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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的波形和高速变化情况，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、频率和相位等各种参数。通过各种传感器，示波器还可用来观察各种物理量、化学量、生物量等的高速变化过程，成为科学研究和生产活动中强有力的工具和检测手段。现在示波器已成为所有高科技研究、开发和应用单位的必备基本仪器，各种行业的检测和生产部门以及家用电器的维修也都离不开它。

【实验目的】

1．了解示波器的结构和原理；

2．学习示波器和信号发生器的基本使用方法；

3．测量正弦信号的幅度和周期；

4．学会用示波器观察李萨如图形。

【实验原理】

1．示波器的分类

示波器分为数字式和模拟式两大类。自示波器发明以来的大半个世纪中，模拟式示波器一直占主导地位，并且至今还在国内外广泛地使用着。模拟式示波器的规格和型号尽管很多，但它们都由下面几个基本部分组成：示波管（又称阴极射线管）、竖直放大器（Y放大）、水平放大器(X放大）、扫描锯齿波发生器、触发同步等。模拟式示波器价格便宜，图形美观，作为一种传统的多用途测量仪器，几十年来变化不大。本实验主要介绍模拟式示波器。

图Ⅱ-10-1 示波器工作原理图

数字式示波器是数字化潮流在示波器领域的体现。数字式示波器实现了对波形的数字化测量、采集和存储。它解决了模拟式示波器长久以来难以解决的对高速过程、瞬间过程记录和重现的难题。数字式示波器具有很多智能化测量功能，使很多在模拟式示波器中很难实现的测量，变得十分容易，同时又使测量精度大幅度提高，测量功能和内容极大扩展，测量难度大大减少。它可以对测量结果进行各种修正和补偿，测量结果可以直接输入计算机。

2．模拟式示波器的基本构造

示波器是由示波管及与其配合的电子线路组成的，如图Ⅱ-10-1所示。为了适应各种测量的要求，示波器的电子线路是多样而复杂的，这里仅就其主要部分加以介绍。

（1）示波管

如图Ⅱ-10-2所示，示波管可分为三部分：电子枪、偏转板及荧光屏。小圆管状的阴极里有钨丝加热电极，由-导线引出管外。栅极、第一加速阳极、聚焦电极、第二加速电极等均为同轴金属圆筒，筒内膜片的中心有限制小孔。及分别是两对金属偏转板。所有电极都封装在高真空的玻璃壳内，各有导线接到管外，以便和外电路相连。管右端玻璃屏内表面涂有荧光物质膜层，称为荧光屏。

图Ⅱ-10-2 示波管结构示意图

电子枪：由灯丝、阴极、控制栅极、第一加速阳极、第二加速阳极五部分构成。加热电流从-通过钨丝，阴极被加热后，放射出热电子，形成电子流。第一加速阳极具有很高的电压（相对阴极而言，例如 1500V），在、、之间形成强电场。从阴极射出的电子在电场中加速，穿过栅极的小孔，以高速穿过及筒内限制孔，形成一束电子射线。电子最后打在屏的荧光物质上，发出可见光，在屏上形成一个亮点。控制栅极相对阴极为负电位，两者相距很近，所形成的电场对电子有斥力作用。栅极的电位相对于阴极负得不很大（几十伏）时就可把电子斥回，使电子束截止。用电位器调节对的电压可以控制阴极发射的电子数目，从而连续改变屏上光点的亮度。示波器面板上的“亮度”调节就是调节此电位。控制栅极、第一阳极、第二阳极之间的电位调节合适时，电子枪内的电场对电子射线有聚焦作用。故第一阳极又称为聚焦阳极。第二阳极电位更高，又称加速阳极。面板上“聚焦”调节，就是调第一阳极电位，“辅助聚焦”就是调第二阳极电位。

电子束的电偏转：在电子枪和荧光屏之间有两对互相垂直的水平和垂直偏转板。若在任一对极板上加上电压，则板间产生电场。电子从其中经过时受到电场力作用而发生偏转，从而使荧光屏上的光点产生位移。可以证明，光点的位移与偏转板上所加的电压成正比。

