大学物理实验教案

实验名称：示波器的使用

1 实验目的

（1）了解示波器的结构和工作原理，初步掌握示波器的使用方法。

（2）观察正弦波和李萨如图形，测量电信号频率值。

2 实验仪器

阴极射线示波器(ST16B)、低频信号发生器（DF1027B）、电信号源(频率取1KHZ或

1.2KHZ)。

3 实验原理

示波器是一种能把随时间变化的电压用图象显示出来的电子测量仪器，利用它可展现交流电压随时间变化的波形，可以测量频率、相位、幅度等。利用换能器，还可以将非电学量转换成电学量进行测量。示波器主要由示波管、Y轴偏转系统、X轴偏转系统、显示系统、扫描与同步电路、电源等几大部分组成。理论和实践证明示波管荧光屏上光点偏离中心的距离与示波管偏转板上所加电压的大小成正比，如垂直偏转板上加电压

距离为Y，则： Uy，光点偏离中心的Y?AyUy

Ay （1） 称为垂直偏转板的偏转灵敏度，表示每伏电压所引起光点偏离屏中心的距离。对于一般示波器Ay=0.1—1.0mm/v（示波器ST16B输入灵敏度：≤0.5Vp-p/div）。若已知Ay光屏上量出光点偏离中心距离值Y，即可求得值

1） 波形形成原理 Uy，从荧。

，X轴偏转板没有加任何 假如Y偏转板加上随时间作正弦变化的电压

可在荧光屏上看到一条Y轴方向的线段。 Uy?U0sin?t电压,此时荧光屏上观察到光点只沿Y轴方向移动,移动的距离正比于Uy,按正弦变化,我们

为了观察正弦电压的波形，Y偏转板上加正弦电压的同时,必须在X轴偏转板上加与时间成正比的电压(Ux?Kt),光点将沿X轴方向拉开,荧光屏光点的横向偏离大小与时间成正比,常称此为时间基线.这样在Y轴偏转板加上任意时间变化的电压就可在X方向(时基线)展现出其随时间变化的波形。

为了重复观察波形，要求“X”偏转板的电压从零开始随时间成正比增长到一定值后,突然变为零,然后再重复前过程.在这种锯齿波电压作用下光点在水平轴上由左端移动到右端的现象称为扫描,锯齿波电压称为扫描电压,它是由示波器内的扫描发生器产生的,扫描发生器包括扫描闸门、受控恒流源及释抑电路等组成。扫描时间由TIME/DIV钮调节。（扫描电压也可以由机外的扫描发生器产生的脉冲电压提供）

为了使荧光屏上的图形稳定，要求周期性反复扫描，而且每次扫描图形要和上次扫描图形相吻合，这就要求扫描电压起点始终和被观察信号每周期的某一确定点（时刻）相对应，这种扫描电压与被观察信号电压的时间关系称为同步。为了实现“同步”，在扫描电压发生器上加一定的同步触发信号，迫使其同步。同步信号源有三种：直接取被观察信号的一部分（示波器内部完成）称为“内同步”；第二种同步信号是从示波器以外获得，同步信号从“X”外接端口输入。这种方法称“外同步”；第三种示波器电源获得称电源同步。一般情况采用内同步，触发方式选“自动auto”。

2） 李萨如图形和电信号频率的测定

两个同频的正弦电压分别加在水平（此时，扫描发生器无效）和垂直偏转板上，在屏上

形成的波形形状随两个信号的振幅和相位ΔΦ不同而异，如下图所示，这种图形称为李萨如图形。

如果X、Y偏转板上同时加上不同频率的两个正弦信号，其频率之比为整数比时，如

（2

表示加在“x”偏转板上的信号Ux的频率，表示加在“y”偏转板上的信号Uy的频率，m、n为整数。

实验上可以通过观察李萨如图形来测量某个信号的频率或两个信号之间的相位之差。如用李萨如图形测频率时，在图形外周引水平和垂直切线，而水平、垂直线与图形切点的数目分别为m和n，如果fy（或fx）的值已知，又从图形中得出m、n值，那另一信号的未知fx（或fy）就可求得。 fym1?2?

fxn=1 fx1 fyfyfy?1?3?fx3 fx1 fxfyfxfyfyfx?12 43

4 教学内容

（1）观察扫描线（即时基线）

开机后，电源指示灯亮，一般屏上将出现亮点或亮线，若无亮点或亮线出现，先把“辉度”旋钮旋大一些，“X轴位移”和“Y轴位移”旋钮调在中间，Y轴耦合方式开关拨到 “┻”接地,Y信号对地短接。触发方式开关置“自动”，光屏上应有亮线。把亮线调在屏上中央，再调“聚焦”旋钮，使屏幕亮线最细。

