大學物理實驗示波器實驗報告.doc

南昌大學物理實驗報告 課程名稱： 大學物理實驗 實驗名稱： 數字示波器的使用學院： 信息工程學院 專業(yè)班級： 測控技術儀器152班 學生姓名： 王家楨 學號： 5801215028 實驗地點： B211 座位號：14 實驗時間： 第四周星期二下午一點開始 【實驗目的】1、 了解示波器的結構和工作原理，熟悉示波器和信號發(fā)生器的基本使用方法。2、 學習用示波器觀察電信號的波形和測量電壓、周期及頻率值。3、 通過觀察李沙如圖形，學會一種測量正弦波信號頻率的方法?！緦嶒瀮x器】VD4322B型雙蹤示波器、EM1643型信號發(fā)生器、連接線及小喇叭等 171234568910111213141516圖8-2 VD4322型雙蹤示波器板面圖1、電源開關 2、電源指示燈3、聚焦旋鈕4、亮度調節(jié)旋鈕5、Y1(X)信號輸入口6、Y2信號輸入口7、8、入耦合開關（AC-GND-DC）9、10、垂直偏轉因數選擇開關（V/格）11、位移旋鈕12、位移旋鈕13、工作方式選擇開關（、交替、斷續(xù)）14、掃描速度（時間/格）選擇開關15、掃描微調控制旋鈕16、水平位移旋鈕17、電平調節(jié)旋鈕【實驗原理】一、示波器的結構及簡單工作原理示波器一般由5個部分組成，如圖8-3所示：（1）示波管；(2)信號放大器和衰減器（3）掃描發(fā)生器；（4）觸發(fā)同步電路；（5）電源。下面分別加以簡單說明。熒 光屏內外觸發(fā)掃 描發(fā)生器放 大或衰減觸 發(fā)同 步放 大或衰減X軸輸入Y軸輸入亮度聚焦輔助聚焦電源YXHKGA1A2電子槍圖8-3 電路結構圖電源YX1、 示波管圖8-4 示波管示意圖示波管主要包括電子槍、偏轉系統(tǒng)和熒光屏三部分，全都密封在玻璃外殼內，里面抽成高真空。如圖8-4所示，下面分別說明各部分的作用。（1）熒光屏：它是示波器的顯示部分，當加速聚焦后的電子打到熒光上時，屏上所涂的熒光物質就會發(fā)光，從而顯示出電子束的位置。當電子停止作用后，熒光劑的發(fā)光需經一定時間才會停止，稱為余輝效應。（2）電子槍：由燈絲H、陰極K、控制柵極G、第一陽極A1、第二陽極A2五部分組成。燈絲通電后加熱陰極。陰極是一個表面涂有氧化物的金屬筒，被加熱后發(fā)射電子?？刂茤艠O是一個頂端有小孔的圓筒，套在陰極外面。它的電位比陰極低，對陰極發(fā)射出來的電子起控制作用，只有初速度較大的電子才能穿過柵極頂端的小孔然后在陽極加速下奔向熒光屏。示波器面板上的“亮度”調整就是通過調節(jié)電位以控制射向熒光屏的電子流密度，從而改變了屏上的光斑亮度。陽極電位比陰極電位高很多，電子被它們之間的電場加速形成射線。當控制柵極、第一陽極、第二陽極之間的電位調節(jié)合適時，電子槍內的電場對電子射線有聚焦作用，所以第一陽極也稱聚焦陽極。第二陽極電位更高，又稱加速陽極。面板上的“聚焦”調節(jié)，就是調第一陽極電位，使熒光屏上的光斑成為明亮、清晰的小圓點。有的示波器還有“輔助聚焦”，實際是調節(jié)第二陽極電位。（3）偏轉系統(tǒng)：它由兩對相互垂直的偏轉板組成，一對垂直偏轉板Y，一對水平偏轉板X。在偏轉板上加以適當電壓，電子束通過時，其運動方向發(fā)生偏轉，從而使電子束在熒光屏上的光斑位置也發(fā)生改變。容易證明，光點在熒光屏上偏移的距離與偏轉板上所加的電壓成正比，因而可將電壓的測量轉化為屏上光點偏移距離的測量，這就是示波器測量電壓的原理。2、信號放大器和衰減器0tUx圖8-5 鋸齒波示波管本身相當于一個多量程電壓表，這一作用是靠信號放大器和衰減器實現的。由于示波管本身的X及Y軸偏轉板的靈敏度不高（約0.11mm/V），當加在偏轉板的信號過小時，要預先將小的信號電壓加以放大后再加到偏轉板上。為此設置X軸及Y軸電壓放大器。衰減器的作用是使過大的輸入信號電壓變小以適應放大器的要求，否則放大器不能正常工作，使輸入信號發(fā)生畸變，甚至使儀器受損。對一般示波器來說，X軸和Y軸都設置有衰減器，以滿足各種測量的需要。3、掃描系統(tǒng)（掃描發(fā)生器）掃描系統(tǒng)也稱時基電路，用來產生一個隨時間作線性變化的掃描電壓，這種掃描電壓隨時間變化的關系如同鋸齒，故稱鋸齒波電壓，如圖8-5所示，這個電壓經X軸放大器放大后加到示波管的水平偏轉板上，使電子束產生水平掃描。