荧光屏：它是示波器的显示部分。当加速聚焦后的电子打到荧光屏上时，屏上所涂是的荧光物质就会发光，从而显示出电子束的位置，当电子束停止作用后，荧光剂继续发光，经一定时间后才停止，称为余辉效应。荧光物质不同，发出的光色不同，“余辉时间”也不一样。示波管有“长余辉”和“短余辉”之分，本次实验用的是“短余辉”示波器，实验9——霍尔元件测量螺旋管轴向磁感强度分布——中用的示波器为“长余辉”示波器。

(2)电压放大器和衰减器

示波管相当于一个多量程电压表，这一作用是靠放大器和衰减器实现的。由于示波管本身的X和Y轴偏转板的灵敏度不高（约0.1～l／V），当加入偏转板的信号电压较小时，电子束不能发生足够的偏转，以致屏上的光点位移过小，不便观测。这就需要预先把小的信号电压加以放大后再加到偏转板上。为此，需设置X及Y轴电压放大器。为使过大的输入电压变小，设置了衰减器，以适应Y轴放大器的要求，否则放大器不能正常工作，甚至受损。

(3)扫描、整步与波形显示原理

在屏上观察一个从Y轴输入的周期性变化的电压波形，必须使一个或几个周期内的信号电压波形稳定地显示在荧光屏上。例如交流电压经放大器放大后加到Y轴偏转板时，荧光屏上的光点只作上下方向的正弦振动。频率较快时，看起来是一条垂直线，不能显示出时间的正弦曲线。如果荧屏上的光点同时沿x轴正方向作匀速运动，就可以看到光点描出了关于时间函数的一条曲线。如果光点沿X轴正方向匀速移动了交流电压的一个周期的时间之后，迅速地返回到原来位置，屏上就显示出一个周期的波形，再重复沿x轴正方向匀速运动，光点的正弦运动轨迹就和前一次的运动轨迹重合起来。每一个周期都重复同样的运动，光点的轨迹就能保持固定的位置。重复的频率较大时，可在屏上看见一个连续不动的周期函数曲线。光点沿X轴正向匀速运动及反跳的周期过程称为扫描，获得扫描的方法是在X轴偏转板之间加一锯齿波电压，锯齿波的频率即为扫描频率．如图Ⅱ-10-3 所示。

图Ⅱ-10-3 锯齿波电压

当扫描周期是Y轴信号周期的整数倍时，屏上将稳定地出现几个周期的Y轴信号波形。但由于技术上的原因，很难调节成严格的整数倍，因而屏上波形将发生横向移动，不能稳定。克服的办法是：用Y轴信号频率去控制扫描频率，使信号频率准确等于扫描频率（或成整数倍），这个控制作用，称为“整步”（或“同步”）。当需要从“X轴输入”端输入信号时，键换向，锯齿波不再起作用。

【实验仪器】

V-252型示波器、SP1641D型函数信号发生器。

1．V-252型示波器

V-252型示波器前面板示意图如图Ⅱ-10-4所示，为双踪通用示波器。它体积小，性能优，可靠性高，操作简单，携带方便，并具有以下特点：

（1）高宽带：DC-20MHz；

（2）高灵敏度：最高可达1mV/DIV；

（3）6寸大矩形示波管，观察波形方便；

（4）内刻度，消除了观察时的平行误差；

（5）交替触发，观察两个频率不同的波形时，两个通道都能稳定触发；

（6）自动聚焦，聚焦电平可自动校正。

前面板各控制件名称和用途介绍如下（示意图见图Ⅱ-10-4）：

（一）电源和示波管系统的控制件

（1）电源开关（POWER）：电源开关按进去为电源开，按出为电源断（电源插座和电源保险丝插座在后面板）；

（2）电源指示灯：电源接通后指示灯亮；

（3）聚焦控制（FOCUS）：当辉度调到适当的亮度后，调节聚焦控制直到扫描线最佳。虽然聚焦在调节亮度时能自动调整，但有时有稍微漂移，应用手动调节以获得最佳聚焦状态；

