示波器的原理和使用實驗報告

1、大連理工大學大學物理實驗報告院（系） 材料學院 專業(yè) 材料物理 班級 0705姓 名 童凌煒 學號 200767025 實驗臺號實驗時間 2008 年 11 月 18 日，第 13 周，星期 二 第 5-6 節(jié)實驗名稱 示波器的原理與使用教師評語實驗目的與要求：（ 1） 了解示波器的工作原理（ 2） 學習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備：YB4320G 雙蹤示波器， EE1641B 型函數信號發(fā)生器實驗原理和內容：1. 示波器基本結構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。示波管的基本結構如

2、下圖所示， 主要由電子槍、偏轉系統(tǒng)和熒光屏三個部分組成， 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。過調節(jié)兩者的共同作用， 可以使電子束打到熒光屏上產生明亮清晰的圓點。對于一個穩(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偏轉系統(tǒng)由 X、Y 兩對偏轉板組成， 通過在板上加電壓來使電子束偏轉， 從而對應地改變屏上亮點的位置。熒光屏上涂有熒光粉， 電子打上去時能夠發(fā)光形成光斑。 不同熒光粉的 發(fā)光顏色與余輝時間都不同。放大和衰減系統(tǒng)用于對不同大小的輸入信號進行適當的縮放， 使其幅度 適合于觀測。掃描系統(tǒng)的作用是產生鋸

3、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動， 這一過程稱為掃描。 掃描開始的時間由觸發(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板加上交變電壓而 X 偏轉板上五點也是， 電子束在豎直方向上來回運動而形成一條亮線， 如左圖所示：如果在 Y偏轉板和 X 偏轉板上同時分別加載正弦電壓和鋸齒 波電壓， 電子受水平豎直兩個方向的合理作用下， 進行正弦震 蕩和水平掃描的合成運動， 在兩電壓周期相等時， 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：3. 掃描同步為了完整地顯示外界輸入信號的周期波形， 需要調節(jié)掃描周期使其與外界信

4、號周期相同或成合能夠使掃描起點自動適的關系。 當某些因素改變致使周期發(fā)生變化時，使用掃描同步功能，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Up p a h， f （b l）其中 a 為垂直偏轉因數（電壓偏轉因數） （從示波器面板的衰減器開關上可以直接讀出）單位為V/div 或 mV/div ； h 為輸入信號的峰 - 峰高度， 單位 div ； b 為掃描時間系數， 從主掃描時間 系數選擇開關上可以直接讀出， 單位 s/div 、 ms/div 或 s/div ； l 為輸入信號的單個周期寬 度， 單位 div 。（ 1） 打開電源開關并切換到

5、DC檔， 撥動垂直工作方式開關，選擇未知信號所在的通道。（ 2） 通過調節(jié)“掃描時間系數選擇開關”和“垂直偏轉系數開關” ， 以及它們對應的微調開 關， 使未知信號圖形的高度和波形個數便與測量。 同時在開關上讀出計算所需的 a、b 值。（3） 調節(jié)“垂直位移”與“水平位移”旋鈕，利用熒光屏上的刻度讀取l 、h值， 并記錄。2. 用示波器直接觀察半波和全波整流波形（1） 將實驗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 CH1或 CH2端。（ 2） 通過調節(jié)“掃描時間系數選擇開關”和“垂直偏轉系數開關”是信號顯示在屏內， 分 別觀察整流后的波形， 并記錄3. 李薩如圖形測量信

6、號的頻率不使用機內的掃描電壓， 而使用兩個外界輸入的正弦電壓分別加載在X、Y 偏轉板上， 當兩個正弦電壓的頻率相同或呈簡單的整數比， 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 Y軸的最大交點數 nx與 ny 之比正好等于 Y、X 端的輸入電壓頻率 之比， 即fy : fx nx :ny* 示波器和函數信號發(fā)生器的操作原理略數據記錄與處理 / 結果與分析：1. 正弦信號電壓和頻率的測量：示波器計算結果Y1 偏轉因數 a/(V/div)h/(div)X 偏轉因數 b/(ms/div)l/(div)Up-p/VT/msf/Hz512.513162.53132.2

