示波器操作实验

示波器操作实验

［目的】

熟悉示波器的原理和操作。

【原理】

示波器（oscilloscope）是实验室中不可或缺的基本仪器<>无论物理学、化学、工程或医

学上，任何讯号只要能转变成电子讯号，大都可用示波器来显示。本实验介绍最简单型的示

波器，其内部结构主要为阴极射线管（CRT）及相关的电子线路和附件所组成。

阴极射线管是示波器、电视机和许多电子仪器的主体，其基本结构如图1所示。的

主体为一玻璃管，管内抽真空以避免电子束和空气粒子碰撞。图1中，利用灯丝（8）加热阴

极（9）使电子脱离阴极表面，然后，电子受电位较阴极高嗟的加速阳极（accelerating

anode）（3）吸引而向右运动。聚焦阳极（2）具有聚焦作用，目的在使电子到达萤光幕上的同一

位置。控制栅极（1）可控制电子束之流量，即控制电子打在萤光幕上的亮度（intensity）。

图1阴极射线管的结构：（1）控制栅极（2）聚焦阳极（3）加速阳极（4）水平偏折板（X板）（5）垂直

偏折板（Y板）（6）电子束（7）萤光幕（8）加热灯丝（9）阴极（10）电子或飘即（8）（9）（1）（2）及

（3）之合称）。

在电子经过的路途上，有两对偏折板，X板（4）和Y板（5）。如果偏折板间不加偏折电

场，则电子沿著Z方向做直线运动，而在萤光幕上中央位置产生亮点。由于加速阳极的电位

比阴极电位高V」电子穿过阳极（通常为中空的圆柱）后，在Z方向之速度为

公用⑴

其中e为电子的荷电量（1.60x1019c）；m为电子质量（9.11xl0-3,kg）：忆的单位为

伏特（V）；七的单位为m/sec。

图2电子在与初速度垂直之电场中的偏折

示波器11-1

如果在垂直偏折板（Y板）上施一个固定电位差V2，则两板之间的电场强度为£=

吸/"，d为两板之间的距离。当电子从Y板间通过时，受电场作用而有垂直方向加速度

彭-eE/加，此加速度使电子往Y方向偏折，如图2所示。电子离开偏折板后不再受力而做

等速直线运动。因此，在萤光幕上亮点位置向Y方向偏折的距离夕为：

其中L为Y板之长度，D为Y板后缘到萤光幕的距离。

如果在Y偏折板上加一个未知电压»观察y方向的位移，这个未知电压的大小可以利用

（2）式来测量。这是示波器最常使用的性能之一。

偏折电压（\「2）为固定的直流定电压时，电子东会在萤光幕上，y方向的不同位置形成亮

点。偏折电压为交流电压时，电子束在萤光幕上的y方向位置会随.交流电压而变化，因此扫

描成一亮线。亮线长度N与交流电压的振幅之关系式为

交流电压之振幅吸乃是均方根值吸“MS的C倍。通常家

用电器的交流电压为110伏特，是指14Ms=110Volt»其振幅

I4i二工工。方Volt，如图3所示。

T/2T土

图3正弦交流电压心与的关系

一般所谓交流电是指交变电压（altematingvoltage）或交变电流（altemating

current）。它们几乎皆可用正（余）弦函数表示，或者被写成数个正（余）弦函数之和。正弦波

的型式为：

(A-1

式中心表示振幅，（V为角频率。正弦波的频率V-3/2代、周期T=21T/CD，由于此种周

期函数的平均值为零，其有效值通常以均方根值（root-mean-squarevalue»简称门ns

value）表示，其定义为：

示波器11-2

小二月夕⑷dt(A-2)

习惯上，变动的量用小写字母表示，对应的大写字母则表示直流、平均值、极大值或均

方根值。如交变电压为：

K2O-匕6/'八“^(A-3)

上式中〃为电压的振幅或极大值。

心5二用%s讥5"二号(A-4)

或(=72%松(A-5)

