任务二 示波器的使用
一、任务目的
1. 学习示波器的基本功能与种类。
2. 学习示波器的操作使用方法。
二、任务要求
1. 认识数字式示波器面板及常用功能。
2. 熟练使用示波器测量信号，并记录结果。
3. 注意示波器的正确调整与操作。
4. 对所学知识进行总结，写出示波器的使用说明书。
三、任务内容
示波器可以将电信号转换为可以观察的视觉图形，以便人们观测。在利用传感器将各种物理参数转换为电信号后，可利用示波器观测各种物理参数的数值和变化，所以示波器是电子电路测试中广泛应用的仪器。
（一）示波器的基本功能与种类
示波器是能够把电信号的变化规律转换为可直接观察其波形的电子仪器，并根据信号的波形对电信号的多种参量进行测量，如信号的电压幅度、周期、频率、相位差、脉冲宽度等。
示波器可分为两大类：模拟式示波器和数字式示波器，如图2.2.1和图2.2.2所示。其中，模拟式示波器是以连续方式将被测信号显示出来；数字式示波器首先将被测信号抽样和量化，变为二进制信号存储起来，再从存储器中取出信号的离散值，通过算法将离散的被测信号以连续的形式在屏幕上显示出来。
图2.2.1 模拟式示波器
图2.2.2 数字式示波器
（二）数字式示波器面板介绍
数字式示波器面板如图2.2.3～图2.2.5所示。
图2.2.3 数字式示波器面板（1）
图2.2.4 数字式示波器面板（2）
图2.2.5 数字式示波器面板（3）
（三）示波器在电子电路实验中的常用功能
1. 荧光屏
荧光屏是示波管的显示部分，屏上水平方向和垂直方向各有多条刻度线，指示出信号波形的电压和时间之间的关系。其中，水平方向指示时间，垂直方向指示电压。水平方向分为10格，垂直方向分为8格，每格又分为5份。垂直方向标有0%、10%、90%标志，水平方向标有10%、90%标志，供测直流电平、交流信号幅度、延迟时间等参数使用。根据被测信号在屏幕上占的格数乘以适当的比例常数（V/DIV、TIME/DIV）能得出电压值与时间值。
2. 示波管和电源系统
（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（INTEN）：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，高频信号时可大些。为延长荧光屏的使用寿命，不应调得太亮。
（3）聚焦（FOCUS）：聚焦旋钮调节电子束截面积的大小，将扫描线聚焦成最清晰的状态。
（4）标尺亮度：此旋钮用于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；室内光线不足时，可适当调亮照明灯。
3. 垂直偏转因数和水平偏转因数
（1）垂直偏转因数选择（VOLTS/DIV）和微调。垂直偏转因数的单位是V/DIV、mV/DIV。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方式把5mV/DIV到5V/DIV分为10挡；波段开关指示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挡时，若屏幕上信号光点移动一格，则代表输入信号电压变化1V。此外，每个波段开关上还有一个小旋钮，可以微调每挡垂直偏转因数。将该旋钮沿顺时针方向旋转到底，处于“校准”位置时，垂直偏转因数值与波段开关所指示的值一致；若逆时针旋转此旋钮，则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（偏转因数缩小为原来的若干分之一）。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。
（2）时间选择（TIME/DIV）和微调。时间选择和微调的使用方法与垂直偏转因数选择和微调类似。时间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挡，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挡，光点在屏上移动一格代表时间值lμs。“微调”旋钮用于时间校准和微调，将其沿顺时针方向旋转到底处于校准位置时，屏幕上显示的时间值与波段开关所示的标称值一致；若逆时针旋转此旋钮，则对时基进行微调。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，时间缩小到1/10。例如，在2μs/DIV挡，扫描扩展状态下荧光屏上水平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。示波器前面板上的位移（Position）旋钮用于调节信号波形在荧光屏上的位置。旋转水平位移旋钮（标有水平方向箭头）可以左右移动信号波形，旋转垂直位移旋钮（标有垂直双向箭头）可以上下移动信号波形。
4. 输入通道和输入耦合方式的选择
（1）输入通道的选择。输入通道至少有3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和通道2的信号。在测试信号时，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。示波器探头上有一个双位开关：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。
