示波器实验指导书

上海电力学院物理实验指导书所属课程： 大学物理实验实验名称： 示波器的使用及—音叉固有频率的测定面向专业： 全院理工科实验室名称：物理实验室2006年2月一、实验目的：1学会示波器的使用方法及各种用途。•学会使用示波器观测电压波形。•学会用示波器观察李萨如图形•通过观察李萨如图形，学会一种测量机械振动频率的方法，并加深对于相互垂直两振动的合成理论的理解。二、实验仪器、设备：名称型号、规格备注通用示波器XJ4210A频率仪XJ1631耳机线圈音叉和小锤三、原理摘要:（一）示波器的构造原理：示波器包括两大部分：示波管与控制示波管工作的电路。1•示波器是呈喇叭型的玻璃泡，抽成真空，内部装有电子枪，（由灯丝，阴极，栅极以及一组阳极所组成）和两对相互垂直的偏转板（Y偏转板和X偏转板），喇叭口的球面臂上涂有荧光物质,构成荧光屏。电舌谊一*—輔电舌谊一*—輔IS—j聚焦和辉度调节:灯丝通电后炽热，使阴极发热而发射电子。由于阳极电位高于阴极，所以电子被阳极加速。当电子撞击到荧光屏上便会使荧光物质发光，在屏上就能看到一亮点。改变阳极电位，可以使不同发射方向的电子恰好会聚在荧光屏某一点上,这种调节称为聚焦。栅板电位较阴极为低，改变栅板电位的高低，可以控制到达荧光屏电子的多少，甚至完全不使电子通过，这称为辉度调节，实际上就是调节荧光屏上亮点的亮暗。Y偏转板是水平放置的两块电极。当Y偏转板上的电压为零时，电子应正好射到荧光屏的中点P。如果Y偏转板加上电压，则电子未受到电场作用，运动方向发生偏移。如果所加的电压不断变化，则P点的位置也跟着在铅垂线上移动,在屏上看到的是一条铅直的亮线。荧光屏上亮点在铅直方向位移Y和加在Y偏转板上的电压V成正比。X偏转板是垂直放置的两块电极。在X偏转板加上一个变化的电压，那么，荧光屏上亮点在水平方向的位移X也与加在X偏转板上电压V成正比，于是在屏上看到的是一条水X平的亮线。（二）示波器显示波形的原理：1•在Y偏转板上加上一个随时间作正弦变化的电压，V=Vsinst,同时在X偏转板上YYM加上一个与时间成正比的锯齿型电压V,则在荧光屏上显示的讯号电压V和时间t的正弦N Y2•如果正弦波电压与锯齿型电压的周期相同，正弦波到I点时，锯齿波也正好到I点，Y X从而亮点描完整个正弦曲线。由于锯齿波马上复原，所以亮点又回到A点，开始周期的在同一位置描出同一根曲线。这时看到这根曲线稳定的停在荧光屏上；如果正弦电压与锯齿电压的周期稍有不同，则第二次描出的曲线将和第一次的曲线位置稍不重合，在荧光屏上看到的图形是不稳定的或者图形较复杂。如果扫描电压的周期T是正弦电压周期T的两倍，在荧X Y光屏上便显示出两完整的正弦波。同理当T=3T时，屏上显示出3个完整的波形，则示波器XY显示出n个完整而稳定的波形的条件是T=nT（n=1,2,3 ）式中n为荧光屏上所显示出完整波形的数目；如果f为加在Y偏转板上的电压的频率（f=l/T）,f为扫描电压的频率TOC\o"1-5"\h\zY Y Y X（f=l/T）,则f二nf（n=l,2,3 ）。XX YX（三）李萨如图形1•如果在X,Y偏转板上同时加上正弦电压，则亮点同时参与两个相互垂直方向的谐振动，亮点的运动轨迹是两相互垂直的谐振动的合成结果。当两相互垂直的谐振动的频率之比为整数比时，合成运动的轨迹是一个封闭的图形称之为李萨如图形。2.N为平行于X轴的直线与图形的切点数，N为平行于Y轴的直线与图形的切点数，则TOC\o"1-5"\h\zX Y切点数与振动频率有以下关系N/N=f/f；如果已知f（或f）又从李萨如图形上测得切点XYYX X Y数N和N,则可以利用此式求出f（或f）。X Y Y X1.11.]'1tI2i■i£■3di2-3■1*110g§g阈tn1—I]za-)-13I1；IDQ1帕期IW3[00300150旦50四、实验内容与步骤：1•示波器使用前的检查与校准参见实验室提供的XJ4210A示波器使用说明，弄清楚各个调节旋钮的作用。利用仪器内部提供的IV、lKHz校准信号用双头导线的红线输入到Y轴（对示波器进行校准（v/div=0.2v,t/div=0.1ms，调节v/div中心红钮使屏幕上的方波垂直幅度值为5格、调节t/div中心红钮使方波周期在水平轴上的宽度为10格）并画出图形。2•观察并测量稳定的正弦曲线图形将示波器上提供的50Hz交流小信号电压用同轴电缆线输入到Y轴（不用衰减探极），选择适当的挡级（v/div=0.5v,t/div=2ms），适当调节X、Y位移使之出现一个完整的正弦波图形测量交流电压信号的峰一峰电压值：V-=0.5v/divXY格= （v）正弦波的频率fz： PPT=2ms/divXX格= （ms）fz=1/T= （Hz）3••观察并画出Nx/Ny=1/1、2/1、、3/1、3/2的李萨如图形需分别给X轴和Y轴加正弦波电压，Y轴正弦波电压由示波器上提供的2V、50Hz交流电压输入，X轴正弦波电压由XJ1631数字函数信号发生器提供（参见实验室提供的使用说明）频率分别调为：50、100、150、75Hz,观察并绘画出N/N=1/1、2/1、、3/1、3/2的李萨如图形。4・音叉固有频率的测定测试装置如讲义上图2—6所示。耳机线圈作为转换器，将机械振动转换成电讯号输入示波器Y轴，X轴输入仍接频率仪。'用小锤小心地敲击音叉使音叉振动，将振动着的音叉靠近耳机线圈。改变频率仪的输出功率，使荧光屏上得到稳定的李萨如图形，由图形可得切点数Nx和Ny,由频率仪显示的频率可得fx,利用2—2式，求得音叉的固有频率。

