練習(xí)使用示波器
一、實(shí)驗(yàn)分析
實(shí)驗(yàn)原理
當(dāng)信號電壓輸入示波器時,示波管的熒光屏上就反映出這個電壓隨時間變化的波形來.示波管主要由電子槍、豎直偏轉(zhuǎn)電極和水平偏轉(zhuǎn)電極組成.兩電極都不加偏轉(zhuǎn)電壓時,由電子槍產(chǎn)生的高速電子做直線運(yùn)動,打在熒光屏中心,形成一個亮點(diǎn).這時如果在水平偏轉(zhuǎn)電極上加上隨時間均勻變化的電壓,則電子因受偏轉(zhuǎn)電場的作用,打在熒光屏上的亮點(diǎn)便沿水平方向勻速移動.如果再在豎直偏轉(zhuǎn)電極上,加上一隨時間變化的信號電壓,則亮點(diǎn)在豎直方向上也要發(fā)生偏移,偏移的大小與所加信號電壓的大小成正比.這樣,亮點(diǎn)一方面隨著時間的推移在水平方向勻速移動,一方面又正比于信號電壓在豎直方向上產(chǎn)生偏移.于是在熒光屏上便形成一波形曲線,此曲線反映出信號電壓隨時間變化的規(guī)律.
實(shí)驗(yàn)器材
J2459型示波器1臺；低壓電源1臺；變阻器1只；電鍵1只；導(dǎo)線若干.
實(shí)驗(yàn)步驟
1．熟悉J2459型示波器板上各旋鈕的作用.如圖7-1為J2459型示波器的面板,熒光屏右邊最上端的是輝度調(diào)節(jié)旋鈕,標(biāo)以“”符號,用來調(diào)節(jié)光點(diǎn)和圖像的亮度.順時針旋轉(zhuǎn)旋鈕時,亮度增加.
第二個是聚焦調(diào)節(jié)“⊙”和輔助聚焦“○”,這兩個旋鈕配合著使用,能使電子射線會聚,在熒光屏上產(chǎn)生一個小的亮斑,得到清晰的圖像.
再下面是電源開關(guān)和指示燈,用后蓋板上的電源插座接通電源后,把開關(guān)扳向“開”的位置,指示燈亮,經(jīng)過一兩分鐘的預(yù)熱,示波器就可以使用了.
熒光屏下邊第一行左、右兩端的旋鈕是垂直位移“”和水平位移“”,分別用來調(diào)整圖像在豎直方向和水平方向的位置.它們中間的兩個旋鈕是“Y增益”和“X增益”,分別用來調(diào)整圖像在豎直方向和水平方向的幅度,順時針旋轉(zhuǎn)時,幅度連續(xù)增大.
中間一行左邊的大旋鈕是“衰減”,它有1、10、100、1000四擋,最左邊的“1”擋不衰減,其余各擋分別使輸入的電壓衰減為原來

最右邊的正弦符號擋不是衰減,而是由示波器內(nèi)部自行提供豎直方向的交流試驗(yàn)信號電壓,可用來觀察正弦波形或檢查示波器是否正常工作.
中間一行右邊的大旋鈕是“掃描范圍”,也有四擋,可以改變加在水平方向的掃描電壓的頻率范圍,左邊第一擋是10～100Hz,向右旋轉(zhuǎn)每升高一擋,掃描頻率都增大10倍,最右邊的是“外X”擋,使用這一擋時,機(jī)內(nèi)沒有加掃描電壓,水平方向的電壓可以從外部輸入.
中間的小旋鈕是“掃描微調(diào)”,用來調(diào)整水平方向的掃描頻率,順時針轉(zhuǎn)動時頻率連續(xù)增加.
底下一行中間的旋鈕“Y輸入”、“X輸入”和“地”分別是豎直方向、水平方向和公共接地的輸入接線柱.左邊的“DC、AC”是豎直方向輸入信號的直流、交流選擇開關(guān).置于“DC”位置時,所加的信號電壓是直接輸入的；置于“AC”位置時,所加信號電壓是通過一個電容器輸入的,它可以讓交流信號通過而隔斷直流成分.右邊的“同步”也是一個選擇開關(guān).置于“+”位置時,掃描由被測信號正半周起同步,置于“-”位置時,掃描由負(fù)半周起同步.這個開關(guān)主要在測量較窄的脈沖信號時起作用,對于正弦波、方波等,無論扳到“+”或“-”,都能很好地同步,對測量沒有影響.
