示波器实验报告总结

1 / 45 示波器实验报告总结 大连理工大学 大 学 物 理 实 验 报 告 院 材料学院 专业 材料物理 班级 0705 姓 名 童凌炜 学号 XX67025 实验台号 实验时间 XX 年 11 月 18 日，第 13周，星期 二 第 5-6 节 实验名称 示波器的原理与使用 教师评语 实验目的与要求： 了解示波器 的工作原理 学习使用示波器观察各种信号波形 用示波器测量信号的电压、频率和相位差 主要仪器设备： YB4320G 双踪示波器， EE1641B型函数信号发生器 实验原理和内容： 1. 示波器基本结构 示波器主要由示波管、放大和衰减系统、触发扫描系统和电源四部分组成， 其中示波管是核心部分。 示波管的基本结构如下图所示， 主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三个部分组成， 由外部玻璃外壳密封在2 / 45 真空环境中。 电子枪的作用是释放并加速电子束。 其中第一阳极称为聚焦阳极， 第二阳极称为加速阳极。 通 过调节两者的共同作用， 可以使电子束打到荧光屏上产生明亮清晰的圆点。 偏转系统由 X、 Y 两对偏转板组成， 通过在板上加电压来使电子束偏转， 从而对应地改变屏上亮点的位置。 荧光屏上涂有荧光粉， 电子打上去时能够发光形成光斑。 不同荧光粉的发光颜色与余辉时间都不同。 放大和衰减系统用于对不同大小的输入信号进行适 当的缩放， 使其幅度适合于观测。 扫描系统的作用是产生锯齿波扫描电压 (如左上图所示 )， 使电子束在其作用下匀速地在荧光屏周期性地自左向右运动， 这一过程称为扫描。 扫描开始的时间由触发系统控制。 2. 示波器的显示波形的原理 如果只在竖直偏转板加上交变电压而 X偏转板上五点也是， 电子束在竖直方向上来回运动而形成一条亮线， 如左图所示： 如果在 Y偏转板和 X偏转板上同时分别加载正弦电压和锯齿波电压， 电子受水平竖直两个方向的合理作用3 / 45 下， 进行正弦震荡和水平扫 描的合成运动， 在两电压周期相等时， 荧光屏上能够显示出完整周期的正弦电压波形， 显像原理如右图所示： 3. 扫描同步 为了完整地显示外界输入信号的周期波形， 需要调节扫描周期使其与外界信号周期相同或成合适的关系。 当某些因素改变致使周期发生变化时，使用扫描同步功能， 能够使扫描起点自动跟踪外界信号变化， 从而稳定地显示波形。 步骤与操作方法： 1. 示波器测量信号的电压和频率 对于一个稳定显示的正弦电压波形， 电压和 频率可以由以下方法读出 Up?p?a?h， f?(b?l)?1 其中 a 为垂直偏转因数 单位为 V/div或 mV/div； h为输入信号的峰 -峰高度， 单位div； b 为扫描时间系数， 从主扫描时间系数选择开关上可以直接读出， 单位 s/div、 ms/div 或 s/div ； l 为输入4 / 45 信号的单个周期宽度， 单位 div。 打开电源开关并切换到 DC档， 拨动垂直工作方式开关，选择未知信号所 在的通道。 通过调节 “ 扫描时间系数选择开关 ” 和 “ 垂直偏转系数开关 ” ， 以及它们对应的微调开 关， 使未知信号图形的高度和波形个数便与测量。 同时在开关上读出计算所需的 a、 b值。 调节 “ 垂直位移 ” 与 “ 水平位移 ” 旋钮，利用荧光屏上的刻度读取 l、 h值， 并记录。 2. 用示波器直接观察半波和全波整流波形 将实验室提供的未知信号分别接到整流电路的AB端， CD端送入示波器的 CH1或 CH2 端。 通过调节 “ 扫 描时间系数选择开关 ” 和 “ 垂直偏转系数开关 ” 是信号显示在屏内， 分 别观察整流后的波形， 并记录 3. 李萨如图形测量信号的频率 不使用机内的扫描电压， 而使用两个外界输入的正弦电压分别加载在 X、 Y 偏转板上， 当两个正弦电压的频率相同或呈简单的整数比， 则屏上将显示特殊形状的轨迹， 这种轨迹称为李萨如图形。 李萨如图形与 X轴和 Y轴的最大交点数 nx 与 ny 之比正好等于 Y、 X 端的输入电压频5 / 45 率之比， 即 fy:fx?nx:ny * 示波器和函数信号发生器的操作原理略 数据记录与处理 /结果与分析： 1. 正弦信号电压和频率的测量： 2. 正弦信号、半波整流信号、全波整流信号的图形 3. 李萨如图形测量正弦信号的频率 讨论、建议与质疑： 在示波器显示扫描波形图和李萨如图形的原理中， 不同之处在与它们所使用的扫描电压不同。 显示扫描波形时， 水平方向加载的是锯齿波的扫描电压， 它能够使电子束 从左向右地单方向扫描， 当扫描频率和输入信号的频率相配合时， 就能够显 示输入信号的波形； 显示李萨如图形时， 水平方向接入的是未知的正弦信号， 它使电子束在水平方向上做简谐往复运动， 与竖直方向的另一简谐运动相叠加后， 6 / 45 在荧光屏上形成李萨如图形。 