電子示波器的原理和使用
示波器是一種用途廣泛的電子測量儀器，用它能直接觀察電訊號的波形，也能測定電壓訊號的幅度、週期和頻率等引數。用雙蹤示波器還可以測量兩個訊號之間的時間差或相位差。凡是能轉化為電壓訊號的電學量和非電學量都可以用示波器來觀測。
借助示波器我們可以直觀地「看到」電路各點的狀態。示波器的掃瞄方式是乙個可以看到波形的「電壓表」；ｘ－ｙ方式可以觀察兩個電子訊號的垂直方向的合成，因此示波器是電子工作者的重要工具。
一. 實驗目的
1. 了解示波器的原理。
2. 學會使用示波器的掃瞄應用和ｘ－ｙ方式應用。
二. 實驗儀器
示波器、訊號源、甲電池等
三. 實驗原理
電子示波器（簡稱示波器）是一種能將隨時間變化的電壓訊號直觀的顯示在螢光屏上的儀器。示波器由示波管、y軸系統、x軸系統等組成。圖3-23-1是示波器的原理框圖。
(１)示波器的聚焦和偏轉原理
示波器中用於顯示波形的真空玻璃管叫陰極射線管，簡稱示波管。如圖3-23-2所示。示波管的正面是乙個塗有螢光物質的園形屏，當管中的高速運動電子打上去時，就會發出螢光。
一般的示波器都是熱陰極：陰極由燈絲通電後加熱後，陰極上的電子由於熱運動而脫離出陰極，稱為熱激發。由於示波器中的第二陽極電壓比陰極高上千伏特。
因此，電子被加速後轟擊到螢光屏上，使該處的螢光物質發光。
1. 輝度
設電子由陰極熱激發時的速度為v0 ,電子到達第二陰極的速度為v2 ,陰極和陽極之間的電壓為u2 ,則有：
式中m是電子的質量，且v0<為了控制電子束轟擊螢光屏上的強度，也就是控制單位時間轟擊螢光屏的電子數目，在陽極前面加乙個零到幾十伏特的調製極，其形狀是乙個開有小孔的金屬罩，由於調製極電位比陰極要低，而且調製極的電位越低，穿過金屬罩小孔的電子越少，亮度越弱。調節調製極的電位，就能夠改變螢光屏上光斑的亮度，這就是面板上「輝度」旋鈕的作用。
2. 電聚焦
在兩個第二陽極a2之間設有乙個特殊形狀的第一陽極，給第一陽極加上比第二陽極低的電位（例如第二陽極1200v，第一陽極255v），由於第一陽極和第二陽極之間有電位差，其特殊形狀的電極構成電子透鏡，如光學透鏡能會聚光一樣，電子透鏡能會聚射向螢光屏的電子束。電子透鏡聚焦條件由第二陽極a2上的電位u2和第一陽極a1上的電位u1之比決定，調節聚焦u1和輔助聚焦u2就是調節兩電位之比，這就是示波器的電聚焦原理。
3、電偏轉
由陰極熱激發的電子經第二陰極加速後，在到達螢光屏之前，還要經過由水平偏轉極板和垂直偏轉極板所圍成的空間。在偏轉極板上加上幾十伏特的偏轉電壓。當電子穿過偏轉極中間時，由於受電場力的作用而使電子束偏離直線。
偏轉電壓越大，電場力越大，螢光屏上的亮點偏離螢光屏中心越遠，這就是電偏轉原理。
(2) 示波器的掃瞄原理
如果只在豎偏轉板（y軸）上加一正弦波電壓，則電子束將隨電壓的變化只在豎直方向上往復運動，由螢光屏上看到的是一條豎直亮線。如圖3-23-3所示。
要能顯示波形，必須同時在水平偏轉板加一掃瞄電壓，使電子束的亮點沿水平方向拉開。這種掃瞄電壓的特點應是：電壓隨時間成線性關係增加到最大值，然後突然回到最小，此後再重複變化。
這種掃瞄電壓隨時間變化的關係曲線形同「鋸齒」，故稱為「鋸齒波電壓」，如圖3-23-4所示。如果只在水平轉板（x 軸）加上這樣的鋸齒波電壓，則電子束隨電壓的變化只在水平方向上往復運動，由螢光屏上看到的是一條水平亮線。如圖3-23-4所示為只在水平轉板上加一鋸齒波電壓的情形。
如果在豎直偏轉板上（y軸）加正弦波電壓，同時在水平偏轉板上（x 軸）加鋸齒波電壓，電子束同時受豎直和水平兩個方向電場力的作用，電子的運動是兩互相垂直運動的合成。當鋸齒波電壓比正弦電壓變化週期相等時，在螢光屏上能顯示完整週期的正弦波電壓的波形圖，如圖3-23-5所示為示波器顯示正弦波形的原理圖。
１. 連續掃瞄
如果正弦波和鋸齒波電壓的週期稍有不同，屏上出現的是移動著的不穩定圖形。這種情況可以用圖3-23-6說明：設x 軸加的鋸齒波電壓的週期tx比y 偏轉板上的正弦波電壓週期ty 稍小。
