華中科技大學(xué)示波器實(shí)驗(yàn)

1、LOGO示波器的使用示波器的使用n班班級(jí)級(jí)：n學(xué)學(xué)生：生：n學(xué)號(hào)學(xué)號(hào)：論文內(nèi)容論文內(nèi)容n實(shí)驗(yàn)?zāi)康膎儀器介紹n實(shí)驗(yàn)原理n實(shí)驗(yàn)步驟n數(shù)據(jù)記錄n數(shù)據(jù)處理n問題討論實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康膗掌握數(shù)字存儲(chǔ)示波器和函數(shù)信號(hào)發(fā)生器基本使用掌握數(shù)字存儲(chǔ)示波器和函數(shù)信號(hào)發(fā)生器基本使用方法；方法；u研究研究RC和和RLC串聯(lián)電路的暫態(tài)過程，加深對(duì)電阻串聯(lián)電路的暫態(tài)過程，加深對(duì)電阻、電容、電感特性的理解，理解阻尼振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)、電容、電感特性的理解，理解阻尼振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。規(guī)律。儀器介紹儀器介紹u函數(shù)信號(hào)發(fā)生器函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 （ch1、ch2電壓輸出電壓輸出u數(shù)字儲(chǔ)存示波器數(shù)字儲(chǔ)存示波器 （Autoset 自動(dòng)設(shè)置自動(dòng)設(shè)置 M

2、easure 數(shù)據(jù)測量數(shù)據(jù)測量 Cursor 探針探針 Display 顯示格式）顯示格式）實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理數(shù)字儲(chǔ)存示波器原理數(shù)字儲(chǔ)存示波器原理一個(gè)典型的數(shù)字存儲(chǔ)示波器原理框圖如圖所示，模擬輸入信號(hào)先適當(dāng)?shù)胤糯笠粋€(gè)典型的數(shù)字存儲(chǔ)示波器原理框圖如圖所示，模擬輸入信號(hào)先適當(dāng)?shù)胤糯蠡蛩p，然后再進(jìn)行數(shù)字化處理。數(shù)字化包括或衰減，然后再進(jìn)行數(shù)字化處理。數(shù)字化包括“取樣取樣”和和“量化量化”兩個(gè)過程兩個(gè)過程，取樣是獲得模擬輸入信號(hào)的離散值，而量化則是使每個(gè)取樣的離散值經(jīng)，取樣是獲得模擬輸入信號(hào)的離散值，而量化則是使每個(gè)取樣的離散值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字，最后，數(shù)字化的信號(hào)在邏輯控制電路的控制下依次寫入

3、轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字，最后，數(shù)字化的信號(hào)在邏輯控制電路的控制下依次寫入到到RAM（存儲(chǔ)器）中，（存儲(chǔ)器）中，CPU從存儲(chǔ)器中依次把數(shù)字信號(hào)讀出并在顯示屏上顯從存儲(chǔ)器中依次把數(shù)字信號(hào)讀出并在顯示屏上顯示相應(yīng)的信號(hào)波形。示相應(yīng)的信號(hào)波形。GPIB為通用接口總線系統(tǒng)，通過它可以程控?cái)?shù)字存儲(chǔ)示為通用接口總線系統(tǒng)，通過它可以程控?cái)?shù)字存儲(chǔ)示波器的工作狀態(tài)，并且使內(nèi)部存儲(chǔ)器和外部存儲(chǔ)器交換數(shù)據(jù)成為可能。波器的工作狀態(tài)，并且使內(nèi)部存儲(chǔ)器和外部存儲(chǔ)器交換數(shù)據(jù)成為可能。 由此由此可見，數(shù)字示波器必須要完成波形的取樣、存儲(chǔ)和波形的顯示，另外為了滿可見，數(shù)字示波器必須要完成波形的取樣、存儲(chǔ)和波形的顯示，另外為了滿足一般應(yīng)

4、用的需求，幾乎所有微機(jī)化的數(shù)字示波器都提供了波形的測量與處足一般應(yīng)用的需求，幾乎所有微機(jī)化的數(shù)字示波器都提供了波形的測量與處理功能。理功能。實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理信號(hào)波的基本概念信號(hào)波的基本概念 正弦波是波形的基本組成，任正弦波是波形的基本組成，任何非正弦波都可視成是基波和無何非正弦波都可視成是基波和無數(shù)不同頻率的諧波分量組成。例數(shù)不同頻率的諧波分量組成。例如：方波是由基波以及如：方波是由基波以及3，5，7，9次諧波分量迭加而成。次諧波分量迭加而成。 對(duì)于非正弦波，由最小值過渡對(duì)于非正弦波，由最小值過渡到最大值的時(shí)間越短，所含的諧到最大值的時(shí)間越短，所含的諧波分量也就越多，波形所含諧波波分量也就越多