形成椭圆的条件较为简单， 当输入的两个同频正弦信号相位差存在， 且大小在 + - 之 间时， 即可形成椭圆图形。 圆可以认为是一种特殊条件下形成的椭圆图形。 当输入的两个正弦信号频率相同， 信号振幅相同， 且两者的相位差为 /2 时， 李萨如图形为圆形。 实验中 Y 轴信号为已知正弦信号， X轴为未知信号， 经过实验， 发现 当 fy 比 fx 大很多时， 荧光屏上的线条之间不可分辨， 形成一个矩形块状图案； 当 fy比 fx小很多时，荧光屏上显示一条上下振荡的水平线段。 试解释全波整流图形存在水平片段的原因。 个人认为， 由于示波器上没有精确地显示出波形所在的相对位置， 故对这一波形现象可以有以下 两种理解方式： 第一种理解方式： 如上图，左图为理论上的全波整流信号波形， 右图为实际中由示波器观察到的整流波形， 可见实际波形下端未能达到 0， 即负载端电压值在外部加载电压换向时没有达到最小。 原因可以认为， 二极管的单向导通作用不是绝对的， 在电压反向加载时， 仍有小部分的反向 “ 漏电流 ”7 / 45 通过二极管， 因此在桥式整流电路中， 电路电流完全等于零的时刻是不存在的， 在正向电压下降到接近 0的位置时， 由于有反向漏电流存在， 故负载两端的实际电流不为零，故电压也不为零， 由示波 器显示其电压变化状态， 变得到了右上图示的 “ 削尾 ” 现象。另外， 也可以认为二极管有电流 /电压残留现象等等。 第二种理解方式： 如右图所示， 波形的形状与实际可见相同， 但与上一种理解方式不同的是， 此种情况可以理解为， 负载两端的电压提前下降到零， 维持在零水平一段时间后， 重新上升。 在这种情况下， 必须提到二极管单向导通性质的一个前提： 当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某一 数值 实验体会： 本次实验相比与其他实验， 更加接近于一种体验性的实验， 目的并不在于获得最终的实验数据结果， 而在于让我们更好地理解实际生产生活中常用的示波器； 通过操作示波器， 一方面我能够熟悉仪器的使用方法， 认识到书本理论和实际操作存在的差距， 一方面也体会了示波器中所表现的将一些不可见的动态量转化为另一种量直观8 / 45 地表现出来的方法。 另外， 本次实验中， 我也体会到了书本上的理论知识和实际应用的差异所在， 具体地说即是全波整形电流波形理论值和实际图样的差别。 通过实际的操作 和观察， 我能够从差异出发， 从一些错误出发， 通过比较以不同地角度更好的理解所学的知识， 这是单独阅读书本所不能做到的。 【实验题目】 【实验记录】 1仪器与用具 示波器的使用与声速测量 2观察一路信号：选择不同的波形，改变频率与振幅，用示波器观察波形并做相应测量。 1 3 双通道观察李萨如图形 (CH1： x轴信号 , CH2：y 轴信号 ) 4. 实验室温度： 实验室湿度：信号源频率 (f)： 声波接收探头始位置： 9 / 45 2 实验室条件下的声速： v?f? 【复习思考题】 1 用示波器稳定地显示一个周期信号，需要满足什么条件？如果两路信号周期不同，能否在示波器上同 时得到稳定的显示？ 2 输入接地有在示波器的使用中有什么作用？ 报告成绩： ? 指导教师签名： ? 日期： ? 3 示波器的调节与使用 【实验目的】 1了解示波器显示波形的原理，了解示波器各主要组成部分及它们之间的联系和配合； 2熟悉使用示波器的基本方法，学会用示波器测量波形的电压幅度和频率； 3观察李萨如图形。 【实验仪器】 1、双踪示波器 GOS-6021 型 1 台 2、函数信号发生器 YB1602 型 1 台 3、连接线 示波器专用 2 根 【实验原理】 10 / 45 示波器由示波管、扫描同步系统、 Y 轴和 X 轴放大系统和电源四部分组成， 1、示波管 如图所示，左端为一电子枪，电子枪加热后发出一束电子，电子经电场加速以高速打在右端的荧光屏上，屏上的荧光物发光形成一亮点。亮点在偏转板电压的作用下，位置也随之改变。在一定范围内，亮点的位移与偏转板上所加电压成正比。 示波管结构简图 示波管内的偏转板 2、扫描与同步的作用 如果在 X 轴偏转板加上波形为锯齿形的电压，在荧光屏上看到的是一条水平线，如图 图扫描的作用及其显示 如果在 Y 轴偏转板上加正弦电压，而 X 轴偏转板不加任何电压，则电子束的亮点在纵方向随时间作正弦式振荡，在横方向不动。我们看到的将是一条垂直的亮线，如图 如果在 Y 轴偏转板上加正弦电压，又在 X 轴偏转板上加锯齿形电压，则荧光屏上的亮点将同时进行方向互相垂直的两种位移，其合 成原理如图所示，描出了正弦图形。如11 / 45 果正弦波与锯齿波的周期相同，这个正弦图形将稳定地停在荧光屏上。但如果正弦波与锯齿波的周期稍有不同，则第二次所描出的曲线将和第一次的曲线位置稍微错开，在荧光屏上将看到不稳定的图形或不断地移动的图形，甚至很复杂的图形。