大学物理实验示波器实验报告

大学物理实验示波器实验报告一、实验目的1.熟悉示波器的基本构成和工作原理，理解示波管中电子束的偏转原理以及扫描与同步的概念。2.掌握示波器面板各旋钮的功能及正确操作方法，能够独立进行示波器的开机、预热、校准等基本操作。3.学会使用示波器观察各种电信号的波形，能够测量信号的电压峰峰值、周期和频率等基本参数。4.通过观察李萨如图形，理解其形成原理，并学会利用李萨如图形测量未知信号的频率。5.培养实验操作技能、数据处理能力以及分析和解决实验中遇到问题的能力。二、实验原理示波器是一种能够将随时间变化的电信号以图形方式直观显示出来的电子测量仪器。其核心部件是示波管，示波管主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成。电子枪产生高速运动的电子束，经过聚焦后打在荧光屏上，形成一个亮点。偏转系统包括垂直（Y轴）偏转板和水平（X轴）偏转板。当在Y轴偏转板上加上待观察的信号电压时，电子束会在竖直方向上发生偏转，其偏转量与信号电压成正比。若同时在X轴偏转板上加上一个随时间线性变化的锯齿波电压（称为扫描电压），电子束就会在水平方向上匀速移动。这样，电子束在竖直和水平两个方向的共同作用下，其在荧光屏上的轨迹便描绘出了输入Y轴信号电压随时间变化的波形。为了获得稳定的波形显示，扫描电压的周期与输入信号的周期（或其整数倍）必须保持一致，这一过程称为“同步”。示波器内部通常设有同步触发电路，以确保扫描与输入信号同步。对于电压的测量，通过将输入信号衰减或放大到示波器的垂直灵敏度范围内，根据波形在Y轴方向的偏转格数与垂直灵敏度的乘积，即可得到信号的电压值。对于周期和频率的测量，则是根据波形在X轴方向一个周期所占的格数与扫描时间因数的乘积得到周期，再由频率与周期的倒数关系求出频率。李萨如图形是当示波器的X轴和Y轴输入端分别输入两个频率成简单整数比的正弦信号时，荧光屏上显示出的稳定的闭合图形。其形状取决于两个信号的频率比、相位差和振幅比。通过观察李萨如图形在X方向和Y方向与网格线的切点数，可以确定两个信号的频率比值，进而由已知频率求出未知频率。三、实验仪器1.双踪示波器一台2.函数信号发生器一台3.同轴电缆线两根4.示波器校准信号源（部分示波器内置）四、实验内容与步骤（一）示波器的基本操作与校准1.开机与预热：将示波器电源插头插入市电插座，打开电源开关，预热片刻。将亮度、聚焦旋钮调至适中位置，使荧光屏上出现清晰、亮度适中的光点或扫描线。2.校准信号观察：将示波器的校准信号（通常为方波，幅度和频率已知）接入CH1或CH2通道。调节垂直衰减旋钮（VOLTS/DIV）和水平扫描旋钮（TIME/DIV），配合触发方式（选择“自动”或“常态”）和触发电平旋钮，使荧光屏上显示出稳定、大小适中的方波波形。3.校准练习：利用示波器的校准信号，练习测量其电压峰峰值和周期。将测量值与校准信号的标准值进行比较，熟悉测量方法。（二）观察正弦波信号并测量其参数1.连接信号：将函数信号发生器的输出端通过同轴电缆连接到示波器的CH1输入端。2.设置信号发生器：打开函数信号发生器，选择输出正弦波，设定一个合适的频率（例如几百赫兹）和幅度（例如几伏峰峰值）。3.观察波形：在示波器上选择相应的通道，调节垂直衰减和水平扫描旋钮，使波形完整显示且大小适中。调节触发相关旋钮，使波形稳定。4.测量电压峰峰值：读取波形在垂直方向上峰到峰所占的格数，乘以垂直灵敏度（VOLTS/DIV指示值及探头衰减比，若使用探头），得到电压峰峰值。5.测量周期与频率：读取波形一个周期在水平方向所占的格数，乘以扫描时间因数（TIME/DIV指示值），得到周期T。频率f则为1/T。6.改变参数重复测量：改变信号发生器的频率和幅度，重复上述步骤进行测量和记录。（三）观察李萨如图形并测量频率1.连接双路信号：将函数信号发生器的另一路输出（或另一台信号发生器）通过同轴电缆连接到示波器的CH2输入端。确保两路信号的频率比为简单整数比（例如1:1,1:2,2:3等）。2.设置示波器为X-Y模式：在示波器面板上找到“水平模式”或“X-Y”按钮，将其按下，此时示波器的X轴输入切换为CH2通道输入。3.调节信号：调节两路信号的频率和幅度，使荧光屏上出现稳定、大小适中的李萨如图形。4.记录图形与频率比：观察并记录不同频率比下的李萨如图形，数出图形在水平方向（X）和垂直方向（Y）与网格线的切点数n_x和n_y。根据频率比公式f_y/f_x=n_x/n_y，若已知其中一个信号的频率，即可求出另一个信号的频率。