這樣，屏上的水平坐標變成時間坐標，Y軸輸入的被測信號波形就可以在時間軸上展開。掃描系統(tǒng)是示波器顯示被測電壓波形必需的重要組成部分。一、 示波器顯示波形的原理t0Uy圖8-6正弦波如果只在豎直偏轉板上加一交變的正弦電壓，則電子束的亮點將隨電壓的變化在豎直方向來回運動，如果電壓頻率較高，則看到的是一條豎直亮線，如圖8-6所示。要能顯示波形，必須同時在水平偏轉板上加一掃描電壓，使電子束的亮點沿水平方向拉開。這種掃描電壓的特點是電壓隨時間成線性關系增加到最大值，最后突然回到最小，此后再重復地變化。這種掃描電壓即前面所說的“鋸齒波電壓”，如圖8-5所示。當只有鋸齒波電壓加在水平偏轉板上時，如果頻率足夠高，則熒光屏上只顯示一條水平亮線。如果在豎直偏轉板上（簡稱Y軸）加正弦電壓，同時在水平偏轉板上（簡稱X軸）加鋸齒波電壓，電子受豎直、水平兩個方向的力的作用，電子的運動就是兩相互垂直的運動的合成。當鋸齒波電壓比正弦電壓變化周期稍大時，在熒光屏上將能顯示出完整周期的所加正弦電壓的波形圖。三、觸發(fā)同步的概念圖8-7 不同步時波形TyTx3Uyt1245769101112801692547104,118830UxtTx=Ty如果正弦波和鋸齒波電壓的周期稍微不同，屏上出現的是一移動著的不穩(wěn)定圖形。這種情形可用圖8-7說明。設鋸齒波電壓的周期Tx比正弦波電壓周期Ty稍小，比方說Tx/Ty=7/8。在第一掃描周期內，屏上顯示正弦信號04點之間的曲線段；在第二周期內，顯示48點之間的曲線段，起點在4處；第三周期內，顯示811點之間的曲線段，起點在8處。這樣，屏上顯示的波形每次都不重疊，好象波形在向右移動。同理，如果Tx比Ty稍大，則好象在向左移動。以上描述的情況在示波器使用過程中經常會出現。其原因是掃描電壓的周期與被測信號的周期不相等或不成整數倍，以致每次掃描開始時波形曲線上的起點均不一樣所造成的。為了使屏上的圖形穩(wěn)定，必須使Tx/Ty=n（n1，2，3，），n是屏上顯示完整波形的個數。為了獲得一定數量的波形，示波器上設有“掃描時間”（或“掃描范圍”）、“掃描微調”旋鈕，用來調節(jié)鋸齒波電壓的周期Tx（或頻率fx），使之與被測信號的周期Ty（或頻率fy）成合適的關系，從而在示波器屏上得到所需數目的完整的被測波形。輸入Y軸的被測信號與示波器內部的鋸齒波電壓是互相獨立的。由于環(huán)境或其它因素的影響，它們的周期（或頻率）可能發(fā)生微小的改變。這時，雖然可通過調節(jié)掃描旋鈕將周期調到整數倍的關系，但過一會兒又變了，波形又移動起來。在觀察高頻信號時這種問題尤為突出。為此示波器內裝有掃描同步裝置，讓鋸齒波電壓的掃描起點自動跟著被測信號改變，這就稱為整步（或同步）。有的示波器中，需要讓掃描電壓與外部某一信號同步，因此設有“觸發(fā)選擇”鍵，可選擇外觸發(fā)工作狀態(tài)，相應設有“外觸發(fā)”信號輸入端。四、 示波器的應用1、示波器觀察電信號波形。將待觀察信號從或端接入加到Y偏轉板，X偏轉板加上掃描電壓信號，調節(jié)輝度旋鈕、聚集旋鈕、x、y位移旋鈕,調節(jié)電壓偏轉因數旋鈕和掃描時間旋鈕，再調節(jié)同步觸發(fā)電平旋鈕，即看到待觀察信號波形。2、測量電壓利用示波器可以方便測出電壓值，實際上示波器所做的任何測量都歸結為電壓的測量。其原理基于被測量的電壓使電子束產生與之成正比的偏轉。計算公式為 （8-1）式中，y為電子束沿y軸方向的偏轉量，用格數（DIV）表示；為示波器y軸的電壓偏轉因數（V/DIV）即（伏/格）。3、測量頻率（1）周期換算法周期換算法所依據的原理是頻率與周期成倒數關系： (8-2）信號的周期可以用掃描速度值乘以被測信號波形的又一個周期在熒光屏上的水平偏轉距離而求得（T=掃描速度一個周期水平距離），故信號的頻率便可以算出。（2）李薩如圖形法1:11:21:32:3頻率比相位差角圖8-8 李莎如圖設將未知頻率fy的電壓Uy和已知頻率fx的電壓Ux（均為正弦電壓），分別送到示波器的Y軸和X軸，則由于兩個電壓的頻率、振幅和相位的不同，在熒光屏上將顯示各種不同波形，一般得不到穩(wěn)定的圖形，但當兩電壓的頻率成簡單整數比時，將出現穩(wěn)定的封閉曲線，稱為李薩如圖形。根據這個圖形可以確定兩電壓的頻率比，從而確定待測頻率的大小。圖8列出各種不同的頻率比在不同相位差時的李薩如圖形，不難 得出：所以未知頻率 （8-