2．練習(xí)使用示波器
①把輝度旋鈕反時針旋到底,垂直位移和水平位移旋鈕轉(zhuǎn)到中間位置,衰減旋鈕置于最高擋,掃描旋鈕置于“外X”擋.
②接通電源,打開電源開關(guān).經(jīng)預(yù)熱后,熒光屏上出現(xiàn)亮點(diǎn).調(diào)節(jié)輝度旋鈕,使亮度適中.
③調(diào)節(jié)聚焦和輔助聚焦旋鈕,觀察亮點(diǎn)的大小變化,直至亮點(diǎn)最圓、最小時為止.
④旋轉(zhuǎn)垂直位移和水平位移旋鈕,觀察亮點(diǎn)的上下移動和左右移動.

⑤把掃描范圍旋鈕旋至最低檔,掃描微調(diào)旋鈕反時針旋到底,把X增益旋鈕順時針旋到1/3處,觀察亮點(diǎn)的水平方向的移動情況.
⑥順時針旋轉(zhuǎn)掃描微調(diào)旋鈕,觀察亮點(diǎn)的來回移動（隨著掃描頻率增大而加快,直至成為一條水平亮線）.旋轉(zhuǎn)X增益旋鈕,觀察亮線長度的變化.
⑦把掃描范圍旋鈕置于“外X”擋,交直流選擇開關(guān)扳到“DC”,并使亮點(diǎn)位于熒光屏中心.按圖7-2接好電路,輸入一直流電壓.
⑧移動變阻器的滑動片,改變輸入電壓的大小,觀察亮點(diǎn)的移動.
⑨將電池的正負(fù)極接線調(diào)換位置,重復(fù)步驟⑧.
⑩使Y增益旋鈕順時針旋到底,衰減旋鈕置于“1”擋.使變阻器的滑動片從最右端起向左滑動至某一位置,讀取亮點(diǎn)偏移的格數(shù).此時亮點(diǎn)每偏移1格,表示輸入電壓改變50mV.計算此時輸入電壓的大小.如果衰減旋鈕置于其他擋時,應(yīng)將所得數(shù)值乘以相應(yīng)的倍數(shù).
(11)實(shí)驗(yàn)完畢后,把輝度旋鈕反時針旋到底,然后關(guān)機(jī),切斷電源.
二、操作指導(dǎo)與思維啟迪
1．使用J2459型學(xué)生示波器注意事項(xiàng)：
①示波器的使用電壓為220V±10％范圍.超出這個范圍將影響儀器正常工作.當(dāng)電源電壓波動比較大時,最好采用交流穩(wěn)壓措施后再使用.
②示波器機(jī)箱與機(jī)內(nèi)電路接地點(diǎn)相連接,為了安全及減少外界環(huán)境對儀器的干擾,應(yīng)將儀器機(jī)殼接地.可用帶接線焊鉤的黑色導(dǎo)線,將示波器面板上的接地柱和實(shí)驗(yàn)桌上的接地接線柱相連接.如果實(shí)驗(yàn)室裝有帶地線的三孔安全電源插座,則可以將示波器電源線二腳插頭換成三腳插頭,另加一根黑色導(dǎo)線將三腳插頭外殼和三腳插頭地腳相連接.機(jī)殼不接地也可以使用,這時外部感應(yīng)將使示波器的噪音干擾略增大一些.
③測試信號輸入線最好采用帶有香蕉插頭的高頻屏蔽線或單股線,輸入線盡量短一些,將香蕉插頭分別插入示波器Y輸入與地接線柱及信號輸出儀器接線柱.如果要檢查實(shí)驗(yàn)電路某點(diǎn)波形,輸入線測試端可接一對帶套管的鱷魚夾或測試棒比較方便.如果測試點(diǎn)電壓較高,最好應(yīng)先切斷被測電路電源,接好測試點(diǎn)再進(jìn)行測試.否則應(yīng)特別注意安全,站在適當(dāng)?shù)慕^緣物上,單手進(jìn)行操作.