5、，波形所含諧波的頻率也越高。對(duì)于脈沖波占空的頻率也越高。對(duì)于脈沖波占空比越小，波形所含諧波就越多，比越小，波形所含諧波就越多，諧波頻率分量也越高。在使用數(shù)諧波頻率分量也越高。在使用數(shù)字示波器過程中，測量不同波形字示波器過程中，測量不同波形會(huì)得到不同的波參數(shù)，波的基本會(huì)得到不同的波參數(shù)，波的基本參數(shù)定義如圖參數(shù)定義如圖 所示。所示。實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理RC串聯(lián)電路的暫態(tài)過程串聯(lián)電路的暫態(tài)過程 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出一定頻率的方波周期電壓信號(hào)如圖函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出一定頻率的方波周期電壓信號(hào)如圖 所示，電所示，電阻、電容串聯(lián)電路如圖阻、電容串聯(lián)電路如圖 所示。當(dāng)方波前半個(gè)周期處于高電平所示。當(dāng)方波前半個(gè)周期

6、處于高電平E時(shí)時(shí)，相當(dāng)于電源開關(guān)，相當(dāng)于電源開關(guān)K合向合向“1”，直流電源，直流電源E對(duì)電容對(duì)電容C充電；當(dāng)方波充電；當(dāng)方波后半個(gè)周期處于低電平后半個(gè)周期處于低電平0 時(shí)，相當(dāng)于在電容時(shí)，相當(dāng)于在電容C充電后，把開關(guān)充電后，把開關(guān)K 從從“1”合向合向“2”，電容，電容C開始放電過程。開始放電過程。實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理RC串聯(lián)電路的暫態(tài)過程串聯(lián)電路的暫態(tài)過程由電路方程可解出，電容由電路方程可解出，電容C兩端的電壓隨時(shí)間變化規(guī)律為：兩端的電壓隨時(shí)間變化規(guī)律為：當(dāng)電容在充放電過程中，其電壓當(dāng)電容在充放電過程中，其電壓VC(t) 均按指數(shù)規(guī)律變化。當(dāng)均按指數(shù)規(guī)律變化。當(dāng)電容器被充電時(shí)，電壓逐漸增大，而放

7、電時(shí)則逐漸減小。電容器被充電時(shí)，電壓逐漸增大，而放電時(shí)則逐漸減小。令令 ，其具有時(shí)間的量綱，其具有時(shí)間的量綱，稱為電路的時(shí)間常數(shù)，是表征稱為電路的時(shí)間常數(shù)，是表征暫態(tài)過程進(jìn)行快慢的一個(gè)重要暫態(tài)過程進(jìn)行快慢的一個(gè)重要物理量。時(shí)間常數(shù)越大，充放物理量。時(shí)間常數(shù)越大，充放電過程越慢，反之亦然。圖電過程越慢，反之亦然。圖中中顯示了時(shí)間常數(shù)分別取不同值時(shí)顯示了時(shí)間常數(shù)分別取不同值時(shí)的的VC(t)t曲線。曲線。/(1), (0)( ), (0)0t RCCt RCEeforEVtEeforRC實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理RLC串聯(lián)電路的暫態(tài)過程串聯(lián)電路的暫態(tài)過程由電阻由電阻R、電感、電感L和電容和電容C組成的直流串聯(lián)

8、電路如圖所示。組成的直流串聯(lián)電路如圖所示。令令,稱為電路的阻尼系數(shù)，隨著阻尼系數(shù)稱為電路的阻尼系數(shù)，隨著阻尼系數(shù)的不同，其電路方程有三種不同的解。的不同，其電路方程有三種不同的解。當(dāng)方波為高電平時(shí)，可得到：當(dāng)方波為高電平時(shí)，可得到：（1）阻尼較小）阻尼較小 ，即，即 ，弱阻尼狀態(tài)，電容兩端電壓為：，弱阻尼狀態(tài)，電容兩端電壓為：可見，電容電壓呈現(xiàn)振蕩特性，由于電阻可見，電容電壓呈現(xiàn)振蕩特性，由于電阻R的作用，使振蕩幅度呈指數(shù)衰減，的作用，使振蕩幅度呈指數(shù)衰減，衰減的快慢由時(shí)間常數(shù)衰減的快慢由時(shí)間常數(shù)決定。這種情況稱為弱阻尼振蕩狀態(tài)。決定。這種情況稱為弱阻尼振蕩狀態(tài)。時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù) ，振蕩角頻率