（2）观察和描绘信号源电压波形

1） 用示波器10：1衰减或BNC(不带衰减器) 探极旋入仪器Y轴输入插座。

2） Y轴耦合方式开关应置AC或DC档。

3） 根据输入信号的大小，选择“Y轴衰减VOLTS/DIV”和调节“Y轴增益”使屏幕上

显示的信号图形大小适中。(以Y轴方向上下各3格，共6格较适宜)

4） 触发方式：选择“自动”档。

5） 触发源：选择“内触发”。

6） 探极接到被测电信号源，调节示波器各旋钮，使屏幕显示周期数为3的稳定正弦

波形，设计表格并把波形描绘下来。

（3）观察低频信号发生器输出波形

1） 把信号发生器的输出电压接到示波器的Y输入端，输出电压调到1伏。

2） 选择适当的Y衰减数值并调节增益微调选钮使屏幕上波形幅度适中。

3） 信号发生器输出频率分别调到60Hz、700Hz、5KHz，选择适当的扫描时间TIME/DIV

档，调节扫描时间微调使屏幕上出现周期数为3的稳定波形。设计表格并记录波

形图，记下各波形对应扫描时间TIME/DIV档。

（4）观察李萨如图形及测量电信号频率

1）“Y轴输入”接电信号源。

2）“X轴输入”接低频发生器的电压输出（不能接同步输出）。注意探极衰减开关。

（可置20dB档）

3） 选择低频信号发生器的“频率倍乘”按键；调节“频率调节”旋钮；调节频率

微调电位器；使荧光屏上能够出现如表3中的李萨如图形（图形要稳定、清晰）。

并设计表格分别记录低频信号发生器数字显示屏的频率值，作李萨如图形的水

平切线和垂直切线，记录水平切点数m和垂直切点数n（m、n为自然数），求

出其所对应的电信号频率大小。

Fy?

m

Fx(Hz)n

4）计算Fy和不确定度 ,写出Fy结果表达式。

5 实验教学组织及教学要求

（1）教学组织

1） 检查学生预习实验报告，同时给学生5-10分钟时间熟悉仪器，对本实验有一定的感性

认识。

2） 讲解实验要点及注意事项，同时以提问的方式检查学生的预习情况，加深学生

对实验原理的理解。

3） 随时注意学生的实验操作过程，及时指导解决学生实验中出现的突发情况。 4） 检查每个学生的实验数据，记录实验情况。 （2）教学要求

1）了解示波器的结构和工作原理，初步掌握示波器的使用方法。

2）学会观察正弦波和李萨如图形，并能利用李萨如图形测量电信号频率值。

6 实验教学重点及难点

1）重点：示波器的结构和工作原理及使用方法。

2）难点：在示波器屏上调出较稳定的李萨如图形及测量电信号频率值。

7 实验中容易出现的问题

1） 开机后，示波器屏上无亮点或亮线。 2） 荧光屏的亮点不可太强，并且不可固定在荧光屏上一点过久，以免烧坏荧光屏。 3） 示波器使用过程中，信号波形不稳定，图形大小不适中。 4） 低频信号发生器使用不正确造成的波形不稳定。

8 实验参考数据

1）观察和描绘未知信号电源电压波形 电压信号频率f （HZ）

1000

波形图

扫描时间(TIME/DIV) 0.1ms 0.2ms

扫描时间(TIME/DIV) 2ms、5ms（有些不可）

0.2ms 周期数 3T

周期数 3T 3T 低频信号频率f （HZ） 波形图

60

700 李萨如图形

M/n 2/1 1/1 1/2 1/3

Fx(KHZ) 0.503 1.006 2.012 3.017

Fy(KHZ) 1.006 1.006 1.006 1.006

注：调李萨如图形以先调出椭圆，确定其频率，再调其它图形为好。

4） 测量电信号频率的数据处理及有关公式

计算Fy1及Fy1的不确定度，写出Fy1的结果表达式：(以Fx=0.503KHZ为例)

m

根据公式 Fy=nFx 求出Fy1=1.006KHZ

?m

计算Fy1的不确定度 UFx1=3=0.0029 (?m=示值×1% =Fx1×1% =0.00503 )

m

UFy1=nUFx1=0.0058

UFy1

相对不确定度 EFy1=y1×100%=0.58%

Fy1的结果表达式 Fy1 =Fy1?UFy1=(1.006?0.006)KHZ ( P= 0.683 ) EFy1= 0.6%

同理可计算出Fy2 、Fy3 、Fy4 ，并写出结果表达式 F

9 实验结果检查方法

根据李萨如图形测量出的Fy值误差不超过?5HZ，一般不超过?2HZ。

10 课堂实验预习检查题目

1） 示波器使用过程中，常发现信号波形不稳定，此时应如何调节？

2） 观察电信号频率和李萨如图形时,“触发方式”开关如何放置?在什么情况下, 扫描

时间TIME/DIV、触发极性、触发源选择开关才起作用?

