示波器的认识和使用

电子射线示波器是常用的电子仪器之一。它可以将电压随时间的变化规律显示在荧光屏上，以便研究它的大小、频率、位相和其它的变化规律，还可以用来显示两个相关的电学量之间的函数关系。因此，示波器已成为测量电学量以及研究可转化为电压变化的其它非电学物理量的重要工具之一。

这是一个应用性的电学实验，难度系数1.05。实验操作和数据处理过程均比较简单。但其是实验考核改革试点项目之一，以实验操作过程的考核为主。

    适合专业：自动化、电子信息工程、电气工程及其自动化、机械设计制造及其自动化、 装备与控制工程、材料成型及控制工程、资源勘查工程、勘查技术与工程、船舶与海洋工程等。

教学目标

通过对示波器的结构和原理的认识，掌握示波器的使用方法。它所涉及的知识是电视机、计算机显示器、乃至大型精密医疗显示设备的基础。通过本实验的学习，可以先了解示波器的工作原理，掌握它的操作方法，再通过以后专业课的学习，逐步做到可以熟练使用、修理、安装和调试此类设备。  

教学方法

    采用启发式,引导式教学方法。

教学内容 

1. 示波器显示清晰而稳定波形的原理主要包括电偏转、扫描和触发扫描同步。 

2. 按照示波器使用步骤，练习迅速调出清晰而稳定的波形。改变相关键钮，记录其对波形改变的影响并进行总结。 

3. 使信号发生器输出一定幅度、频率的各种信号，练习用示波器测量信号的周期和电压峰峰值。 

4. 为熟练掌握调出清晰而稳定波形的方法，练习将各功能键钮打乱后重新调出波形。 

教学要求

1. 了解示波器的基本结构及工作原理，理解触发扫描同步对获得清晰而稳定波形的重要作用。 

2. 熟练掌握示波器的使用方法。对于给定的被测信号能够迅速而正确地调出清晰而稳定的波形，并掌握电压幅度和周期等物理量的测量，严格按照误差及有效数字标准进行读数并注意要在准确值的基础上估读。 

3. 对于操作过程中出现的问题能够积极进行思考，解决。 

实验具体内容与要求

     1、学习使用示波器和信号发生器。通过调节，使信号发生器输出一定频率的规则正弦波，并在示波器上稳定显示出来； 

     2、用示波器观察给定交流电的波形，测量交流电压的有效值和频率； 

     3、通过观察利萨如图形，加深对振动合成概念的理解。记录几种特殊频率比情况下的利萨如形。 

重点及难点

1. 理解触发扫描同步的原理； 

2. 学习示波器的使用方法；

3. 学习用示波器测量电压和时间；

4. 熟练掌握触发源、触发耦合、触发电平的调节； 

5. 在测量电压幅度及周期时，要注意偏转因数以及每格扫描时间应选择合适的数值及单位并注意关闭微调功能，以保证测量的准确性，注意读数的有效位数。 

预习基本要求

     1、了解示波器的主要组成部分以及它们之间的联系；

     2、了解信号发生器的主要功能；

     3、理解用示波器测量交流信号有效值和频率的原理和方法；

     4、理解两个电信号合成李萨如图形的原理；

     5、了解用示波器观察李萨如图形的基本方法。

教学过程设计

1.人物背景介绍

卡尔·费迪南德·布劳恩（Karl Ferdinand Braun，1850年6月6日—1918年4月20日），德国物理学家，诺贝尔物理学奖获得者，阴极射线管的发明者。 

（1）早年经历 

1850年6月6日，布劳恩出生在德国，父亲是个公务员。1868年开始在德国马尔堡大学学习数学和自然科学，1869年转去柏林大学研究天线，1872年获得物理学博士学位。

（2）发明阴极射线管

第一个阴极射线管诞生在17年的德国卡尔斯鲁厄。布劳恩在抽成真空的管子一端装上电极，从阴极发射出来的电子在穿过通电电极时，因为受到静电力影响聚成一束狭窄的射线，即电子束，称为阴极射线，管子侧壁分别摆放一对水平的和一对垂直的金属平行板电极，水平的电极使得电子束上下垂直偏转运动，垂直的电极使得电子束左右水平偏转运动。管子的另一端均匀地涂上一层硫化锌或其他矿物质细粉，做成荧光屏，电子束打在上面可以产生黄绿色的明亮光斑。随着侧壁上摆放的平行板电极电压的变化，电子束的偏转也随之变化，从而在荧光屏上形成不同的亮点，称为“扫描”。荧光屏上光斑的变化，呈现了控制电子束偏转的平行板电极电压的变化，也就是所研究电波的波动图象，这是示波器的雏形和基础，它使得对电波的直观观察成为可能。

