示波器的原理與使用實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、精心整理大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱 示波器的原理與使用實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求:(1) 了解示波器的工作原理(2) 學(xué)習(xí)使用示波器觀察各種信號波形(3) 用示波器測量信號的電壓、頻率和相位差 主要儀器設(shè)備：YB4320G雙蹤示波器，EE1641B型函數(shù)信號發(fā)生器實(shí)驗(yàn)原理和內(nèi)容：I .z I1. 示波器基本結(jié)構(gòu)示波器主要由示波管、放大和衰減系統(tǒng)、觸發(fā)掃描系統(tǒng)和電源四部分組成，其中示波管是核心 部分。示波管的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，主要由電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三個(gè)部分組成，由外部玻璃 外殼密封在真空環(huán)境中。電子槍的作用是釋放并加速電子束。 其中第一陽極稱為聚焦陽極，第二陽極稱為加速陽極。通過調(diào)節(jié)兩者的共同作用，

2、可以使電子束打到熒光屏上產(chǎn)生明亮清晰的圓點(diǎn)。偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)由X、丫兩對偏轉(zhuǎn)板組成，通過在板上加電壓來使電子束偏轉(zhuǎn)， 從而對 應(yīng)地改變屏上亮點(diǎn)的位置。熒光屏上涂有熒光粉，電子打上去時(shí)能夠發(fā)光形成光斑。不同熒光粉的發(fā)光顏11J I 丨色與余輝時(shí)間都不同。放大和衰減系統(tǒng)用于對不同大小的輸入信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)目s放，使其幅度適合于 觀測。掃描系統(tǒng)的作用是產(chǎn)生鋸齒波掃描電壓(如左上圖所示)，使電子束在其作用下勻速地在熒光屏周期 性地自左向右運(yùn)動，這一過程稱為掃描。掃描開始的時(shí)間由觸發(fā)系統(tǒng)控制。2. 示波器的顯示波形的原理如果只在豎直偏轉(zhuǎn)板加上交變電壓而 X偏轉(zhuǎn)板上五點(diǎn)也是，電子束在豎直方向上來回運(yùn)動而形 成一條亮線

3、，如左圖所示：如果在丫偏轉(zhuǎn)板和X偏轉(zhuǎn)板上同時(shí)分別加載正弦電壓和鋸齒波電壓， 電子受水平豎直兩個(gè)方向 的合理作用下，進(jìn)行正弦震蕩和水平掃描的合成運(yùn)動， 在兩電壓周期相等時(shí)，熒光屏上能夠顯示出 完整周期的正弦電壓波形，顯像原理如右圖所示：精心整理3. 掃描同步為了完整地顯示外界輸入信號的周期波形，需要調(diào)節(jié)掃描周期使其與外界信號周期相同或成合 適的關(guān)系。當(dāng)某些因素改變致使周期發(fā)生變化時(shí)，使用掃描同步功能，能夠使掃描起點(diǎn)自動跟 蹤外界信號變化，從而穩(wěn)定地顯示波形。步驟與操作方法：1. 示波器測量信號的電壓和頻率對于一個(gè)穩(wěn)定顯示的正弦電壓波形，電壓和頻率可以由以下方法讀出1U p_p =a h， f =

4、(b l)其中a為垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)(電壓偏轉(zhuǎn)因數(shù))(從示波器面板的衰減器開關(guān)上可以直接讀出)單位為V/div或mV/div ； h為輸入信號的峰-峰高度，單位div ； b為掃描時(shí)間系數(shù)，從主掃描時(shí)間系 數(shù)選擇開關(guān)上可以直接讀出，單位 s/div、ms/div或卩s/div ； l為輸入信號的單個(gè)周期寬度， 單位div。(1) 打開電源開關(guān)并切換到DC檔，撥動垂直工作方式開關(guān)，選擇未知信號所在的通道。I(2) 通過調(diào)節(jié)“掃描時(shí)間系數(shù)選擇開關(guān)”和“垂直偏轉(zhuǎn)系數(shù)開關(guān)”，以及它們對應(yīng)的微調(diào)開關(guān)，使未知信號圖形的高度和波形個(gè)數(shù)便與測量。同時(shí)在開關(guān)上讀出計(jì)算所需的a、b值。(3) 調(diào)節(jié)“垂直位移”與“水平位

