示波器的原理與使用-實(shí)驗(yàn)報(bào)告(00002)

1、示波器的原理與使用 - 實(shí)驗(yàn)報(bào)告大學(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(hào)波形（ 3） 用示波器測(cè)量信號(hào)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(hào)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)原理和內(nèi)容：1. 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。- 2 - 3 -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

2、束在豎直方向上來回運(yùn)動(dòng)而形成一條亮線， 如左圖所示：如果在 Y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(dòng)，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：2. 掃描同步為了完整地顯示外界輸入信號(hào)的周期波形， 需要調(diào)節(jié)掃描周期使其與外界信號(hào)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(dòng)跟蹤外界信號(hào)變化， 從而穩(wěn)定地顯示波形。步驟與操作方法：1. 示波器測(cè)量信號(hào)的電壓和頻率對(duì)于一個(gè)穩(wěn)定顯示的正弦電壓波形，電壓和頻率- 4 -可以

3、由以下方法讀出U p pah ，f(bl ) 1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(hào)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 s/div ； l 為輸入信號(hào)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(dòng)垂直工作方式開關(guān)，選擇未知信號(hào)所在的通道。（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(duì)應(yīng)的微調(diào)開關(guān)，使未知信號(hào)圖形的高度和波形個(gè)數(shù)

4、便與測(cè)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(shí)驗(yàn)室提供的未知信號(hào)分別接到整流電路的 AB 端， CD 端送入示波器的 CH 1 或 CH 2 端。- 5 -（ 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(hào)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(cè)量信號(hào)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、Y 偏轉(zhuǎn)板上， 當(dāng)兩個(gè)正弦電壓的頻率相同或呈簡(jiǎn)單的整數(shù)比， 則屏上將顯示特殊形狀

5、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(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f y : f xnx : ny* 示波器和函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的操作原理略- 6 -數(shù)據(jù)記錄與處理 /結(jié)果與分析：1. 正弦信號(hào)電壓和頻率的測(cè)量：示波器計(jì)算結(jié)果Y 1 偏轉(zhuǎn)因數(shù)X 偏轉(zhuǎn)因數(shù)h/(div)l/(div)U p-p /VT/msf/Hza/(V/div)b/(ms/div)512.513162.53132.26實(shí)際電壓（最31.25信號(hào)頻率32.26大值） /V/Hz2. 正弦信號(hào)、半波整流信號(hào)、全波整流信號(hào)的圖形完整的正弦半波整流圖信號(hào)波形形全波整

6、流圖形3. 李薩如圖形測(cè)量正弦信號(hào)的頻率nx:n y1:11:22：33:22:1圖形形狀- 7 -fx/Hz160.5160.4160.5160.4160.1fy /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(hào)的頻率相配合時(shí)， 就能夠顯示輸入信號(hào)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(hào)， 它使電子束在水平方向上做簡(jiǎn)諧往

7、復(fù)運(yùn)動(dòng)， 與豎直方向的另一簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)單， 當(dāng)輸入的兩個(gè)同頻正弦信號(hào)相位差存在， 且大小在 + -之間時(shí)， 即可形成橢圓圖形。圓可以認(rèn)為是一種特殊條件下形成的橢圓圖形。當(dāng)輸入的兩個(gè)正弦信號(hào)頻率相同， 信號(hào)振幅相同， 且兩者的相位差為± /2 時(shí)， 李薩如圖形為圓形。（ 3） 實(shí)驗(yàn)中 Y 軸信號(hào)為已知正弦信號(hào)， X 軸為未- 8 -知信號(hào)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)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；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。（ 4） 試解釋全波整

8、流圖形存在水平片段的原因。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(duì)位置， 故對(duì)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(hào)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。原因可以認(rèn)為， 二極管的單向?qū)ㄗ饔貌皇墙^對(duì)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- 9 -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，故電壓也不為零， 由示波器顯

9、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。第二種理解方式：如右圖所示， 波形的形狀與實(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。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：當(dāng)加在二極管兩端的正向電壓很小時(shí)， 二極管仍-10-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。由此可以解釋實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象：當(dāng)?shù)谝粋€(gè)半周期內(nèi)末端，

10、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， 在示波器上表現(xiàn)為 X 軸上的直線；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(hào)呈正弦規(guī)律上升。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。（5）實(shí)驗(yàn)體會(huì)：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)-11-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(shí)到書本理論和實(shí)際操作存在的差距， 一方面也體會(huì)了示波器中所表現(xiàn)的將一些不可見的動(dòng)態(tài)量轉(zhuǎn)化為另一種量直觀地表現(xiàn)出來的方