一般电表量交流电压所得均为其rms值。若要测振幅，则需使用示波器直接观察波形。

如果把萤光幕的水平方向定为X向5垂直方向定为Y向»而以萤光幕正中间当座标原

点、,则萤光幕上就有了一个X-Y座标系。一对垂直偏向板只能使光点在同一X位置作上下

运动。为光点随著时间在X方向拉开，在水平方向增加一对致偏板，并在这对致偏板上加

上一个与时间成正比关系的强电场。所以X轴也成了时间轴。这水平致偏电压通常是周期

性的“锯齿波”(因为锯齿波是与时间成正比的周期波)，由示波器本身的内部电路提供，

用来扫描欲观察的外加信号电压。外加信号电压则加在垂直偏向板上。图4描述锯齿波扫

描一个正弦电压，使正弦波的波形显示在萤光幕上。

(a)加在垂直致偏板雨端

的霓:星

(b)加在水平致偏板雨端

的抨瞄也摩

(c)蛰光幕上骸示的波形

图4

图4(a)是输入的正弦波形对时间的变化，并接到示波器的垂直偏向板。图4(b)是示波

器内部产生的锯齿波，加在水平偏向板上，此锯齿波并与外加正弦波“同步”。这两个电压

的合成结果是图4(c)的正弦波。因为在正弦波的每一周期开始时，锯齿波也回到起点重新

开始扫描，所以由视觉暂留的效果，在示波器上看到一个停住的正弦波形。如果只有垂直输

入电压而没有锯齿波扫描，结果是图4(d)。如果换用频率比正弦波少一半的锯齿波扫描，

则会得到图4(e)图形。

示波器11-3

下面以方块图对示波器的整个结构作一个概略描述（图5）

外加同步信虢

图5

有时候外来水平输入信号取代示波器内部产生的锯齿波，如比较两信号的相位差时，

由外来信号扫描垂直信号，这样可以使示波器变成一部X-Y作图机。

一部示波器的面板上有很多开关，旋转钮和按钮，上面又标示了一堆的数字，简称

和记号，对于一位初接触示波器的人来说简直无从下手。这些开关，旋转钮和按钮的设

置之目的为何，各种情况下的操作与这些操作之间的关系必须首先弄清楚，然后才能熟

练的运用示波器，因此未做实验前请先阅读示“示波器面板说明”，了解各开关，旋

转钮和按钮的功用后，才开始操作示波器。

利萨女。曲线（Lissaicuscurves）

如果把两个正弦波信号分别输入示波器的垂直输入端（Y输入端）和水平输入端（X

输入端），且两输入频率成简单整数比时，则电子束在示波器的萤光幕上扫描的轨迹会成

简单的封闭曲线，叫做利萨如曲线。以下以图6简单说明利萨如曲线的形成。图6（a）为

两个正弦波信号对时间的变化，纵轴分别代表Vx与Vy，横轴代表时间。图6（b）是此

二正弦波（频率比为2）的封闭利萨如曲线。这种曲线可以从图6（a）中的1点至16点分别

对应X-Y座标画成。

利用利萨如曲线，由已知频率的正弦波测未知频率的正弦波。方法是在X-Y分别输

入已知频率的正弦波和未知频率的正弦波，然后变牝前者的频率，直到示波器萤光幕上出

现一个简单的利评如曲线为止。分别计算封闭曲线穿过X轴和Y轴的次数（例如在图6

中量两者分别是4次和2次），这两个次数的比值就等于两正弦波的频率比：

nx:ny=fy:fx

由频率比和已知的频率fx，就能求得未知的频率fy。

此外，由两个振幅相同频率相等的正弦波所形成的利萨如曲线，可计算两个正弦波

的相位差9，参考图7，若输入之两正弦波分别为

示波器11-4

W、=/Isinrwt

i//2=Asin（口t+6）

则当t=0时

8]=°，犷2="sin8=%

又由之振幅

|y/21=/I=）2

4sin9

21=sin0

所以y2A

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【仪器】

示波器，声频信号产生器，连接电线多条（附4mm香蕉插头及BNC插头），自备方格纸。

【步骤】

（一）基本操作

1.将示波器电源线插头插入110V交流电源座。

2.打开或按下电源开关“POWER”，此时指示灯会亮。

3.垂直输入“CH1”及“CH2”,选在“CHI”位置。

示波器11-5

