示波器的原理和使用

一、示波器的工作原理：
示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。
（一）示波器的组成普通示波器有五个基本组成部分：显示电路、垂直（Y轴）放大电路、水平（X轴）放大电路、扫描与同步电路、电源供给电路。普通示波器的原理功能方框图如图5-1所示。
1．显示电路
显示电路包括示波管及其控制电路两个部分。示波管是一种特殊的电子管，是示波器一个重要组成部分。示波管的基本原理图如图5-2所示。由图可见，示波管由电子枪、偏转系统和荧光屏3个部分组成。
（1）电子枪
电子枪用于产生并形成高速、聚束的电子流，去轰击荧光屏使之发光。它主要由灯丝F、阴极K、控制极G、第一阳极A1、第二阳极A2组成。除灯丝外，其余电极的结构都为金属圆筒，且它们的轴心都保持在同一轴线上。阴极被加热后，可沿轴向发射电子；控制极相对阴极来说是负电位，改变电位可以改变通过控制极小孔的电子数目，也就是控制荧光屏上光点的亮度。为了提高屏上光点亮度，又不降低对电子束偏转的灵敏度，现代示波管中，在偏转系统和荧光屏之间还加上一个后加速电极A3。
第一阳极对阴极而言加有约几百伏的正电压。在第二阳极上加有一个比第一阳极更高的正电压。穿过控制极小孔的电子束，在第一阳极和第二阳极高电位的作用下，得到加速，向荧光屏方向作高速运动。由于电荷的同性相斥，电子束会逐渐散开。通过第一阳极、第二阳极之间电场的聚焦作用，使电子重新聚集起来并交汇于一点。适当控制第一阳极和第二阳极之间电位差的大小，便能使焦点刚好落在荧光屏上，显现一个光亮细小的圆点。改变第一阳极和第二阳极之间的电位差，可起调节光点聚焦的作用，这就是示波器的“聚焦”和“辅助聚焦”调节的原理。第三阳极是示波管锥体内部涂上一层石墨形成的，通常加有很高的电压，它有三个作用：①使穿过偏转系统以后的电子进一步加速，使电子有足够的能量去轰击荧光屏，以获得足够的亮度；②石墨层涂在整个锥体上，能起到屏蔽作用；③电子束轰击荧光屏会产生二次电子，处于高电位的A3可吸收这些电子。
（2）偏转系统
示波管的偏转系统大都是静电偏转式，它由两对相互垂直的平行金属板组成，分别称为水平偏转板和垂直偏转板。分别控制电子束在水平方向和垂直方向的运动。当电子在偏转板之间运动时，如果偏转板上没有加电压，偏转板之间无电场，离开第二阳极后进入偏转系统的电子将沿轴向运动，射向屏幕的中心。如果偏转板上有电压，偏转板之间则有电场，进入偏转系统的电子会在偏转电场的作用下射向荧光屏的指定位置。
如图5-3所示。如果两块偏转板互相平行，并且它们的电位差等于零，那么通过偏转板空间的，具有速度υ的电子束就会沿着原方向（设为轴线方向）运动，并打在荧光屏的坐标原点上。如果两块偏转板之间存在着恒定的电位差，则偏转板间就形成一个电场，这个电场与电子的运动方向相垂直，于是电子就朝着电位比较高的偏转板偏转。这样，在两偏转板之间的空间，电子就沿着抛物线在这一点上做切线运动。最后，电子降落在荧光屏上的A点，这个A点距离荧光屏原点（0）有一段距离，这段距离称为偏转量，用y表示。偏转量y与偏转板上所加的电压Vy成正比。同理，在水平偏转板上加有直流电压时，也发生类似情况，只是光点在水平方向上偏转。
（3）荧光屏
荧光屏位于示波管的终端，它的作用是将偏转后的电子束显示出来，以便观察。在示波器的荧光屏内壁涂有一层发光物质，因而，荧光屏上受到高速电子冲击的地点就显现出荧光。此时光点的亮度决定于电子束的数目、密度及其速度。改变控制极的电压时，电子束中电子的数目将随之改变，光点亮度也就改变。在使用示波器时，不宜让很亮的光点固定出现在示波管荧光屏一个位置上，否则该点荧光物质将因长期受电子冲击而烧坏，从而失去发光能力。
涂有不同荧光物质的荧光屏，在受电子冲击时将显示出不同的颜色和不同的余辉时间，通常供观察一般信号波形用的是发绿光的，属中余辉示波管，供观察非周期性及低频信号用的是发橙黄色光的，属长余辉示波管；供照相用的示波器中，一般都采用发蓝色的短余辉示波管。

