大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)示波器實(shí)驗(yàn)報(bào)告.doc

南昌大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告 課程名稱： 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)名稱： 數(shù)字示波器的使用學(xué)院： 信息工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 測(cè)控技術(shù)儀器152班 學(xué)生姓名： 王家楨 學(xué)號(hào)： 5801215028 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)： B211 座位號(hào)：14 實(shí)驗(yàn)時(shí)間： 第四周星期二下午一點(diǎn)開始 【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、 了解示波器的結(jié)構(gòu)和工作原理，熟悉示波器和信號(hào)發(fā)生器的基本使用方法。2、 學(xué)習(xí)用示波器觀察電信號(hào)的波形和測(cè)量電壓、周期及頻率值。3、 通過(guò)觀察李沙如圖形，學(xué)會(huì)一種測(cè)量正弦波信號(hào)頻率的方法?！緦?shí)驗(yàn)儀器】VD4322B型雙蹤示波器、EM1643型信號(hào)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(guān) 2、電源指示燈3、聚焦旋鈕4、亮度調(diào)節(jié)旋鈕5、Y1(X)信號(hào)輸入口6、Y2信號(hào)輸入口7、8、入耦合開關(guān)（AC-GND-DC）9、10、垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)選擇開關(guān)（V/格）11、位移旋鈕12、位移旋鈕13、工作方式選擇開關(guān)（、交替、斷續(xù)）14、掃描速度（時(shí)間/格）選擇開關(guān)15、掃描微調(diào)控制旋鈕16、水平位移旋鈕17、電平調(diào)節(jié)旋鈕【實(shí)驗(yàn)原理】一、示波器的結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)單工作原理示波器一般由5個(gè)部分組成，如圖8-3所示：（1）示波管；(2)信號(hào)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(jiǎn)單說(shuō)明。熒 光屏內(nèi)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三部分，全都密封在玻璃外殼內(nèi)，里面抽成高真空。如圖8-4所示，下面分別說(shuō)明各部分的作用。（1）熒光屏：它是示波器的顯示部分，當(dāng)加速聚焦后的電子打到熒光上時(shí)，屏上所涂的熒光物質(zhì)就會(huì)發(fā)光，從而顯示出電子束的位置。當(dāng)電子停止作用后，熒光劑的發(fā)光需經(jīng)一定時(shí)間才會(huì)停止，稱為余輝效應(yīng)。（2）電子槍：由燈絲H、陰極K、控制柵極G、第一陽(yáng)極A1、第二陽(yáng)極A2五部分組成。燈絲通電后加熱陰極。陰極是一個(gè)表面涂有氧化物的金屬筒，被加熱后發(fā)射電子。控制柵極是一個(gè)頂端有小孔的圓筒，套在陰極外面。它的電位比陰極低，對(duì)陰極發(fā)射出來(lái)的電子起控制作用，只有初速度較大的電子才能穿過(guò)柵極頂端的小孔然后在陽(yáng)極加速下奔向熒光屏。示波器面板上的“亮度”調(diào)整就是通過(guò)調(diào)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(yáng)極電位比陰極電位高很多，電子被它們之間的電場(chǎng)加速形成射線。當(dāng)控制柵極、第一陽(yáng)極、第二陽(yáng)極之間的電位調(diào)節(jié)合適時(shí)，電子槍內(nèi)的電場(chǎng)對(duì)電子射線有聚焦作用，所以第一陽(yáng)極也稱聚焦陽(yáng)極。第二陽(yáng)極電位更高，又稱加速陽(yáng)極。面板上的“聚焦”調(diào)節(jié)，就是調(diào)第一陽(yáng)極電位，使熒光屏上的光斑成為明亮、清晰的小圓點(diǎn)。有的示波器還有“輔助聚焦”，實(shí)際是調(diào)節(jié)第二陽(yáng)極電位。（3）偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)：它由兩對(duì)相互垂直的偏轉(zhuǎn)板組成，一對(duì)垂直偏轉(zhuǎn)板Y，一對(duì)水平偏轉(zhuǎn)板X。在偏轉(zhuǎn)板上加以適當(dāng)電壓，電子束通過(guò)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，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(diǎn)在熒光屏上偏移的距離與偏轉(zhuǎn)板上所加的電壓成正比，因而可將電壓的測(cè)量轉(zhuǎn)化為屏上光點(diǎn)偏移距離的測(cè)量，這就是示波器測(cè)量電壓的原理。2、信號(hào)放大器和衰減器0tUx圖8-5 鋸齒波示波管本身相當(dāng)于一個(gè)多量程電壓表，這一作用是靠信號(hào)放大器和衰減器實(shí)現(xiàn)的。由于示波管本身的X及Y軸偏轉(zhuǎn)板的靈敏度不高（約0.11mm/V），當(dāng)加在偏轉(zhuǎn)板的信號(hào)過(guò)小時(shí)，要預(yù)先將小的信號(hào)電壓加以放大后再加到偏轉(zhuǎn)板上。為此設(shè)置X軸及Y軸電壓放大器。衰減器的作用是使過(guò)大的輸入信號(hào)電壓變小以適應(yīng)放大器的要求，否則放大器不能正常工作，使輸入信號(hào)發(fā)生畸變，甚至使儀器受損。對(duì)一般示波器來(lái)說(shuō)，X軸和Y軸都設(shè)置有衰減器，以滿足各種測(cè)量的需要。