4.垂直输入之微调“VERTVAR”调到CAL位置。

5.调整垂直输入“CH1”及“CH2"之"VERTICALPOSITION”使水平光迹至萤光幕中央

位置。

6.调整强度“INTENSITY”及焦聚“FOCUS”以得适当亮度及清晰之亮点或水平光迹。

（二）检查放大器灵敏度及时基灵敏度

1.将校准信号方波输出“2Vpp”接到垂直输入CII1接头（将探针之尖端插进校准信号方

波输出孔，另一端则接到垂直输入接头），并将“ACGNDDC”选在AC位置。

2.调整垂直输入CH1之“VOLTS/DIV”调到适当位置（如校准信号方波瑜出为“2

Vpp"），将微调钮“VAR”以箭头方向顺时针旋转到最底“cal”的位置。

3.调整时间扫描率“TIME/DIV”调到0.5mS/DIV位置，此时应看到方波信号。

4.测量方波的两波峰之间的电压（Vpp），并比较测量值和标准值。

5.测量方波的频率（每一周期之间隔刻度数乘“TIME/DIV”灵敏度为方波的周期，即时

间;水平距离（DIV）xTIME/DIV，而周期之倒数为频率），并比较测量值和标准值。

（三）X-Y》桑作——利萨如曲线（Lissaiouscurves）

1.将波形产生器接上电源，并打开电源开关。

2.波形产生器的揄出波形为正弦波。

3.将BNC香蕉插连接线之红色插头插入波形产生器的两个输出“CH1”和“CH2”，连接

线之BNC端连接到示波器的两个垂直输入“CH1”和“CH2”接头。按下波形产生器两个

输出的基频按钮（440Hz）

4.将示波器的“VERTMODE”选在“DUAL”位置。，此时应看到两个输日之正弦波的

信号。调整时间扫描率“TIME/DIV”直到看到稳定的正弦波形。

5.调整垂直输入CH1和垂直输入CH2之灵敏度“VOLTS/DIV”调到适当相同的位置，

然后调整正弦波之振幅（相同）及相位（此款波形产生器机型，在CHI、CH2频率比为1：

1时无法调整相位差）。

6.按下示波器右上角“X-Y”按钮，此时萤光幕上即可显示利萨如曲线。记录CHI（X

轴）和CH2（Y轴）的频率，以及示波器上所显示的利萨如曲线。由利萨如曲线算出频

率比，与以上所记录之频率比值比较。改变正弦波之相位，重复步骤4〜6作出如下图4

种不同的相位差（此款波形产生器机型，在CHI、CH2频率比为1：1时无法调整相位差）。

7.重复步骤3〜6作出如下图6种不同频率比的利萨如曲线。

【问题】

1.证明两个频率相同，相位差90°的正弦波

X=Asincot

Y=^sin（6>t+—）

2

的利萨如曲线是椭圆。

2.从利萨如曲线的原理来思考，如果水平与垂直方向各输入一个方波，则在萤幕上会看到什么

样的利萨如曲线图形？请解释之。

示波器11-6

3.试举例说明利萨如曲线在实验上的各种用途。

4.下图中的利萨如曲线有哪些在本实验中是看不到的？为什么？

X=Asin（coxt）

Y=Asin（（oyt+8）

普通物理实验示波器简易操作说明

以下仅针对普物实验课程中，有关示波器的使用操作方面常用到的几项功能作简单说明，

内容分为以下几个部分：

示波器11-7

一、前言：面版功能说明

二、开机、归零

三、计算讯号振幅大小

四、计算讯号周期(频率)

五、常见问题之排解

前言：面版功能简介

下图为普物实验室使用之示波器面版图，以下针对实验课常用操作部分做说明：

PS-200FRONTPANEL

XBNC讯号线输入端

•CHA：(1)/CHB:(13)

X输入交连开关(DC・GND-AC)

•CHA:(2)/CHB:(14)

•进行归零程序时切至『GND』档位

•一般搭配讯号产生器使用时，切换至『AC』档位

X校准方波输出端(9)

•提供1KHz2V方波讯号作为示波器自我校正使用。

X垂直位置调整钮

•CHA:(27)/CHB:(25)

・旋转此钮可调整萤幕上扫描波形的垂直位置高低。

X电压偏向系数调整钮

•CHA:(4)/CHB:(10)

