§4.5 训练五 教学示波器及其演示实验

【训练目的】

1. 熟悉教学示波器的结构。

2. 练习在教学中运用教学示波器。

【实验仪器】

J2458 型教学示波器一台，J2460-1 型电子开关一台，低压电源(J1201型)一台，电阻(24K)一个，电容(“0.1μF，6.3V”“0.2μF，6.3V”， “10μF，10V”各一只)。电感是较大的电感线圈一只，三相手摇发电机(J2420 型)一台，导线若干。

【仪器简介】

1.J2458 型教学示波器

J2458 型教学示波器，是按照教育部标准“JY3-78 教学示波器技术条件(试行)”设计制造。主要供中学物理演示实验使用。

J2458 型教学示波器外形结构如图 4-44 所示。图 4-44

一、技术指标

1. 垂直系统

频率响应：直流：DC～2mHz≤3dB； 交流： 5H～2mHz≤3dB；

灵敏度： ≤20mVpp/格；

输入阻容： 1mΩ//40pF；

衰减倍率： 1、10、100、1000、四档±10％； 输入耐压： 400V(DC+ACpp)。

1. 扫描系统

扫描频率：10Hz～100kHz；

分 四 档 ： 10Hz～100Hz；

100Hz～1kHz； 1kHz～10kHz； 10kHz～100kHz。

同步：内正同步；内负同步。3.水平系统

频率响应：DC～500kHz≤3dB； 灵敏度： ≤64mVpp/格；

输入阻容：1mΩ//60pF。4.校准信号

波形： 方波；

频 率 ： 1000Hz±10％； 幅 度 ： 100mVpp±5％ 。5.示波管

型 号 ： 13SJ 38J；

显示有效面积：8 格×12 格 12 格=0.8cm

二、工作原理

J2458 型教学示波器工作方框图如图 4-45 给出。虚线标出了三大方框。第一方框为主机部分，包括示波管、示波管控制电路、电源消隐电路、校准信号发生器等。第二方框为垂直部分，包括输入耦合开关、衰减器、垂直放大器等。第三方框为水平部分，由扫描发生器、水平放大器等组成。垂直部分的控制旋钮都集中在仪器面板左边标有 Y 的蓝框线内；水平部分的控制旋钮都集中在画板右边示有 X 的蓝框线内；面板上半部分为主机部分控制旋钮及示波管荧光屏。

1. 示波器

J2458 型示波器采用 13SJ 38J 示波管。这种示波管的特点是

荧光屏直径较大，ϕ=133mm。同时管内还设有第四阳极，又称为后加速阳极，提高了示波管的亮度。

1. 垂直放大器

由两级电子管差动放大器组成。输入级用一只 6N3 型双极管。这一极设有垂直位移电位器，Y 增益调节器 R 平衡调节电位器。平衡调节电位器的中心头接一负电压，以加强这级差动放大器的稳定性。输出级用两只 6J5 型束射四极管，以增加垂直放大器的放大量，总放大量可达 600 倍以上。放大后的信号由输出级平衡地输送到垂直偏转板。

1. 扫描放大器

扫描放大器，用于产生与时间成正比的锯齿形电压，是由一只 6N3 型双三极管组成的板栅耦合不对称多谐振荡器。扫描范围分为五档。置“外 X”档时，扫描发生器停止工作。用电位器来实现扫描微调。

1. 水平放大器

J2458 型示波器水平系统频率响应要求从直流开始，因此水平放大器采用两级直流耦合差动放大器。放大器的总量约为 280 倍，以保证水平系统灵敏度优于 64mVpp/格。

输入级由一只 6N3 型双三极管组成，电路和垂直放大器输入级相同。这一级设有水平位移电位器和 X 增益电位器，输出级由一只 6N1 型双三极管组成。经水平放大后的信号，反相接到示波管垂直偏转板，这是为了将扫描产生器产生的随时间减小的锯齿波倒转过来，使扫描线符合从左到右扫的要求。

1. 消隐电路

扫描发生器在回扫时，示波管荧光屏上光点很快地从水平方向返回原起始点。回扫时间虽然比扫描时间短得多。但荧光屏上也会出现回扫

线。回扫线叠加在被测波形上，会影响被测波形的观察。特别在观察较高频率信号，当回扫期和被测信号周期可以相比拟时，回扫线在垂直方向也产生上下移动，对被测波形干扰更大。最好的办法是让示波管在回扫时电子枪不发射电子。回扫线就不会显示出来。示波器中起这个作用的电路称消隐电路。