5、移”旋鈕，利用熒光屏上的刻度讀取I、h值，并記錄。2. 用示波器直接觀察半波和全波整流波形(1) 將實(shí)驗(yàn)室提供的未知信號分別接到整流電路的 AB端，CD端送入示波器的CH或CH端。(2) 通過調(diào)節(jié)“掃描時(shí)間系數(shù)選擇開關(guān)”和“垂直偏轉(zhuǎn)系數(shù)開關(guān)”是信號顯示在屏內(nèi)，分別 觀察整流后的波形，并記錄3. 李薩如圖形測量信號的頻率不使用機(jī)內(nèi)的掃描電壓，而使用兩個(gè)外界輸入的正弦電壓分別加載在X、丫偏轉(zhuǎn)板上，當(dāng)兩個(gè)正弦電壓的頻率相同或呈簡單的整數(shù)比，則屏上將顯示特殊形狀的軌跡，這種軌跡稱為李薩如圖 形。李薩如圖形與X軸和丫軸的最大交點(diǎn)數(shù)nx與ny之比正好等于Y、X端的輸入電壓頻率之比， 即示波器和函數(shù)信號發(fā)生

6、器的操作原理略精心整理數(shù)據(jù)記錄與處理/結(jié)果與分析：1.正弦信號電壓和頻率的測量:示波器計(jì)算結(jié)果Yi偏轉(zhuǎn)因數(shù)a/(V/div)h/(div)X偏轉(zhuǎn)因數(shù)b/(ms/div)l/(div)Up-p/VT/msf/Hz512.513162.53132.26實(shí)際電壓(最大值)/V31.25信號頻率/Hz32.262.正弦信號、半波整流信號、全波整流信號的圖形 1 hfL.-;九/八 1b-L_ -完整的正弦信號波形半波整流圖形 ,全波整流圖形J V i3.李薩如圖形測量正弦信號的頻率nx：n y1:11:22: 33:22:1圖形形狀)廠i !廠-fx/Hz160.5160.4160.5160.4160

7、.1f y/Hz160.580.2107.0240.6320.2討論、建議與質(zhì)疑:(1) 在示波器顯示掃描波形圖和李薩如圖形的原理中，不同之處在與它們所使用的掃描電壓 (即水平方向的輸入電壓)不同。顯示掃描波形時(shí)，水平方向加載的是鋸齒波的掃描電壓，它能夠使電子束從左向右地單方向掃描，當(dāng)掃描頻率和輸入信號的頻率相配合時(shí)， 就能夠顯示輸 入信號的波形；顯示李薩如圖形時(shí)，水平方向接入的是未知的正弦信號， 它使電子束在水平 方向上做簡諧往復(fù)運(yùn)動，與豎直方向的另一簡諧運(yùn)動相疊加后，在熒光屏上形成李薩如圖形。(2) 形成橢圓的條件較為簡單，當(dāng)輸入的兩個(gè)同頻正弦信號相位差存在，且大小在+n - n之間 時(shí)，

8、即可形成橢圓圖形。精心整理(3) 圓可以認(rèn)為是一種特殊條件下形成的橢圓圖形。(4) 當(dāng)輸入的兩個(gè)正弦信號頻率相同，信號振幅相同，且兩者的相位差為n/2時(shí)，李薩如圖 形為圓形。(5) 實(shí)驗(yàn)中丫軸信號為已知正弦信號，X軸為未知信號，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)(6) 當(dāng)fy比fx大很多時(shí)，熒光屏上的線條之間不可分辨，形成一個(gè)矩形塊狀圖案；(7) 當(dāng)fy比fx小很多時(shí)，熒光屏上顯示一條上下振蕩的水平線段。(8) 試解釋全波整流圖形存在水平片段的原因。(9) 個(gè)人認(rèn)為，由于示波器上沒有精確地顯示出波形所在的相對位置，故對這一波形現(xiàn)象可以有 以下兩種理解方式：(10) 第一種理解方式：(11)上圖，左圖為理論上的全波

