实验3 示波器的调节与使用
示波器是一种测量电信号的电压与时间关系的电子仪器。配合各种传感器，可把非电学量转换成电学量，可以用它来测量诸如压力、振动、声、光、热等非电信号。示波器不仅能像电压表那样测量信号的电压大小，而且可以测量信号的周期、频率、相位等多种参数，还可以用来观察快速变化信号的瞬时过程。因此，示波器在科学实验和工程技术中应用十分广泛的一种信号测试仪器。
示波器具有多种类型，随着科学技术的发展，示波器的功能也在不断增加，各种新产品相继问世，但它们的基本工作原理大致相同。本实验以普通双踪示波器为例，主要介绍示波器的基本工作原理和示波器的使用方法，为今后使用更复杂的示波器打下基础。
【实验目的】
①了解示波器的主要结构与基本工作原理；
②学会使用双踪示波器；
③学会使用函数信号发生器；
④学会用示波器观察信号波形，并测量信号周期及电压峰-峰值；
⑤学会用示波器观察李萨如图形，并测量正弦信号的频率。
【实验仪器】
YB43020B型双踪示波器，FH1605P函数信号发生器，标准信号源。
【实验原理】
示波器的规格和型号各异，但不论什么示波器都是由示波管、电压放大系统、扫描与触发系统以及电源四大部分构成，如图3.1所示。
图3.1 双踪示波器结构框图
1.示波管
示波管是用于显示被测信号波形的器件，是示波器的核心，其结构如图3.2所示，大致可分成三部分，前端为荧光屏，中间为偏转系统，后端为电子枪。
图3.2 示波管结构示意图
（1）荧光屏
示波管前端玻璃屏的内表面上涂有一层荧光粉，当电子束打到荧光屏上时可使荧光粉发光，从而显示电子束的运动轨迹，即被测信号的波形。如果电子束长时间轰击荧光屏上某固定点，则这一点会被烧坏，形成暗斑，所以使用示波器时要避免电子束长时间轰击荧光屏上固定一点。荧光屏前有一块透明的、带刻度的坐标板，可以供测量光点的坐标位置（电子的偏移距离）使用。
（2）电子枪
电子枪的作用是发射电子束，通过调节电场分布实现对电子束进行聚焦和控制到达荧光屏上的电子数量。
当阴极K被点燃的灯丝F加热之后，会向外发射电子，电子通过栅极G后形成一束电子束，栅极的电位相对阴极稍低，因此调节栅极相对阴极的电位，可以控制通过栅极的电子数目，只有初速度较大的电子才能通过栅极，然后经阳极加速后射向荧光屏。因而改变栅极电位，可以调节荧光屏上光点的亮度，示波器面板上的“辉度旋钮”就是起这一作用。
阳极相对栅极有很高的电位，对通过栅极的电子起加速作用，这些中速的电子在向荧光屏运动的过程中将向四周发散，在荧光屏上形成的不是一个很小的光点，而是模糊的一片。如果在电子运动的途径上建立一静电场，使发散的电子通过这一电场后重新会聚成一束细小的电子束。这一电场对电子的作用就像会聚透镜对光的作用一样，所以称为“静电透镜”，电子枪中静电透镜的电场分布实际上是由阴极、栅极、阳极、聚焦极的几何形状、相对位置及电位决定的，各电极的几何形状与相对位置已事先仔细设计确定，实际使用时通过调节聚焦极上的电位来改变电场分布。示波器面板上的“聚焦旋钮”就是起这一作用。
（3）偏转系统
示波管内有两组平行板，一组竖直放置（产生水平方向电场），称为X偏转板；一组水平放置（产生竖直方向电场），称为Y偏转板。通常在水平放置的Y偏转板上加上放大后的被测信号电压，当电子通过这一平行板间的电场时，受到电场作用，将获得竖直方向的速度，电子在荧光屏上产生的光点沿竖直方向的位置将随所加信号电压线性变化。经过定标（即用一个已知电压的信号加在水平放置的平行板上，测量电子在竖直方向的偏移，确定已知电压与电子偏移距离之间的比值关系），即可通过测量电子束在竖直方向的偏移距离确定被测信号的电压。同理，在竖直放置的X偏转板上加上电压，则可使电子束的运动沿水平方向发生偏转。
2.电压放大系统