9、，振蕩角頻率24( )1cos()4tCLVtEEetLR C2LR2114R CLLC1,24LRC實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理RLC串聯(lián)電路的暫態(tài)過程串聯(lián)電路的暫態(tài)過程（2） ，即，即 ，臨界阻尼狀態(tài)，此時(shí)：，臨界阻尼狀態(tài)，此時(shí)：上式表明，當(dāng)電阻值達(dá)到一定臨界值，使得上式表明，當(dāng)電阻值達(dá)到一定臨界值，使得 時(shí)，時(shí)， ,此時(shí)電路中各物理量的變化過程不再具有周期性，這便是臨界此時(shí)電路中各物理量的變化過程不再具有周期性，這便是臨界阻尼狀態(tài)。阻尼狀態(tài)。（3） 即即 ，過阻尼狀態(tài)，過阻尼狀態(tài)過阻尼狀態(tài)下的電容電壓變化如圖過阻尼狀態(tài)下的電容電壓變化如圖 中的虛線所示，它以緩慢中的虛線所示，它以緩慢單調(diào)的變化方式逐

10、漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。單調(diào)的變化方式逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。124LRC( )1 (1)tCtVtEe121104R CLLC124LRC實(shí)驗(yàn)步驟（一）實(shí)驗(yàn)步驟（一）信號(hào)參數(shù)測量信號(hào)參數(shù)測量（1）將信號(hào)發(fā)生器的）將信號(hào)發(fā)生器的“ch1電壓輸入電壓輸入”與示波器輸入通道與示波器輸入通道1相連。相連。（2）調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器，波形為正弦，頻率為）調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器，波形為正弦，頻率為500HZ，幅值，幅值5.00V。按下。按下 Autoset，調(diào)節(jié)水平部分標(biāo)度旋鈕，使示波器上顯示，調(diào)節(jié)水平部分標(biāo)度旋鈕，使示波器上顯示5個(gè)周期波形，按下個(gè)周期波形，按下 Measure，記錄信號(hào)各數(shù)據(jù)。，記錄信號(hào)各數(shù)據(jù)。（3）調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)

11、生器波形為脈沖，占空比為）調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器波形為脈沖，占空比為40%，頻率，頻率20HZ，幅值，幅值5.00V， 按下按下Autoset 調(diào)節(jié)水平部分標(biāo)度旋鈕，使示波器上顯示調(diào)節(jié)水平部分標(biāo)度旋鈕，使示波器上顯示5個(gè)周期波形，按下個(gè)周期波形，按下 Measure，記錄信號(hào)各數(shù)據(jù)。，記錄信號(hào)各數(shù)據(jù)。（4）選取）選取Autoset中僅顯示一個(gè)正頻，記錄正頻寬為中僅顯示一個(gè)正頻，記錄正頻寬為19.36ns19.51ns。（5）選取選取Autoset中僅顯示一個(gè)上升過程，記錄上升時(shí)間中僅顯示一個(gè)上升過程，記錄上升時(shí)間19.50ns20.50ns。實(shí)驗(yàn)步驟（二）實(shí)驗(yàn)步驟（二）觀察李薩如圖形觀察李薩如圖形（1

12、）將信號(hào)發(fā)生器的）將信號(hào)發(fā)生器的“ch1電壓輸出電壓輸出”與與“ch2電壓輸出電壓輸出”分別連接到示波分別連接到示波器器1、 2輸入通道。設(shè)置信號(hào)發(fā)生器輸出的兩信號(hào)均為正弦波，信號(hào)頻率輸入通道。設(shè)置信號(hào)發(fā)生器輸出的兩信號(hào)均為正弦波，信號(hào)頻率 為為1HZ,幅值幅值10.00V，相位，相位0。（2）調(diào)節(jié)）調(diào)節(jié)Display中格式為中格式為XY，按下，按下Autoset。（3）固定一信號(hào)，依次改變另一信號(hào)的頻率與相位，記錄數(shù)據(jù)。）固定一信號(hào)，依次改變另一信號(hào)的頻率與相位，記錄數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)步驟（三）實(shí)驗(yàn)步驟（三）測量測量RC串聯(lián)電路的暫態(tài)過程串聯(lián)電路的暫態(tài)過程（1）在電路板上選擇）在電路板上選擇R=1k