（4）基线旋转控制（TRACE ROTATION）：用于调节扫描线和水平刻度线平行；

（5）辉度控制（INTENSITY）：此旋钮用来调节辉度电位器，改变辉度。顺时针方向旋转，辉度增加；反之，辉度减小；

（二）垂直偏转系统的控制件

图Ⅱ-10-4 V-252型示波器前面板示意图

（6）CH1输入：用于垂直轴信号输入。当示波器工作于X—Y方式时，输入到此端的信号变成X轴信号；

（7）CH2输入：类同于CH1，但示波器工作于X—Y方式时，输入到此端的信号变成Y轴信号；

（8）输入耦合开关（AC—GND—DC）：此开关用于选择输入信号送至垂直轴放大器的耦合方式。

AC：在此方式时，信号经过一个电容器输入，输入信号的直流分量被隔离，只有交流分量被显示；

GND：在此方式时，垂直放大器输入端接地；

DC：在此方式时，输入信号直接送至垂直轴放大器输入端而显示，包含信号的直流成份；

（9）同（8）；

（10）伏/度（VOLTS/DIV）选择开关：该开关用于选择垂直偏转因数，使显示波形置于一个易于观察的幅度范围。当10：1探头连接于示波器的输入端时，荧光屏上的读数要乘10；

（11）同（10）；

（12）微调（VAR）拉出×5扩展校准控制：当旋转此旋钮时，可小范围连续改变垂直偏转灵敏度，逆时针方向旋转到底时，其变化范围应大于2.5倍；此旋钮拉出时，垂直系统的增益扩展5倍，最高灵敏度可达1mV/DIV；此旋钮顺时针转到底、关上后，用于电压校准控制；

（13）同（12）；

（14） CH1位移（POSITION）旋钮：此旋钮用于调节CH1信号垂直方向的位移；

（15） CH2位移、倒相（INVERT）控制：位移功能同CH1，但当旋钮拉出时，输入到CH2的信号极性被倒相；

（16）工作方式（MODE）选择开关（CH1、CH2、ALT、CHOP、ADD）：此开关用于选择垂直偏转系统的工作方式。

CH1：只有加到CH1通道的信号能显示；

CH2：只有加到CH2通道的信号能显示；

ALT：加到CH1、CH2通道的信号能交替显示在荧光屏上。此工作方式用于扫描时间短的两通道观察；

CHOP：在此工作方式时，加到CH1、CH2通道的信号受到250kHz自激振荡电子开关的控制，同时显示在荧光屏上。此工作方式用于扫描时间长的两通道观察；

ADD：在此工作方式时，加到CH1、CH2通道的信号的代数和在荧光屏上显示；

（17）直流平衡调节控制（DC BAL）：用于直流平衡调节；

（18）同（17）；

（三）水平偏转系统的控制件

（19） TIME/DIV选择开关：扫描时间从0.2μs/DIV到0.2s/DIV分19挡；X—Y位置用于示波器工作在X—Y状态；此时，X（水平）信号连接到CH1输入端，Y（垂直）信号连接到CH2输入端，偏转范围从1mV/DIV到5V/DIV，带宽缩小到500kHz；

（20）扫描微调（SWP VAR）控制：此旋钮在校准位置时，扫描因数按TIME/DIV指示读出，不在校准位置时，扫描因数能连续变化，变化范围应大于 2.5倍；

（21）位移（POSITION）、拉出扩展×10控制：本旋钮用于水平移动扫描线，顺时针旋转时，扫描线向右移动；此旋钮拉出时，扫描因数扩展10倍，即TIME/DIV开关指示的是实际扫描因数的十倍，这样通过调节该旋钮就可以观察所需信号放大10倍的波形（水平方向）；

（四）触发系统

（22）触发源（SOURCE）选择开关：此开关用于选择扫描触发信号源：

内触发（INT）：加到CH1或CH2的信号作为触发源；

电源触发（LINE）：取电源频率作为触发源；

外触发（EXT）：外触发信号加到外触发输入端作为触发源。外触发用于垂直方向上的特殊信号的触发；

（23）内触发（INT TRIG）选择开关：此开关用于选择扫描的内触发源：

CH1：加到CH1的信号作为触发信号；

CH2：加到CH2的信号作为触发信号；

VERT MODE（组合方式）：用于同时观察两个波形，同步触发信号交替取自CH1和CH2；

（24）外触发输入（TRIG IN）插座：本插座用于扫描外触发信号的输入；

（25）触发电平（LEVEL）控制旋钮：又称“同步”旋钮。此旋钮通过调节触发电平来确定扫描波形的起始点，亦能控制触发开关的极性；按进去为“+”极性，拉出为“-”极性；