扫描发生器在回扫期间，有一负脉冲产生。将这个负脉冲取出。经消隐电路中的放大器放大并倒相成正脉冲，经高压电容耦合到示波管阴极。阴极得到正脉冲时，相当于控制栅极比阴极负很多。此时阴极发射的电子不能通过控制栅极，电子枪不发射电子束，荧光屏上就没有光迹显示。在扫描期间，正脉冲消失，阴极发射的电子正常通过控制栅极， 电子枪发射出电子束，于是荧光屏显示出光迹。这就是消隐电路的工作原理。

1. 校准信号发生器

校准电路信号发生器由晶体管电路组成。两只晶体三极管组成典型自激多谐振荡器，产生频率为 1kH 的方波。一只晶体三极管组成整形放大器，整形后的方波经电位器调到 100mV，输送到衰减器开关上。当示波器测试时，校准信号发生器电源被切断，电路就停止工作。

1. 电源部分

电源部分供给示波管以正、负高压以及线路部分用的正、负电压。正负电压是经半波三倍压整流而成的。其余电压都是经全波整流，π形阻容滤波后供给。使用 J2458 型示波器应注意以下几点：

①使用时应先检查一下垂直放大器平衡是否正常。仪器开机后，将扫描线调到坐标片垂直方向正中，再转动 Y 增益旋钮，如这时扫描线产生较大的上下移动，则表示垂直放大器已失去平衡，需要进行平衡调整。

具体调节平衡方法是：

将 Y 增益旋钮逆时针方向转到底，用小起子调面板上平衡电位器起子孔，使扫描基线处于荧光屏坐标片垂直方向正中位置。然后将 Y 增益旋钮顺时针转到底，如扫描线不产生较大的上下移动，则电路已属平衡。如仍产生较大的上下移动，可转动垂直位移旋钮“↑↓”，使扫描线移到荧光屏正中，然后再将 Y 增益旋钮逆时针转到底，这里扫描线离开了正中位置，再调平衡电位器使扫描线移到正中位置。这样反复调几次就可以使电路达到平衡。一般当转动 Y 增益旋钮时，扫描线移动小于 1 格(0.8cm)，即可认为垂直放大器已达到平衡。

②教学示波器显示辉度较亮，如果不作课堂演示，不宜将辉度调到最亮。当光点停留在一点时，应注意将辉度减弱，关机时应先关灭辉度。

③前几年出厂的 J2458 型教学方波器，校准信号是采用 50H 交流正弦波削波放大后成为方波的，其方波上升，下降时间较慢，荧光屏显示的方波上升下降迹线很明显。近两年出厂的示波器校准信号已改为 1kHz 方波，上升下降时间短，因而在荧光屏上方波上升下降迹线很淡，这是正常现象，表明校准信号是良好的。

④过去出厂的 J2458 型示波器，为了配合 J2461 型晶体管特性图示仪，使被测的晶体管能显示出正确的极性，特地将示波器垂直放大器极性与水平扫描方向都反接。这种示波器在 Y 输入端加正极性信号时，荧光屏垂直方向显示向下移动，加负极性信号时向上移动。将扫描频率放

慢到 10Hz 时，可看到荧光屏上扫描线是由右向左扫，而不是习惯要求的那样由左向右扫，这对观察一般重复频率信号，关系不大，但在测量带极性的信号及测量信号相差时，应注意这个问题。在进行这方面测试前， 为了避免搞混，可以将方波器侧盖打开，将垂直放大器接到示波管垂直偏转板两根线对调焊接，水平放大器接到示波管水平偏转板的两根线也对调焊接，那么垂直放大器显示的极性与水平放大器扫描方向都改正过来了。如果配合 J2461 型晶体管特性图示仪使用时，欲显示晶体管的正确极性，可将两对接线再改焊过来。

⑤示波器使用时，输入电压不应超过规定的最大输入耐压400V(DC+ACpp)如果信号为直流，则应小于 40OV；如果信号为正弦交流， 其峰-峰值应小于 400V，有效值应小于 142V。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器，以免损坏仪器。

2.J2460 及 J2460-1 型电子开关

J2460 型电子开关主要是与 J2458 型教学示波器配套，供演示实验使用。只能显示一个信号波形的单线示波器，配上电子开关使用后，就可以同时显示两个信号的波形，作为双踪示波器使用。

J2460-1 型电子开关外形如图 4-46 所示。

从原理上来讲，电子开关可以看作是一种快速自动的单刀双掷开关，它自动地控制两个信号的通断时间，当 A 信号导通时，B 信号被切断； B 信号导通时，A 信号被切断。于是在输出端，两信号断续或交替地合成一个信号，送入示波器，使示波器显示出双踪波形。

