的工作模式。

(34)：通道1选择(CH1)：屏幕上只显示CH1的信号。

(28)：通道2选择(CH2)：屏幕上只显示CH2的信号。

(34)(28)：双轨选择（DVAL）：同时按下CH1和CH2键，双轨出现在屏幕上，自动间歇或交替同时显示CH1和CH2的信号。

(31)：叠加(ADD)：显示CH1、CH2输入电压的代数和。

(21)：CH2极性开关(INVERT)：按下此开关时，CH2显示反相电压值。

C.水平部分

(15)：扫描时间系数选择开关(TIME/DIV)：共20档。 在0.1μs/div~0.2s/div范围内选择扫描速率。

(11)：X—Y控制键。 选择XY工作模式时，垂直偏转信号接CH2输入端，水平偏转信号接CH1输入端。

(23)：通道2垂直平移键(POSITION)：控制通道2信号在屏幕上的垂直位置。 当工作在 X—Y 模式时，该键用于 Y 方向的平移。

(12)：扫描微调控制键(VARIBLE)：该旋钮顺时针旋到底时处于校准位置，扫描由Time/Div开关指示。 当旋钮逆时针旋转到底时，扫描速度会减慢2.5倍以上。 在正常操作期间，旋钮处于“校准”位置。

(14)：水平移位(POSITION)：用于调整轨道在水平方向的移动。 顺时针旋转，光迹向右移动，逆时针旋转，光迹向左移动。

(9)：当按下扩展控制键（MAG×5）、（MAG×10，仅限YB4360）时，扫描系数扩展×5或×10。 扫描时间为 Time/Div 开关指示值的 1/5 或 1/10。 例如，扩大×5时，100μs/Div为20μs/Div。 部分波形扩展：将波形尖端移至水平尺寸的中心，按×5或×10扩展按钮，波形将扩展5倍或10倍。

(8)：ALT扩展键（ALT—MAG）：按此键，扫描系数×1； ×5 或×10 将同时显示。 此时，要将放大的部分移动到屏幕中央，请按 ALT-MAG 键。 扩展后的光迹可以通过光迹控制键（13）移动距离*1光迹1.5div或更远的地方分开。 同时使用垂直双迹法和水平ALT-MAG，在屏幕上同时显示四条光迹。

D. 触发器（TRIG）

(18)：触发源选择开关(SOVRCE)：选择触发信号源。

内部触发（INT）：CH1或CH2的输入信号为触发信号。

通道 2 触发 (CH2)：CH2 上的输入信号是触发信号。

电源触发（LINE）：电源频率成为触发信号。

外部触发（EXT）：触发输入端的触发信号为外部信号，用于特殊信号的触发。

(43)：交替触发（ALT TRIG）：双轨交替显示时，触发信号交替来自两个Y通道。 这种方法可以用来同时观察两个不相关的信号。

(19)：外触发输入插座(EXT INPVT)：用于外触发信号的输入。

(17)：触发电平旋钮(TRIG LEVEL)：用于调节被测信号在某一电平触发同步。

(10)：触发极性键(SLOPE)：触发极性选择。 用于选择信号的上升沿和下降沿触发。

(16)：触发模式选择（TRIG MODE）：

自动（AUTO）：在自动扫描模式下，扫描电路自动扫描。 当没有信号输入或输入信号未同步触发时，扫描基线仍可显示在屏幕上。

正常状态（NORM）：只有有触发信号才能进行扫描，否则屏幕上不会显示扫描线。 当输入信号频率低于 20HZ 时，使用普通触发方式。

(41)：Z轴输入连接器（后面板）（Z AXTS INPVT）：Z轴输入端。 当加入正信号时，亮度降低； 当添加负信号时，亮度会增加。 正常情况下的5V PP信号可以产生明显的亮度调节。

(39)：通道1输出(CH1OVT)：通道1信号输出接口，可作为频率计输入信号。

(7)：校准信号(CAL)：电压幅值为0.5V PP，频率为1KHZ的方波信号。

(27)：接地柱 ⊥：接地端子。

【实验内容及步骤】

1.调整示波器观察标准方波波形

熟悉YB4320/20A/40/60双迹方波控制面板上各控制器的功能。

电源和扫描

(1)确认使用的市电电压为198V~242V。 确保使用的保险丝是指定类型。

(2) 关闭“电源”开关，将电源开关（POWER）弹至“关”位置。 插入电源线。

(3) 将各个控制键设置到对应位置如下：

亮度（INTENSITY）：顺时针旋转到底； 焦点（FOCUS）：中； 垂直移动（POSITION）：中间（×5）键弹出； 垂直模式：CH1； 触发方式（TRIG MODE）：自动（AUTO）； 触发源（SOVRCE）：内部（INT）； 触发电平（TREG LEVEL）：中等； 时间/格（Time/Div）：0.5μs/格； 水平位置：X1（×5MAG）（×10MAG）全部弹出。