由此可见： 要想看到 Y轴偏转板电压的图形，必须加上 X 轴偏转板电压把它展开，这个过程称为扫描。如果要显示的波形不畸变，扫描必须是线性的，即必须加锯齿波。 要使显示的波形稳定， Y 轴偏转板电压频率与 X轴偏转板电压频率的比值必须是整数， 即： fyfx ?n n=1,2,3, 示波器中的锯齿扫描电压的频率虽然可调，但要准确的满足上式，光靠人工调节还是不够的，待测电压的频率越高，越难满足上述条件。为此，在示波器内部加装了自动频率跟踪的装置，称为 “ 同步 ” 。在人工调节到接近满足式频率整数倍时的条件下，再加入 “ 同步 ” 的作用，扫描电压的周期就能准确地等于待测电压周期的整数倍，从而获得稳定的波形。 如果 Y 轴加正弦电压， X 轴也加正弦扫描电压，得出的图形将是李萨如图形，如表所示。李 萨如图形可以用来测量未知频率。令 fy、 fx 分别代表 Y 轴和 X 轴电压的频12 / 45 率， nx 代表 X 方向的切线和图形相切的切点数， ny 代表 Y方向的切线和图形相切的切点数，则有 fyfx ? nxny 李萨如图形举例表 如果已知 fx，则由李萨如图形可求出 fy。 【实验内容】 1示波器的调整 不接外信号，进入非 X-Y 方式 调整扫描信号的位置和清晰度 设置示波器工作方式 2正弦波形的显示 熟读示波器的使用说明，掌握示波器的性能及使用方法。 把信号发生器输出接到示波器的 Y轴输入上，接通电源开关，把示波器和信号发生器的各旋钮调到正常使用位置，使在荧光屏上显示便于观测的稳定波形。 3示波器的定标和波形电压、周期的测量 把 Y轴偏转因数和扫描时间偏转因数旋钮都放在“ 校准 ” 位置。 把校准信号输出端接到 Y 轴输入插座 13 / 45 把信号发生器的正弦电压接到 Y轴输入端，用示波器测量正弦电压的 幅值和周期，并和信号发生器上显示的频率值比较。 选择不同幅值和频率的 5 种正弦波，重复步骤，记下测量结果。 4李萨如图形的观测 (1) 把信号发生器后面 50Hz输出信号接到 X 通道，而 Y 通道接入可调的 正弦信号 (2) 分别调节两个通道让他们能够正常显示波形 (3) 切换到 X-Y 模式，调整两个通道的偏转因子，使图形正常显示 (4) 调节 Y 信号的频率，观测不同频率比例下的李萨如图 【数据记录】 1、频率测量 示波器频率计数 器的测频精度 % 示波器测频仪器误差 3% 示波器测量电压仪器误差 3% 示波器测量频率 f ?f?f?Ef?3%?2KHz f?或 f?57?2KHz 函数信号发生器测频 14 / 45 0?.01?51%?f= KH ?f?f?Eff?或 f? 0.? 或 示波器测量电压 V1 ?V1?V1?EV?3%?或 V1?或 V1? 函数信号发生器测量电压 V2 ?V2?V2?EV?1 字 ?15%?或 V2?或 V2? 注意：一般可写为后面的形式更加科学，因为原始数据的有效数字只有 2 位，不可能经处理后提高精度变成3 个有效数字。 示波器的使用 一 仪器的原理及结构 1示波器 示波器是一种用途广泛的电子测量仪器。利用它可以测出电信号的一系列 参数，如信号电压的幅度、周期、相位等，数字示波器还可以测量信号的频谱特性。实验室拥有的主要是模拟示波器，数字示波器虽有自动测试功能，给操作带来方便，但显示的波形是量化的不够细腻，观察波形没有模拟示波器清晰，特别是观察含有干扰信号的波形时有一定的困难。模拟示波器的组成包括示波管、水平 /垂直部分、触发部分及电源等组成。 电子示波管 15 / 45 如图 1 所示，主要由电子枪、偏转系统、荧光屏三部分组成。电子枪包括灯丝、阴极、栅极和阳极。偏转系统包括 Y 轴偏转板和 X轴偏转板两部分，偏转板上电压形成的电场力将电子枪 图 1 示波管结构图 发射出来的电子束，按照偏转板上电压的大小作出相应的偏移。荧光屏是位于示波管顶端涂有荧光物质的透明玻璃屏，当电子枪发射出来的电子束轰击到屏时，荧光屏被击中的点上会发光，显示出曲线或波形。 水平 /垂直部分 示波器的水平部分产生扫描电压，使电子在水平方向上偏转，形成时间轴；垂直部分处理被测信号，在荧光屏上还原出被测信号的电压波形。 示波器的使用 寻 找扫描光迹，将示波器 Y 轴显示方式置“Y1” 或 “Y2” ，输入耦合方式置 “GND” ，开机预热后，若在显示屏上不出现光点和扫描基线，可按下列操作去找到扫描线：适当调节亮度旋钮；触发方式开关置 “ 自动 ” ）、水平与 “Y 轴灵敏度 ” 旋钮指示值的乘积，即可算得信号幅值的实测值。 根据被测信号波形一个周期在屏幕水平方向所16 / 45 占的格数与 “ 扫速 ” 旋钮指示值的乘积，即可算得信号频率的实测值。 2. 函数信号发生器 函数信号发生器按需要输出正弦波、方波、三角波三种信号波形，输出电压最大可达 20VP P。 ） “ 位移 ” 旋钮，使扫描光迹位 通过输出衰减开关和输出幅度调节旋钮，可使输出电压在毫伏级到伏特级范围内连续调节。