3） 随着被测量信号频率的升高，示波器扫描时间如何变化？扫描档级（速度档、单位

档）如何调节？若被测信号频率f=10KHz，扫描档级应置何挡位？（简单计算）

11 思考题

1）观察电信号频率和李萨如图形时,“触发方式”开关如何放置?在什么情况下, 扫描时间TIME/DIV、触发极性、触发源选择开关才起作用?

2）示波器使用过程中，常发现信号波形不稳定，此时应如何调节？方法有几种？分别说明。

3）随着被测量信号频率的升高，示波器扫描时间如何调节？若被测信号频率f=10KHz，扫描档级应置何挡位？（简单计算）

第二篇：实验十二 电子示波器的使用

实验十二  电子示波器的使用

示波器用处广泛，它的最大特点是能把看不见的电信号变换成能直接观察的电压波形，并能测定电压信号的幅度、周期和频率等参数。双踪示波器还可测量两个信号之间的位相差，是工程技术中常用的电子仪器。

【实验目的】

1．了解示波器的主要结构和基本工作原理。

2．学会使用示波器和信号发生器。

3．学会用示波器观察信号波形。

4．学会用示波器观察李萨如图形并测量市电的频率。

【实验器材】

示波器、函数信号发生器、小变压器等。

【实验原理】

示波器的规格和型号很多，但不管哪种示波器都由图4-6-1所示的几个基本组成部分：示波管、竖直放大器（Y轴放大器）、水平放大器（X轴放大器）、扫描发生器、触发同步和直流电源等部分。

一、示波管

示波管是呈喇叭形的玻璃泡，抽成高真空，内部装有电子枪和两对相互垂直的偏转板，喇叭口的球面壁上涂有荧光物质，构成荧光屏。如图4-6-2所示。

1．电子枪：由灯丝、阴极、控制栅极、第一阳极和第二阳极五部分组成，阴极是一个表面涂有氧化层的金属圆筒，灯丝通电加热后发射电子。控制栅极是一个顶端有小孔的圆筒，套在阴极外面，它的电位比阴极稍低，对阴极发射出来的电子起控制作用，只有初速度较大的电子才能穿过栅极顶端的小孔，然后在阳极加速下奔向荧光屏。示波器面板上的“亮度”调整旋钮，就是通过调节栅极电位以控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变屏上光斑的亮度。阳极电位比阴极电位高很多，电子被它们之间的电场加速形成射线。当控制栅极、第一阳极与第二阳极之间电位调节合适时，电子枪内的电场对电子射线有聚焦作用，所以第一阳极也称聚焦阳极，第二阳极电位更高，又称加速阳极。面板上的“聚焦”调节旋钮，就是调节第一阳极电位，使荧光屏上的光斑成为明亮、清晰的小圆点。有的示波器还有“辅助聚焦”，实际是调节第二阳极电位。

2．偏转系统：它由两对互相垂直的偏转板组成，一对竖直偏转板，称为Y偏转板；一对水平偏转板，称为X偏转板。在偏转板上加上适当电压，当电子束通过时运动方向将发生偏转，从而使电子束在荧光屏上产生的光斑位置也发生改变。

3．荧光屏：屏上涂有荧光粉，电子打上去它就发光，形成光斑。荧光屏前有一块透明的、带刻度的坐标板，供测量光点位置用，在性能较好的示波管中，通常将刻度线直接刻在屏玻璃内表面上，使其与荧光粉紧贴在一起，以消除视差，使光点位置的测量更准确。

二、示波器显示波形的原理

1．扫描作用:

如果只在竖直偏转板上加一交变的正弦电压，则电子束的亮点将随电压的变化在竖直方向来回运动，如果电压频率较高，则看到的将是一条竖直亮线。要显示出波形，必须同时在水平偏转板上加一个扫描电压，使电子束的亮点同时沿着水平方向拉开。这种扫描电压的特点是电压随时间成线性关系增加到最大值，然后突然回到最小，此后再重复地变化。扫描电压随时间变化的关系曲线形同“锯齿”，故称“锯齿波电压”。