布劳恩制造了第一个阴极射线管（缩写CRT，俗称显像管）示波器。CRT被广泛应用在电视机和计算机的显示器上，在德语国家，CRT仍被称为“布劳恩管”（德语：Braunsche Röhre）。直到今天,这还是绝大多数电视机的核心部件。

（3）诺贝尔物理学奖

因为对无线电报的改进，布劳恩同发明无线电报的马可尼分享了1909年的诺贝尔物理学奖。马可尼的发明曾多次借用到布劳恩的专利。

（4）逝世

第一次世界大战爆发后，英国控制的马克尼无线电公司企图关闭纽约的无线电发射站，切断美国和德国的通信，并对位于长岛的塞维尔无线电发射站的专利权提出起诉。当时美国尚未加入战争，岁的布劳恩抱病冲破英国的封锁前往美国，帮助维护德国设在纽约的无线电站，并在纽约出庭为他曾做过的实验作证。其间，美国介入第一次世界大战，布劳恩成为了“敌对国公民”[5]，美国不允许他回到斯特拉斯堡，只能生活在布鲁克林，直到1918年第一次世界大战结束前，布劳恩逝世于家中。

2.实验原理

        (1) 示波管

一般的示波器主要由垂直放大（X轴）系统，水平放大（Y轴）系统，显示系统和电源系统四大部分组成，如下图所示：

    示波管是示波器中显示波形的部件，其结构如图所示，由发射、加速和聚焦电子束的电子，控制电子束偏转的X轴和Y轴偏转板，以及电子打在上面会发光的荧光屏三个部分组成，管内抽成高度真空（10-6mm汞柱以下），以避免电子与气体碰撞而引起电子束散射。

(2) 电子

电子(上图)由灯丝、阴极、控制栅极和阳极组成。表面上涂有脱出功较低的钡和锶氧化物的阴极受到灯丝加热会发射电子。栅极是一个前部有小孔的金属圆筒，其电势低于阴极，对阴极发出的电子起阻碍作用，只有少量电子能通过栅极。调节栅极电压可控制通过栅极的电子束的强弱从而实现亮度调节。阳极的电势比较高而且形状特殊，产生的电场形成电子透镜，一方面可使电子加速，另一方面可使电子束在荧光屏上聚焦。

当在X轴和Y轴偏转板上不加电压时，电子发射出来的电子就打在荧光屏的。如果在X轴和Y轴偏转板上分别加上电压，那么在两对偏转板间就会形成电场，电子束在通过两对偏转板间的电场时，在X轴和Y轴方向就会产生偏转，偏转的距离与所加的电压成正比。荧光屏由荧光材料涂在示波管前端内表面制成，受到电子束轰击时会发出光。

(3) 电子线路

按电路的功能，电子线路主要可分成三部分：1）X轴放大器，2）Y轴放大器，3）

锯齿波扫描电压发生器。

(4) 示波器显示稳定波形的原理

如果我们在垂直偏转板上接入一正弦电压，荧光屏上的光点就会在垂直方向上下振荡。若同时在水平偏转板上接入一周期电压，在每一周期里电压使光点在水平方向上匀速越过荧光屏一次，正弦电压波形就会在荧光屏上显示出来。图（7.3）说明正弦波形轨迹是如何在荧光屏上逐点形成的。

光点在荧光屏水平方向作匀速运动的过程叫扫描，驱动其扫描的电压叫扫描电压。扫描电压由扫描发生器产生，此电压随时间的变化形状像锯齿，所以也叫锯齿电压，如图（7.4）所示。电压先以恒定速率增长，在每次扫描结束后很快回到最低电压处。在电压上升期间，光点扫过荧光屏；在电压回落到最低处期间，光点迅速回到荧光屏左边原来的起始点，在此期间，电子束被关闭，消除了回复线。此过程不断地重复，光点就周而复始地从左到右扫描。如果扫描频率比较高，就觉察不到光点的移动，波形好象是整体一起显示出来的。

为了便于观察和测量，显示出来的波形应该是静止不动的，这就要求每次扫描出来的图象在屏上的位置相同。若要使图（7.3）中所显示的正弦波静止，扫描电压必须在正弦电压的相同位置处开始扫描，即当扫描电压回到电压最低处时,信号电压也应在起始时的值,从而使第二、三、…次起始扫描时的光点与第一次开始扫描时光点位置重合，也就是说扫描电压必须与加在垂直偏转板上的待测信号同步，当垂直偏转板上的信号达到某一设定的电压水平时，才开始扫描。