要使电子在荧光屏上产生的光点偏移一定的距离，必须在偏转板上加一定的电压。一般示波管偏转板的灵敏度不高，偏转1cm需要几十伏的电压。被测信号的电压一般较低，只有几伏、几毫伏，甚至更低。因此，为了使电子束能在荧光屏上获得明显的偏移，必须对待测信号的电压进行放大，“垂直（Y轴）衰减器”就起这一作用，选用衰减器的不同挡位，可以对信号电压进行不同程度的放大。
一般各种型号的示波器的“垂直（Y轴）衰减器” [也称“垂直偏转系数旋钮（VOLTS/DIV）”]都设定了12挡位，每一挡位处的数值连同标记在该挡位所在区间范围内的单位（mV，V），称为“纵向偏转系数”，也叫“垂直偏转系数”，记为Y（单位为mV/div，V/div），表示当前荧光屏上竖直方向上的一个分度（div，即一个大格，）所代表的电压值。设所测量信号电压波形的波峰与波谷之间的垂直距离为y（单位为div），则所测量的信号峰-峰电压值为
U=Y·y（mV或V） （3.1）
因此，我们可以借助该式测量待测信号的电压。
3.扫描与触发系统
（1）扫描作用
把一个电压随时间变化的信号加在示波器水平放置的Y偏转板上，只能从荧光屏上观察到光点在竖直方向的运动。如果信号变化较快，看到的只是一条竖直的亮线，而看不到电压随时间变化的波形。此时，如果在竖直放置的X偏转板上加上一个电压与时间成正比的信号，使电子束在竖直方向运动的同时也沿水平方向匀速移动，把竖直方向的运动在水平方向“展开”，从而在荧光屏上显示出电压随时间变化的波形。如图3.3所示，加在X偏转板上的电压是“锯齿波”信号，它的特点是电压随时间线性增加到最大值，然后瞬间回到最小，此后周期性地重复变化。在X偏转板上锯齿波的作用下，电子束在水平方向上周期性地由左至右来回扫动，且回扫时间极短，此过程称为“扫描”。
图3.3 锯齿波波形图
如图3.4所示，分别在Y偏转板上加正弦电压和X偏转板上加锯齿波电压，形成竖直和水平方向电场，电子先后经过两个电场后在竖直和水平方向上都产生运动，这两个相互垂直的运动合成就会在荧光屏上显示出正弦信号波形（即电子的运动轨迹）。当扫描信号（锯齿波）的周期与竖直方向信号的周期相同时，可以在荧光屏上显示出一个完整周期的波形，如图3.4所示。同理，如果在Y偏转板上加其他类型的电信号，示波器的荧光屏上将会显示出相应的波形。
图3.4 显示正弦波形原理图
对于双踪示波器，双通道（即双踪）观察时，是利用电子开关在显示屏上来实现两个信号的波形同时显示的。这种电子开关实际上是一个自动快速单刀双掷开关，它把经过两个输入端（CH1通道与CH2通道）同时输入的两个信号经过放大后交替输入Y偏转板，可在荧光屏上的不同位置交替显示这两个信号。交替转换的速度足够快时，人的眼睛无法察觉，因此我们在荧光屏上同时观察到两个稳定的波形。
（2）同步触发作用
为了得到稳定的波形，扫描的信号的周期Tx必须是竖直方向信号的周期Ty的整数倍。设荧光屏上显示波形的周期数为N，则
（3.2）
式中，Tx、fx为扫描信号的周期与频率；Ty、fy为竖直方向被测信号的周期与频率。
如果扫描信号周期不是竖直方向信号周期的整数倍，则每次扫描所得波形将不会完全重合，因而从荧光屏上看到的是不稳定的波形，这时可以调节示波器面板上的“扫描速率转换开关”与“扫描微调旋钮”，以扩展波形使得图形稳定。
“扫描速率转换开关（SEC/DIV）”，也称“水平（X轴）衰减器”，使用时所选择的挡位上的数值连同标记在该挡位所在区间的时间单位（s，ms或μs），称为“水平偏转系数”，也称“时基系数”，记为X（单位为s/div，ms/div或μs/div），表示当前荧光屏上水平方向上的一个分度（div，即一个大格，多为1cm）所代表的时间（周期）的值。设所测量信号一个周期的电压波形所占据的水平宽度为x（单位为div），则该信号的周期为
T=X·x （s、ms或μs） （3.3）
因此，我们可以借助该式对待测信号的周期或频率进行测量。