函数信号发生器的输出信号频率可以通过频率分档开关进行调节。 注意：函数信号发生器作为信号源，它的输出端不允许短路。 二 实验内容及步骤 1用校正信号对示波器进行自检 ，触发方式开关置于 “ 自动 ” 。开启电源开关后，调节 “ 辉度 ” 、 “ 聚焦 ” 、 “ 辅助聚焦 ” 等旋钮，使荧光屏上显示一条细而且亮度适中的扫描基线。然后调节 “X 轴位移 ” 测试 “ 校正信号 ” 波形的幅度、 频率 将示波器的 “ 校正信号 ” 通过探头引入选定的 Y通道，将 Y轴输入耦合方式开关置于 “AC( 交流 )” 或 “DC( 直流 )” ，触发源选择开关置 “ 内 ” ，内触发源选择开关置“CH1” 或 “CH2” 。调节 X轴 “ 扫描速率 ” 旋钮和 Y 轴 “ 输入灵敏度 ” 旋钮，使示波器显示屏上显示出一个或数个周期稳定的方波波形。 a. 校准 “ 校正信号 ” 幅度 将 “y 轴灵敏度微调 ” 旋钮置 “ 校准 ” 位置， “y17 / 45 轴灵敏度 ” 旋钮置适当位置，读取校正信号幅度，记入表 1。 表 1 校准信号测量数据 b. 校准 “ 校正信号 ” 频率 ）和 “Y 轴位移 ” )旋钮，使扫描线位于屏 将 “ 扫速微调 ” 旋钮置 “ 校准 ” 位置， “ 扫速 ” 旋钮置适当位置，读取校正信号周期，记入表 1。 2用示波器测量信号电压和周期 调节信号发生器有关旋钮，使输出频率分别为1KHz、 10KHz，有效值均为 1V 的正弦波信号。改变示波器“t/div” 及 “V/div” 等旋钮， ?测量信号源输出电压峰峰值及信号周期，记入表 2。 3. 用利萨如图形法测量信号频率 调节 a 信号发生器的频率为 1KHz、电压为 1V 的正弦波输入示波器的 Y2 作为标准信号；调节 b 信号发生器的电压为 1V的正弦波输入示波器的 Y1为待测信号。调节示波器的时基旋钮顺时针调到底，即 X-Y位置，适当调节垂直/水平位移旋钮和 Y1、 Y2灵敏度旋钮，屏幕上得到一合成图形，适当调节标准信号源的频率，使屏幕上得到稳定的利萨如图形。若合成图形为园或椭圆，则被测信号的频率与标准信号的频率相同。 18 / 45 表 2 测量信号参数 若合成图形为其它利萨如图形，根据合成图形的形状计算出待 测信号频率： fy=fx*Nx/Ny 式中， Nx为水平线与利萨如图形的交点数， Ny 为垂直线与利萨如图形的交点数， fx 为标准信号的频率。 三 实验报告要求 1. 认真记录数据，并绘出有关波形； 2. 根据测量数据和波形，分析测试结果，总结相关内容； 3简述用示波器观察波形时，怎样操作才能最快？哪些是关键步骤。 VD4322B示波器面板结构及操作 (一 )屏幕部分 厘米 刻度：每一方格即 1 平方厘米，又称 DIV，在进行电压、周期读数时，需要根据厘米刻度进行读数。 聚焦旋钮：调节波形的清晰度，当辉度调到适当的亮度后，调节聚焦旋钮控制扫描线最佳。 辉度旋钮：调节波形亮度，顺时针方向旋转，亮度增加；反之，亮度减小。 (二 )垂直部分 Y1输入：被测信号输入端。被测信号从 Y1输入，处理后加到垂直偏转板，控制电子枪发射 19 / 45 的电子在垂直方向偏转。 Y2 输入：同 Y1 通道。但当示波器工作于 X-Y 方式时，输入到此端的信号变为 X轴信号，处 理后加到水平偏转板，控制电子在水平方向上偏转。 输入耦合开关：此开关用于选择输入信号送至放大电路的耦合方式。 垂直偏转因数选择开关：用于选择垂直偏转因数使显示的波形置于易于观察的幅度范围，并用于测量被测信号电压的大小。 Y1 位移旋钮：此旋钮用于 Y1 信号在垂直方向的位移。 Y2位移旋钮：功能同 Y1位移。 工作方式选择开关： Y1只有加到 Y1 通道的信号能显示； Y2只有加到 Y2 通道的信号能显示；交替 加到 Y1、 Y2通道的信号能交替显示在荧光屏上， 适用观察高频信号；断续加到 Y1、 Y2 通道的信号同时显示在荧光屏上，适用观察低频信号。 水平部分 扫描速度 TIME/DIV 选择开关：范围从 s/DIV到 /DIV，按 1-2-5 进制共分 19 档和 X-Y 方式。用于测量被测信号的周期。 20 / 45 水平位移：此旋钮用于扫描线在水平方向的移动。 扫描微调控制：连续改变水平偏转因数，顺时针到底为校准位置。 触发部分 触发方式： 自动、常态、 TV-V、 TV-H，常用自动和常态，自动：无论什么状态，电平是否合适，总有波形显示，当电平合适时才有稳定波形显示；常态：若电平不合适，屏幕没有波形显示，只有当电平合适时才有波形显示，且是稳定的波形。 触发源：内、电源、外，常用内触发方式。 内触发选择： Y1、 Y2、组合，根据被测信号接入情况选择，若被测信号接入 Y1 输入端，应选择 Y1，若观测双路信号，需要选择组合方式。 电平：无论在哪种触发方式下，都需要调节电平旋钮，获得合适的触发电平，使显示的 波形稳定。 