五、数据记录与处理（一）示波器校准信号测量校准信号标准值测量峰峰值格数垂直灵敏度测量峰峰值测量周期格数扫描时间因数测量周期:-------------:-------------:---------:---------:-----------:-----------:-------（例如：5Vpp,1kHz）（例如：5.0div）（例如：1V/div）（5.0V）（例如：10.0div）（例如：0.1ms/div）（1.0ms）计算：峰峰值测量值=格数×垂直灵敏度周期测量值=格数×扫描时间因数频率测量值=1/周期测量值（二）正弦波信号参数测量信号发生器设定频率信号发生器设定幅度测量峰峰值格数垂直灵敏度测量峰峰值测量周期格数扫描时间因数测量周期测量频率:-----------------:-----------------:-------------:---------:---------:-----------:-----------:-------:-------（例如：500Hz）（例如：3Vpp）（例如：3.0div）（例如：1V/div）（3.0V）（例如：2.0div）（例如：1ms/div）（2.0ms）（500Hz）（例如：1kHz）（例如：5Vpp）（例如：2.5div）（例如：2V/div）（5.0V）（例如：1.0div）（例如：1ms/div）（1.0ms）（1kHz）误差分析：峰峰值相对误差=|测量值-设定值|/设定值×100%频率相对误差=|测量值-设定值|/设定值×100%（三）李萨如图形测频率李萨如图形水平切点数n_x垂直切点数n_y已知频率f_x(Hz)计算频率f_y(Hz)信号发生器设定f_y(Hz)相对误差:---------:------------:------------:---------------:---------------:---------------------:-------（例如：圆）（1）（1）（500）（500）（500）（0%）（例如：∞）（1）（2）（500）（250）（250）（0%）（例如：8）（2）（3）（300）（450）（450）（0%）计算：f_y=f_x×(n_x/n_y)相对误差=|计算频率-设定频率|/设定频率×100%六、实验结果与分析1.校准结果：本次实验中，示波器校准信号的测量峰峰值为[具体数值]V，与标准值[具体数值]V相比，相对误差为[具体百分比]%；测量频率为[具体数值]Hz，与标准值[具体数值]Hz相比，相对误差为[具体百分比]%。误差在可接受范围内，表明示波器工作基本正常，测量方法正确。2.正弦波测量结果：对于频率为[具体数值]Hz、幅度为[具体数值]Vpp的正弦信号，测得其峰峰值为[具体数值]V，相对误差为[具体百分比]%；测得其频率为[具体数值]Hz，相对误差为[具体百分比]%。多次测量结果表明，随着信号频率的升高或幅度的变化，测量误差略有波动，但总体控制在较小范围内。这可能与示波器的带宽、触发稳定性以及人为读数误差有关。3.李萨如图形测频结果：当X轴输入频率为[具体数值]Hz的信号，Y轴输入频率理论上为[具体数值]Hz的信号时，观察到的李萨如图形与预期形状一致，切点数比为n_x:n_y=[具体比例]，计算得到Y轴信号频率为[具体数值]Hz，与信号发生器设定值[具体数值]Hz相比，相对误差为[具体百分比]%。结果表明利用李萨如图形测量频率是一种有效的方法，其精度取决于图形的稳定性和切点数判断的准确性。七、实验讨论1.波形不稳定的原因及解决：实验过程中，若波形出现左右移动或闪烁，主要是由于扫描信号与输入信号不同步。解决方法是适当调节“触发电平”旋钮，或选择合适的“触发源”（如内触发的CH1或CH2）和“触发方式”（如“自动”触发可在无信号或信号较弱时提供稳定基线）。2.测量误差的来源：本实验的误差主要来源于以下几个方面：（1）示波器本身的系统误差，如垂直灵敏度和扫描时间因数的标称值与实际值的偏差；（2）读数误差，由于人眼判断波形格数时存在主观性，尤其是波形边缘不清晰时；（3）信号发生器输出信号的不稳定性；（4）李萨如图形测频时，图形切点数的判断可能存在偏差，尤其是当图形较复杂或不稳定时。3.探头的使用：若使用示波器探头，需注意探头的衰减比（如10:1），在计算电压时应将读数乘以相应的衰减倍数。探头应确保良好接触，以避免信号失真或引入干扰。4.李萨如图形的多样性：李萨如图形的形状不仅与频率比有关，还与两个信号的相位差和振幅比有关。即使频率比相同，不同的相位差也会导致图形发生变化。实验中可尝试改变其中一路信号的相位（若信号发生器具备此功能），观察图形的变化。八、实验结论1.通过本次实验，加深了对示波器工作原理的理解，初步掌握了示波器的基本操作方法，能够利用示波器观察信号波形，并准确测量信号的电压峰峰值、周期和频率。2.利用李萨如图形测量未知信号频率的方法得到了验证，其测量精度在一定条件下能够满足实验要求。3.实验结果表明，示波器是一种功能强