有时，单靠扫描速率转换开关与扫描微调不一定能达到很好的效果，为了使示波器上显示的波形稳定，还需要使用同步触发系统（电路），即由被观测的信号自身进行触发。所谓触发，就是使锯齿波在输入的信号达到某一条件（相位相同）时才开始扫描。因此被扫描的信号在荧光屏上的每一帧波形都是从同一个相位开始的，则各帧波形必然是完全重叠的，此时显示的波形是稳定的。
4.信号电压和周期的测量
（1）直接测量法
被测信号输入示波器，选择合适的“垂直偏转系数Y”和“时基系数X”，在示波器荧光屏上调出稳定的被测信号波形。如图3.5所示，利用荧光屏前的刻度标尺分别读出波形的波峰到波谷的垂直距离y及一个周期波形所占据的水平长度x，记下对应的“垂直偏转系数Y”和“时基系数X”，通过式（3.1）和式（3.3）即可测得电压和周期。
图3.5 正弦信号波形图
（2）李萨如图形法
如果示波器的X、Y偏转板上加的信号都是正弦波，当fx与fy之比为整数时，电子在荧光屏上显示的合运动轨迹是一个稳定的闭合曲线，称之为李萨如图形，如图3.6所示。此时，电子的运动是两个相互垂直的简谐运动的合成。
图3.6 李萨如图形
如果两个信号的频率不是整数比，图形不稳定。当接近整数比时，可以观察到图形沿顺时针或逆时针转动。李萨如图形的形状还随两个信号的幅值以及相位不同而变化。
如图3.7所示为几种不同频率比时的李萨如图形。可以证明，封闭的李萨如图形在水平X轴、竖直Y轴上的切点数Nx、Ny与对应X、Y方向上正弦波信号的频率之间有如下关系
图3.7 Nx:Ny为1:1，1:2，1:3，2:3时的李萨如图
（3.4）
如果两个正弦信号中的某一个频率已知，则把两个正弦信号分别输入示波器的Y轴（CH2通道）与X轴（CH1通道），调出稳定的李萨如图形，从李萨如图形上数出切点数Ny与Nx，记下已知信号的频率，可由式（3.4）得出待测正弦信号的频率。
利用李萨如图形测未知信号频率时，将“时基系数旋钮”逆时针旋到底，这时CH1通道输入的信号经放大后被接到X偏转板上，此时示波器内的扫描系统不再起作用；CH2通道仍为垂直输入端（Y轴），即由此输入的信号仍被接到Y偏转板上。
【实验内容】
1.仪器的调整
①打开示波器、函数信号发生器、标准信号源电源开关，预热2～3min。
②调整示波器的工作状态。
a.顺时针调节“辉度旋钮”。
b.按下水平扫描方式“自动”按键，“时基系数旋钮”（SEC/DIV）至毫秒（ms）挡。
c.按下垂直方式“CH1”或“CH2”按键，调节对应的“垂直位移旋钮”使扫描亮线出现在荧光屏上。
③调节“辉度旋钮”和“聚焦旋钮”，使亮线清晰度和聚焦度合适。
2.示波器校准信号的观察与测量
①将示波器自生校准信号接入示波器通道1（CH1）。
②按下垂直方式“CH1”按键，适当调节“垂直偏转系数旋钮”和“时基系数旋钮”即可找到信号。
③调节“水平位移旋钮”和“竖直位移旋钮”使信号显示在荧光屏中央。
④触发源对应按下“CH1”按键，调节“电平旋钮”，使波形稳定。
⑤调节“垂直偏转系数旋钮”和“时基系数旋钮”，观察波形变化；选择合适的挡位，读取相应数据记录于表3.1中。
表3.1 被测信号的电压和周期（参考表格）
⑥将校准信号接入示波器通道2（CH2），选择触发源“CH2”，调节对应通道2的功能旋钮，重复步骤②～⑤。
3.观察与测量标准信号
将标准信号源的待测信号接入示波器通道“CH1”或者“CH2”，调节相应的功能旋钮，使被测信号的波形稳定显示在荧光屏上，选择合适挡位以便于观察和测量，将数据记录于表中。
4.观察与测量函数信号
将函数信号发生器的信号接入示波器通道“CH1”或“CH2”，练习使用信号发生器，分别输出方波、正弦波、三角波，在示波器上观察各种波形
5.观察李萨如图形，用李萨如图形测量正弦信号频率
①将被测正弦信号接入“CH2”通道，函数信号发生器输出的正弦信号接入“CH1”通道。