EM1643 信号发生器的操作： 电源开关 (POWER)，按入开。 功能开关 (FUNCTION):波形选择： 正弦波 方波和脉冲波 三角波和锯齿波 频率微调 FREQVAR:频率复盖范围 10倍。 分档开21 / 45 关 (RANGE-HZ):10HZ-2MHZ(分六档选择 )。 衰减器 (ATT)：开关按入时衰减低 30db。 幅度 (AMPLITUDE)；幅度可调。 直流偏移调节 (DC OFF SET)： 当开关拉出时 :直流电平为 -10+10V 连续可调，当开关按入时 :直流电平为零。 占空比调节 (PAMP/PULSE)： 当开关按如时 :占空比为本 50%50%； 当开关拉出时 :占空比为 10%90%内连续可调； 频率为指示值 10 。 输出 (OUTPUT)：波形输出端。 TTL OUT： TTL 电平输出端。 VCF：控制电压输入端。 IN PUT：外测频率输入端。 OUT SIDE：测频方式 (内 /外 )。 SPSS：单次脉冲开关。 OUT SPSS：单次脉冲输出。 示波器在中学物 理实验中的应用 阿依提拉 0810130981 实验目的 1.熟悉学生示波器的使用。 2.掌握用示波器研究电感、电容对交流电路的影响。 3.掌握用示波器研究整流滤波电路。 4.学习使用电子开关。 实验原理 示波器是利用示波器管内电子束在电场或磁场中的偏转，显示随时间变化的电信号的一种观测仪器，除用22 / 45 来观察波形外，可以用来定量测量各种电学量，如电压、周期、频率等。 从示波器面板上可以直接读出测量波形所占的格数，因此只要知道格数所代表的电压大小及时间，即可得出实际的电压大小。可总结为 “ 距离测量法 ” 。 在使用示波器测电压前，要把面板上各旋钮及开关放置在不同位置。其中辉度、 X 增益和 Y 增益旋钮应逆时针转到最小位置。衰减置于 1000，扫描范围旋钮置于 “ 外X” ， X输入、 Y输入均不接。电源开关处于 “ 关 ” 。然后将电源开关扳向 “ 开 ” ，接通电源，指示灯亮。过 1 2 分钟预热后，顺时针方向旋转辉度旋钮，使荧光屏上出现一个亮度适中的光点。再缓慢地分别调节 X、 Y 方向位移，聚 焦和辅助聚焦等旋钮，使光点位于荧光屏的正中央，有足够的清晰度。这样示波器就调整好了。 利用示波器内部提供的交流信号，峰峰值为250mV、频率为 50Hz，调节 X 增益、 Y 增益，获得合适的波形，得到 X、 Y方向每单元格所代表的大小。 测量交流信号时，接入所要观测的交流信号，保持 “Y” 增益倍数不变，利用屏幕前的刻度标尺分别读出所要测量两点对应的垂直距离，则所测电位差： U=格子数 *单位格子的幅度值 实验步骤 一、调整和校准学生示波器。 23 / 45 二、直流电压测量 将示波器调试到工作状态，再将 “DC AC”Y 轴输入耦合选择开关，置于 “DC”, 使输入端处于直流耦合状态。将被测电路按以下图 1连接，当调节到使示波器输入端获得最大电压时，荧光屏上亮线的位置为所测干电池的电压数值，并测出所用干电池的电压。 三、交流电压的测量 示波器可以测量交流电压的峰值或波形任何两点间的电位差。 1. 将 Y轴输入耦合选择开关置于 “AC”, 选择合适的衰减挡，并将被测信号 直接输入仪器 Y 轴输入端，调节 “ 扫描微调 ” 使波形稳定。 2. 根据屏幕的坐标刻度，读出显示信号波形的峰值电压和信号的有效值。 四、时间测量 通过校准示波器，可以知道 X轴方向的扫描时间，输入正弦波，读出正弦波的周期，进而计算出正弦波的频率。 五、研究整流滤波电路 六、用电子开关和示波器演示电感对交流电位相的影响 七、用电子开关和示波器演示电容对交流电相位的影响 24 / 45 实验结 果及分析 一、直流电压的测量 测到本实验中所用的干电池的电压为。 二、交流电压的测量 1. 通过实验步骤得到的正弦波信号如图 2所示。 2. 所测得的显示信号波形的峰值电压值为Upp=,U 有效 =Upp 2= 三、时间测量 通过校准示波器，输入正弦波，读出正弦波的频率为。 四、研究整流滤波电路 1.交流信号经过整流后的波形为如下图 3 所 示。 2.整流后的波形经过一个电容滤波后的波形为如下图 4 所示。 3.整流后的波形经过二个电容滤波后的波形如下图 5所示。 4.观察到 RL 上的波形为如下图 6 所示，其交流成分与直流成分的比值为 1:5。 五、用电子开关和示波器演示电感对交流电位相的影响 加电阻时，得到的电流与电压的位相关系如下图25 / 45 6 所示，发现此时电流与电压同相。 加电感时，得到的电流与电压的位相关系如下图7 所示，发现此时电流比电压超前的位相。 六、用电子开关和示波器演示电容对交流电相位的影响 加电容时，得到的电流与电压的位相关系如下图8 所示，发现此时电压比电流超前相。 