实验七 示波器原理及其应用

示波器原理及其应用《大学物理实验》实验七目01|实验导入02|实验背景03|实验目的04|实验原理05|实验仪器录06|内容与步骤07|注意事项08|实验记录09|数据分析10|思考与探究看不见的电信号，如何被“看见”？01实验导入受试者通过脑机接口操控赛车游戏神经元放电形成的电信号通常只有微伏至毫伏量级，持续时间短、易受噪声干扰。要分析这些瞬态信号，必须同时观察电压幅值与时间变化。脑机接口需要实时捕获微弱、快速、易受干扰的动态信号数字存储示波器是观察动态电信号的“眼睛”微伏级神经信号毫秒级瞬态变化复杂电磁噪声示波器把电压随时间的变化转换为清晰波形，并可测量幅值、周期、频率与相位。合理设置触发、时基和采样参数，是获得稳定、真实波形的关键。受试者通过脑机接口操控赛车游戏1897年卡尔·费迪南德·布劳恩(KarlFerdinandBraun)德国物理学家发明阴极射线管，使电信号能够以光点偏转的方式显示，为模拟示波器的发展奠定基础。阴极射线管示波器发展与数字化测量02实验背景把随时间变化的电压信号转换为可观察、可存储、可测量的二维波形，是电子测量中最重要的基础仪器之一。示波器20世纪末数字存储示波器(DigitalStorageOscilloscope)现代电子测量仪器随着高速模数转换器、数字信号处理器和大容量存储技术发展，示波器实现高速采样、波形存储、自动测量、数学运算、频谱分析与数据通信。数字采样与存储示波器实验的学习地图02实验背景核心原理横轴表示时间、纵轴表示电压；采样、存储与数字处理共同重建波形。关键指标采样率、存储深度、模拟带宽与垂直分辨率共同决定显示质量。应用领域广泛用于电路调试、通信测试、自动控制、医疗电子与科学研究。实验内容测峰-峰值、周期、频率，并用李萨如图形测未知频率与相位。实验方法结合手动读格、自动测量和X-Y模式，比较结果并分析误差来源。示波器实验目标03实验目的理解数字存储示波器的结构、采样与波形重建过程。原理认知目标01熟悉示波器与函数发生器面板、接口及规范操作。仪器操作技能02准确测量峰-峰值、周期、频率等核心参量。定量测量任务03观察李萨如图形，测未知频率并判断相位关系。综合探究任务04数字存储示波器：从模拟信号到数字波形04实验原理图7-3数字存储示波器原理框图采样率越高，快速变化的细节越清晰存储深度越大，可记录的时间范围越长信号采集链路被测信号依次经过输入衰减、垂直放大、触发控制与ADC采样，数据写入存储器，再由DSP处理并重建波形显示。影响波形真实性的四个关键环节1.模拟带宽决定可准确测量的最高频率。2.采样率决定单位时间内获取的数据点数量。3.存储深度决定高采样率下可记录的时间长度。4.垂直分辨率决定电压量化的精细程度。5.触发系统让每次扫描从相同特征点开始，形成稳定波形。6.实时采样适合单次信号；等效采样只适合稳定重复信号。图7-3数字存储示波器原理框图信号采集链路图7-3数字存储示波器原理框图输入衰减→垂直放大→ADC采样→存储→DSP处理→波形显示影响波形真实性的关键环节①模拟带宽：决定可准确测量的最高信号频率。

②采样率：决定单位时间内获取的数据点数量。

③存储深度：决定高采样率下可记录的时间长度。

④垂直分辨率：决定电压量化的精细程度。

⑤采样方式：实时采样可测单次信号；等效采样只适用于稳定重复信号。稳定触发让每次扫描从信号的同一特征点开始，是周期波形稳定显示的前提。波形形成、参数读取与李萨如测量04实验原理示波器把电压—时间关系映射到屏幕：垂直方向反映输入电压，水平方向由时基展开。稳定触发使周期信号每次从相同位置开始扫描。波形形成峰-峰值与周期峰-峰值：Upp=Nᵧ·Kᵥ·A。其中Nᵧ为垂直格数，Kᵥ为V/DIV，A为探头倍率。周期：T=Nₓ·Kₜ；频率：f=1/T。其中Nₓ为一个周期的水平格数，Kₜ为s/DIV。X-Y模式下，两个正弦信号分别控制水平和垂直偏转。稳定闭合图形对应稳定的频率比，可由交点数求未知频率。

自动测量适合快速读数；手动读格能帮助理解量程、分度与误差来源。两种方法应相互校验。李萨如测频：fᵧ/fₓ=Nₓ/Nᵧ。同频时，0°/180°为直线，90°且等幅为圆，其余相位差通常为椭圆。峰-峰值=垂直格数×V/DIV×探头倍率。