②将“时基系数旋钮”逆时针旋到底。
③调节“CH1”和“CH2”通道的“垂直偏转系数旋钮”，使图形以合适的比例显示在荧光屏上。
④调节函数信号发生器的输出频率（即fx），使显示屏上出现不同切点数之比的李萨如图形，记下相应切点数Nx、Ny和频率fx于表3.2中。
表3.2 用李萨如图形测量正弦信号频率（参考表格）
注意：测量中，也可将两通道信号互换进行测量。
【数据处理】
①按照式（3.1）和式（3.3）计算被测信号的电压、周期和频率，完成相应表格。用坐标纸附上相应的信号波形图，并标注相应参数。
②按照式（3.4）计算出被测正弦信号的频率。用坐标纸附上相应切点数之比的李萨如图形，并标注相应参数。
【注意事项】
①在不使用“垂直偏转微调旋钮”和“扫描微调旋钮”的校准和扩展功能时，测量信号时需将它们沿逆时针方向旋至校准位置，使其关闭。
②当电压测量不准确时，需要将示波器的校准信号输入某通道并调节相应通道的扩展旋钮对其校正，然后再测量；若周期测量不准确时，对“时基系数调节旋钮”校准采用相同的方法；
③当待测电压超出示波器测量的最大电压（Upp=5V/cm×8cm=40V）时，可调节“垂直偏转微调旋钮”扩展测量范围，一般可扩展2.5倍；
④示波器的标尺刻度盘与荧光屏不在同一平面上，二者之间有一定距离，读数时要尽量减小视差。
⑤实验中标准信号是未知（即待测）信号，应当将稳定的李萨如图形下函数信号发生器显示的数据（待测信号）填入表中。
【思考题】
①示波器完好，但荧光屏上有两种情况：a.既没有扫描光点也没用扫描亮线；b.只有扫描光点，试分析原因？如何调节？
②示波器“CH1”通道接入信号，但荧光屏上只有一条竖直亮线，什么原因？如何调节才能使波形在屏上沿水平方向展开？
③示波器“CH2”通道接入信号，但荧光屏上只有一条水平亮线，什么原因？如何调节才能使波形在屏上沿竖直方向展开？
④“扫描速率转换开关”上标出的是扫描时间系数，如何测定扫描波的频率？如果荧光屏显示出一个完整波形，但图像向右缓慢移动，扫描波频率比被测信号频率高还是低？
【附录】
YB43020B型双踪示波器使用说明
图3.8 YB43020B型双踪示波器操作面板示意图
图3.8是YB43020B型双踪示波器面板示意图。主要功能旋钮作用如下：
（1）示波管部分
显示屏（水平10cm、竖直8cm）：仪器测量显示终端。
电源开关（POWER）：按入此键，电源接通，指示灯亮。
辉度旋钮（INTENSITY）：控制光点和扫描线的亮度，顺时针方向旋转旋钮，使亮度增强。
聚焦旋钮（FOCUS）：聚焦电子束，使光迹调节到最清晰的程度。
光迹旋转（TRACE ROTATION）：由于磁场的作用，当光迹在水平方向微倾斜时，该旋钮可调节光迹与水平刻度平行。
校准信号输出端子（CAL）：提供输出幅度为0.5V、频率为1kHz的方波信号，用以校准本机Y轴偏转系数、X轴扫描时间系数。
接地端子：示波器外壳的接地端。
（2）垂直方向部分（VERTICAL）
通道1输入端[CH1 INPUT（X）]：常规使用，垂直通道1的输入口；在X-Y方式时，作为X轴的输入口。
耦合方式（交流AC、直流DC；接地GND）：CH1通道输入信号与放大器连接方式选择开关。交流（AC）：弹出此键，放大器输入与信号连接由电容器来耦合，信号中的直流分量被隔开，观察交流成分。直流（DC）：按下此键，放大器输入与信号输入端直接耦合，信号中的交流分量被隔开，观察直流成分或者频率较低的信号。接地（GND）：按下此键，输入信号与放大器断开，放大器的输入端接地，通道1输入的信号被屏蔽。
垂直衰减器开关（VOLTS/DIV），即垂直偏转系数旋钮：用于选择CH1通道的垂直偏转系数Y，共10档。只有在垂直偏转微调旋钮处于“校准“时，才能按VOLTS/DIV所选档位在屏幕上读取并计算被测信号的电压值。如果使用的是10:1的探极，计算时将垂直衰减器开关指示的幅度×10。