参考文献 中学物理实验技能训练 李春密 李兰修 孙佩雄 王庆媛 编 ?2?2的位 示波器的使用 【实验简介】 示波器是用来显示被观测信号的波形的电子测量仪器，与其他测量仪器相比，示波器具有以下优点：能够显示出被测信号的波形；对被测系统的影响小；具有 较高的灵敏度；动态范围大，过载能力强；容易组成综合测试仪器，从而扩大使用范围；可以描绘出任何两个周期量的函数关系曲线。从而把原来非常抽象的、看不见的电变化过程转换成在屏幕上看得见的真实图像。在电子测量与测试仪器中，示波器的使用范围非常广泛，它可以表征的所有参数，如电压、电流、时间、频率和相位差等。若配以适当的传感器，还可以对温度、压力、密度、距离、声、光、冲击等非电量进行26 / 45 测量。正确使用示波器是进行电子测量的前提。 第一台示波器由一只示波管，一个电源和一个简单的扫描电路组成。发展到今天已经由 通用示波器到取样示波器、记忆示波器、数字示波器、逻辑示波器、智能化示波器等近十大系列，示波器广泛应用在工业、科研、国防等很多领域中。 Karl Ferdinand Braun 生平简介 1909 年的诺贝尔物理奖得主 Karl Ferdinand Braun于 1897 年发明世界上第一 台阴极射线管示波器，至今许多德国人仍称 CRT为布朗管 (Braun Tube)。 【实验目的】 图 8-1 Karl Ferdinand Braun 1、 了解示波器的结构和工作原理，熟悉示波器和信号发生器的基本使用方法。 2、 学习用示波器观察电信号的波形和测量电压、周期及频率值。 3、 通过观察李沙如图形，学会一种测量正弦波信号频率的方法。 【实验仪器】 VD4322B 型双踪示波器、 EM1643型信号发生器、连接线及小喇叭等 27 / 45 10 5 9 6 图 8-2 VD4322 型双踪示波器板面图 1、电源开关 2、电源指示灯 3、聚焦旋钮 4、亮度调节旋钮 5、 Y1(X)信号输入口 6、 Y2 信号输入口 7、 8、入耦合开关 9、 10、垂直偏转因数选择开关 11、 Y1位移旋钮12、 Y2 位移旋钮 13、工作方式选择开关 14、扫描速度选择开关 15、扫描微调控制旋钮 16、水平位移旋钮 17、电平调节旋钮 【实验原理】 一、示波器的结构及简单工作原理 示波器一般由 5个部分组成，如图 8-3 所示： 示波管； (2)信号放大器和衰减器扫描发生器；触发同步电路；电源。下面分别加以简单说明。 1、 示波管 28 / 45 示波管主要包括电子枪、偏转系统和荧光屏三部分，全都密封在玻璃外壳内，里面抽成高真空。如图 8-4 所示，下面分别说明各部分的作用。 荧光屏：它是示 波器的显示部分，当加速聚焦后的电子打到荧光上时，屏上所涂的荧光物质就会发光，从而显示出电子束的位置。当电子停止作用后，荧光剂的发光需经一定时间才会停止，称为余辉效 应。 电子枪：由灯丝 H、阴极 K、控制栅极 G、第一阳极 A1、第二阳极 A2 五部分组成。灯丝通电后加热阴极。阴极是一个表面涂有氧化物的金属筒，被加热后发射电子。控制栅极是一个顶端有小孔的圆筒，套在阴极外面。它的电位比阴极低，对阴极发射出来的电子起控制作用，只有初速度较大的电子才能穿过栅极顶端的小孔然后在阳极加速下奔向荧光屏。示波器面板上的 “ 亮度 ” 调整就是通过调节电位以控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变了屏上的光斑亮度。阳极电位比阴极电位高很多，电子被它们之间的电场加速形成射线。当控制栅极、第一 阳极、第二阳极之间的电位调节合适时，电子枪内的电场对电子射线有聚焦作用，所以第一阳极也称聚焦阳极。第二阳极电位更高，又称加速阳极。面板上的 “ 聚焦 ” 调节，就是调第一阳极电位，使荧光屏上的光斑成为明亮、清晰的小圆点。有的示波器还有 “ 辅助聚29 / 45 焦 ” ，实际是调节第二阳极电位。 偏转系统：它由两对相互垂直的偏转板组成，一对垂直偏转板 Y，一对水平偏转板 X。在偏转板上加以适当电压，电子束通过时，其运动方向发生偏转，从而使电子束在荧光屏上的光斑位置也发生改变。容易证明，光点在荧光屏上偏移的距离与偏转板上所加的 电 压成正比，因而可将电压的测量转化为屏上光点偏移距离的测量，这就是示波器测量电压的原理。 2、信号放大器和衰减器 示波管本身相当于一个多量程电压表，这一作用是靠信号放大器和衰减器实现的。由于示波管本身的 X 及 Y轴偏转板的灵敏度不高，当加在偏转板的信号过小时，要预先将小的信号电压加以放大后再加到偏转板上。为此设置 X轴及 Y轴电压放大器。衰减器的作用是使过大的输入信号电压变小以适应放大器的要求 ，否则放大器不能正常工作，使输入信号发生畸变，甚至使仪器受损。对一般示波器来说，X 轴和 Y轴都设置有衰减器，以满足各种测量的需要。 3、扫描系统 30 / 45 扫描系统也称时基电路，用来产生一个随时间作线性变化的扫描电压，这种扫描电压随时间变化的关系如同锯齿，故称锯齿波电压，如图 8-5 所示，这个电压经 X轴放大器放大后加到示波管的水平偏转板上，使电子束产生水平扫描。