（2）输入耦合方式的选择。输入耦合方式有交流（AC）、地（GND）和直流（DC）3种选择。当选择“地”时，扫描线显示“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。在数字电路实验中，一般选择“直流”方式，以便观测信号的绝对电压值。
5. 触发
被测信号从Y轴输入后，一部分送到示波管的Y轴偏转板上，驱动光点在荧光屏上按比例沿垂直方向移动；另一部分分流到X轴偏转系统产生触发脉冲，触发扫描发生器，产生重复的锯齿波电压加到示波管的X轴偏转板上，使光点沿水平方向移动，两者合一，光点在荧光屏上描绘出的图形就是被测信号图形。由此可知，触发方式的选择直接影响到示波器的有效操作。为了在荧光屏上得到稳定的、清晰的信号波形，掌握基本的触发功能及其操作方法是十分重要的。
（1）触发源（Source）的选择。要使屏幕上显示稳定的波形，需将被测信号本身或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3种触发源：内触发（INT）、电源触发（LINE）、外触发（EXT）。内触发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或通道2都可以选作触发信号。外触发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。此时由于被测信号没有用作触发信号，因此何时开始扫描与被测信号无关。电源触发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，特别是在测量音频电路、闸流管的低电平交流噪声时更为有效。
正确选择触发信号对波形显示的稳定、清晰有很大关系。例如，在数字电路的测量中，对一个简单的周期信号而言，选择内触发可能好一些；而对于一个具有复杂周期的信号，且存在一个与它有周期关系的信号时，选用外触发可能更好。
（2）触发耦合（Coupling）方式选择。触发信号到触发电路的耦合方式有多种，目的是触发信号的稳定、可靠，这里介绍常用的几种。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。通常在不考虑直流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，就会造成触发困难。当触发信号的频率较低或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。这些触发耦合方式都有自己的适用范围，需在使用中慢慢体会。
（3）触发电平（Level）和触发极性（Slope）。触发电平调节又称同步调节，它使得扫描信号与被测信号同步。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。顺时针旋转此旋钮，触发电平上升；逆时针旋转此旋钮，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，且用电平旋钮不能稳定触发时，用释抑（Hold off）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，当触发信号低于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。
6. 扫描方式（Sweep Mode）
扫描有自动（Auto）、常态（Norm）和单次（Single）3种方式。
（1）自动。当无触发信号输入，或者触发信号频率低于50Hz时，扫描为自动方式。
（2）常态。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。
（3）单次。单次按钮类似复位开关。单次方式下，按单次按钮时扫描电路复位，此时准备（Ready）灯亮。触发信号到来后产生一次扫描。单次扫描结束后，准备灯灭。单次扫描用于观测非周期信号或单次瞬变信号，往往需要对波形拍照。
上面扼要介绍了示波器的基本功能及操作。示波器还有一些更复杂的功能，如延迟扫描、触发延迟、X-Y工作方式等，这里就不介绍了。示波器入门操作是容易的，真正熟练操作则需要在实际应用中积累经验。值得指出的是，示波器虽然功能较多，但许多情况下用其他仪器、仪表更好。例如，在数字电路实验中，判断一个脉宽较窄的单脉冲是否发生时，用逻辑笔就简单许多；测量单脉冲脉宽时，用逻辑分析仪更好。
（四）示波器的使用方法
1. 连接测试探头
打开示波器电源开关，POWER指示灯亮起，在输入探头插座CH1处接上测试探头，如图2.2.6所示。
图2.2.6 测试探头及插座
2. 通道选择
按CH1可取得CH1的控制权，随后，位移旋钮和电压挡开关只对CH1信号有效而对CH2信号无效。
若要在屏幕上关闭CH1信号，则应先按CH1键，再按OFF键，如图2.2.7所示。
图2.2.7 通道选择
3. X、Y轴位移调整
屏幕上的被测信号不在中心线附近时，可以旋转Y轴位移旋钮，对信号进行垂直位置的调整。旋转X轴位移旋钮则是水平位置的调整，如图2.2.8所示。
图2.2.8 X、Y轴位移调整
4. 电压测量读数
电压挡位开关控制屏幕上信号的纵向幅度，可改变左下角的电压挡位值。
如图2.2.9所示，可以看到被测信号的纵向电压幅值有三大格；左下方电压挡位值1.00 V，即纵向电压每格是1V，得到