垂直偏转微调旋钮（VARLAGLE）：用于连接改变CH1通道垂直偏转系数Y。此旋钮在正常情况下应位于逆时针方向旋到底的校准位置。将旋钮顺时针旋到底，垂直方向的灵敏度下降到2.5倍以上。
垂直位移（POSITION）：调节CH1通道光迹在屏幕上的垂直位置。
通道2输入端[CH2 INPUT（Y）]：垂直通道2的输入口，在X-Y方式时，作为Y轴输入口。
耦合方式（交流AC、直流DC；接地GND）：作用于CH2通道，功能与通道1的耦合方式相同
垂直衰减器开关（VOLTS/DIV）：作用于CH2通道，功能与通道1的垂直衰减器开关相同
垂直偏转微调旋钮（VARLAGLE）：作用于CH2通道，功能与通道1的垂直偏转微调旋钮相同
垂直位移（POSITION）：作用于CH2通道，功能同通道1的垂直位移
垂直方式（VERTICAL MODE）：选择垂直方向的工作方式。CH1：单独按入此键，屏幕上仅显示CH1的信号。CH2：单独按入此键，屏幕上仅显示CH2的信号。双踪（DUAL）：CH1和CH2键同时按入，屏幕上自动以交替（适合扫描速率较快时）或断续方式（适合扫描速率较快时），同时显示CH1和CH2通道的信号。叠加（ADD）：CH1和CH2键同时弹出，显示CH1和CH2输入信号的代数和。CH2反相（INVERT）：按入此键，CH2信号反相显示；此键弹出，CH2信号常规显示。
（3）水平方向部分（HORIZONTAL）
水平位移（POSITION）：用于调节光迹在水平方向的位置，作用于CH1和CH2通道的信号。顺时针方向旋转该旋钮光迹向右移动，逆时针方向旋转光迹向左移动。
扫描方式（HORIZ DISPLAY）：选择产生扫描方式。自动（AUTO）：单独按下此键，在没有信号输入或输入信号没有被触发同步时，扫描电路自动进行扫描，屏幕上仍然可以显示扫描基线。常态（NORM）：单独按下此键，有触发信号才能扫描，否则屏幕上无扫描线显示；当输入信号的频率低于50Hz时，用“常态”触发方式。电平锁定（LOCK）：“自动”（AUTO）、“常态”（NORM）两键同时按入，电平被锁定，无论信号如何变化，触发电平自动保持在最佳位置，不需人工调节电平。单次（SINGLE）：“自动”（AUTO）、“常态”（NORM）两键同时弹出被设置于单次触发工作状态，当有触发信号时，触发指示灯亮，单次扫描结束后指示灯熄，复位键（RESET）按下后，电路重新处于待触发状态。
扫描速率转换开关（SEC/DIV），即时基系数旋钮：共20档。只有在扫描微调旋钮处于“校准”时，才能按SEC/DIV的所选档位在屏幕上读取并计算被测信号的周期值。
扫描微调旋钮（VARIABLE）：此旋钮逆时针方向旋转到底时，处于校准位置。此旋钮顺时针方向旋转到底时，扫描减慢2.5倍以上。
X-Y转换键：“扫描速率转换开关”逆时针方向旋转到底，处于X-Y转换功能，CH2输入端仍为垂直信号接入端，CH1输入端为水平信号接入端。
扩展控制键（MAG×5）：按入该键，扫描因数×5。扫描时间是Time/div开关指示数值的1/5。
（4）触发系统（TRIGGER）
触发电平旋钮（TRIG LEVEL）：调节被测信号在某选定电平触发，当旋钮转向“+”时显示波形的触发电平上升，反之触发电平下降。有助于维持波形的稳定。
极性按钮（SLOPE）：触发极性选择。用于选择信号的上升沿和下降沿触发。
触发源选择开关（SOURCE）：选择对应名称的触发源，有助于波形显示稳定。
耦合方式（交流AC、直流DC、接地GND）：外界输入触发信号的耦合选择方式，功能与通道1、2的耦合触发相同。当选择外接触发源，且信号频率较低时，选择直流DC耦合方式。
外触发输入端（EXT INPUT）：输入外部触发信号。