仿真实验-示波器的原理

一.实验目的

1.了解示波器的基本结构与工作原理。
2.初步掌握示波器的使用方法。
3.使用示波器观察电信号的波形，测量电压、频率等数据。
4.观察李萨如图形，测量信号频率与相位差。

二．实验器材

1.通用示波器
2.信号发生器/计数器
3.信号源
4.科大奥锐虚拟仿真实验平台

三．实验原理

1.示波器的结构

如图1所示：示波器基本结构和原理相同，主要由示波管、控制电路和电源等组成。


图 1 示波器结构
图 2 示波管

（1）示波管

如图2所示，示波管由高度真空的玻璃壳、电子枪、偏转系统及荧光屏等组成。
电子枪由灯丝、阴极、控制栅极、第一阳极、第二阳极组成。当有电流通过灯丝时，阴极被加热，沿轴向发射电子，经由控制栅极、第一阳极、第二阳极提供的电场力的作用，轰击荧光屏，形成亮斑。
示波管的偏转系统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。
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。示波器大头端内壁涂有一层荧光物质形成荧光屏。

（2）控制电路的组成及其作用

示波器内部主要由扫描电路，同步电路，水平轴、垂直轴放大器，电源电路等组成。
水平轴、垂直轴放大衰减电路，将小信号放大，大信号衰减，以便在荧光屏上观测。
扫描电路是一个锯齿波发生器，产生周期性的变化电压（锯齿波电压），扫描$y$轴输入的信号，显示出$y$轴信号的真实波形。同步控制电路是为了观察稳定波形，每次扫描起点相位等于上次扫描终点的相位。
电源电路包括低压电源电路和高压电源电路。低压电源供给工作电路电压，高压电源供给示波管阳极电压。
标准信号电路是指水平时基扫描系统电路。经水平放大器放大校准后的扫描电压作为时基信号加于示波管的$x$偏转板，使加于垂直偏转板间的被测信号按时基变化的波形图像在屏上显示出来，便于观察。

2.示波器的示波原理

为利用示波器观察$y$轴输入的周期性信号电压的波形，必须使一个（或几个）周期内随时间变化的波形稳定出现在荧光屏上。
在$y$轴上添加待测电压，在$x$轴偏转板上添加扫描电压（锯齿波电压），则荧光屏上亮点将同时进行方向互相垂直的两种位移，将看到亮点的合成位移。如果$y$轴待测电压周期与扫描电压周期完全相同，则荧光屏上将显示一个完整的正弦波。
因此，想观察$y$轴偏转板上电压$U_y$的变化规律，必须在$x$轴偏转板上加锯齿波电压，将$U_y$产生的竖直亮线展开，这个展开过程为“扫描”。
当$U_y$和$U_x$的频率成整数倍关系，即$\frac{f_y}{f_x}=n(n=1,2,3...)$，亮点扫完整个$y$轴曲线后迅速返回原来开始的位置，于是又描出一条与前一条完全相同的正弦曲线，如此重复。荧光屏显示的图形才会清晰稳定。调节扫描电压频率使得$\frac{f_y}{f_x}=n$的过程，称为“整步”。

3.李萨如图形的基本原理

在示波器的$x$轴和$y$轴上同时输入正弦电压信号，荧光屏上看到的光点运动轨迹是两个相互垂直的简谐运动的合成。当两个正弦电压信号的频率相等或成简单整数比时（$\frac{f_y}{f_x}=n$），亮点的合成轨迹为一稳定点闭合图形，称为李萨如图形。

四．实验内容步骤

1.用$x$轴的时基测信号的时间参数。

（1）测量示波器自备方波输出信号的周期（时基分别为$0.1,0.2,0.5ms/cm$）
（2）选择信号发生器的对称方波接$Y$输入，信号频率为$200-2000Hz$（每隔$200Hz$测量一次），选择示波器合适的时基，测量对应频率的厘米数、周期和频率（注明$X$轴的时基）。
（3）选择信号发生器的非对称方波接$Y$输入（幅度和$Y$轴量程任选），频率分别为$200,500,1K,2K,10K,20K(Hz)$，测量各个频率的周期和正波的宽度。
（4）选择信号发生器的输出三角波，频率为$500,1K,1.5K,2K(Hz)$,测量各个频率时的上升时间、下降时间及周期。

2.观察李萨如图形并测频率。

（1）用两台信号发生器（一台为本组，一台为待测），将未知正弦信号输入$C{H}_2$，信号发生器输入$C{H}_1$，取$\frac{f_x}{f_y}=1,2,\frac{1}{2}$时，画出有关图形及求待测信号发生器的频率。

五、实验数据记录与处理.

(1)方波信号频率

序号：	1	2	3
选择时基($ms$)	0.1	0.2	0.5
方波信号(单位$Hz$)	1000	1000	1000

(2)信号发生器频率与示波器测量频率的关系

序号：	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
时基($ms$)	1	1	0.5	0.5	0.2	0.2	0.2	0.1	0.1	0.1
厘米数	5	2.5	3.3	2.5	5	4.2	3.6	6.25	5.5	5
周期($ms$)	5	2.5	1.65	1.25	1	0.84	0.72	0.625	0.55	0.5
频率($Hz$)	200	400	600	800	1000	1200	1400	1600	1800	2000

(3)观察非对称方波

序号	1	2	3	4	5	6
已知频率($Hz$)	200	500	1000	2000	10000	20000
信号周期($ms$)	5	2	1	0.5	0.1	0.05
正波宽度	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1

(4)观察三角信号

序号	1	2	3	4
已知频率($Hz$)	500	1000	1500	2000
三角信号上升时间($ms$)	1.00	0.50	0.33	0.25
三角信号下降时间($ms$)	1.00	0.50	0.33	0.25
三角信号周期($ms$)	2.00	1.00	0.66	0.50

（5）利用李萨如图形测频率

序号	1	2	3
$\frac{f_x}{f_y}$	1	2	0.5
待测信号频率(单位$Hz$)	1198.9	1150.0	1191.8
图像

六、实验误差分析

由于实验仪器并非真实仪器，其精确性无法保证，导致误差较大。在利用李萨如图形测量未知信号源频率时，这一误差会进一步加大。在使用真实的示波器时，只要微调信号发生器的频率，示波器的图像不可能仍为李萨如图形。在仿真实验中无法模拟此种状况。

七、心得体会