原创 练习使用示波器

一、实验分析
实验原理
当信号电压输入示波器时，示波管的荧光屏上就反映出这个电压随时间变化的波形来。示波管主要由电子枪、竖直偏转电极和水平偏转电极组成。两电极都不加偏转电压时，由电子枪产生的高速电子做直线运动，打在荧光屏中心，形成一个亮点。这时如果在水平偏转电极上加上随时间均匀变化的电压，则电子因受偏转电场的作用，打在荧光屏上的亮点便沿水平方向匀速移动。如果再在竖直偏转电极上，加上一随时间变化的信号电压，则亮点在竖直方向上也要发生偏移，偏移的大小与所加信号电压的大小成正比。这样，亮点一方面随着时间的推移在水平方向匀速移动，一方面又正比于信号电压在竖直方向上产生偏移。于是在荧光屏上便形成一波形曲线，此曲线反映出信号电压随时间变化的规律。
实验器材
J2459型示波器1台；低压电源1台；变阻器1只；电键1只；导线若干。
实验步骤
1．熟悉J2459型示波器板上各旋钮的作用。如图7-1为J2459型示波器的面板，荧光屏右边最上端的是辉度调节旋钮，标以“ ”符号，用来调节光点和图像的亮度。顺时针旋转旋钮时，亮度增加。
第二个是聚焦调节“⊙”和辅助聚焦“○”，这两个旋钮配合着使用，能使电子射线会聚，在荧光屏上产生一个小的亮斑，得到清晰的图像。
再下面是电源开关和指示灯，用后盖板上的电源插座接通电源后，把开关扳向“开”的位置，指示灯亮，经过一两分钟的预热，示波器就可以使用了。
荧光屏下边第一行左、右两端的旋钮是垂直位移“ ”和水平位移“ ”，分别用来调整图像在竖直方向和水平方向的位置。它们中间的两个旋钮是“Y增益”和“X增益”，分别用来调整图像在竖直方向和水平方向的幅度，顺时针旋转时，幅度连续增大。
中间一行左边的大旋钮是“衰减”，它有1、10、100、1000四挡，最左边的“1”挡不衰减，其余各挡分别使输入的电压衰减为原来

最右边的正弦符号 挡不是衰减，而是由示波器内部自行提供竖直方向的交流试验信号电压，可用来观察正弦波形或检查示波器是否正常工作。
中间一行右边的大旋钮是“扫描范围”，也有四挡，可以改变加在水平方向的扫描电压的频率范围，左边第一挡是10～100Hz，向右旋转每升高一挡，扫描频率都增大10倍，最右边的是“外X”挡，使用这一挡时，机内没有加扫描电压，水平方向的电压可以从外部输入。
中间的小旋钮是“扫描微调”，用来调整水平方向的扫描频率，顺时针转动时频率连续增加。
底下一行中间的旋钮“Y输入”、“X输入”和“地”分别是竖直方向、水平方向和公共接地的输入接线柱。左边的“DC、AC”是竖直方向输入信号的直流、交流选择开关。置于“DC”位置时，所加的信号电压是直接输入的；置于“AC”位置时，所加信号电压是通过一个电容器输入的，它可以让交流信号通过而隔断直流成分。右边的“同步”也是一个选择开关。置于“+”位置时，扫描由被测信号正半周起同步，置于“-”位置时，扫描由负半周起同步。这个开关主要在测量较窄的脉冲信号时起作用，对于正弦波、方波等，无论扳到“+”或“-”，都能很好地同步，对测量没有影响。
2．练习使用示波器
①把辉度旋钮反时针旋到底，垂直位移和水平位移旋钮转到中间位置，衰减旋钮置于最高挡，扫描旋钮置于“外X”挡。
②接通电源，打开电源开关。经预热后，荧光屏上出现亮点。调节辉度旋钮，使亮度适中。
③调节聚焦和辅助聚焦旋钮，观察亮点的大小变化，直至亮点最圆、最小时为止。
④旋转垂直位移和水平位移旋钮，观察亮点的上下移动和左右移动。