(4) 打开“电源”开关，约15秒后，扫描痕迹出现。

重点

(1)调节“垂直移动”旋钮，使光迹移动到荧光屏观察区域的中心。

(2)调节“亮度(INTENSITY)旋钮”，将光迹的亮度调节到需要的程度。

(3)调节“FOCUS旋钮”使光迹清晰。

添加触发信号

(1) 将下列控制开关或旋钮置于相应位置：

垂直模式：CH1； AC—GND—DC（CH1）：直流； V/DIV (CH1): 5mv;

微调（CH1）：（CAL）校准：耦合方式：AC； 触发源：CH1

(2) 用探头将“校准信号源”送到CH1的输入端。

(3) 将探头“衰减比”旋转至“×10”位置，调节“电平”旋钮触发仪器。

将触发电平调离“自动”位置，逆时针旋转直到方波波形稳定，然后微调“聚焦”和“辅助聚焦”使波形更清晰，将波形移到中间的屏幕。 此时方波在Y轴上占5div，在X轴上占10div，否则需要标定。

2.观察各种信号波形

图 6 交流电压测量

将函数信号发生器的输出端接到示波器的“Y轴输入”端，观察正弦波、方波、三角波等波形，调节示波器相关旋钮，使波形稳定出现在示波器上荧光屏。 在表1中记录步骤1和2的相关数据。

3、电压测量

(1)电压的定量测量。 将“V/DIV”微调置于“CAL”位置，即可定量测量电压。 测量值可以通过以下公式计算：

用探头“×1位”测量时，其电压值为：V=V/DIV设定值×信号显示幅值（DIV）

用探头“×10位”测量时，其电压值为：U=V/DIV设定值×信号显示幅度（DIV）×10。

(2) 直流电压测量。 该仪器具有输入阻抗高、灵敏度高、响应速度快等优点，测量过程介绍如下：

将Y轴输入耦合选择开关设置为“⊥”，将“Level”设置为“Auto”。 在屏幕上形成一条水平扫描基线，将“v/div”和“t/div”放在合适的位置，将“v/div”的微调旋钮放在校准位置，调整Y - 轴位移，使水平扫描基线位于屏幕上标记的特定参考（0 伏特）。

①将“Scan Mode”开关拨到“AUTO”（自动）位置，选择“Scan Speed”，使扫描光迹不闪烁。 ②将“AC—GND—DC”开关拨到“DC”位置，将被测电压加到输入端。 扫描线的垂直位移就是信号的电压幅度。 如果扫描线向上移动，则测得的电压相对于地电位为正； 如果扫描线向下移动，则电压相对于地电位为负。 电压值可以通过上面的公式得到。 例如探头衰减比设置为×10，垂直偏转系数（V/Div）设置为“0.5v/div”，微调旋钮设置为“CAL”，测得的扫描迹线高出 5div。 根据公式，测得的电压为：

0.5(伏/格)×5(格)×10=25V

测量三次直流电压值，取平均值，记录在表2中。

(3) 交流电压测量。 将“V/DIV”开关调整到适当的位置，以获得易于读取的信号幅度。 从下面图 6 所示的图表中读取这个幅度，并使用公式计算它。

测量叠加在直流电压上的交流电压时，设置“AC-GND-

当“直流”开关置于直流位置时，可以测量所含直流分量的值。 要是

测量交流分量，将开关拨到“交流”位置，这样测量

获得的值是峰-峰电压(VP -P )。 正弦波信号的有效值为： 。 测量三次，取平均值，计算其有效值。 生产单位??=4

2U pp U ? 记录在表3中。

例如，如果探头衰减比设置为×1，则垂直偏转系数

(V/DIV)设置到“5v/div”位置，“微调”旋钮设置到“校正(CAL)”位置，被测波形峰峰值为6格（见图 6)。 则UP-P =5(V/div)×6(div)=30V RMS电压为：V=30/=10.6(V)

224. 时间测量

信号波形两点之间的时间间隔可按以下公式计算：

时间（s）=（Time/DIV）设定值×被测时间对应的长度（div）ד5倍扩大”旋钮设定值的倒数。

上式中：将“Time/DIV”微调旋钮设置在CAL位置。 读取“Time/DIV”和“×5倍扩展”旋钮的设置值。 “×5倍扩展”旋钮设置值的倒数，在不扩展扫描时为“1”，在扩展扫描时为“1/5”。