使用电子开关时操作步骤如下：

①“输出”与“地”接线柱用短导线接到示波器的“Y 输入”与“地”。

②电子开关“A 增幅”、“B 增幅”两旋钮都逆时针方向转到底。

③“频率范围”开关扳到“(5K～50K)Hz”，“频率细调”旋钮顺时针方向转到底。

④调整示波器：输入耦合开关扳至“DC”；“Y 轴衰减”开关放到“10”； “Y 轴增益”置适中位置；“扫描范围”开关扳至“(10～100)Hz”；打开示波器开关预热。

⑤打开电子开关电源，荧光屏上会显示出两条扫描线，这就说明单踪示波器通过电子开关的作用已变成了双踪显示。

⑥当被测信号频率在 10Hz～50kHz 时，可将观察比较的两个信号分别接到电子开关“A 输入”，“B 输入”和“地”接线柱之间。电子开关频率一般应高于被测信号频率的 10 倍以上。慢慢地顺时针方向转动“A 增幅”，“B 增幅”旋钮，使示波器荧光屏 Y 方向两个波形有合适大小的显示即可，再调节示波器“扫描范围”与“频率微调”旋钮，使被测波形稳定显示。

【实验内容】

一、练习调整示波器

用 J2458 型教学示波器来做实验，实验内容如下： 1.了解面板上各控制器的名称和作用

“开”是电源开关，用它接通或断开电源。当把手柄扳向“开”时， 电源接通，经预热(3～5)分钟，即可工作。

“¤”旋钮是辉度调节旋钮，也叫亮度调节旋钮。用它来控制荧光屏上光点的亮度。顺时针方向旋转时，亮度增加，反时针旋转时

亮 度 减 弱 。 “⊙”旋钮是聚焦调节电位器。调节它可以使电子射线恰好聚焦在

荧光屏上，形成一个明亮清晰的小圆点。调节聚焦时，应将“Y 轴衰减” 和“扫描范围”旋钮分别置于“1000”和“外 X”档，并将“X 增益”旋钮逆时针方向转到底。

“○”旋钮是辅助聚焦调节电位器，它通常与聚焦旋钮配合使用。“↑↓”旋钮是 Y 轴位移电位器，用它来调节光点在荧光屏垂直方

向上的位置。顺时针方向旋转，光点向上移动；反时针方向旋转，光点向下移动。

“→←”旋钮是 X 轴位移电位器，用它调节光点在荧光屏水平方向上的位置。顺时针方向旋转，光点向右移动；反时针方向旋转，光点向左移动。

“Y 输入”和“地”接线柱是示波器 Y 轴系统的输入端。被观察和测量的信号电压从这里输送到 Y 轴放大器里。

“AC”、“DC”是 Y 轴输入耦合开关。置于“AC”时，输入信号经耦合电容输送到 Y 轴放大器，隔绝了信号中的直流成分，使屏幕上显示的波形，不受直流电压的影响，适用于观察纯交流信号。置于“DC”位置时，输入信号直接送到 Y 轴放大器里，适于观测低频以及含有直流分量的信号。

“Y 轴衰减”旋钮，它的作用是衰减输入信号电压，以便在荧光屏上得到大小适中的信号图形。根据输入信号的大小，扳动选择开关，可使输入到 Y 轴放大器的实际电压分别为“Y 输入”接线柱所加信号电压的1/10、1/100、1/1000。开关置“1”档时，输入到 Y 轴放大器的实际电压与输入信号电压一致。

当这个开关扳到“校准”档时，荧光屏上可显示一个幅度为 250mV 的正弦波图形，以此来检验示波器工作是否正常以及做测量时的增益校准等。

“Y 增益”旋钮的作用是连续改变 Y 轴放大器的电压放大倍数，使在荧光屏垂直方向得到大小适当的信号图形。

“扫描范围”旋钮的作用是选择电子射线在水平方向的扫描频率。当置于外接档时，扫描停止。可由“X 输入”接线送入被观测的信号，并在荧光屏水平方向上得到显示。

“扫描微调”旋钮的作用是微调扫描频率以达到稳定波形的目的。“X 输入”和“地”接线柱是 X 轴系统的输入端，只有当“扫描范围”