⑤把扫描范围旋钮旋至最低档，扫描微调旋钮反时针旋到底，把X增益旋钮顺时针旋到1/3处，观察亮点的水平方向的移动情况。
⑥顺时针旋转扫描微调旋钮，观察亮点的来回移动（随着扫描频率增大而加快，直至成为一条水平亮线）。旋转X增益旋钮，观察亮线长度的变化。
⑦把扫描范围旋钮置于“外X”挡，交直流选择开关扳到“DC”，并使亮点位于荧光屏中心。按图7-2接好电路，输入一直流电压。
⑧移动变阻器的滑动片，改变输入电压的大小，观察亮点的移动。
⑨将电池的正负极接线调换位置，重复步骤⑧。
⑩使Y增益旋钮顺时针旋到底，衰减旋钮置于“1”挡。使变阻器的滑动片从最右端起向左滑动至某一位置，读取亮点偏移的格数。此时亮点每偏移1格，表示输入电压改变50mV。计算此时输入电压的大小。如果衰减旋钮置于其他挡时，应将所得数值乘以相应的倍数。
(11)实验完毕后，把辉度旋钮反时针旋到底，然后关机，切断电源。
二、操作指导与思维启迪
1．使用J2459型学生示波器注意事项：
①示波器的使用电压为220V±10％范围。超出这个范围将影响仪器正常工作。当电源电压波动比较大时，最好采用交流稳压措施后再使用。
②示波器机箱与机内电路接地点相连接，为了安全及减少外界环境对仪器的干扰，应将仪器机壳接地。可用带接线焊钩的黑色导线，将示波器面板上的接地柱和实验桌上的接地接线柱相连接。如果实验室装有带地线的三孔安全电源插座，则可以将示波器电源线二脚插头换成三脚插头，另加一根黑色导线将三脚插头外壳和三脚插头地脚相连接。机壳不接地也可以使用，这时外部感应将使示波器的噪音干扰略增大一些。
③测试信号输入线最好采用带有香蕉插头的高频屏蔽线或单股线，输入线尽量短一些，将香蕉插头分别插入示波器Y输入与地接线柱及信号输出仪器接线柱。如果要检查实验电路某点波形，输入线测试端可接一对带套管的鳄鱼夹或测试棒比较方便。如果测试点电压较高，最好应先切断被测电路电源，接好测试点再进行测试。否则应特别注意安全，站在适当的绝缘物上，单手进行操作。
④示波器使用时应注意辉度适中，不宜过亮，且光点不应长期停留在一点上，以免损坏荧光屏。还应避免在阳光直射荧光屏的情况下工作。关机前应先将辉度关灭。
⑤示波器应避免在强磁场环境中工作。因为外磁场会引起显示波形失真。
⑥示波器使用时，接入输入端的电压不应超过说明书规定的最大输出耐压400V（DC+ACPP）。如果信号为直流则应小于400V。如果信号为直流加交流，则其直流和交流峰值之和应小于400V。特别要注意当Y衰减开关放到1时，应防止过大的被测信号加入输入端，以免损坏仪器。
⑦仪器使用时，扳动面板控制器要轻，当到达极限位置时不要硬扳，以免损坏仪器。搬动时要轻拿轻放，防止碰撞。
⑧仪器用毕后应罩上防尘罩，放在阴凉干燥通风的地方。存放满3个月没有使用的仪器应开机通电1h，以防止电解电容失效和起到加热去潮的作用。
2．观察波形
示波器的主要功能是将非常抽象的电信号变成能看得见的图像，因而观察波形是示波器的主要用途。J2456型学生示波器适合观察频率在10Hz以上，1.5MHz以内，幅度在100mV以上，400V以内的各种电信号波形。
被观察波形从Y输入接线柱输入。观察频率较高的交流信号时，输入耦合开关放到“AC”；观察100Hz以内方波信号及各种变化比较慢的交变信号时，输入耦合开关放到“DC”。衰减开关及Y增益位置视输入信号幅度大小按下表确定。

如果不知道输入信号幅度时，可将衰减开关先放到“1000”挡，观察示波管荧光屏上Y方向显示，如没有显示或显示太小，则将Y衰减开关顺次放到“100”、“10”、“1”挡，再适当调节Y增益，使荧光屏Y方向有4～6格显示即可。扫描范围开关位置视输入信号频率和拟在荧光屏上显示的完整周期波形个数来选定。例如输入信号频率为50Hz，拟在荧光屏上显示两个周期波形，那么扫描频率应为50Hz/2=25Hz，应将扫描范围开关放到“10～100”挡，调扫描微调旋钮，就可在荧光屏上显示两个周期的波形。再如信号频率为10kHz，拟显示5个周期的波形，那么扫描频率应为10kHz/5=2kHz，应将扫描范围开关放到“1～10K”挡，调扫描微调旋钮，可以在荧光屏上显示出5个周期波形。如果被观察信号频率不知道，可将扫描范围开关从低到高逐挡改变，同时调节扫描微调旋钮，待荧光屏上显示出4～6个周期的稳定波形即可。当被观察信号在1MHz以上时，应注意将X增益旋钮顺时针旋到底，才能较清楚地显示波形。
3．电压的测量
示波器荧光屏上光点垂直偏转距离与输入电压成正比，因而示波器输入灵敏度经核准后，即可以测量电压。用示波器测量电压、电流，虽然不如其他测量仪表精确，但能测出任何一种交流电压的幅度值或瞬时值，这一点是其他仪表所不能做到的。J2459型学生示波器出厂时垂直系统灵敏度已校准，因而可以根据荧光屏上Y轴显示的幅度直接计算。
①直流电压的测量。将示波器Y增益旋钮顺时针旋到底，这时示波器垂直系统灵敏度为每格50AmV，A为衰减开关倍率，分别为1、10、100、1000，可根据被测直流电压的大约范围选择。将输入耦合开关放到“DC”，Y输入与地接线柱用导线短接，将示波器调出扫描线，并将扫描线移到坐标片Y轴正中，定此位置为零电位。然后除去短路线，将被测信号接入，如扫描线上移2.2格，图7-3示，则表示被测直流电压为正极性，数值为U=2.2×50×A（mV）。如扫描线下移，则表示被测直流电压为负极性。

