示波器的原理与使用实验报告

1、精心整理大学物理实验报告实验名称 示波器的原理与使用实验目的与要求:(1) 了解示波器的工作原理(2) 学习使用示波器观察各种信号波形(3) 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：I .z I1. 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，

2、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、丫两对偏转板组成，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11J I 丨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

3、，如左图所示：如果在丫偏转板和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：精心整理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1U p_p =a h， f =

4、(b l)其中a为垂直偏转因数(电压偏转因数)(从示波器面板的衰减器开关上可以直接读出)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或卩s/div ； l为输入信号的单个周期宽度， 单位div。(1) 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。I(2) 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。(3) 调节“垂直位移”与“水平位

5、移”旋钮，利用荧光屏上的刻度读取I、h值，并记录。2. 用示波器直接观察半波和全波整流波形(1) 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CH或CH端。(2) 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、丫偏转板上，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轴和丫轴的最大交点数nx与ny之比正好等于Y、X端的输入电压频率之比， 即示波器和函数信号发生

6、器的操作原理略精心整理数据记录与处理/结果与分析：1.正弦信号电压和频率的测量:示波器计算结果Yi偏转因数a/(V/div)h/(div)X偏转因数b/(ms/div)l/(div)Up-p/VT/msf/Hz512.513162.53132.26实际电压(最大值)/V31.25信号频率/Hz32.262.正弦信号、半波整流信号、全波整流信号的图形 1 hfL.-;九/八 1b-L_ -完整的正弦信号波形半波整流图形 ,全波整流图形J V i3.李萨如图形测量正弦信号的频率nx：n y1:11:22: 33:22:1图形形状)厂i !厂-fx/Hz160.5160.4160.5160.4160

7、.1f y/Hz160.580.2107.0240.6320.2讨论、建议与质疑:(1) 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 (即水平方向的输入电压)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，在荧光屏上形成李萨如图形。(2) 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+n - n之间 时，

8、即可形成椭圆图形。精心整理(3) 圆可以认为是一种特殊条件下形成的椭圆图形。(4) 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n/2时，李萨如图 形为圆形。(5) 实验中丫轴信号为已知正弦信号，X轴为未知信号，经过实验，发现(6) 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；(7) 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。(8) 试解释全波整流图形存在水平片段的原因。(9) 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：(10) 第一种理解方式：(11)上图，左图为理论上的全波

9、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。(12 )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”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，I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。(13)(14)(15) 第二种理解方式：(16)精心整理(16) 如 右图所示，波形的

10、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。(17) 在这种情况下，必须提到二极管单向导通性质的一个前提：(18) 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(这一数值称为“门槛电压”，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V)以后，二极管才能直正导通。(19) 由此可以解释实验中观察到的现象：(20) 当第一个半周期内末端，电压下降到门槛电压以下时，二极管实际已不能导通，而另两个反向的二极管此时也尚未导通，此时负载两端的电压为零，在示波器上

11、表现为X轴上的直线；(21) 当电压进入第二个半周期时，电压由零开始重新上升，但尚未达到门槛电压时，二极管仍然 处在不导通状态，此时负载两端的电压仍为零；直到电压上升到门槛电压以上，二极管才被 导通，此时负载两端才有电压，并且随外源信号呈正弦规律上升。(22) 综合以上两个短暂过程来看，可以发现负载两端电压有一段持续为零的“真空期”，表现为 波形即为示波器上观察到的短直线片段。(24)f I j I(23) 实验体会：(24) 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