先让波形充分展开，再读取格数与量程。数字存储示波器函数/任意波形发生器示波器原理及其应用实验仪05实验仪器实验系统由数字存储示波器、函数/任意波形发生器及BNC同轴电缆组成。信号源提供标准波形，示波器完成采集、显示和测量。图7-10示波器原理及其应用实验仪1—数字存储示波器2—函数/任意波形发生器图7-11数字存储示波器前面板AUTO可快速捕获波形；VOLTS/DIV、SEC/DIV与LEVEL分别控制垂直量程、时基和触发电平；MEASURE用于自动测量。提供正弦波、方波、三角波等标准信号，可独立设置CH1/CH2的波形、频率、幅值、相位与输出状态。图7-10示波器原理及其应用实验仪实验准备06内容与步骤按示波器AUTO键快速获得稳定波形；必要时微调VOLTS/DIV、SEC/DIV、LEVEL与POSITION。用两根BNC同轴电缆将信号发生器CH1、CH2分别连接至示波器CH1、CH2输入端。0304信号发生器选择正弦波，设置实验要求的频率和峰-峰值，直流偏置为0V，并开启CH1输出。接通函数发生器和数字存储示波器电源，预热约2～3min。0102实验准备4321调节VOLTS/DIV，使波形在垂直方向充分展开且完整显示。计算Upp=Nᵧ·Kᵥ·A，记录测量值，并与信号源设定值比较。调节垂直POSITION，使波形位于屏幕中央，便于读取正峰和负峰。读取峰—峰之间的垂直格数Nᵧ，并确认当前V/DIV与探头倍率A。手动读格交流信号峰-峰值测量06内容与步骤在波形稳定显示后，用“格数×每格量程×探头倍率”得到峰-峰值。注意：探头倍率必须与示波器通道设置一致；BNC直连时A=1。2读取一个完整周期的水平格数Nₓ与当前时基Kₜ（s/DIV）。1切换正弦波、方波和三角波，保持相同设定频率，并分别稳定显示。3计算T=Nₓ·Kₜ，再由f=1/T得到频率，记录到表7-2。564读取三种波形的自动测量结果，记录到表7-3。按MEASURE键，添加Period与Frequency自动测量项。比较手动测量、自动测量与信号发生器设定值，分析误差。周期/频率信号周期与频率：手动测量和自动测量06内容与步骤观察李萨如图形并测量未知频率06内容与步骤将信号发生器CH1、CH2分别接入示波器CH1、CH2，两路均设为正弦波且幅值接近。示波器切换至X-Y模式：CH1作为X轴输入，CH2作为Y轴输入。调节两通道VOLTS/DIV和POSITION，使图形完整、稳定、居中显示。依次设置频率比1∶1、2∶1、3∶1、3∶2，观察并绘制典型图形。在图形上取避开交叉点的水平线与竖直线，统计最大交点数Nₓ、Nᵧ。123456由fᵧ/fₓ=Nₓ/Nᵧ计算未知频率，并与信号源设定值比较。实验注意事项07注意事项02开机后先预热，熟悉面板与接口；旋钮调节轻柔，禁止用力硬扳。04合理设置波形、网格亮度，避免过亮影响观察与读数。06波形应显示1～3个完整周期，并尽量占据较大屏幕范围。01先调垂直量程与位置，再调时基，最后设置触发获得稳定波形。03实验结束先关闭信号源，再关闭示波器；断电后拆线，严禁带电插拔。05探头倍率须与通道设置一致，接地端必须正确连接，避免误差和短路风险。08实验记录表7-1交流信号峰-峰值测量表7-2信号周期和频率测量（手动测量）注：直接使用BNC电缆连接时探头倍率A=1；手动读格应尽量让波形充分展开。被测信号V/DIV格数/DIVUpp/V理论值/V误差/%第1次第2次测量项目正弦波三角波矩形波扫描因素/(s/DIV)周期格数/DIV周期T/s频率f/Hz信号源f₀/Hz08实验记录表7-3信号周期和频率测量（自动测量）表7-4李萨如图形观测与未知频率测量测量项目正弦波三角波矩形波周期T/s频率f/Hz信号源f₀/Hz相对误差/%频率比fᵧ∶fₓ1∶12∶13∶13∶2李萨如图形NₓNᵧfₓ（已知）/Hzfᵧ（计算）/Hz信号源fᵧ₀/Hz相对误差/%示波器实验数据分析09数据分析峰-峰值误差计算峰-峰值测量结果相对信号源设定值的误差。1手动测频误差比较f与f₀，分析读格、时基分辨率和触发稳定性带来的误差。2自动与手动对比计算自动测量误差，并与手动结果比较，解释差异。3李萨如测频与相位计算未知频率误差；固定频率比并改变相位，归纳图形变化规律。4数字采样与波形重建的物理机制10思考与探究波形能否真实还原，取决于采样率与带宽波形重建采样率足够高离散采样点能够描述快速变化细节模拟带宽与存储深度共同限制可测频率和记录时长12采样率不足会引起混叠，使显示频率与真实频率不一致；带宽不足会压低幅值、钝化边沿；存储深度不足则难以同时兼顾长时间记录和高时间分辨率。选择测量参数时，应让采样率、带宽和记录长度与被测信号的最高频率和持续时间相匹配稳定触发触发电平应落在波形幅度范围内，触发沿应与信号特征匹配；否则波形会滚动、跳动或无法稳定显示。稳定触发与李萨如图形：从现象追问原因10思考与探