五、实验数据记录及处理:1标准方波校准示波器方波VPPY轴档位Y轴应显示格数方波频率X轴档位X轴应显示格数1V0.2V/div5格1KHz0.1ms/div10格1/0.2=5格T=l/f=lmslms/0.1ms/div=10格10格2测量正弦波Vp-pfY轴档位Y轴显示格数正弦波VPPX轴档位X轴显示格数正弦波频率0.5V/div4格2V2ms/div10格50Hz0.5*4=2V T=10*2ms/div=20ms f=1/T=50Hz3观察李萨如图形并总结规律fy=50Hzfx=50Hz 25Hz 100Hz总结：fy=50Hz，fx=50Hz时Nx：Ny=1：1fy=50Hz，fx=25Hz时Nx：Ny=2：1fy=50Hz，fx=100Hz时Nx：Ny=1：2可见：当两个相互垂直的谐振动其频率之比为整数比时，得到稳定的李萨如图形，且图形的切点数之比与频率之比成反比即:Nx：Ny=fy：fx

127 64 854利用李萨如图形测量音叉固有频率fx(Hz)127 64 85由李萨如图形的特点Nx：Ny=fy：fx可得fyl=127Hz，fy2=128Hz,fy3=127.5Hz，所以可=(fy1+fy2+fy3)/3=127.5Hz标准差为0.5Hz所以丁=(127.5±0.5)HzEr=0.4%六、预习思考题：叙述示波器的主要结构。答：示波器主要由两大部分组成：示波管，内有电子枪和偏转板（Y偏转板：两块水平放置的电极；X偏转板：两快竖直放置的电极）；控制示波管工作的电路。指出示波管各部分的电压调节与示波器面板上的各旋钮的一一对应关系。答：“聚焦”一一旋转该旋钮即调节电子枪中阳极的电位。“辉度”一一旋转该旋钮即调节电子枪中栅极电位。只在Y轴输入一正弦讯号，在荧光屏上看见的是什么图形？为什么？答：只在Y轴上输入一正弦讯号，在荧光屏上看到的图形是一条竖直的直线。正弦讯号加在两块Y偏转板上，所以在两板之间有一变化的电场，经过此两板的电子束在电场作用下发生或上或下的偏转，电子束打在荧光屏上就出现一条竖直的亮线。如何才能在荧光屏上出现正弦图形？请作扫描原理图。答：要使荧光屏上出现正弦图形，必须在X轴上输入一随时间作线性变化的周期电压（称为扫描电压）。扫描原理图见讲义。如荧光屏上出现的正弦图形不稳定，是什么原因？答：当Y轴讯号频率与X轴扫描电压频率成整数比时，荧光屏上出现稳定的正弦曲线图形。但两个独立的电振荡频率在技术上难以调节成准确的整数比，因而在荧光屏上的图形发生横向移动，不稳定。要观察到两个或三个完整的正弦图形，扫描频率应如何变化？答：要在荧光屏上出现n个稳定的正弦图形的条件是Y轴输入的讯号频率与X轴输入扫描电压频率之比为n即fY/fX=n。现fY=50Hz，所以出现两个完整的正弦图形，fX=25Hz，要出现3个完整的正弦图形，fX=16.7Hz。7•什么叫李萨如图形？答：若在X、Y轴同时输入正弦电压，则荧光屏上的亮点参与两个相互垂直的谐振