爱华网实验名称：示波器原理及应用
实验目的：1．了解通用示波器的结构和工作原理
2．进一步学习示波器的使用
实验器材：数字发生器，示波器，接线等
实验原理：
一、示波器的结构
示波器主要由X轴系统、Y轴系统及电源组成。其中X轴系统主要是X扫描电路和水平放大电路，Y轴系统主要包括Y通道放大器电路，电源主要是由低、高压电源和示波管组成。图为其原理框架图：
1．示波管（CRT）：全称是阴极射线管，它是示波器的核心部件，由一个抽成高度真空的玻璃壳，内部有电子枪及荧光屏(S)等组成。当管中的高速运动电子打上荧光屏时,就会发出荧光。一般的示波器都是热阴极。阴极由灯丝通电加热后,阴极上的电子由于热运动而脱离阴极,称为热激发。由于示波器中的第二阳极A2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。图为其基本结构示意图：
(1)电子枪：用以产生定向高速电子流．由灯丝(H)、阴极、栅极、第一阳极(A1)、
第二阳极A2组成．
灯丝通过电流，加热阴极，并在阴极表面逸出大量电子．电子受到第一阳极电场力的作用，穿过栅极的中心小孔，形成电子束，栅极电位对阴极电位为负值．因此，调节栅极对阴极电压大小，就可控制阴极发射电子束的强度，直到使电子发射截止，所以栅极又叫控制极，仪器面板上的辉度(*)调节旋钮，就是调节栅压的，同时栅压和第一阳极电压产生的电位空间分布，使电子在栅极附近形成一个最小截面，即聚焦点，并在第一阳极作用下电子被加速，并又发散，调节聚焦电位器，使电子束再次会聚，并在第二阳极作用下，电子继续被加速，其速度可达10７米/秒数量级，达到并轰击荧光屏，形成个亮斑．
在示波管内，对称于轴线设置了两对相互垂直的偏转板：一对为垂直偏转板(YY)，或称Y轴；另一对为水平偏转板(XX)，或称X轴．如果在偏转板上加电压，通过偏转板中心轴线的电子束，将发生偏转，在荧光屏平面上光点将发生位移．位移的距离与加在偏转板上的电压成正比，如果只在水平偏转板上加电压，电子束线将发生水平方向的偏转，光点将发生水平位移，如果只在垂直偏转上加电压，电子束线将发生垂直方向的偏转，光点发生垂直位移，若偏转板上不加电压(或等电位)，电子束线将不发生偏转，光点居荧光屏中央，若被测信号加在垂直偏转板上，同时在水平偏转板加一锯齿波变化的扫描电压，荧光屏上将会不失真的地显示出被测信号的波形．
(2)荧光屏在示波管大头端内壁，涂有一层荧光物质，形成荧光屏，它受到电子轰击而产生发光亮点，光点颜色视荧光物不同而异．
2．控制电路组成及其作用
示波器内部电路主要有扫描电路，同步、水平、垂直轴放大器，电源电路，其电路主要框图如图所示．
(1)X轴输入放大、衰减电路，Y轴放大、衰减电路，其作用是将输入的小信号放大，大信号衰减，以便在荧光屏上观测。
(2)电源电路包括低压电源电路和高压电源电路，低压电源供给示波器各工作电路电压，高压电源电路供给示波管各极电压。
(3)标准信号电路
是指水平时基扫描系统电路．在通过水平放大器放大并校准后的扫描电压作为时基信号馈加于示波管的X偏转板，使加于垂直偏转板间的被测信号按时基变化的波形图象，在屏上显示出来，便于进行观察。
二、示波原理(扫描原理)
只在Y偏转板加一正弦波电压的情形 |
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14-4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14-4所示为只在水平转板上加一锯齿波电压的情形。
锯齿波波形图 |
示波器显示正弦波 |
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14-5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14-6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
