二踪示波器的使用

示波器是一种具有用途广泛的电子测量仪器，它可以直接观察电压信号的波形，能直接或间接地显示波形的幅值、频率或周期。示波器只能直接观察电压信号，其他非电压信号（如电流、阻抗等）或非电学量（如位移、压力、温度、光强等）要借助电阻、电感等元件或传感器转化成电压信号才能用示波器来观察和测量。

示波器根据处理信号的不同，可分为模拟示波器和数字示波器两大类；根据信号输入通道数也可分为单踪示波器、二踪示波器和多踪示波器。

【实验目的】

（1）了解示波器的基本组成和工作原理；学会正确使用二踪示波器和函数信号发生器。

（2）能正确使用示波器观察3种电压信号波形，能测正弦电压的幅值和周期。

（3）学会正确使用示波器观察两个电压信号合成的函数图形。

【实验原理】

1. 示波器的主要组成部分

示波管、扫描和整步（同步）系统、衰减和放大系统、触发和分离系统、电源供给系统等五大系统，如图3-1所示，其中示波管是示波器的核心部件。

图3-1　示波器工作原理框图

2. 示波管

示波管由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分构成，如图3-2所示。阴极射线管受热后发出大量电子，在栅极与阴极构成的阻力电场作用下使初动能较大的电子被挑选出来，经过第一阳极电场聚焦后形成很细的电子束，再经过第二阴极加速，经过Y轴和X轴偏转极板后显示在荧光屏上；其中栅极的电位决定了荧光屏光点的亮度，与栅极相连的相应电位器为辉度旋钮，与第一阳极相连的相应电位器为聚焦旋钮，加载到Y轴偏转极板相连的是外部信号电压，内部的锯齿波扫描信号加载到X轴偏转极板。

图3-2　示波管结构简图

3. 扫描和同步系统

扫描电路在被测信号的触发下产生一个锯齿波电压。锯齿波电压的作用是使电子束在荧光屏上产生周期性的、随时间线性变化的水平位移，即形成时间基线，这样才能把加载在垂直方向的被测信号按时间变化的波形在荧光屏上展开，如图3-3所示。如果没有水平方向的扫描信号，Y偏转板上加的正弦电压信号在荧光屏上将显示成一条竖直线，当信号频率较低时，只会看到一光点上下运动。同步是指被测信号与扫描信号同步工作，当扫描电压的频率是信号电压频率的整数倍时，可得到稳定图形。

图3-3　波形显示原理

【实验仪器】

MOS-620CH型二踪示波器、SFG2004型函数信号发生器。

【实验内容】

（1）示波器开机前，检查各旋钮是否位于刻度的中间位置。

（2）熟悉示波器和函数信号发生器各旋钮的作用。

（3）用CH1通道定性地观察不同电压信号波形。

①用双Q9线从信号发生器的50 Ω输出端连接到示波器CH1，在幅值UP＝2.0 V、输入信号频率f＝500 Hz条件下，分别观察正弦波、三角波和方波，并记录对应3个完整周期的波形。

②用CH2观察以上3种波形，并与自己记录的图形对照（此操作可省略）。

（4）用CH2通道定量地测正弦波的峰-峰值与周期。

①用双Q9线将未知信号发生器的50 Ω输出端连接到示波器CH2。

②将扫描微调旋钮（SWP.VAR.）右旋至“校正”位置，时间扫描因数先调到0.5 ms/Div，选择合适的扫描因数后记录下α值（注意单位，Div表示大格）。

③将CH2的垂直微调旋钮右旋至“校正”位置，选择合适的偏转因数，使屏上的波形尽可能接近上下两条虚线（超出信号会失真），记下此时的偏转因数（注意单位）和波幅所占格数Dy（小格数转换成大格数），并计算正弦波的峰-峰值UP-P。

