示波器的原理与使用实验报告00001

示波器的原理与使用实验报告大连理工大学大学 物理实 验报告200767025 实验台号实验时间 2008 年11月8-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：（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丫八7 0 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 同时分别加载 电压，电子受 的合理作用和水平扫描的合成运动,在两电压周期相等时，荧转板和X偏转板上 正弦电压和锯齿波 水平竖直两个方向 下，进行正弦震荡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=a h， f =(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u 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。(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CHi或CH2N全汩护鱼咆站（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、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端的输入电压频率之比， 即fy ： fX 二収：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: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完整的正弦半波整流图 信号波形形全波整流图 形3.李萨如图形测量正弦信号的频率1:11:22： 33:22:1图形形 状fx/Hz160.5160.4160.5160.4160.1fy/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，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，且两者的相位差为土 n /2时，李萨如图形 为圆形。(3) 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。(4) 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”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:mm nnnn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(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。由此可以解释实验中观察到的现象：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，在示波器上表现为X轴上的直线； 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。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。(5) 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 一种量直观地表现出来的方法（锯齿波扫描电压 与信号电压的组合是其表现思想的精髓）。 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。