④示波器使用時應(yīng)注意輝度適中,不宜過亮,且光點(diǎn)不應(yīng)長期停留在一點(diǎn)上,以免損壞熒光屏.還應(yīng)避免在陽光直射熒光屏的情況下工作.關(guān)機(jī)前應(yīng)先將輝度關(guān)滅.
⑤示波器應(yīng)避免在強(qiáng)磁場環(huán)境中工作.因?yàn)橥獯艌鰰痫@示波形失真.
⑥示波器使用時,接入輸入端的電壓不應(yīng)超過說明書規(guī)定的最大輸出耐壓400V（DC+ACPP）.如果信號為直流則應(yīng)小于400V.如果信號為直流加交流,則其直流和交流峰值之和應(yīng)小于400V.特別要注意當(dāng)Y衰減開關(guān)放到1時,應(yīng)防止過大的被測信號加入輸入端,以免損壞儀器.
⑦儀器使用時,扳動面板控制器要輕,當(dāng)?shù)竭_(dá)極限位置時不要硬扳,以免損壞儀器.搬動時要輕拿輕放,防止碰撞.
⑧儀器用畢后應(yīng)罩上防塵罩,放在陰涼干燥通風(fēng)的地方.存放滿3個月沒有使用的儀器應(yīng)開機(jī)通電1h,以防止電解電容失效和起到加熱去潮的作用.
2．觀察波形
示波器的主要功能是將非常抽象的電信號變成能看得見的圖像,因而觀察波形是示波器的主要用途.J2456型學(xué)生示波器適合觀察頻率在10Hz以上,1.5MHz以內(nèi),幅度在100mV以上,400V以內(nèi)的各種電信號波形.
被觀察波形從Y輸入接線柱輸入.觀察頻率較高的交流信號時,輸入耦合開關(guān)放到“AC”；觀察100Hz以內(nèi)方波信號及各種變化比較慢的交變信號時,輸入耦合開關(guān)放到“DC”.衰減開關(guān)及Y增益位置視輸入信號幅度大小按下表確定.

如果不知道輸入信號幅度時,可將衰減開關(guān)先放到“1000”擋,觀察示波管熒光屏上Y方向顯示,如沒有顯示或顯示太小,則將Y衰減開關(guān)順次放到“100”、“10”、“1”擋,再適當(dāng)調(diào)節(jié)Y增益,使熒光屏Y方向有4～6格顯示即可.掃描范圍開關(guān)位置視輸入信號頻率和擬在熒光屏上顯示的完整周期波形個數(shù)來選定.例如輸入信號頻率為50Hz,擬在熒光屏上顯示兩個周期波形,那么掃描頻率應(yīng)為50Hz/2=25Hz,應(yīng)將掃描范圍開關(guān)放到“10～100”擋,調(diào)掃描微調(diào)旋鈕,就可在熒光屏上顯示兩個周期的波形.再如信號頻率為10kHz,擬顯示5個周期的波形,那么掃描頻率應(yīng)為10kHz/5=2kHz,應(yīng)將掃描范圍開關(guān)放到“1～10K”擋,調(diào)掃描微調(diào)旋鈕,可以在熒光屏上顯示出5個周期波形.如果被觀察信號頻率不知道,可將掃描范圍開關(guān)從低到高逐擋改變,同時調(diào)節(jié)掃描微調(diào)旋鈕,待熒光屏上顯示出4～6個周期的穩(wěn)定波形即可.當(dāng)被觀察信號在1MHz以上時,應(yīng)注意將X增益旋鈕順時針旋到底,才能較清楚地顯示波形.
3．電壓的測量
示波器熒光屏上光點(diǎn)垂直偏轉(zhuǎn)距離與輸入電壓成正比,因而示波器輸入靈敏度經(jīng)核準(zhǔn)后,即可以測量電壓.用示波器測量電壓、電流,雖然不如其他測量儀表精確,但能測出任何一種交流電壓的幅度值或瞬時值,這一點(diǎn)是其他儀表所不能做到的.J2459型學(xué)生示波器出廠時垂直系統(tǒng)靈敏度已校準(zhǔn),因而可以根據(jù)熒光屏上Y軸顯示的幅度直接計算.