(1)脉宽测量方法如下：

①调整脉搏波形的垂直位置，使脉搏波形的顶部和底部与刻度水平线的距离相等，如图7所示

②将“Time/DIV”开关调至合适的位置，使扫描信号的光迹易于观察。

图7 脉冲宽度测量 图8 上升（或下降）时间测量 ③ 读取上升沿与下降沿中点的距离，即脉冲沿

与水平刻度线相交的两点之间的距离，然后用公式计算脉冲

打孔宽度。

例如，在图 7 中，“Time/DIV”设置为 10μs/div，

然后是脉冲宽度

ta=10(μs/div)×2.5(div)=25(μs)

(2)脉冲上升(或下降)时间的测量方法如下：

①调整脉冲波形的垂直位置和水平位置，方法和脉冲

冲孔宽度以相同的方式测量。 ② 在图8中，读取上升沿10%到90%Um所经过的时间

tr，则tr =50(μs/div)×1.1(div)=55(μs)

频率测量

频率测量有两种方法：

(1)由时间公式计算输入周期T(单位为S)，然后用下面的

计算信号频率的公式：f=

=(HZ) T 1 cycle 1(2) 统计有效区域n内10div内重复循环的次数。 （时间单位

为S)，则用下面的公式计算信号的频率f=n/[(Time/DIV)

设定值 × 10 (div )]

当n很大（30~50）时，第二种方法比第一种更准确

太高了这个精度约等于扫描速度的设计精度。但是

当n较小时，由于难以计数到小数点以下，会造成较大的误差。

例如，在图9中，方波的“Time/DIV”设置在“10μs/div”的位置。

测得的波形如图B1.6所示，10格内的重复周期数n=40，则信号的

频率为：f ==400KHZ.10(aiv)

s/aiv) (1040×μ5, 相位测量

两路信号相位差的测量可利用仪器的双迹显示功能

可以进行。图 B1.​​7 给出了两个领先和滞后

正弦波信号，以双迹方波为例。此时，“触发源”开关必须

必须放在与超前信号相连的通道内，同时调节“Time/DIV”开关，使

显示的正弦波波形大于1个周期，如图B1.7所示，一个周期为

6格，则1格刻度代表波形相位60o，所以相位差ΔΦ=(div)数

×2π/格/周期=1.5×360o/6=90o

6.如图所示观察Lissa

按下“XY”按钮，从“ch1”端口输入的信号将被

为X轴信号，其偏转灵敏度仍根据通道的垂直偏转系数开关指标。

读取指示值，从“ch2”端口输入Y轴信号，此时示波器工作

XY 显示模式。

当示波器的X轴和Y轴同时输入正弦信号时，光斑的移动

是两个相互垂直的谐波振动的合成，如果它们的频率比 fx:fy = 整数

计数时，得到的轨迹是一个封闭的图形，称为利萨如图形。利萨如图形的图形与两个信号的频率比和相位差有关，但利萨如图形与频率比有以下简单关系两个信号

他们

xy

nnff =nx , ny分为李萨如图形的外接水平线的切点数和外接竖线的切线数，如图11

显示

图 11 丽莎

因此，如果已知fx和fy中的一个，并观察它们形成的李萨如图形，则可以通过外接水平线和外接垂直线的切点数之比来测量另一个信号的频率。 实验时，在X轴输入一定频率的正弦信号作为标准信号，在Y轴输入待测信号，调整Y轴信号的频率，得到三个不同的nx:ny李萨如图，计算fy，读取Y轴输入信号发生器的频率fy/。

用两个信号发生器同时向示波器的X轴和Y轴输入正弦信号，调节两个信号发生器的输出频率，观察： 等待5种情况下的利萨如图，绘制纸上实验坐标中的图形。 2个

313121121,,,,ffyx = [数据记录与处理] 表1观察各种波形

表2 实测直流电压数据

测试波形

振幅

频率 Volts/div Y grid number V PP A Time/div X grid number T f

校正波

表3 实测正弦交流电压数据

表4 用方格纸描绘李萨如图形（或频率比由实验指导老师指定）

【思考题】

1、如果示波器正常，观察波形时荧光屏上看不到任何东西，可能是什么原因？ 如何回忆实验中的波形？

2、用示波器观察波形时，波形在示波器上的移动不稳定。 为什么？ 应该调整哪些旋钮使其稳定？

3、测量直流电压并确定其水平扫描基线时，为什么要把Y轴输入耦合选择开关拨到“⊥”？

4、假设在示波器的输入端输入一个正弦电压，使用的水平扫描频率为120Hz，屏幕上出现三个完整的正弦波周期，请问输入电压的频率是多少？

5、一位同学用示波器测量了一个正弦交流电压。 与用万用表测得的值相比，差别很大。 是什么原因？

6、观察李萨如图，当两个相互垂直的正弦信号频率相同时，图上的波形还在旋转。 为什么？

7、如何用示波器测量两个同频正弦信号的相位差？

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