1、实验小结:本次实验相比与其他实验， 更加接近于一种体验性的实验， 目的并不在于获得最终的实验数据结果， 而在于让我们更好地理解实际生产生活中常用的示波器； 通过操作示波器， 一方面我能够熟悉仪器的使用方法， 认识到书本理论和实际操作存在的差距， 一方面也体会了示波器中所表现的将一些不可见的动态量转化为另一种量直观地表现出来的方法（锯齿波扫描电压与信号电压的组合是其表现思想的精髓）。
另外， 本次实验中， 我也体会到了书本上的理论知识和实际应用的差异所在， 具体地说即是全波整形电流波形理论值和实际图样的差别。 通过实际的操作和观察， 我能够从差异出发， 从一些错误出发， 通过比较以不同地角度更好的理解所学的知识， 这是单独阅读书本所不能做到的。
2、误差分析：
可能的原因有以下几个
1.桌面振动造成的影响。
2.示波器上显示的荧光线较粗，取电压值时的荧光线间宽度不准，使电压值不准。
3.取正弦周期时肉眼调节两荧光线间宽度不准，导致周期测定不准确。
4.在选确定fy的值时上下跳动，可能造成取值不准。
5.机器系统存在系统误差。

数字示波器关键部件是高速A/D和D/A 转换器。也就是模数转换和数模转换。模数转换就是将模拟信号，进行测量（多位比较器）转换成数字信号。

◆李萨如图形是当在示波器的X轴输入一个波形，用它作为扫描信号（而不是用示波器本身的锯齿波来扫描！），同时在Y轴输入另一个信号，当两个信号的频率之比正好形成整数比时产生的图样。
◆比个设想的简单例子：如果你一边在荡秋千，一边拿着一个长把扫帚在地上左右摆动。仍你左右摆动的周期或频率正好等于秋千前后摆动的周期或频率的话，那就会在地面上画出一个封闭的图形。如果你是按照正弦波的规律摆动扫帚的话，那画出来的图形将是椭圆。如果你扫帚的摆幅正好等于秋千的摆幅时，画出来的一定会是个圆圈！如果你晃动扫把的频率比秋千块一倍，则会画出一个8字。
示波器上的X轴信号就相当于例子中的秋千，Y轴的信号就相当于例子中的扫帚。
◆因此，用构成李萨如图形的方法就可以比较两个信号间的频率比，当一个信号的频率为已知时，就可测出另一个信号的频率。
◆所以要观察李萨如图形，首先将示波器的X输入端设置到外部扫描方式上，再将一个信号送入X轴输入端，另一个信号送入Y轴输入端，然后改变一个信号的频率，并将信号幅度适当衰减就行了。

当然，示波器就是做这个用的。但前提是示波器采样率足够，波形不失真。

一、实验目的

1. 了解双踪示波器显示波形的工作原理；

2. 学会利用双踪示波器观测电压信号；

3. 学会利用双踪示波器观察李萨如图形，并利用其测量正弦信号的频率。

二、实验仪器

信号发生器、双踪示波器、探头。

三、实验原理

1. 示波器

2. 双踪示波器的原理

3. 示波器显示波形原理

如果在 YCH1 或 CH2 端口加上正弦波，在示波器的 X 偏转板加上示波器内部的锯齿波，当锯齿波电压的变化周期与正弦电压的周期相等时，则显示完整周期的正弦波形，如图 3 ，若在 YCH1 和 YCH2 同时加上正弦波，在示波器的 X 偏转板加上示波器内部的锯齿波，则在荧光屏上将得到两个正弦波。

4. 李萨如图形的基本原理

在示波器的 Y 偏转板和 X 偏转板上分别加上正弦波，当信号的频率比值为简单整数比时，得到李萨如图形。 fx 、 fy 为 x,y 偏转板上信号频率， nx 、 ny 为李萨如图形与假想水平线、垂直线的切点数目。