•改变此钮的档位，可适当的衰减输入信号使其波形可完整的显示在萤光幕上0

PS：调整电压偏向系数调整钮『不会』影响电路中的讯号波形振幅大小，此钮的调整只是改变波形

在萤光幕上呈现的结果。

示波器11-8

•计算波形振幅大小所占萤光幕的垂直刻度格数，配合此钮所在的档位可计算讯号电压振幅的大

X垂直偏向微调（红色旋钮）

•CHA：（5）/CHB：（11）

・功用请见实验讲义说明

・实验课程操作上并无使用此功能，一般操作上均是将此钮下压并顺时针旋转至CAL位置。

X垂直操作模式选择开关（7）

・切换在CHA档位可观察CHA输入讯号，欲观察CHB输入讯号则切换至CHB。

・若欲同时在萤光幕上显示CHA与CHB的讯号时，将档位切换至DUAL位置

•ADD在实验课程中并无使用，功能请见讲义说明。

•使用X-Y功能时，需将档位调整至CHB档位。

X主扫描时基调整钮（15）

・调整此钮可改变萤幕上显示的波形数量。

•计算萤幕上一个周期讯号所占的水平刻度格数，配合此钮档位值可计算得出讯号的周期及频率

值。

X时基微调（22）

•功用请见实验讲义说明

・实验课程操作上并无使用此功能，一般操作上均是将此钮顺时针旋转至CAL位置。

※水平位置调整钮（18）

・旋转此钮可改变萤幕上波形的水平位置。

X斜率或触发准位调整钮Q6）

・调整此钮可改变扫描起始点。

•实验课程中并没有特别使用此功能，一般均将旋钮上的刻度调整在正中间。

・过度偏转此钮常会造成波形的不稳定。

※持闭时间调整钮（21）

・实验课程中并没有特别使用此功能。

・过度偏转此钮常会造成波形的不稳定。

※触发交连开关（24）

・实验课程操作中，一般均将档位放置于AUTO位置上。

※触发讯号来源开关（23）

•CHA：观察CHA波形时，将档位放在此位置。此外，使用X-Y功能时亦将档位放置在

此°

•CHB：观察CHB波形时，将档位放在此位置。

•其他档位功能在实验课程中并无使用，详细功能请见讲义。

XX-Y功能按钮（19）

•按下此按钮，可将CHA的讯号振幅作为X轴的扫描振唱，CHB的讯号振幅作为Y轴的扫描振

幅，同时将两个轴向振幅耦合并将耦合波形显示在萤幕上。

示波器11-9

•操作此功能时，需配合将垂直操作模式选择开关(7)档位切换至CHB位置。

二、开机、归零

1.按下红色电源开关(30)。

2.触发交连开关(24)放置在AUTO位置。

3.垂直偏向微调(红色旋钮)(5)、(11)下压并顺时针旋转至CAL位置。

4.时基微调(22)顺时针旋转至CAL位置。

5.输入交连开关Q)、(14)放置在GND位置。

6.CHA(B)归零

6-1.触发讯号来源开关(23)放置在CHA(B)位置。

6-2.垂直操作模式选择开关⑺放置在CHA(B)位置。

6-3.调整垂直位置调整钮(27)、(25)使得萤幕上的水平直线落在X轴上。

6-4.适当的调整亮(31)度与聚焦(28)。

6-5.按下X-Y开关，萤幕上会呈现一亮点，调整水平位置调整钮(18)，使得亮点位在萤幕中X轴

与Y轴的交点。

6-6.按回X-Y开关，使萤幕上回复成一直线。

7.输入交连开关(2)、(14)切换至AC位置。

三、计算讯号振幅大小

将垂直调整钮的档位值乘以萤光幕上波形垂直振幅所占的垂直大格数，即为波形振幅大小。

PS:垂直调整钮的档位值代表的是萤光幕上垂直刻度表上一大格的值，由于垂直刻度表上一

大格又可切分为五小格，因此每一小格的值代表垂直调整钮档位值的五分之一。

四、计算讯号周期(频率)

将水平调整钮的档位值乘以萤光幕上一个波形周期所占的水平大格数，即为波形周期大小。

PS：水平调整钮的档位值代表的是萤光幕上水平刻度表上一大格的值，由于垂直刻度表上一

大格又可切分为五小格，因此每一小格的值代表垂直调整钮档位值的五分之一。

五、常见问题排解

以下针对部分同学们常见的操作问题略做说明及参考处