④测出正弦波一个周期所占格数Dx（小格数转换成大格数），并根据扫描时间因数计算周期T。

（5）观测李萨如图形。

分别将两个正弦电压信号输入到CH1 和CH2，选择X-Y功能，在给定的Y方向信号频率fy≈600 Hz（接未知信号）下分别调出实验要求的5种李萨如图形，列表记录各图形及对应的频率比fy/fx和X方向信号频率fx值（当图形变化很慢时再作记录），并验证信号频率比与对应图形沿X和Y方向的切点个数之比呈倒数关系。

【注意事项】

（1）不要频繁开机，扫描亮度不能太强，暂时不用时，应把辉度降到最低，严禁让显示屏处于一个亮斑，以免烧坏显示屏。

（2）开关和旋钮应在可调范围内旋转，不可强行旋转。

（3）定量使用偏转因数或扫描时间因数时，一定先将微调旋钮右旋到校准位置。

（4）使用Q9线时，旋转接头的金属圈部位，尽量避免拉扯塑料部位。

（5）带有三通接头的信号发生器作为未知信号，只可测量，不可调节。

（6）观测李萨如图形时，X和Y方向输入信号的幅值显示要差不多，才能得到谐调的图形。

【数据处理】

（1）记录3个周期的3种完整波形（用CH1通道），如表3-1所示。

表3-1　3种完整波形

（2）用通道CH2测正弦波的峰-峰值和周期。

测电压峰-峰值：UP-P=Y轴偏转因数×格数Dy =____________。

测周期：T=扫描时间因数α×格数Dx =_____________。

（3）观测李萨如图形（fy＝600 Hz），绘于表3-2中。

表3-2　李萨如图形

【思考题】

示波器内部扫描信号的作用是什么？

附　录

1. MOS-620CH型二踪示波器

如图3-4所示，该二踪示波器主要分为4个功能区域，左边的显示区域，以中心为坐标原点，水平方向有10大格，垂直方向有8大格，其中每大格有5小格；水平方向还有两条虚线为波形失真分界线，如果只是定性地观察波形，波形可以超过这两条虚线；反之要定量地测量波形幅值，要选择合适的偏转因数，使波形尽可能接近上下虚线。

图3-4　仪器面板主要控件介绍

在显示区域下边的轨迹角度螺母用来调节电子束的扫描水平角度，水平调节区调节波形的水平显示，时间扫描因数有个特殊的位置，即X-Y挡位，如果选择X-Y功能，示波器内逻辑电路和选择开关就把CH1信号加到X偏转板上，CH1或CH2信号正常情况是加载在Y偏转板上的，如果在X、Y偏转板都加上正弦电压，当两个正弦电压信号频率成整数比时，荧光屏上亮点轨迹形成稳定的闭合曲线。

垂直调节区，左半边和右半边分别调节从CH1和CH2输入信号的竖直方向的显示，中间显示模式：选择CH1或CH2表示通道1或通道2单独显示，选择DUAL表示两个通道同时显示，选择ADD表示CH1+CH2，按下INV表示CH1-CH2。

触发区中触发源有内外两种触发，选择CH1或CH2表示通道1或通道2作为内部触发信号源，选择LINE表示用交流电源作为触发信号，选择EXT表示用外部信号作为触发源。触发电平是调节信号同步稳定的。

面板上的所有因数调节旋钮使因数离散变化，而配合微调旋钮可以使因数连续变化，但微调旋钮无法读出因数的值，因此定量使用因数时，要将微调旋钮右旋至“校正”位置，即调零位置。

2. SFG2004型函数信号发生器

该函数信号发生器能输出连续信号、扫描信号、函数信号和脉冲信号等多种信号，如图3-5所示，显示窗口一般显示信号的频率，“WAVE”按键可以切换3种不同信号波形，“AMPL”即Amplitude缩写，为信号振幅调节旋钮，当拉起该旋钮时表示振幅衰减-20 dB，“OUTPUT 50 Ω”表示信号50 Ω 阻抗输出，面板右上角的按键可以设置从几Hz到几MHz不等的信号频率。

图3-5　SFG2004型函数信号发生器面板