3、掃描系統(tǒng)（掃描發(fā)生器）掃描系統(tǒng)也稱時(shí)基電路，用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間作線性變化的掃描電壓，這種掃描電壓隨時(shí)間變化的關(guān)系如同鋸齒，故稱鋸齒波電壓，如圖8-5所示，這個(gè)電壓經(jīng)X軸放大器放大后加到示波管的水平偏轉(zhuǎn)板上，使電子束產(chǎn)生水平掃描。這樣，屏上的水平坐標(biāo)變成時(shí)間坐標(biāo)，Y軸輸入的被測(cè)信號(hào)波形就可以在時(shí)間軸上展開。掃描系統(tǒng)是示波器顯示被測(cè)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(zhuǎn)板上加一交變的正弦電壓，則電子束的亮點(diǎn)將隨電壓的變化在豎直方向來(lái)回運(yùn)動(dòng)，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(shí)在水平偏轉(zhuǎn)板上加一掃描電壓，使電子束的亮點(diǎn)沿水平方向拉開。這種掃描電壓的特點(diǎn)是電壓隨時(shí)間成線性關(guān)系增加到最大值，最后突然回到最小，此后再重復(fù)地變化。這種掃描電壓即前面所說(shuō)的“鋸齒波電壓”，如圖8-5所示。當(dāng)只有鋸齒波電壓加在水平偏轉(zhuǎn)板上時(shí)，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(zhuǎn)板上（簡(jiǎn)稱Y軸）加正弦電壓，同時(shí)在水平偏轉(zhuǎn)板上（簡(jiǎn)稱X軸）加鋸齒波電壓，電子受豎直、水平兩個(gè)方向的力的作用，電子的運(yùn)動(dòng)就是兩相互垂直的運(yùn)動(dòng)的合成。當(dāng)鋸齒波電壓比正弦電壓變化周期稍大時(shí)，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(shí)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(xiàn)的是一移動(dòng)著的不穩(wěn)定圖形。這種情形可用圖8-7說(shuō)明。設(shè)鋸齒波電壓的周期Tx比正弦波電壓周期Ty稍小，比方說(shuō)Tx/Ty=7/8。在第一掃描周期內(nèi)，屏上顯示正弦信號(hào)04點(diǎn)之間的曲線段；在第二周期內(nèi)，顯示48點(diǎn)之間的曲線段，起點(diǎn)在4處；第三周期內(nèi)，顯示811點(diǎn)之間的曲線段，起點(diǎn)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(dòng)。同理，如果Tx比Ty稍大，則好象在向左移動(dòng)。以上描述的情況在示波器使用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)。其原因是掃描電壓的周期與被測(cè)信號(hào)的周期不相等或不成整數(shù)倍，以致每次掃描開始時(shí)波形曲線上的起點(diǎn)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(gè)數(shù)。為了獲得一定數(shù)量的波形，示波器上設(shè)有“掃描時(shí)間”（或“掃描范圍”）、“掃描微調(diào)”旋鈕，用來(lái)調(diào)節(jié)鋸齒波電壓的周期Tx（或頻率fx），使之與被測(cè)信號(hào)的周期Ty（或頻率fy）成合適的關(guān)系，從而在示波器屏上得到所需數(shù)目的完整的被測(cè)波形。輸入Y軸的被測(cè)信號(hào)與示波器內(nèi)部的鋸齒波電壓是互相獨(dú)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(shí)，雖然可通過(guò)調(diào)節(jié)掃描旋鈕將周期調(diào)到整數(shù)倍的關(guān)系，但過(guò)一會(huì)兒又變了，波形又移動(dòng)起來(lái)。在觀察高頻信號(hào)時(shí)這種問題尤為突出。為此示波器內(nèi)裝有掃描同步裝置，讓鋸齒波電壓的掃描起點(diǎn)自動(dòng)跟著被測(cè)信號(hào)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(hào)同步，因此設(shè)有“觸發(fā)選擇”鍵，可選擇外觸發(fā)工作狀態(tài)，相應(yīng)設(shè)有“外觸發(fā)”信號(hào)輸入端。四、 示波器的應(yīng)用1、示波器觀察電信號(hào)波形。將待觀察信號(hào)從或端接入加到Y(jié)偏轉(zhuǎn)板，X偏轉(zhuǎn)板加上掃描電壓信號(hào)，調(diào)節(jié)輝度旋鈕、聚集旋鈕、x、y位移旋鈕,調(diào)節(jié)電壓偏轉(zhuǎn)因數(shù)旋鈕和掃描時(shí)間旋鈕，再調(diào)節(jié)同步觸發(fā)電平旋鈕，即看到待觀察信號(hào)波形。2、測(cè)量電壓利用示波器可以方便測(cè)出電壓值，實(shí)際上示波器所做的任何測(cè)量都?xì)w結(jié)為電壓的測(cè)量。其原理基于被測(cè)量的電壓使電子束產(chǎn)生與之成正比的偏轉(zhuǎn)。計(jì)算公式為 （8-1）式中，y為電子束沿y軸方向的偏轉(zhuǎn)量，用格數(shù)（DIV）表示；為示波器y軸的電壓偏轉(zhuǎn)因數(shù)（V/DIV）即（伏/格）。3、測(cè)量頻率（1）周期換算法周期換算法所依據(jù)的原理是頻率與周期成倒數(shù)關(guān)系： (8-2）信號(hào)的周期可以用掃描速度值乘以被測(cè)信號(hào)波形的又一個(gè)周期在熒光屏上的水平偏轉(zhuǎn)距離而求得（T=掃描速度一個(gè)周期水平距離），故信號(hào)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(shè)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(gè)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(dāng)兩電壓的頻率成簡(jiǎn)單整數(shù)比時(shí)，將出現(xiàn)穩(wěn)定的封閉曲線，稱為李薩如圖形。根據(jù)這個(gè)圖形可以確定兩電壓的頻率比，從而確定待測(cè)頻率的大小。圖8列出各種不同的頻率比在不同相位差時(shí)的李薩如圖形，不難 得出：所以未知頻率 （8-