不稳定波形的形成 |
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
（n是整数）
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
触发扫描波形 |
3．X-Y方式（李萨如图形）
李萨如图形  |
三、示波器的使用
1．电源(Power)
示波器主电源开关。当此开关按下时，电源指示灯亮，表示电源接通。
2．辉度(Intensity)
旋转此旋钮能改变光点和扫描线的亮度。观察低频信号时可小些，高频信号时大些。
一般不应太亮，以保护荧光屏。
3．聚焦(Focus)
聚焦旋钮调节电子束截面大小，将扫描线聚焦成最清晰状态。
4．标尺亮度(Illuminance)
此旋钮调节荧光屏后面的照明灯亮度。正常室内光线下，照明灯暗一些好。室内光线不足的环境中，可适当调亮照明灯。
5．垂直偏转因数选择(VOLTS／DIV)和微调
在单位输入信号作用下，光点在屏幕上偏移的距离称为偏移灵敏度，这一定义对X轴和Y轴都适用。灵敏度的倒数称为偏转因数。垂直灵敏度的单位是为cm/V，cm／mV或者DIV／mV，DIV／V，垂直偏转因数的单位是V／cm，mV／cm或者V／DIV，mV／DIV。实际上因习惯用法和测量电压读数的方便，有时也把偏转因数当灵敏度。
踪示波器中每个通道各有一个垂直偏转因数选择波段开关。一般按1，2，5方式从5mV／DIV到5V／DIV分为10档。波段开关指示的值代表荧光屏上垂直方向一格的电压值。例如波段开关置于1V／DIV档时，如果屏幕上信号光点移动一格，则代表输入信号电压变化1V。
每个波段开关上往往还有一个小旋钮，微调每档垂直偏转因数。将它沿顺时针方向旋到底，处于“校准”位置，此时垂直偏转因数值与波段开关所指示的值一致。逆时针旋转此旋钮，能够微调垂直偏转因数。垂直偏转因数微调后，会造成与波段开关的指示值不一致，这点应引起注意。许多示波器具有垂直扩展功能，当微调旋钮被拉出时，垂直灵敏度扩大若干倍(偏转因数缩小若干倍)。例如，如果波段开关指示的偏转因数是1V/DIV，采用×5扩展状态时，垂直偏转因数是0．2V／DIV。
6．时基选择(TIME／DIV)和微调
时基选择和微调的使用方法与垂直偏转因数选择和微调类似。时基选择也通过一个波段开关实现，按1、2、5方式把时基分为若干档。波段开关的指示值代表光点在水平方向移动一个格的时间值。例如在1μS／DIV档，光点在屏上移动一格代表时间值1μS。
“微调”旋钮用于时基校准和微调。沿顺时针方向旋到底处于校准位置时，屏幕上显示的时基值与波段开关所示的标称值一致。逆时针旋转旋钮，则对时基微调。旋钮拔出后处于扫描扩展状态。通常为×10扩展，即水平灵敏度扩大10倍，时基缩小到1／10。例如在2μS/DIV档，扫描扩展状态下荧光屏上水平一格代表的时间值等于2μS×(1/10)=0.2μS。
示波器的标准信号源CAL，专门用于校准示波器的时基和垂直偏转因数。例如COS5041型示波器标准信号源提供一个VP-P=2V,f=1kHz的方波信号。
示波器前面板上的位移(Position)旋钮调节信号波形在荧光屏上的位置。旋转水平位移旋钮(标有水平双向箭头)左右移动信号波形，旋转垂直位移旋钮(标有垂直双向箭头)上下移动信号波形。
7．输入通道选择（channel）
输入通道至少有三种选择方式：通道1(CH1)、通道2(CH2)、双通道(DUAL)。选择通道1时，示波器仅显示通道1的信号。选择通道2时，示波器仅显示通道2的信号。选择双通道时，示波器同时显示通道1信号和通道2信号。测试信号时，首先要将示波器的地与被测电路的地连接在一起。根据输入通道的选择，将示波器探头插到相应通道插座上，示波器探头上的地与被测电路的地连接在一起，示波器探头接触被测点。示波器探头上有一双位开关。此开关拨到“×1”位置时，被测信号无衰减送到示波器，从荧光屏上读出的电压值是信号的实际电压值。此开关拨到“×10"位置时，被测信号衰减为1／10，然后送往示波器，从荧光屏上读出的电压值乘以10才是信号的实际电压值。