①直流電壓的測量.將示波器Y增益旋鈕順時針旋到底,這時示波器垂直系統(tǒng)靈敏度為每格50AmV,A為衰減開關(guān)倍率,分別為1、10、100、1000,可根據(jù)被測直流電壓的大約范圍選擇.將輸入耦合開關(guān)放到“DC”,Y輸入與地接線柱用導(dǎo)線短接,將示波器調(diào)出掃描線,并將掃描線移到坐標(biāo)片Y軸正中,定此位置為零電位.然后除去短路線,將被測信號接入,如掃描線上移2.2格,圖7-3示,則表示被測直流電壓為正極性,數(shù)值為U=2.2×50×A（mV）.如掃描線下移,則表示被測直流電壓為負(fù)極性.

測試時也可以用光點(diǎn)來顯示,這時只要將X增益電位器反時針旋到底,掃描線即縮成為一點(diǎn).但要注意此時示波管輝度不要太亮,以免損壞熒光屏.
當(dāng)不知道被測電壓的大約范圍時,可先將衰減開關(guān)放到“1000”,如光跡沒有移動或移動太小,則再將Y衰減開關(guān)放到“100”、“10”、“1”.確定衰減擋級后應(yīng)再校一次零電位,以保證測量精度.零電位也可以不選在Y軸正中,如被測電壓為正極性,可選在下面；如被測電壓為負(fù)極性,則可選在上面,以擴(kuò)大測量范圍.
②交流電壓的測量.示波器可以測量交流電壓的峰峰值或波形任何兩點(diǎn)間的電位差值.測試時Y軸輸入耦合開關(guān)放到“AC”,Y增益旋鈕順時針旋到底,被測信號接入Y輸入與地接線柱,適當(dāng)選擇衰減開關(guān)和掃描范圍,調(diào)節(jié)掃描微調(diào)旋鈕,使熒光屏上顯示出3～6個穩(wěn)定的波形,如圖7-4.讀出波形峰峰值之間為4.2格,則被測電壓峰峰值為：
Upp=4.2×50×A（mV）

如果被測電壓是正弦波,則可換算成電壓峰值為：
Um=0.5Upp=0.5×4.2×50×A（mV）
電壓有效值為：
U=0.3535Upp=0.3535×4.2×50×A（mV）
J2459型學(xué)生示波器衰減開關(guān)是十進(jìn)位的,測試某些幅度電壓時會產(chǎn)生波形顯示太小、不能穩(wěn)定同步,但當(dāng)衰減減小一擋時波形顯示又太大,超過坐標(biāo)刻度的情況.例如對峰峰值約為500mV的信號,當(dāng)衰減放到“1”時,顯示超出坐標(biāo)片刻度,當(dāng)衰減放到“10”時顯示又太小,這時給定量測量帶來一定困難.為解決這一問題,可以將示波器Y增益旋鈕反時針旋到底時垂直系統(tǒng)靈敏度Smin事先測出.Y增益微調(diào)比約為6倍,此時靈敏度約為每格300mV左右,于是峰峰值約為500mV的信號,就可得到1.7格的顯示.如果被測信號顯示為B格,衰減擋板為A,則電壓峰峰值為：
Upp=BSminA（mV）
方波、鋸齒波、三角波及其他周期性變化電壓幅值測量方法完全相同.但應(yīng)注意,如果頻率較低時,應(yīng)將輸入耦合開關(guān)放到“DC”.
三、典型例題解析
[例1]圖7-5是某晶體管的集電極電壓在示波器熒光屏上顯示出的穩(wěn)定的圖形.圖中鋸齒波顯示為3格.問：
①鋸齒波幅度為多少?
②直流分量電壓為多少?
③鋸齒波C點(diǎn)對地電壓為多少?D點(diǎn)對地電壓為多少?