这样，屏上的水平坐标变成时间坐标， Y 轴输入的被测信号波形就可以在时间轴上展开。扫描系统是示波器显示被测电压波形必需的重要组成部 分。 一、 示波器显示波形的原理 如果只在竖直偏转板上加一交变的正弦电压，则电子束的亮点将随电压的变化在竖直方向来回运动，如果电压频率较高，则看到的是一条竖直亮线，如图 8-6 所示。要能显示波形，必须同时在水平偏转板上加一扫描电压，使电子束的亮点沿水平方向拉开。这种扫描电压的特点是电压随时间成线性关系增加到最大值，最后突然回到最小，此后再重复地变化。这种扫描电压即前面所说的 “ 锯齿波电压 ” ，如图 8-5 所示。当只有锯齿波电压加在水平偏转板上时，如果频率足够高，则荧光屏上只显示一 条水平亮线。 如果在竖直偏转板上加正弦电压，同时在水平偏转板上加锯齿波电压，电子受竖直、水平两个方向的力的 作用，电子的运动就是两相互垂直的运动的合成。当锯齿波电压比正弦电压变化周期稍大时，在荧光屏上将能显示出完整周期的所加正弦电压的波形图。 31 / 45 三、触发同步的概念 如果正弦波和锯齿波电压的周期稍微不同，屏上出现的是一移动着的不稳定图形。这种情形可用图 8-7说明。设锯齿波电压的周期 Tx比正 弦波电压周期 Ty稍小，比方说Tx/Ty=7/8。在第一扫描周期内，屏上显示正弦信号 0 4点之间的曲线段；在第二周期内，显示 4 8点之间的曲线段，起点在 4 处；第三周期内，显示 8 11点之间的曲线段，起点在 8处。这样，屏上显示的波形每次都不重叠，好 象波形在向右移动。同理，如果 Tx比 Ty稍大，则好象在向左移动。以上描述的情况在示波器使用过程中经常会出现。其原因是扫描电压的周期与被测信号的周期不相等或不成整数倍，以致每次扫描开始时波形曲线上的起点均不一样所造成的。为了使屏上的图形稳定，必须使 Tx/Ty=n，n 是屏上显示完整波形的个数。 为了获得一定数量的波形，示波器上设有 “ 扫描时间 ” 、 “ 扫描微调 ” 旋钮，用来调节锯齿波电压的周期 Tx，使之与被测信号的周期 Ty 成合适的关系，从而在示波器屏上得到所需数目的完整的被测波形。输入 Y轴的被测信号与示波器内部的锯齿波电压是互相独立的。由于环境或其它因32 / 45 素的影响，它们的周期可能发生微小的改变。这时，虽然可通过调节扫描旋钮将周期调到整数倍的关系，但过一会儿又变了，波形又移动起来。在观察高频信号时这种问题尤为突出。为此示波器内装有扫描同步装置，让锯齿波 电压的扫描起点自动跟着被测信号改变，这就称为整步。有的示波器中，需要让扫描电压与外部某一信号同步，因此设有 “ 触发选择 ” 键，可选择外触发工作状态，相应设有 “ 外触发 ” 信号输入端。 四、 示波器的应用 1、示波器观察电信号波形。 将待观察信号从 Y1或 Y2端接入加到 Y 偏转板，X 偏转板加上扫描电压信号，调节辉度旋钮、聚集旋钮、 x、y 位移旋钮 ,调节电压偏转因数旋钮和扫描时间旋钮，再调节同步触发电平旋钮，即看到待观察信号波形。 2、测量电压 利用示波 器可以方便测出电压值，实际上示波器所做的任何测量都归结为电压的测量。其原理基于被测量的电压使电子束产生与之成正比的偏转。 计算公式为 U(t)?yky 式中， y 为电子束沿 y 轴方向的偏转量，用格数表示； ky为示波器 y 轴的电压偏转因数即。 3、测量频率 周期换算法 33 / 45 周期换算法所依据的原理是频率与周期成倒数关系： f? 1 (8-2） T 信 号的周期可以用扫描速度值乘以被测信号波形的又一个周期在荧光屏上的水平偏转距离而求得 T?t?x，故信号的频率便可以算出。 李萨如图形法 设将未知频率 fy 的电压 Uy 和已知频率 fx 的电压 Ux，分别送到示波器的 Y 轴和 X 轴，则由于两个电压的频率、振幅和相位的不同，在荧光屏上将显示各种不同波形，一般得不到稳定的图形，但当两电压的频率成简单整数比时，将出现稳定的封闭曲线，称为李萨如图形。根据这个图形可以确定两电压的频率比，从而确定待测频率的大小。 图 8列出各种不同的频率比在不同相位差时 的李萨如图形，不难 得出： 所以未知频率 fy? Nx fx Ny 34 / 45 图 8-8 李莎如图 加在 Y 轴电压的频率 fy 加在 X 轴电压的频率 fx ? 水平直线与图形相交的点数 Nx 垂直直线与图形相交的点数 Ny 【实验内容及要求】 1、示波器：辉度、聚焦、水平和竖直位移通道选择、触发、电平、幅度因 子、扫描因子； 2、信号源：频率、信号幅度、波形选择。 3、连接信号源与示波器：信号源输出正弦波信号、调节示波器，出现稳定的正弦波，根据波形和幅度因子算出电压有效值，波形和扫描因子算出信号频率。 4、将示波器置非扫描档，外接两个信号源合成利萨如图。 【实验数据记录与处理】 测定正弦波电压和频率的表格 f理论 ? 【思考题】 1. 示波器为什么能显示被测信号的波形？ 2. 