13、的電阻串聯(lián)，將其兩端分別連的電阻串聯(lián)，將其兩端分別連 接至信號(hào)發(fā)生器的接至信號(hào)發(fā)生器的“ch1電壓輸出電壓輸出”及示波器。及示波器。（2）調(diào)節(jié)）調(diào)節(jié)ch1輸出電壓，波形為方波，未能在示波器上觀察輸出電壓，波形為方波，未能在示波器上觀察 到期望中的波形，檢查實(shí)驗(yàn)裝置，初步判斷為示波器到期望中的波形，檢查實(shí)驗(yàn)裝置，初步判斷為示波器1 號(hào)輸入通道所連接電壓不應(yīng)為電路兩端電壓，而應(yīng)是電號(hào)輸入通道所連接電壓不應(yīng)為電路兩端電壓，而應(yīng)是電 容兩端電壓。容兩端電壓。（3）重新連接電路，調(diào)節(jié)方波頻率為）重新連接電路，調(diào)節(jié)方波頻率為2kHZ，調(diào)節(jié)探針測量，調(diào)節(jié)探針測量 電路半衰期，記錄探針數(shù)據(jù)。電路半衰期，記錄探

14、針數(shù)據(jù)。（4）將電阻換為）將電阻換為10k，調(diào)節(jié)方波頻率為，調(diào)節(jié)方波頻率為200HZ，重復(fù)試，重復(fù)試 驗(yàn)，記錄探針數(shù)據(jù)。驗(yàn)，記錄探針數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)步驟（四）實(shí)驗(yàn)步驟（四）RLC串聯(lián)電路的暫態(tài)過程串聯(lián)電路的暫態(tài)過程（1）將）將10電阻，電阻，330H電感線圈，電感線圈，0.047R電容串聯(lián)電容串聯(lián) ，電路兩端與，電路兩端與“ch1電壓輸出電壓輸出”相連，電壓輸出為相連，電壓輸出為1kHZ 方波方波,電容兩端與輸入通道電容兩端與輸入通道1相連。相連。（2）示波器顯示為臨界阻尼振蕩圖像，檢查實(shí)驗(yàn)裝置，判斷）示波器顯示為臨界阻尼振蕩圖像，檢查實(shí)驗(yàn)裝置，判斷 為電壓輸出線中紅黑接線柱接反，重新連接電路開始試

15、為電壓輸出線中紅黑接線柱接反，重新連接電路開始試 驗(yàn)。驗(yàn)。（3）調(diào)節(jié)）調(diào)節(jié)ch1輸出電壓頻率為輸出電壓頻率為5kHZ，得到周期變換函數(shù)如，得到周期變換函數(shù)如 圖中紅線，使用探針記錄阻尼振蕩周期數(shù)據(jù)。圖中紅線，使用探針記錄阻尼振蕩周期數(shù)據(jù)。（4）電阻換為）電阻換為10k，電壓頻率為，電壓頻率為100HZ，得到虛線圖像，得到虛線圖像數(shù)據(jù)記錄數(shù)據(jù)記錄實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)（1）（以上數(shù)據(jù)均為平均值）（以上數(shù)據(jù)均為平均值）數(shù)據(jù)記錄數(shù)據(jù)記錄實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)（2）數(shù)據(jù)記錄數(shù)據(jù)記錄實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)（3）R=1k（mv）（s）R=10k（mv）（s）數(shù)據(jù)記錄數(shù)據(jù)記錄實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)（4）（數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)5偏差過大，處理數(shù)據(jù)時(shí)舍去）偏差過大，處理數(shù)據(jù)時(shí)舍去）數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)（3）當(dāng)當(dāng)R=1k半衰期平均值半衰期平均值 t1=185.00/6=30.833s時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù) 1=t1/2=44.483s當(dāng)當(dāng)R=10k半衰期平均值半衰期平均值 t2=1980.0/6=330.00s時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù) 2=t2/2=476.09s結(jié)論結(jié)