分析與解答
此問題系J2459對合成電壓的測量問題.當(dāng)示波器Y增益旋鈕順時針旋到底,這時示波器垂直系統(tǒng)靈敏度為每格50A（mV）.（A為衰減開關(guān)倍率）故：
①幅度為：Upp=3×50×A（mV）
②電壓為：U=3.5×50×A（mV）
③C、D兩點(diǎn)對地電壓為：
Uc=2×50×A（mV）UD=5×50×A（mV）
本題思維點(diǎn)撥：在實(shí)際測量中,除了單純的交流電壓或直流電壓測量外,往往需要測量既有交流分量又有直流分量的合成電壓.例如晶體管放大信號時所出現(xiàn)的,即本題所顯示的集電極電壓,就是既有交流電壓,又有直流電壓；在脈沖電路測試中,往往要了解信號波形各點(diǎn)相對于地的電位高低.這種合成電壓可以很方便地用示波器進(jìn)行測量.測試時,輸入耦合開關(guān)應(yīng)放于“DC”,先將Y輸入與地接線柱間用導(dǎo)線短接,確定掃描線的零電位.再接入被測信號,調(diào)節(jié)掃描范圍與掃描微調(diào)旋鈕,熒光屏上就會有波形顯示了.
[例2]要測量圖7-6中通過R的電流（R=2Ω）,請回答下列問題：

①掃描頻率、DC、AC、Y增益、水平、豎直位移、衰減等旋鈕如何轉(zhuǎn)動?
②應(yīng)如何接到示波器上進(jìn)行測量?
③如果將衰減置于10擋,光點(diǎn)距原點(diǎn)下方4格,那么通過R的電流多大?
④如果光點(diǎn)在原點(diǎn)的斜上方,測量誤差過大,其原因是什么?
⑤如果換上與該電池等效的交流電源,應(yīng)如何測量?
分析與解答
①掃描頻率旋鈕置于外X擋；DC、AC開關(guān)置于DC處,Y增益順時針旋轉(zhuǎn)到底；調(diào)節(jié)水平、豎直位移旋鈕使光點(diǎn)位于正中；衰減置于較高擋.
②把電阻R兩端分別與示波器上Y輸入和地相連.（電路圖請同學(xué)們自行作出.）
③加在R兩端的電壓U=4×50×10（mV）=2V.通過R的電流I=U/R=2/2=1A.
④測量之前光點(diǎn)沒有調(diào)到熒光屏中央,Y增益旋鈕沒有順時針旋到底.
⑤接線與測量方法相同.只須將“DC、AC”開關(guān)置于“AC”位置即可.
本題思維點(diǎn)撥：按現(xiàn)行教材（選修第三冊P291,人民教育出版社）要求,在實(shí)驗(yàn)中不作電流測量,可是無論從“培養(yǎng)能力,發(fā)展智力”的教育思想,還是從“培養(yǎng)動手能力,加強(qiáng)活動課”課堂的教改要求,從培養(yǎng)跨世紀(jì)人才的高度,我們建議有條件的學(xué)校還要安排用示波器測電流的活動課.這里面的關(guān)鍵是,把一個已知阻值的小電阻串聯(lián)在待測電流的電路里（或利用原電路中的已知電阻）,用示波器測量這個電阻兩端的電壓,利用歐姆定律就可以算出電路中的電流.
四、能力訓(xùn)練
1．使用示波器時,發(fā)現(xiàn)熒光屏上的亮點(diǎn)不清楚,若光點(diǎn)的面積過大,而邊緣模糊,則應(yīng)向_____時針方向調(diào)整_____旋鈕,若亮點(diǎn)沿豎直方向呈一條短的亮線,則應(yīng)向_____時針方向調(diào)整_____旋鈕；若亮點(diǎn)沿水平方向呈一條短的亮線,則應(yīng)向_____方向調(diào)整_____旋鈕；若沿順時針方向旋轉(zhuǎn)水平位移旋鈕,可使亮點(diǎn)（或圖像）向_____移動；若沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)豎直位移旋鈕,可使亮點(diǎn)（或圖像）向_____移動；若要使亮點(diǎn)自動地在水平方向移動,則要把X增益旋鈕旋轉(zhuǎn)1/3后,把_____旋鈕置于_____擋,把掃描微調(diào)旋鈕_____時針旋轉(zhuǎn)到底,即可看到亮點(diǎn)從左到右又很快地回到左端；增大掃描頻率,亮點(diǎn)的移動速度變?yōu)開____.