9、整流信號波形， 右圖為實(shí)際中由示波器觀察到的整流波形，可見實(shí)際波形下端未能達(dá)到0,即負(fù)載端電壓值在外部加載電壓換向時(shí)沒有達(dá)到最小。(12 )原因可以認(rèn)為，二極管的單向?qū)ㄗ饔貌皇墙^對的， 在電壓反向加載時(shí)，仍有小部分的反向“漏電流”通過二極管，因此在橋式整流電路中，電路電流完全等于零的時(shí)刻是不存在的，在正向電壓下降到接近0的位置時(shí)，由于有反向漏電流存在，故負(fù)載兩端的實(shí)際電流不為零，I故電壓也不為零，由示波器顯示其電壓變化狀態(tài)，變得到了右上圖示的“削尾”現(xiàn)象。另外， 也可以認(rèn)為二極管有電流/電壓殘留現(xiàn)象等等。(13)(14)(15) 第二種理解方式：(16)精心整理(16) 如 右圖所示，波形的

10、形狀與實(shí)際可見相同，但與上一種理解方式不同的是， 此種情況可以理解 為，負(fù)載兩端的電壓提前下降到零，維持在零水平一段時(shí)間后，重新上升。(17) 在這種情況下，必須提到二極管單向?qū)ㄐ再|(zhì)的一個(gè)前提：(18) 當(dāng)加在二極管兩端的正向電壓很小時(shí)， 二極管仍然不能導(dǎo)通，流過二極管的正向電流十分微弱。只有當(dāng)正向電壓達(dá)到某一數(shù)值(這一數(shù)值稱為“門檻電壓”，鍺管約為0.2V，硅管約為0.6V)以后，二極管才能直正導(dǎo)通。(19) 由此可以解釋實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象：(20) 當(dāng)?shù)谝粋€(gè)半周期內(nèi)末端，電壓下降到門檻電壓以下時(shí)，二極管實(shí)際已不能導(dǎo)通，而另兩個(gè)反向的二極管此時(shí)也尚未導(dǎo)通，此時(shí)負(fù)載兩端的電壓為零，在示波器上

11、表現(xiàn)為X軸上的直線；(21) 當(dāng)電壓進(jìn)入第二個(gè)半周期時(shí)，電壓由零開始重新上升，但尚未達(dá)到門檻電壓時(shí)，二極管仍然 處在不導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)負(fù)載兩端的電壓仍為零；直到電壓上升到門檻電壓以上，二極管才被 導(dǎo)通，此時(shí)負(fù)載兩端才有電壓，并且隨外源信號呈正弦規(guī)律上升。(22) 綜合以上兩個(gè)短暫過程來看，可以發(fā)現(xiàn)負(fù)載兩端電壓有一段持續(xù)為零的“真空期”，表現(xiàn)為 波形即為示波器上觀察到的短直線片段。(24)f I j I(23) 實(shí)驗(yàn)體會：(24) 本次實(shí)驗(yàn)相比與其他實(shí)驗(yàn)，更加接近于一種體驗(yàn)性的實(shí)驗(yàn)，目的并不在于獲得最終的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，而在于讓我們更好地理解實(shí)際生產(chǎn)生活中常用的示波器； 通過操作示波器，一方面 我能夠熟悉儀器的使用方法，認(rèn)識到書本理論和實(shí)際操作存在的差距， 一方面也體會了示波 器中所表現(xiàn)的將一些不可見的動態(tài)量轉(zhuǎn)化為另一種量