示波器怎么抓瞬间电压波形

实验3　示波器的使用

示波器是一种用途广泛的电子测量仪器，既能直接测量电信号的波形（电压与时间关系），又能测量电压信号的幅度、周期、频率和相位等参数。配合各种传感器，一切可以转化为电压的电学量（如电流、电功率、电抗等）和非电学量（如温度、位移、速度、压力、光强、磁强等）都可以用示波器来观测。

示波器具有多种类型，新产品相继问世，功能也在不断增加，就显示方式来说，主要有阴极射线示波器和液晶显示示波器两种，但它们的基本原理大致相同。本实验通过了解日本岩崎SS-7802A型阴极射线双踪示波器的基本原理与使用方法，为今后使用其他示波器打下基础。

【实验目的】

（1）了解示波器的大致结构与工作原理；

（2）学习SS-7802A型示波器的操作使用方法；

（3）学习EE1641B型函数信号发生器的操作使用方法；

（4）观察交流信号波形，测量信号电压与周期；

（5）通过观察李萨如图测量正弦信号频率。

【实验仪器】

SS-7802A型示波器，EE1641B型函数信号发生器。

【实验原理】

1.示波器的组成、工作原理

图3-3-1　双踪示波器结构方框图

阴极射线示波器主要由示波管（阴极射线管，Cathode Ray Tube，CRT）、Y轴（垂直）放大器、X轴（水平）放大器、扫描与触发系统以及电源等部分构成。SS-7802A型双踪示波器的电路组成及其结构方框图如图3-3-1所示。

（1）示波管：示波管是用于显示被测信号波形的器件，其结构如图3-3-2所示，大致分成三部分：电子枪、偏转板和屏幕。

屏幕：玻璃屏上涂有一层荧光粉，当电子束高速打到屏幕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。

图3-3-2　示波管结构示意图

电子枪：电子枪由灯丝1、阴极2、栅极3、阳极4、聚焦极5等部分组成，它的作用是发射和控制电子束。

当阴极被灯丝加热后，向外发射电子，通过栅极后形成一电子束。栅极的电位相对阴极为负，因此调节栅极相对阴极的电位，可以控制到达屏幕上的电子数目，从而调节屏幕光点的亮度，称为“辉度（亮度）”调节。

阳极有高于阴极的正电压，它对电子起加速作用。改变两个阳极间静电场的分布可使电子聚焦于屏幕上。由于这种调节可以改变聚焦程度，故称为“聚焦”。调节聚焦可以改变屏幕上光点的清晰度。

图3-3-3　电子偏转运动轨迹

偏转板：示波管内有两组平行板，一组竖直放置，一组水平放置（图3-3-2中的6、7）。在水平放置的平行板上加上电压，电子就在水平方向受到电场作用发生水平偏转；在垂直放置的平行板上加上电压，电子就在垂直方向受到电场作用发生垂直偏转，如图3-3-3所示。

（2）电压放大系统：要使光点在屏幕上移动一定的距离，必须在偏转板上加足够的电压。一般示波管偏转板的灵敏度不高，偏转1cm得有几十伏的电压。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屏幕上获得明显的偏移，必须对被测信号进行电压放大，垂直（Y轴）和水平（X轴）放大器就起这一作用。

图3-3-4　X轴扫描波形

（3）扫描与触发系统。扫描：如图3-3-4所示，在水平偏转板上加锯齿波电压（电压与时间的变化关系形同“锯齿”，故称锯齿波），电子束在水平方向周期性地来回扫动，称为“扫描”。这样，屏幕上出现一条水平方向的线段，通常称为“扫描线”，也称“时间亮线”。

波形显示原理：若把一个电压随时间变化的信号加在示波器垂直偏转板上，屏幕上看到一条垂直的亮线，看不到波形。如果在Y偏转板加正弦电压U_y的同时，在X偏转板加锯齿波电压U_x，如图3-3-5所示，使电子在Y方向做正弦运动的同时，沿X方向做匀速运动，就可以在屏幕上显示电压随时间变化的正弦波形。

若U_x与U_y的周期T_x与T_y相同，则屏幕上出现一个正弦波。若T_x＝nT_y（n为正整数），则屏幕上出现n个稳定的正弦波。

图3-3-5　扫描原理

触发同步：只有T_x为T_y的整数倍时，屏幕上的波形才能稳定。T_y由示波器被测信号决定，而T_x由示波器内部的锯齿波发生器决定，两者相互无关。当T_x不是T_y的整数倍时，每次扫描所出现的波形都不一样，因而波形不稳定。