2．在上題調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上,把衰減旋鈕置于_____位置后,把Y增益旋鈕沿順時針旋轉(zhuǎn)到某一適中位置,可看見熒光屏上出現(xiàn)_____圖形.
3．當(dāng)圖形在熒光屏的左上角而不在正中間時,則應(yīng)沿_____時針方向旋轉(zhuǎn)_____旋鈕,使圖形向右移動,又沿_____時針方向旋轉(zhuǎn)_____旋鈕,使圖形向_____移動,這樣,就可使得圖形位于中心.如圖形仍不清楚,則要調(diào)整_____和_____旋鈕.如果圖形幅度太小,則應(yīng)沿_____時針方向旋轉(zhuǎn)_____旋鈕,使圖形在豎直方向上的幅度變大；沿_____時針方向旋轉(zhuǎn)_____旋鈕,可使圖形在水平方向上的幅度增大.若把同步開關(guān)由“+”改成置于“-”時,則波形將改變_____周期.
4．試在圖7-1中,把示波器面板上的旋鈕和開關(guān)分成電子束發(fā)射的調(diào)節(jié)、豎直方向上的調(diào)節(jié)、水平方向上的調(diào)節(jié)3個區(qū)域.在進(jìn)行開機(jī)練習(xí)時,先把輝度調(diào)節(jié)旋鈕_____旋到底,垂直位移和水平位移旋鈕旋到_____位置,衰減旋鈕置于最_____擋,掃描范圍置于“_____”擋.打開_____指示燈亮,進(jìn)行預(yù)熱.
5．設(shè)電源開關(guān)已經(jīng)打開并已預(yù)熱完畢,光點(diǎn)的亮度適中,光點(diǎn)已經(jīng)最圓最小.把你在尋找掃描線、調(diào)節(jié)水平幅度大小的練習(xí)中,操作時所用到的各個旋鈕的名稱和觀察到的現(xiàn)象,按操作的順序填入下邊的空格中：
①把_____旋鈕順時針旋到1/3處；
②_____旋鈕反時針旋到底；
③_____旋鈕置于最低擋.完成上述三步以后,可以看到掃描的情形,即光點(diǎn)從左向右_____,到右端后又很快_____左端.
④順時針旋轉(zhuǎn)_____旋鈕以增大掃描頻率,可以看到光點(diǎn)迅速移動成為_____.
⑤調(diào)整_____旋鈕,可以看到亮線長度的改變.
6．在測量一節(jié)干電池電壓的練習(xí)中,利用關(guān)系式：待測電壓值=光點(diǎn)偏移1格輸入電壓的伏特數(shù)×光點(diǎn)偏移的格數(shù)×衰減旋鈕所指的倍數(shù).在這個測量練習(xí)中,如果你使用的示波器,光點(diǎn)每偏移1格時輸入電壓是50mV；接入干電池,Y增益旋鈕順時針旋到底時,光點(diǎn)偏移了3格,這時衰減旋鈕所指的倍數(shù)是10,那么你所測量的干電池的電壓值等于_____V.
7．在開啟或關(guān)閉J2459型學(xué)生示波器的電源開關(guān)前,應(yīng)把_____.
A．輝度旋鈕順時針旋到底
B．輝度旋鈕逆時針旋到底
C．X、Y增益旋鈕置于最小位置
D．衰減旋鈕置于最低擋
8．在示波器熒光屏上觀察到的波形如圖7-7（a）所示,要求把波形變成如圖（b）所示的樣子,則可以調(diào)節(jié)面板上的_____.
A．“Y增益”旋鈕
B．“X增益”旋鈕
C．“Y位移”旋鈕
D．“Y衰減”旋鈕
9．Y輸入接上外加直流電壓后逐步減少衰減倍數(shù),為什么光點(diǎn)會向上偏移?（簡答）
10．示波器能否像電流表一樣串聯(lián)在電路上直接測量電流?為什么?（簡答）