测试时也可以用光点来显示，这时只要将X增益电位器反时针旋到底，扫描线即缩成为一点。但要注意此时示波管辉度不要太亮，以免损坏荧光屏。
当不知道被测电压的大约范围时，可先将衰减开关放到“1000”，如光迹没有移动或移动太小，则再将Y衰减开关放到“100”、“10”、“1”。确定衰减挡级后应再校一次零电位，以保证测量精度。零电位也可以不选在Y轴正中，如被测电压为正极性，可选在下面；如被测电压为负极性，则可选在上面，以扩大测量范围。
②交流电压的测量。示波器可以测量交流电压的峰峰值或波形任何两点间的电位差值。测试时Y轴输入耦合开关放到“AC”，Y增益旋钮顺时针旋到底，被测信号接入Y输入与地接线柱，适当选择衰减开关和扫描范围，调节扫描微调旋钮，使荧光屏上显示出3～6个稳定的波形，如图7-4。读出波形峰峰值之间为4.2格，则被测电压峰峰值为：
Upp=4.2×50×A（mV）

如果被测电压是正弦波，则可换算成电压峰值为：
Um=0.5Upp=0.5×4.2×50×A（mV）
电压有效值为：
U=0.3535Upp=0.3535×4.2×50×A（mV）
J2459型学生示波器衰减开关是十进位的，测试某些幅度电压时会产生波形显示太小、不能稳定同步，但当衰减减小一挡时波形显示又太大，超过坐标刻度的情况。例如对峰峰值约为500mV的信号，当衰减放到“1”时，显示超出坐标片刻度，当衰减放到“10”时显示又太小，这时给定量测量带来一定困难。为解决这一问题，可以将示波器Y增益旋钮反时针旋到底时垂直系统灵敏度Smin事先测出。Y增益微调比约为6倍，此时灵敏度约为每格300mV左右，于是峰峰值约为500mV的信号，就可得到1.7格的显示。如果被测信号显示为B格，衰减挡板为A，则电压峰峰值为：
Upp=BSminA（mV）
方波、锯齿波、三角波及其他周期性变化电压幅值测量方法完全相同。但应注意，如果频率较低时，应将输入耦合开关放到“DC”。
三、典型例题解析
[例1]图7-5是某晶体管的集电极电压在示波器荧光屏上显示出的稳定的图形。图中锯齿波显示为3格。问：
①锯齿波幅度为多少？
②直流分量电压为多少？
③锯齿波C点对地电压为多少？D点对地电压为多少？

分析与解答
此问题系J2459对合成电压的测量问题。当示波器Y增益旋钮顺时针旋到底，这时示波器垂直系统灵敏度为每格50A（mV）。（A为衰减开关倍率）故：
①幅度为：Upp=3×50×A（mV）
②电压为：U=3.5×50×A（mV）
③C、D两点对地电压为：
Uc=2×50×A（mV） UD="5"×50×A（mV）
本题思维点拨：在实际测量中，除了单纯的交流电压或直流电压测量外，往往需要测量既有交流分量又有直流分量的合成电压。例如晶体管放大信号时所出现的，即本题所显示的集电极电压，就是既有交流电压，又有直流电压；在脉冲电路测试中，往往要了解信号波形各点相对于地的电位高低。这种合成电压可以很方便地用示波器进行测量。测试时，输入耦合开关应放于“DC”，先将Y输入与地接线柱间用导线短接，确定扫描线的零电位。再接入被测信号，调节扫描范围与扫描微调旋钮，荧光屏上就会有波形显示了。
[例2]要测量图7-6中通过R的电流（R=2Ω），请回答下列问题：