旋钮置于“外 X”档时，才能使用。

“X 增益”旋钮，用它来连续改变水平放大器的输入信号电压，以控制水平方向迹线的长度。

“同步”是步极性选择开关，置于“+”时，扫描电压是由被测信号的正半周同步；置于“-”时，由被测信号的负半周同步。

2.使用前的调整步骤

首先把面板上各控制器和开关等，按表 4-8 所列的位置放好。

表 4-8

然后，将电源开关扳向“开”，即接通电源，指示灯发光。过(3～ 5)分钟待示波器进入工作状态后，顺时针方向转动辉度控制旋钮，使荧光屏上出现一个亮度适当的光点。再缓慢地分别调节位移、聚焦和辅助聚焦等旋钮，使光点位于荧光屏的中心，并且最小、最清晰，这样示波器就调整好了。

二、用示波器观察交流电的波形

准备一台低压电源，选择交流输出，输出电压选择“2V”。用一只电阻 R=24K，电容(0.1～0.22)μF 一个，如图 4-47 所示，按低压电源交流输出 2V，另一端准备接入示波器。

图 4-47

将已调整好的示波器再作如下调节： 衰减 置“10”；

Y 输入耦合开关 置“AC”； 同步开关 置“+”；

扫描范围 置“10～100”；

Y 输入、地 按上图接好。

演示时，先打开示波器开关预热(2～3)分钟，再开低压电源开关。适当调节“Y 增益”旋钮，示波器的显示屏上即出现 50Hz 交流电的正弦波形，再缓慢地转动“扫描微调”，等旋钮，使波形为(3～4)个并稳定清晰。如图 4-48 所示。

从图中可以看到：交流电是周期性变化的，从 0～01、0～02、02～03 的时间为 1 周期。交流电电压的大小和方向也是随时间变化的，U 为交流电的瞬时值，Um 为交流电的最大值。

这里有 Y 输入端接一个 RC 电路是为了防止高频谐波对 50Hz 交流的干扰而设置的滤波电路。往往不接 R、C 的情况下，波形要发生失真，如图 4-49 所示，影响演示效果。

三、观察三相交流电波形

用一台 J2420 型手摇三相交流发电机，从“A”、“B”、“C”三根相线中的任意两条引出导线接于电子开关的“A 输入”和“B 输入”，再从它的“O”线上引出导线，接在电子开关的“地”。示波器的“Y 输入” 和“地”分别与电子开关的“输出”、“地”接线柱连接起来。如图 4-

50 所示。

演示时，把电子开关的“频率范围”置于“5K～50K”Hz 档，示波器的“Y 轴衰减”、“扫描范围”分别置于“10”和“10～100”Hz 档，“扫描微调”旋钮逆时针方向转到底，使屏上呈现清晰而缓慢移动的扫描迹线。这时把手摇三相交流发电机的大皮带轮迅速转动起来，使其发电。适当调节电子开关中的“A 增幅”、“B”、“相对位移”以及示波器里的“Y 增幅”等旋钮，在显示屏上就显出三相交流电在任意两项的波形。可以看出两相线间的相位差是 120 度。

交换任意一相，重新观察，都可以得出同样的结果。

四、用示波器观察阻尼振荡

如图 4-51 所示电路，C 为电容(0.1μF、0.2μF，6.3V 各一个；10 μF、10V 一个)，L 为电感量足够大带有铁芯的线圈。

演示时，先把示波器的“Y 轴衰减”分别置于“10”和“10～100” Hz 档。再把图 4-51 中的开关 K 扳至“1”，用低压电源直流 6V 给电容(0.1 μF、6.3V)充电。然后将 K 扳至“2”，接通振电路 LC，同时适当调节“扫描微调”、“Y 增益”、“X 增益”等有关旋钮，在荧光屏上就显示出一个清晰的幅度随时间逐渐减小的正弦波形，即阻尼振荡的波形。每扳动 K 至“1”充电，又扳至“2”放电，都可以看到阻尼振荡的波形。如图 4- 52(甲)所示。

把 C 换成“0.2μF、6.3V”的电容，再重复上述过程，可以看到阻尼振荡的周期随之变大。这样就能定性地说明阻尼电磁振荡以及振荡周期：

T = 2π

的关系。

若将 C 换成“10μF、10V”的电解电容器，则屏上会出现图 4-52(乙) 所示的波形。这是一非周期性地振荡，不再是周期性的阻尼振荡了。从而说明，产生振荡必须满足电路中损耗电阻R＜2 L / C的条件。也说

明要增大振荡电路的周期，必须增大电感 L 而不能无限制地加大电容 C。

【思考题】

1. 如果示波器是很好的，但由于各个旋钮位置并未调好，荧光屏上看不到亮点。问哪几个旋钮位置不合适就可能造成这种情况？

2. 还是使用这个练习的实验仪器，你能演示电感、电容对交流电相位的影响吗？画出实验电路图。