为了得到稳定波形，可以采用触发同步，即从Y轴偏转电压引入一部分电压（参见图3-3-1）去控制锯齿波发生器，强制T_x跟踪T_y的变化而变化，以保证T_x＝nT_y。引入的电压称为“同步电压”，或称“触发电压”。

双踪显示：利用电子开关（实际上是一个自动快速单刀双掷开关）把通道1（CH1）和通道2（CH2）的两个输入信号轮换送入Y轴放大器，在屏幕上的两个不同位置轮流显示这两个信号波形。轮换速度足够快时，由于人眼的视觉暂留作用，就可在屏幕上同时观察到两个（双踪）波形。

2.李萨如图，用李萨如图测量信号频率

把两个正弦信号分别加到X轴（CH1）和Y轴（CH2）输入端，则屏幕上光点的运动轨迹是两个互相垂直的谐振动的合成。当两个正弦信号频率之比为整数时，其轨迹是一个稳定的闭合曲线。这种曲线称为李萨如图，如图3-3-6所示。

李萨如图的形状取决于两正弦信号的频率、相位和振幅等参数，如表3-3-1和表3-3-2所示。

图3-3-6　两正弦信号合成的李萨如图

如果两个信号的频率比不是整数比，则李萨如图不稳定。当接近整数比时，可以观察到转动的李萨如图。

由表3-3-1可见，封闭的李萨如图在Y方向的切点数N_y与X方向的切点数N_x之比与两信号的频率之比有如下关系：

利用（3-3-1）式可以测量正弦信号频率。如果其中一个信号的频率已知，另一信号频率连续可调，则把两个信号分别输入Y轴与X轴，调出稳定的李萨如图，从李萨如图求出切点数N_y与N_x，由式（3-3-1）算出待测正弦信号的频率。

表3-3-1　李萨如图与信号频率的关系

表3-3-2　f_x/f_y＝1∶1李萨如图与信号相位差的关系

【实验内容】

1.示波器使用快速入门

口诀：自动（AUTO）扫描—旋钮居中—交流（AC）耦合—垂直（VERT）触发—电平（TRIG LEVEL）调节。

自动（AUTO）扫描：按（自动）键，使扫描方式（SWEEP MODE）为AUTO扫描，这样无信号输入时能产生水平亮线。

旋钮居中：使用前，先将常用旋钮放在中间位置（旋钮上白色刻线朝正上方），如“INTEN”（波形亮度）、“READ OUT”（字符亮度）和“↑POSITION”（垂直位移）、“←→POSITION”（水平位移）等常用旋钮居中。

交流（AC）耦合：一般情况下，按键，使CH1和CH2输入信号耦合方式为AC；按（耦合）键，使触发信号耦合方式为AC。

垂直（VERT）触发：按（触发源）键选择VERT（垂直）触发方式，这样不管从CH1还是从CH2输入信号，都能得到稳定的波形显示。

电平（TRIG LEVEL）调节：当波形不稳定时，左右调节“TRIG LEVEL”（触发电平）旋钮，使波形稳定。

2.测信号幅度与周期

1）测量正弦信号

（1）将函数信号发生器的输出信号（50Ω端）输到示波器的CH1或CH2输入端。

（2）调节函数信号发生器的频率和幅度旋钮，输出大约1kHz 1V_pp的正弦波。为了使正弦信号不失真，必须关闭“OFF SET”旋钮（OFF位置）和SYM旋钮（OFF位置）。

（3）若信号从CH1插座输入，则按键使示波器显示CH1信号；若信号从CH2插座输入，则按键使示波器显示CH2信号。按（触发源）键选VERT（垂直）触发方式，调节“TRIG LEVEL”（触发电平）等旋钮，使屏幕显示稳定的波形。

（4）调节X轴“TIME/DIV（扫描速率）”旋钮，使屏幕X方向显示1～2个周期波形。调节Y轴“VOLTS/DIV（偏转因数）”旋钮，使Y方向信号的峰峰值占3～5格。

（5）调节函数信号发生器，使信号为1kHz 1V_pp。用示波器“距离测量法”和“光标测量法”分别测出信号的幅度、周期和频率，将数据记录在表3-3-3和表3-3-4中，并比较“距离法”测量结果与“光标法”测量结果。