四、实验内容

1. 做好准备工作，设置好示波器；

2. 观察各种波形；

3. 测量正弦波的电压峰值、周期和频率，测四组数据。

六、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。

答：高速电子撞击在荧光屏上会使荧光物质发光，在荧光屏上就能看到一个亮点， Y 偏转板是水平放置的两块电极， X 偏转板是垂直放置的两块电极，在 Y 偏转板和 X 偏转板上分别加电压，可在荧光屏上得到相应的图形。当然电压不同，周期不同，所得到的图形会不一样。
五、数据处理与分析
1. 测正弦波的电压峰值
次数 Vp-p 测量值（ V ） Vp-p 真实值（ V ） 误差（ V ）
1 3.68 4 0.32
2 8.56 10 1.44
3 13.3 15 1.7
4 18.8 20 1.2
2. 测正弦波的周期、频率
次数 T 真实值（ S ） f 真实值（ HZ ） f 测量值 (HZ) f 误差 (HZ)
1 1×10-2 100 100 0
2 1×10-4 104 10010 10
3 1×10-6 106 106 0
4 1×10-7 107 9.963×106 3.7×104
3. 利用李萨如图形测频率
李萨如图形 fx(HZ) ny nx fy= nx*fx/ ny (HZ) 实际测量值 (HZ)
90 1 1 90 89.9
90 1 2 180 180.1
90 2 1 45 45.2
90 3 2 60 60.7
六、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。

答：高速电子撞击在荧光屏上会使荧光物质发光，在荧光屏上就能看到一个亮点， Y 偏转板是水平放置的两块电极， X 偏转板是垂直放置的两块电极，在 Y 偏转板和 X 偏转板上分别加电压，可在荧光屏上得到相应的图形。当然电压不同，周期不同，所得到的图形会不一样。
七、注意事项

1. 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。

2. 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。

3. 双踪示波器的两路输入端 CH1 ， CH2 有一公共接地端，同时使用 CH1 和 CH2 时，接线时应防止将外电路短路。

有几种可能的方法，依照你使用的示波器不同，效果也大不同。
无论使用任何通用示波器，都须将码速调整到尽可能低。
1. 模拟示波器，相当困难，因为既不能停止，更不能存储，所以只能观察到非常明显存在的问题，模拟示波器对解决这类问题帮助非常有限。将示波器幅度调到合适的显示，再调整扫描时间，使之能分辨出数个码型，触发时可考虑某个相关的外触发源，如来自主机或从机的某个信号。也可使用非触发模式，有时也能发现一些问题。
2. 数字示波器，将示波器幅度调到合适的显示，再调整扫描时间，使之能分辨出数个码型，然后提高扫描时间2~3个档位，使码的波形压缩起来。在某时刻按下“运行/停止”按键，然后降低描时间2~3个档位，则可看到静态的数个码型。此种方法的缺点是不易捕捉到有问题的瞬间，所以只能多试些次。而且有些数字示波器，在“停止”后几乎不能再展开压缩的波形。
3. 数字示波器，有深度存储功能，如安捷伦546XX系列。操作方法同2，但不同的是，在“停止”后，可以将压缩的码型展开很多倍，几十或上百倍，这样很容易的捕捉到有问题的地方。

示波器探头衰减和示波器内部衰减原理就是降低信号的电平、匹配信号源和负载的阻抗或者测量两端口器件的增益或损耗.电阻性元件,利用吸收片吸收部分的能量而达到吸收效果的,能量会在电阻膜上转化为热能。

示波器探头对测量结果的准确性以及正确性至关重要，它是连接被测电路与示波器输入端的电子部件。最简单的探头是连接被测电路与电子示波器输入端的一根导线，复杂的探头由阻容元件和有源器件组成。简单的探头没有采取屏蔽措施很容易受到外界电磁场的干扰，而且本身等效电容较大，造成被测电路的负载增加，使被测信号失真。

原理就是降低信号的电平、匹配信号源和负载的阻抗或者测量两端口器件的增益或损耗。电阻性元件,利用吸收片吸收部分的能量而达到吸收效果的,能量会在电阻膜上转化为热能。

示波器探头的定义

本质上，示波器探头是在测试点或信号源和示波器之间建立了一条物理和电子连接；实际上，示波器探头是把信号源连接到示波器输入上的某类设备或网络，它必须在信号源和示波器输入之间提供足够方便优质的连接。

连接的充分程度有三个关键的问题：物理连接、对电路操作的影响和信号传输。