8．输入耦合方式
输入耦合方式有三种选择：交流(AC)、地(GND)、直流(DC)。当选择“地”时，扫描线显示出“示波器地”在荧光屏上的位置。直流耦合用于测定信号直流绝对值和观测极低频信号。交流耦合用于观测交流和含有直流成分的交流信号。
9．触发源(Source)选择
要使屏幕上显示稳定的波形，则需将被测信号本身或者与被测信号有一定时间关系的触发信号加到触发电路。触发源选择确定触发信号由何处供给。通常有三种触发源：内触发(INT)、电源触发(LINE)、外触发（EXT)。
内触发(INT)使用被测信号作为触发信号，是经常使用的一种触发方式。由于触发信号本身是被测信号的一部分，在屏幕上可以显示出非常稳定的波形。双踪示波器中通道1或者通道2都可以选作触发信号。
电源触发(LINE)使用交流电源频率信号作为触发信号。这种方法在测量与交流电源频率有关的信号时是有效的。特别在测量音频电路、闸流管的低电平交流噪音时更为有效。
外触发（EXT)使用外加信号作为触发信号，外加信号从外触发输入端输入。外触发信号与被测信号间应具有周期性的关系。由于被测信号没有用作触发信号，所以何时开始扫描与被测信号无关。
10．触发耦合(Coupling)方式选择
AC耦合又称电容耦合。它只允许用触发信号的交流分量触发，触发信号的直流分量被隔断。通常在不考虑DC分量时使用这种耦合方式，以形成稳定触发。但是如果触发信号的频率小于10Hz，会造成触发困难。
直流耦合(DC)不隔断触发信号的直流分量。当触发信号的频率较低或者触发信号的占空比很大时，使用直流耦合较好。
低频抑制(LFR)触发时触发信号经过高通滤波器加到触发电路，触发信号的低频成分被抑制；高频抑制(HFR)触发时，触发信号通过低通滤波器加到触发电路，触发信号的高频成分被抑制。此外还有用于电视维修的电视同步(TV)触发。这些触发耦合方式各有自己的适用范围，需在使用中去体会。
11．触发电平(Level)和触发极性(Slope)
触发电平调节又叫同步调节，它使得扫描与被测信号同步。电平调节旋钮调节触发信号的触发电平。一旦触发信号超过由旋钮设定的触发电平时，扫描即被触发。顺时针旋转旋钮，触发电平上升；逆时针旋转旋钮，触发电平下降。当电平旋钮调到电平锁定位置时，触发电平自动保持在触发信号的幅度之内，不需要电平调节就能产生一个稳定的触发。当信号波形复杂，用电平旋钮不能稳定触发时，用释抑(HoldOff)旋钮调节波形的释抑时间(扫描暂停时间)，能使扫描与波形稳定同步。
极性开关用来选择触发信号的极性。拨在“+”位置上时，在信号增加的方向上，当触发信号超过触发电平时就产生触发。拨在“-”位置上时，在信号减少的方向上，当触发信号超过触发电平时就产生触发。触发极性和触发电平共同决定触发信号的触发点。
12．扫描方式(Mode)
扫描有自动(Auto)、常态(Norm) 、TV-V和TV-H四种扫描方式。
自动（连续）：当无触发信号输入，或者触发信号频率低于50Hz时，扫描为自激方式。
常态（触发）：当无触发信号输入时，扫描处于准备状态，没有扫描线。触发信号到来后，触发扫描。其优点为一旦显示波形，便是稳定的波形，不会出现震荡状态。
实验内容：
1．练习使用示波器
2．打开数字发生器，把其输出波形调到正弦波。再把示波器的扫描方式置Norm状态，调节时基选择和微调按钮，使示波器出现稳定的正弦波形。此时调节X位移使能看见波的起始点，再慢慢调节Y位移旋钮可以发现波起始点到上升（下降）差不多到波峰（谷）时波形会突然消失。在调过X位移旋钮后，也可以先调节Y位移使波起始点接近波峰（谷）但仍显示，此时再调节数字发生器输出波形的峰值，也会发现波形会瞬间消失。