图7.3只显示了一个周期的正弦波，这是因为扫描电压的周期与正弦电压的周期相同。若要显示超过一个周期的波形，那么扫描就必须慢些；若要显示小于一个周期的正弦波，则扫描就要快点。若扫描电压的周期Tx是欲观测信号周期Ty的n倍时，则荧光屏上将呈现出n个完整的波形。

由此可知，要在示波器上显示出稳定的电压波形，必需满足以下三个条件：1）把要观察的电压信号从Y端输入，加到垂直偏转板上；2）在水平偏转板上加上合适的扫描电压；3）扫描电压要与所观察的信号同步。

如果一台示波器被校正好，对应于单位长度垂直偏转的电压大小已知（例如：5V/DIV），就很容易在示波器荧光屏上测出电压的大小；同样，如果扫描速率已知（例如：2ms/DIV），那么电压的周期或频率就能很容易地测出来。但是这种测量的精度不高，只能作半定量测量，示波器的主要用途是显示波形。

（5） 李萨如图形

运动方向相互垂直的两个简谐振动的合成运动轨迹，称为李萨如（Lissajous）图形，这是由法国科学家Jules  Lissajous 在1875 年首先发现的。李萨如图形可由示波器很好地显示出来。

使用李萨如图形法测量未知信号频率的测量系统如图所示，它是把被测振动信号送入阴极射线示波器的垂直偏转轴y，而把已知频率的比较电压信号（由信号发生器提供）送入水平偏转轴x，这时在电子示波器的显示屏上将形成李萨如图形。

如果在示波器的垂直偏转板和水平偏转板上同时都加上正弦电压，电子束在垂直方向和水平方向都将按正弦规律变化，在荧光屏上就能看到各种不同的电子束运动轨迹的图形。当两个电压的频率成简单整数比时，就能看到由稳定的封闭曲线所构成的图形，这些图形被称为李萨如图形。当图形稳定后，图形的形状和信号频率之间有如下关系：

其中fx为加在x轴上电压的频率，fy为加在y轴上电压的频率，Nx为任意水平直线与图形相交的最多的交点数，Ny为任意垂直直线与图形相交的最多的交点数。

3.实验任务

原始数据及数据处理

误差分析

1、  实验中因示波器显示的曲线有一定宽度以及人眼判断而产生误差；

2、  从整流滤波示教板输出的电信号不稳定。

常见问题与解答

     1 已有信号接到示波器的输入端，但示波器荧光屏并无显示，可能的原因有：

        （1）亮度不够。

        （2）水平或垂直位移调节不当。

        （3）输入端对地短路，即选择开关扳至“GND”端。　

     2、如果示波器的显示不稳定，可能的原因有：

        （1）同步源或同步方式选择不当。

        （2）触发电平选择不当。

        （3）水平扫描速度选择不合适。　

     3、实验中很难得到稳定的利萨如图形，而只能得到重复变化的某一组利萨如图形。这是因为所用两个信号的位相差是变化的，而不是固定的。　

     4、实验中发现李萨如图形与理论预期情况有一定差别，比如本来应该是椭圆，但不是很规则的椭圆，这是因为小变压器输出的电信号不是非常规则的正弦波。 

实验注意事项

     1、必须根据实验室提供的仪器说明书，弄清所使用的示波器、信号发生器面板上各旋钮的作用后方能开始做实验。

2、为了保护荧光屏不被损坏，荧光屏上光点（扫描线）亮度不可调得过亮，并且不可将光点（或亮线）固定在荧光屏上某一点时间过久，以免损坏荧光屏。　

     3、示波器和函数信号发生器上所有开关及旋钮都有一定的调节限度，调节时不能用力太猛。　

     4、双踪示波器的两路输入端Y1、Y2有一公共接地端，同时使用Y1和Y2时，接线时应防止将外电路短路。

     5、在定量测量时，VOLTS/DIV与SEC/DIV的旋钮必须锁死。

思考题　

     1、简述示波器显示电压～时间图形（即电信号波形）的原理。 

     2、怎样用示波器定量地测量交流信号的电压有效值和频率？ 

     3、观察两个信号的合成李萨如图形时，应如何操作示波器？

     4、为了使李萨如图形稳定下来，能否使用示波器上的同步旋钮？为什么？ 

     5、用示波器观测周期为0.2ms的正弦电压，若在荧光屏上呈现了3个完整而稳定的正弦波形，扫描电压的周期等于多少毫秒？