电压值=垂直偏转因数×格数=1V×3=3V
图2.2.9 电压测量读数
5. 时间挡位调整
按扫描菜单按钮，调出扫描菜单，如图2.2.10所示。
图2.2.10 调出扫描菜单
旋转时间挡位调整开关，信号发生改变，可以读出每格的扫描时间，如图2.2.11所示。
图2.2.11 读出每格的扫描时间
6. 时间参数测量
调整X轴位移旋钮，使被测信号波形的后沿（或前沿）对准X=0的轴线。
如图2.2.12所示，可以看到被测信号的周期是两个格，所以得出
被测信号的周期T=垂直偏转因数×格数=500μs×2=1000μs
图2.2.12 时间参数测量
（五）稳定触发的调整方法
当触发调节不当时，显示的波形将出现不稳定现象。所谓波形不稳定，是指波形左右移动不能停止在屏幕上，或者出现多个波形交织在一起，无法清楚地显示波形，如图2.2.13所示。
波形稳定、静止清晰的图像如图2.2.14所示。
图2.2.13 波形不稳定，多个波形交织重叠
图2.2.14 波形稳定，静止清晰
触发调节是示波器操作的难点和易错点，触发调节的关键是正确地选择触发源信号。
1. 触发源的选择
触发源选择的测试过程如图2.2.15所示。其中，触发电平指示线只有在调“LEVEL”旋钮时才出现，随后自动消失。
图2.2.15 触发源选择的测试过程
（1）单路测试时，触发源必须与被测信号所在通道一致。例如，Y通道CH1测试时触发源必须选择CH1，否则波形将不稳定。
（2）两个同频信号双路测试时，应选信号强的一路作为触发信号源。
（3）两个有整倍数频率关系的信号，应选频率低的一路作为触发信号源。
（4）两路没有整倍数频率关系的信号，无法同时稳定显示，除非用存储方式。
2. 触发电平调整
（1）按50%按钮可使触发电平自动调整到被测电压值的中点，从而使波形稳定，如图2.2.16所示。
图2.2.16 调整到被测电压值中点
（2）调整电平旋钮使触发电平线进入被测信号电压范围内，可使波形稳定，如图2.2.17所示。
图2.2.17 进入被测信号电压范围内
（3）当两个被测信号同频时，触发源应选其中较为稳定的一路信号，如图2.2.18所示。
图2.2.18 选择较稳定的一路信号
（4）当选择正弦波信号为触发源时，仅正弦波一路信号稳定，此时方波信号不稳定，如图2.2.19所示。
图2.2.19 选择正弦波信号为触发源
（5）当以CH2的方波信号为触发源时，CH1的正弦波不稳定，方波稳定，如图2.2.20所示。
图2.2.20 选择CH2的方波信号为触发源
（六）校准信号的使用
示波器可提供一个频率为1kHz、电压为3V的校准信号，其作用如下。
① 可以用于检查示波器自身的测量是否准确。
② 可以检查输入探头是否完好。
③ 当使用比较法测量其他信号时，以同一个标准作为参考信号。
具体操作过程如下。
（1）在输入探头插座CH1处接上测试探头，并拧紧。探头信号测试端和地线端的连接方法如图2.2.21所示。
图2.2.21 探头信号测试端与地线端连接
（2）如图2.2.22所示，当测得校准信号为1kHz、3V时，说明接入探头线完好，并且示波器Y通道和X通道测试准确。
图2.2.22 探头线完好，且通道测试准确
检查显示波形可能出现的情况，如图2.2.23所示。
图2.2.23 显示波形对应情况说明
如必要，用非金属质地的镙钉旋具调整探头上的可变电容，直到屏幕显示的波形如图2.2.23（b）所示。
（七）示波器的正确调整与操作
示波器的正确调整和操作对于提高测量精度和延长仪器的使用寿命十分重要。
1. 聚焦和辉度的调整
调整聚焦旋钮使扫描线尽可能细，以提高测量精度。扫描线亮度（辉度）应适当，过亮不仅会降低示波器的使用寿命，而且会影响聚焦特性。
2. 正确选择触发源和触发方式
（1）触发源的选择。如果观测的是单通道信号，应选择该通道信号作为触发源；如果同时观测两个时间相关的信号，应选择信号周期长的通道作为触发源。
（2）触发方式的选择。首次观测被测信号时，触发方式应置于“AUTO”，待观测到稳定信号后，调好其他设置，最后将触发方式开关置于“NORM”，以提高触发的灵敏度。当观测直流信号或小信号时，必须采用“AUTO”触发方式。
3. 正确选择输入耦合方式
根据被观测信号的性质来选择正确的输入耦合方式。一般情况下，当被观测的信号为直流时，应选择“DC”耦合方式；当被观测的信号为交流时，应选择“AC”耦合方式。
4. 合理调整扫描频率
调节扫描频率旋钮，可以改变荧光屏上显示波形的个数。提高扫描频率，显示的波形少；降低扫描频率，显示的波形多。显示的波形不应过多，以保证时间测量的精度。
5. 波形位置和几何尺寸的调整
观测信号时，波形应尽可能处于荧光屏的中心位置，以获得较好的测量线性。正确调整垂直衰减旋钮，尽可能使波形幅度占一半以上，以提高电压测量的精度。
示波器是电子测量中必备的仪表，每个电子技术行业的从业者都必须熟练掌握。
所谓“熟练”掌握有以下3个标准。
（1）调节每一个开关或旋钮都有明确的目的。
（2）调节顺序正确，没有无效动作。
（3）快速。
对初学者而言，示波器使用有以下两个难点。
（1）Y轴输入耦合开关的正确选择。
（2）触发源的正确选择。
希望同学们在操作练习时格外注意。
实训任务书
实训任务一 测量校准信号
实训任务二 测量人体电波信号
实训任务三 编制数字式示波器简易使用说明书
请参考课本内容并查找相关资料，以小组为单位编制数字式示波器的使用说明书，并进行小组间汇报评比。