7、6實際電壓（最大值） /V31.25信號頻率 /Hz 32.262. 正弦信號、半波整流信號、全波整流信號的圖形完整的正弦信號波形半波整流圖形全波整流圖形3. 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f x/Hz160.5160.4160.5160.4160.1f y/Hz160.580.2107.0240.6320.2討論、建議與質疑：（ 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， 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，當掃描頻

8、率和輸入信號的頻率相配合時，就能夠顯示輸入信號的波形； 顯示李薩如圖形時，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運動， 與豎直方向的另一簡諧運動 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， 當輸入的兩個同頻正弦信號相位差存在，且大小在 + - 之間時， 即可形成橢圓圖形。圓可以認為是一種特殊條件下形成的橢圓圖形。當輸入的兩個正弦信號頻率相同， 信號振幅相同， 且兩者的相位差為± /2 時， 李薩如 圖形為圓形。3) 實驗中 Y 軸信號為已知正弦信號， X 軸為未知信號， 經過實驗， 發(fā)現(xiàn)當 fy比 f x大很多時， 熒光屏上的線條

9、之間不可分辨， 形成一個矩形塊狀圖案；當 fy比 f x小很多時，熒光屏上顯示一條上下振蕩的水平線段。4) 試解釋全波整流圖形存在水平片段的原因。個人認為， 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：第一種理解方式：如上圖，左圖為理論上的全波整流信號波形， 右圖為實際中由示波器觀察到的整流波形， 可 見實際波形下端未能達到 0， 即負載端電壓值在外部加載電壓換向時沒有達到最小。 原因可以認為， 二極管的單向導通作用不是絕對的， 在電壓反向加載時， 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刻是不存

10、在的， 在正向電壓下降到接近 0 的位置時， 由于有反向漏電流存在， 故負載兩端的實際 電流不為零，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， 也可以認為二極管有電流 / 電壓殘留現(xiàn)象等等。第二種理解方式如右圖所示， 波形的形狀與實際可見相同，但與上一種理解方式不同的是， 此種情況可以理解為， 負載兩端的電壓提前下降到零，維持在零水平一段時間后， 重新上升。在這種情況下， 必須提到二極管單向導通性質的一個前提： 當加在二極管兩端的正向電壓很小時，二極管仍然不能導通，流過二極管的正向電流十分微 弱。只有當正向電壓達到某一數值（這一數值稱為“門檻電壓”

11、， 鍺管約為 0.2V，硅管約為 0.6V）以后，二極管才能直正導通。由此可以解釋實驗中觀察到的現(xiàn)象：當第一個半周期內末端， 電壓下降到門檻電壓以下時， 二極管實際已不能導通， 而另兩 個反向的二極管此時也尚未導通， 此時負載兩端的電壓為零， 在示波器上表現(xiàn)為 X 軸上的 直線；當電壓進入第二個半周期時， 電壓由零開始重新上升， 但尚未達到門檻電壓時， 二極管 仍然處在不導通狀態(tài)， 此時負載兩端的電壓仍為零； 直到電壓上升到門檻電壓以上， 二 極管才被導通， 此時負載兩端才有電壓， 并且隨外源信號呈正弦規(guī)律上升。綜合以上兩個短暫過程來看， 可以發(fā)現(xiàn)負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。5）實驗體會：鋸齒波本次實驗相比與其他實驗， 更加接近于一種體驗性的實驗， 目的并不在于獲得最終的實驗 數據結果， 而在于讓我們更好地理解實際生產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， 認識到書本理論和實際操作存在的差距， 一方面也體會 了示波器中所表現(xiàn)的將一