距离法测量：如图3-3-7所示，先利用屏幕前的刻度标尺分别读出与电压峰峰值（最大峰位到最小谷位）对应的垂直距离y及一个周期波形所对应的水平距离x，则

峰峰值电压U_pp＝y（cm）×偏转因数K（V/cm）

周期T＝x（cm）×扫描速度P（ms/cm）

频率f＝1/T（Hz）

图3-3-7　测正弦波电压、周期

2）测量方波和三角波信号

（1）调节函数发生器“输出波形选择按键（12）”，输出10kHz 1V_pp矩形波。按照测正弦波的方法，用示波器测出矩形波的幅度、周期和频率，将数据分别记录在表3-3-3和表3-3-4中，并比较“距离法”测量结果与“光标法”测量结果。

（2）调节函数发生器“输出波形选择按键（12）”，输出100kHz 1V_pp三角波。按测正弦波的方法，用示波器测出三角波的幅度、周期和频率，将数据分别记录在表3-3-3和表3-3-4中，并比较“距离法”测量结果与“光标法”测量结果。

3.观察李萨如图，用李萨如图测量正弦信号频率

（1）用函数发生器从CH1通道（X轴）输入1V_pp100Hz（f_x）的正弦波，调节有关旋钮，观察到稳定的波形。

（2）用另一台函数发生器从CH2通道（Y轴）输入1V_pp50Hz（f_y）的正弦波，调节有关旋钮，观察到稳定的波形。

（3）按键，示波器置X-Y工作方式，按键关闭CH1通道，则屏幕出现李萨如图

（4）缓慢调节对应CH2的函数发生器信号频率f_y，使李萨如图稳定。画出李萨如图，测出相应的X方向切点数N_x和Y方向切点数N_y，将数据记入表3-3-5中。

（5）再调节频率f_y为300Hz，画出李萨如图，测出相应的X方向切点数N_x和Y方向切点数N_y，将数据记入表3-3-5中，并判断（3-3-1）式是否成立。

（6）做完李萨如图实验后，必须按键，使屏幕出现水平亮线，保护屏幕。

【数据记录及处理】

表3-3-3　测量1V_pp三种信号的幅度

表3-3-4　测量1V_pp三种信号的频率和周期

表3-3-5　用李萨如图测量正弦信号频率

预习思考题

（1）如果触发源（SOURCE）选“垂直（VERT）触发”时波形还不稳定，应调哪个旋钮？

（2）能否用示波器的“触发电平（TRIG LEVEL）旋钮”使李萨如图稳定下来？为什么？

思　考　题

（1）当示波器出现下图（a）、（b）、（c）、（d）不良现象时，请选择下列正确的调节方法：

图（a）：＿＿＿；图（b）：＿＿＿；图（c）：＿＿＿；图（d）：＿＿＿；

可选答案：①调大“偏转因数（VOLTS/DIV）”；②调小“偏转因数VOLTS/DIV”；

　　　　　③调大“扫描速率（TIME/DIV）”；④调小“扫描速率（TIME/DIV）”；

　　　　　⑤“水平显示”置“常规扫描（A）”，调大“扫描速率（TIME/DIV）”；

　　　　　⑥“水平显示”置“常规扫描（A）”，调小“扫描速率（TIME/DIV）”；

　　　　　⑦“水平显示”置“X-Y”，调大“扫描速率（TIME/DIV）”；

　　　　　⑧“水平显示”置“X-Y”，调小“扫描速率（TIME/DIV）”。

（2）已知表3-3-1李萨如图中CH1通道（X轴）的信号频率为100Hz，则CH2通道（Y轴）的信号周期分别为多少？

（3）观察李萨如图时，要改变其垂直幅度的大小应调节＿＿＿通道的“偏转因数（VOLTS/DIV）”？改变其水平幅度的大小应调节＿＿＿通道的“偏转因数（VOLTS/DIV）”？改变其波形的垂直位置应调节＿＿＿通道的“垂直位移”？（可选答案：CH1或CH2）。

【附录A】SS-7802A型示波器主要功能及使用方法

图3-3-8是该示波器的操作面板示意图，大部分操作在屏幕上有相应的符号显示，其主要功能及使用方法见表3-3-6。

图3-3-8　SS-7802A型示波器面板操作示意图

表3-3-6　SS-7802A型示波器面板按钮及使用指南

续表

续表

【附录B】EE1641B函数信号发生器

图3-3-9是EE1641B函数信号发生器面板示意图，其主要功能和使用方法见表3-3-7。

表3-3-7　EE1641B函数信号发生器功能和使用方法

图3-3-9　EE1641B函数信号发生器前面板示意图