荧光屏上无 光点出现，有几种可能的原因？35 / 45 怎样调节才能使光点出现？ 3. 荧光屏上波形移动，可能是什么原因引起的 【附 EM1643 型函数发生器介绍】 11 7 电源开关 (POWER) 功能开关 (FUNCTION)：波形选择 正弦波 方波和脉冲波 三角波和锯齿波 频率微调 旋钮 FREQVAR：频率复盖范围 10倍。 分档开关 (RANGE-HZ) ：衰减器按钮 (ATT)：开关按入时衰减低30Db。 电压幅度调节旋钮 (AMPLITUDE)；幅度可调。 直流偏移调节 (DC OFF SET)： 当开关拉出时 :直流电平为 -10+10V 连续可调，当开关按入时 :直流电平为零。 占空比调节 (PAMP/PULSE)： 36 / 45 当开关按如时 :占空比为本 50%50%； 当开关拉出时 :占空比为 10%90%内连续可调； 频率为指示值 10 。 信号输出 (OUTPUT)：波形输出端。 TTL OUT： TTL电平输出端。 VCF：控制电压输入端。 IN PUT：外测频率输入端。 OUT SIDE：测频方式 (内 /外 )。 SPSS：单次脉冲开关。 OUT SPSS：单次脉冲输出。 深 圳 大 学 实 验 报 告 课程名称：大学物理实验 实验名称： 实验 21示波器的使用 学院： 专业：组号：指导教师： 报告人： 学号： 实验地点 科 技 楼 901 实验时间：年 月 日 星期 实验报告提交时间： 1 2 3 37 / 45 4 5 6 7 8 示波器的调节与使用 引言 示波器是一种图形显示设备，它描绘电信号的波形曲线。这一简单的波形能 够说明信号的许多特性：信号的时间和电压值、振荡信号的频率、信号所代表电 路中 “ 变化部分 ” 信号的特定部分相对于其它部分的发生频率、 是否存在故障部件 使信号产生失真、信号的 DC 成份和 AC 成份、信号的噪声值和噪声随时间变化 的情况、比较多个波形信号等。 示波器的发展初期主要为模拟示波器， 模拟示波器要提高带宽， 需要示波管、 垂直放大和水平扫描全面推进。数字示波器要改善带宽只需要提高 前端的 A/D 转换38 / 45 器的性能，对示波管和扫描电路没有特殊要求。加上数字示波管能充分利用 记忆、存储和处理，以及多种触发和预前触发能力。 中期数字示波器首先在取样率上提高，从最初取样率等于两倍带宽，提高至五倍甚至十倍，相应对正弦波取样引入的失真也从 100%降低至 3%甚至 1%。其次，提高数字示波器的更新率，达到模拟示波器相同水平，最高可达每秒 40 万 个波形，使观察偶发信号和捕捉毛刺脉冲的能力大为增强。再次，采用多处理器 加快信号处理能力，从多重菜单的烦琐测量参数调节，改进为简单的旋钮调节 ， 甚至完全自动测量，使用上与模拟示波器同样方便。最后，数字示波器与模拟示 波器一样具有屏幕的余辉方式显示， 赋于波形的三维状态， 即显示出信号的幅值、 时间以及幅值在时间上的分布。 【实验原理】 示波器由示波管、扫描同步系统、 Y 轴和 X 轴放大系统和电源四部分组成， 1、 示波管 如图所示，左端为一电子枪，电子枪加热后发出一束电子，电子经电场加速以高速打在右端的荧光屏上，屏上的荧光物发光形成一亮点。亮点在偏转板电压的作用下 ，39 / 45 位置也随之改变。在一定范围内，亮点的位移与偏转板上所加电压成正比。 示波管结构简图 示波管内的偏转板 2、 扫描与同步的作用 如果在 X 轴偏转板加上波形为锯齿形的电压，在荧光屏上看到的是一条水平线，如图 图扫描的作用及其显示 如果在 Y 轴偏转板上加正弦电压，而 X 轴偏转板不加任何电压，则电子束的亮点在纵方向随时间作正弦式振荡，在横方向不动。我们看到的将是一条垂直的亮线，如图 如果在 Y 轴偏转板上 加正弦电压，又在 X 轴偏转板上加锯齿形电压，则荧光屏上的亮点将同时进行方向互相垂直的两种位移，其合成原理如图所示，描出了正弦图形。如果正弦波与锯齿波的周期相同，这个正弦图形将稳定地停在荧光屏上。但如果正弦波与锯齿波的周期稍有不同，则第二次所描出的曲线将和第一次的曲线位置稍微错开，在荧光屏上将看到不稳定的图形或不断地移动的图形，甚至很复杂的图形。由此可见： 要想看到 Y轴偏转板电压的图形，必须加上 X 轴偏转板电压把它展开，这个过程称为扫描。如果要显示的波40 / 45 形不畸变，扫描必须是线性的，即必须加锯齿波。 要使显示的波形稳定， Y 轴偏转板电压频率与 X轴偏转板电压频率的比值必须是整数，即： fyfx ?n n=1,2,3, 示波器中的锯齿扫描电压的频率虽然可调，但要准确的满足上式，光靠人工调节还是不够的，待测电压的频率越高，越难满足上述条件。为此，在示波器内部加装了自动频率跟踪的装置，称为 “ 同步 ” 。在人工调节到接近满足式频率整数倍时的条件下，再加入 “ 同步 ” 的作用，扫描电压的周期就能准确地等于待测电压周期的整数倍，从而 获得稳定的波形。 如果 Y 轴