在竖直偏转板上加正弦电压，同时在水平偏转板上加锯齿波电压，电子同时受竖直、水平两个方向的力的作用，则电子的运动为两相互垂直的运动的合成。当锯齿波电压与正弦电压变化周期相等时，在荧光屏上将能显示出一个完整的正弦电压的波形图（随着时间的推移,X和Y信号同步周期性地出现），如图4-6-3所示。

2．同步作用

要在示波器荧屏上获得稳定的波形，被测信号的频率必须为扫描电压（锯齿波）频率的整数（）倍，即有

                                             （4-6-1）

如果被测信号与锯齿波两者频率不满足上述整倍数的关系，每次扫描显示的图形就不能重合，结果荧光屏上呈现向左或向右移动的波形，这样就难以对信号进行观察和测量。

电源电压不稳定或其他原因，都会引起被测信号和扫描信号频率的变化，所以必须设法使两者频率自动保持整数比，为此，可利用被测信号电压或与此有关的电压，去强迫控制锯齿波的频率，使之与被测信号频率保持整数比，这就是同步（或称为整步），用来控制锯齿波频率的信号则称为同步信号。

三、 李萨如图形

如果X、Y偏转板上加的电信号都是正弦波，当和之比为整数比时，电子束受到它们的合作用，光点将会描绘出特定的图形——李萨如图形,如图4-6-4所示。

图4-6-5给出了几种不同频率的李萨如图形。可以证明X、Y方向上正弦波的频率与李萨如图形在X、Y方向的切点数、有如下关系

                         （4-6-2）

根据已知频率可以利用李萨如图形求出未知频率。

【实验内容】

1.打开示波器电源开关，预热2－3分钟。

2.将扫描开关逆时针方向旋至X-Y位置，扫描方式置于“自动”。“CH1”、“CH2”通道“接地”。此时荧光屏上看到一个亮点，这是由阴极发射出来的一束电子经聚焦、加速到达荧光屏。调节“辉度”、“聚焦”“”、“”，使亮点亮度适中且处于居中位置。

3.将扫描开关顺时针方向调节（扫描功能打开）。荧光屏上的亮点开始移动，调节扫描速率，直至观察到一条水平线。然后关闭扫描开关，即扫描开关逆时针方向旋至X-Y。

4.打开信号源开关，按下“100”和“～”，调节频率使之在50Hz左右。将“CH₁”的接地弹起，将“方式”的“CH1”按下，荧光屏上出现一条水平线，调节CH1的偏转因子开关，可以改变水平线的长度。即CH1通道的正弦波是加在水平方向。将扫描开关顺时针方向旋转时（此时打开扫描功能，水平方向为扫描锯齿波），CH1通道的正弦波加在竖直方向，随即正弦波展开。

5.同上步骤观察“CH2”通道的正弦波形，记录两相邻波峰或波谷间距，计算“CH2”通道输入正弦波周期及频率。

6.在CH1通道和CH2通道均为正弦波时，将扫描开关逆时针方向旋至X-Y位置，此时荧光屏上出现一个变化的封闭的李萨如图形。将“CH2”通道的信号为未知，频率大约50Hz左右，保持不变。调整“CH1”输入信号的频率f_x，至封闭图形稳定或缓慢变化。

7.记录不同李萨如图形“X”、“Y”方向的切点数、“CH1”通道的输入信号频率f_x。

8.根据计算。

9.将“CH1”信号接地，此时荧光屏上为一条竖线。

10.记录“CH2”通道的灵敏度选择开关的读数（此时要求关掉“CH2”通道微调灵敏度选择开关）。

11.从荧光屏上直接读出该竖线的长度M。计算出交流信号的峰峰值和有效值。

【数据处理】

格×＿s/格；

表4-6-1  用李萨如图形测频率

格×＿VOLTS/格；。

【注意事项】

1．认真阅读有关仪器的介绍，掌握所使用的示波器、信号发生器面板上各旋钮的作用后再进行操作。

2．为了保护荧光屏不被灼伤，使用示波器时，光点亮度不能太强，而且也不能让光点长时间停在荧光屏的一个位置上。在实验过程中，如果短时间不使用示波器，可将“辉度”旋钮调到最小，不要经常通断示波器的电源，以免缩短示波管的使用寿命。

3．示波器上所有开关与旋钮都有一定强度与调节角度，使用时应轻轻地旋转，不能用力过猛。

【思考题】

1．如果轴信号的频率比轴信号的频率大得多，示波器上看到什么情形？相反，若比小很多，又会看到什么情形？控制件的作用