①扫描频率、DC、AC、Y增益、水平、竖直位移、衰减等旋钮如何转动？
②应如何接到示波器上进行测量？
③如果将衰减置于10挡，光点距原点下方4格，那么通过R的电流多大？
④如果光点在原点的斜上方，测量误差过大，其原因是什么？
⑤如果换上与该电池等效的交流电源，应如何测量？
分析与解答
①扫描频率旋钮置于外X挡；DC、AC开关置于DC处，Y增益顺时针旋转到底；调节水平、竖直位移旋钮使光点位于正中；衰减置于较高挡。
②把电阻R两端分别与示波器上Y输入和地相连。（电路图请同学们自行作出。）
③加在R两端的电压U=4×50×10（mV）=2V。通过R的电流I=U/R=2/2=1A。
④测量之前光点没有调到荧光屏中央，Y增益旋钮没有顺时针旋到底。
⑤接线与测量方法相同。只须将“DC、AC”开关置于“AC”位置即可。
本题思维点拨：按现行教材（选修第三册P291，人民教育出版社）要求，在实验中不作电流测量，可是无论从“培养能力，发展智力”的教育思想，还是从“培养动手能力，加强活动课”课堂的教改要求，从培养跨世纪人才的高度，我们建议有条件的学校还要安排用示波器测电流的活动课。这里面的关键是，把一个已知阻值的小电阻串联在待测电流的电路里（或利用原电路中的已知电阻），用示波器测量这个电阻两端的电压，利用欧姆定律就可以算出电路中的电流。
四、能力训练
1．使用示波器时，发现荧光屏上的亮点不清楚，若光点的面积过大，而边缘模糊，则应向_____时针方向调整_____旋钮，若亮点沿竖直方向呈一条短的亮线，则应向_____时针方向调整_____旋钮；若亮点沿水平方向呈一条短的亮线，则应向_____方向调整_____旋钮；若沿顺时针方向旋转水平位移旋钮，可使亮点（或图像）向_____移动；若沿逆时针方向旋转竖直位移旋钮，可使亮点（或图像）向_____移动；若要使亮点自动地在水平方向移动，则要把X增益旋钮旋转1/3后，把_____旋钮置于_____挡，把扫描微调旋钮_____时针旋转到底，即可看到亮点从左到右又很快地回到左端；增大扫描频率，亮点的移动速度变为_____。

2．在上题调节的基础上，把衰减旋钮置于_____位置后，把Y增益旋钮沿顺时针旋转到某一适中位置，可看见荧光屏上出现_____图形。

3．当图形在荧光屏的左上角而不在正中间时，则应沿_____时针方向旋转_____旋钮，使图形向右移动，又沿_____时针方向旋转_____旋钮，使图形向_____移动，这样，就可使得图形位于中心。如图形仍不清楚，则要调整_____和_____旋钮。如果图形幅度太小，则应沿_____时针方向旋转_____旋钮，使图形在竖直方向上的幅度变大；沿_____时针方向旋转_____旋钮，可使图形在水平方向上的幅度增大。若把同步开关由“+”改成置于“-”时，则波形将改变_____周期。

4．试在图7-1中，把示波器面板上的旋钮和开关分成电子束发射的调节、竖直方向上的调节、水平方向上的调节3个区域。在进行开机练习时，先把辉度调节旋钮_____旋到底，垂直位移和水平位移旋钮旋到_____位置，衰减旋钮置于最_____挡，扫描范围置于“_____”挡。打开_____指示灯亮，进行预热。

5．设电源开关已经打开并已预热完毕，光点的亮度适中，光点已经最圆最小。把你在寻找扫描线、调节水平幅度大小的练习中，操作时所用到的各个旋钮的名称和观察到的现象，按操作的顺序填入下边的空格中：
①把_____旋钮顺时针旋到1/3处；
②_____旋钮反时针旋到底；
③_____旋钮置于最低挡。完成上述三步以后，可以看到扫描的情形，即光点从左向右_____，到右端后又很快_____左端。
④顺时针旋转_____旋钮以增大扫描频率，可以看到光点迅速移动成为_____。
⑤调整_____旋钮，可以看到亮线长度的改变。

6．在测量一节干电池电压的练习中，利用关系式：待测电压值=光点偏移1格输入电压的伏特数×光点偏移的格数×衰减旋钮所指的倍数。在这个测量练习中，如果你使用的示波器，光点每偏移1格时输入电压是50mV；接入干电池，Y增益旋钮顺时针旋到底时，光点偏移了3格，这时衰减旋钮所指的倍数是10，那么你所测量的干电池的电压值等于_____V。

7．在开启或关闭J2459型学生示波器的电源开关前，应把_____。
A．辉度旋钮顺时针旋到底
B．辉度旋钮逆时针旋到底
C．X、Y增益旋钮置于最小位置
D．衰减旋钮置于最低挡
8．在示波器荧光屏上观察到的波形如图7-7（a）所示，要求把波形变成如图（b）所示的样子，则可以调节面板上的_____。

A．“Y增益”旋钮
B．“X增益”旋钮
C．“Y位移”旋钮
D．“Y衰减”旋钮

9．Y输入接上外加直流电压后逐步减少衰减倍数，为什么光点会向上偏移？（简答）
10．示波器能否像电流表一样串联在电路上直接测量电流？为什么？（简答）