（26）触发方式（MODE）选择开关：

自动（AUTO）：本状态仪器始终自动触发，显示扫描线。有触发信号时，获得正常触发扫描，波形稳定显示。无触发信号时，扫描线将自动出现。

常态（NORM）：当触发信号产生，获得触发扫描信号，实现扫描；无触发信号时，应当不出现扫描线。

TV（V）：此状态用于观察电视信号的全场波形。

TV（H）：此状态用于观察电视信号的全行波形。

注：只有当电视同步信号是负极性时，TV（V）、TV（H）才能正常工作。

（27）接地端子：示波器的接地端子；

（28）校正0.5伏端子（CAL.5V）：输出1kHz、0.5伏的校正方波，用于校正探头电容补偿。

2．SP1641D型函数信号发生器

SP1641D型函数信号发生器是一种精密的测试仪器，其具有连续信号、扫频信号、函数信号、脉冲信号，可输出单脉冲、点频、正弦等多种输出信号和外部测频功能，是电子工程师、电子实验室、生产线及教学、科研需配备的理想设备。输出频率为0Hz～3MHz，输出电压为0～20V。

【实验内容】

1．示波器的调节、观察光点扫描及输入波形

（1）熟悉示波器面板上各调节旋钮，明确它们的功能。置各控制旋钮如下：“电源开关”关，“辉度”反时针旋转到底，“聚焦”居中，“AC-GND-DC”置“GND”，“垂直位移”居中，“垂直工作方式”置“CH1”，“触发方式” 置“自动(AUTO)”，“触发源”置“内(INT)”，“TIME/DIV”置“0.5ms/DIV”,水平位移“居中”。

接通电源，预热约15秒后，顺时针方向旋转“辉度”旋钮，直到屏上出现扫描线，然后调节“聚焦”、“X轴移位”、“Y轴移位”等旋钮，使扫描线最细，位置居中，亮度适中，能看得清楚，但又不过亮。

（2）观察光点扫描。将“扫描时间”旋钮由高频率逐挡旋到低频率，观察扫描频率变化时,光点的扫描情况。

（3）观察输入波形。接通信号发生器的电源，把信号发生器的“点频输出”信号输入示波器的 CH1通道（或CH2通道），调节“VOLTS／DIV”、“TIME／DIV”、“同步”等旋钮，调整出稳定的波形。（可观察正弦波、三角波及方波波形）

2．测量交流信号的电压和周期

把信号发生器的“50输出”信号输入示波器的CH2通道（或CH1通道），调出稳定的波形。注意：扫描微调与位移微调必须处于“关”（校准）的状态。

利用示波器测量正弦波的峰一峰电压值（即从波峰→波谷之间的电压）的方法：

在屏上读出被测两点之间垂直方向的距离（单位是DIV），再乘以Y轴放大器垂直幅度衰减开关“VOLTS／DIV”所指示的读数“”，所得的值为

注意单位。

例如：如图Ⅱ-10-5所示，=5.0DIV，设“VOLTS／DIV”开关置于“0.3V／DIV”，则被测电压峰-峰值为：5.ODIV0.3V／DIV=1.5V(p-p)；实验中如果使用了10：1探头的10倍率挡，结果需再乘10，即是15V（p-p）。

利用示波器测量周期的方法：

在屏上读出相邻的两波峰（或两波谷）之间的水平方向的距离（单位是DIV），再乘以时基开关“TIME／DIV”所指示的读数“”，所得的周期值为

注意单位

例如：如图Ⅱ-10-5所示，=2.0DIV，设“TIME／DIV”开关置于“3ms／DIV”，则被测周期为：2.ODIV3ms／DIV=6ms。注意：此时，“AC-GND-DC”选择开关应置于“AC”位置。

图Ⅱ-10-5 测量正弦波的电压和周期

实验中，可以测量多个完整波形在水平方向的距离，这时如何计算周期值？

实验要求：测量两个不同频率、不同“峰-峰”电压的正弦波信号的电压值和周期值，并与信号发生器的输出显示值相比较，将测量数据填入表Ⅱ-10-1中。

表Ⅱ-10-1 测量正弦波的“峰-峰”电压值和周期值用表

被测量量	1被测正弦波信号	2被测正弦波信号
峰-峰距离（DIV）
VOLTS/DIV的标称值
电压/(V)
相邻两波峰间距
扫描时间因数
周期/(s)