比如tx /ty=7/8，在第一掃瞄週期(第乙個鋸齒波)內，屏上顯示正弦訊號0-4點之間的曲線段；在第二週期（第二個鋸齒波）內，顯示4-8點之間的曲線段；在第三週期（第三個鋸齒波）內，顯示8-11點之間的曲線斷段。其中第乙個曲線段的結束和第二個曲線段的起點對應相同的y 偏轉電壓。第二曲線斷的尾部和第三曲線段的起點對應相同的y 偏轉板電壓。
這樣，在屏上顯示的波形不重迭，好象波形在向右移動。如果tx和ty差別稍大一些，乙個乙個的波形由於螢光屏的餘輝和人眼的視覺暫留，看到的是多個波形在屏上的迭加結果。其原因是掃瞄電壓的週期tx與被測訊號的週期ty不相等或不成整數倍關係，以致於每次掃瞄的起點在y軸上不相同。
為了獲得穩定波形(單一波形)，每次掃瞄在y 軸上應有相同的起點。在連續掃瞄中，鋸齒波的週期稱為掃瞄週期，掃瞄週期tx和y軸上被測訊號週期ty之間應滿足
（n是整數）
在示波器上設有掃瞄範圍和掃瞄微調以及整步調節，用來調節tx，使之滿足ntx=nty 。從而在示波器上得到完全重迭的波形，看到的是單一穩定的波形。稱之為同步掃瞄。
上面所述的x軸鋸齒波是乙個緊接乙個產生的,稱為連續掃瞄方式。
2. 觸發掃瞄方式
為了獲得穩定波形(單一波形)，每次掃瞄在y 軸上應有相同的起點。在示波器的掃瞄方式中，另一種稱為觸發掃瞄方式：在觸發掃瞄方式中，x 軸所加的鋸齒波 ux 和y 軸待測電壓 uy之間的關係如圖3-23-7所示。
在觸發掃瞄中。鋸齒波的起點由被測訊號的某一斜率和電平點觸發產生，乙個鋸齒波顯示一屏，乙個鋸齒波結束後，等候待測訊號uy相同的斜率和電平點再次觸發產生下乙個鋸齒波。由於每屏波形起點對應待測訊號uy相同的斜率和電平（每屏有相同的起點），所以波形自然穩定(各屏重迭)。
(3)x-y方式：李薩如圖形
如果示波器的x軸和y軸輸入是頻率相同或成整數比的兩個正弦電壓，則屏上將呈現特殊形狀的光點的軌跡，這種軌跡稱為李薩如圖形。圖3-23-8所示為 fx ：fy=2 ：
1 的李薩如圖形。頻率比不同時，將形成不同的李薩如圖形。圖3-23-8所示的是頻率比成簡單整數比的幾組李薩如圖形。
從圖形中可總結出如下規律：fx ：fy=nx:：
ny ，其中nx為水平線與軌跡相切的切點數,ny為豎直線與軌跡相切的切點數。利用李薩如圖形能方便準確地比較兩交變訊號的頻率。
(4)示波器的測量原理
示波器除了能直觀地顯示之外，其測量內容可歸結為兩類：電壓和時間的測量，而電壓和間的測量最後都歸結為屏上波形長度的測量。
1. 電壓的測量
示波器屏上光點y軸偏轉距離dy正比於輸入電壓uy，比例係數ky稱為電壓偏轉因數，有dy=kyuy ,y軸電壓偏轉因數ky的單位為：v/div。
2. 時間的測量
在觸發掃瞄方式的示波器中，每個鋸齒波的長度是確定的（在連續掃瞄方式中鋸齒波的長度不確定），也就是說，在觸發掃瞄方式的示波器中，每一屏的時間是確定的。利用波形在x軸上的長度，可以測量屏上波形兩點之間的時間間隔。在掃瞄方式時，示波器屏上光點x軸偏轉距離dx正比於時間t，比例係數ks稱為時基因數，有dx=kst，時基因數ks的單位為：
s/div。
在觸發掃瞄方式的示波器中，一般在出廠時y軸的電壓偏轉因數和x軸掃瞄的時基因數都已標定了。
四. 實驗內容
1. 示波器的光點調節
調節亮度和聚焦。
2. y軸系統調節
把待測訊號接到y軸，選擇y軸輸入方式為交流耦合或直流耦合方式。調節y軸電壓偏轉因數（或y軸衰減），使訊號在屏內大小適中。
3. 掃瞄方式的x軸系統調節
選擇掃瞄方式為「內」方式。（如果是連續掃瞄示波器,選擇合適的掃瞄範圍,調節掃瞄微調或同步調節,應能顯示出穩定波形。）
選擇觸發斜率的正負，調節觸發電平，即可顯示出波形。
4. 觀測李薩如圖形
觀測李薩如圖形時，示波器應設在x-y方式。
五. 問題討論
1. 用連續掃瞄示波器時為什麼不能觀察到不足乙個週期的穩定訊號（訊號是連續的）？
2. 用觸發掃瞄示波器如何觀察不足乙個週期的訊號（訊號是連續的）？
3. 如何用示波器測量訊號的電壓峰值？
4. 如何用示波器測量直流電平？
5. 如何用觸發掃瞄示波器測頻率？
6. 用連續掃瞄示波器測頻率還需要什麼裝置？
電子示波器的使用實驗報告
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