示波器的原理與使用試驗(yàn)報(bào)告

1、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 1） 了解示波器的工作原理（2 2） 學(xué)習(xí)使用示波器觀察各種信號(hào)波形（3 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：Y Y B4320GB4320G 雙蹤示波器，EE1641BEE1641B 型函數(shù)信號(hào)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)原理和內(nèi)容：1.1. 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。電子槍的作用是釋放并加速電子束。 其中第一陽(yáng)極稱為聚焦陽(yáng)極， 第 二陽(yáng)極

2、稱為加速陽(yáng)極。 通過(guò)調(diào)節(jié)兩者的共同作用， 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 X、Y Y 兩對(duì)偏轉(zhuǎn)板組成，通過(guò)在板上加電壓來(lái)使電子束偏轉(zhuǎn)， 從而對(duì)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)光顏色與余輝時(shí)間都不同放大和衰減系統(tǒng)用于對(duì)不同大小的輸入信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)目s放， 使其幅 度適合于觀測(cè)。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(dòng)， 這一過(guò)程稱為掃描。 掃 描開(kāi)始的時(shí)間由觸發(fā)系統(tǒng)控制。2.2. 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 X

3、 偏轉(zhuǎn)板上五點(diǎn)也是， 電子束在豎 直方向上來(lái)回運(yùn)動(dòng)而形成一條亮線， 如左圖所示：如果在丫偏轉(zhuǎn)板和 X 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：3.3. 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：1.1. 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

4、示的正弦電壓波形， 電壓和頻率可以由以下方法讀出1Up pa h，f （b l）1其中 a 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(kāi)關(guān)上可以直接讀出）單位為 V/divV/div 或 mV/divmV/div ； h h 為輸入信號(hào)的峰- -峰高度，單 位divdiv ； b b 為掃描時(shí)間系數(shù)， 從主掃描時(shí)間系數(shù)選擇開(kāi)關(guān)上可以直接讀 出，單位 s/divs/div、ms/divms/div 或卩 s/divs/div ； l l 為輸入信號(hào)的單個(gè)周期寬度，單位 divdiv 。（1 1）打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)并切換到 DCDC 當(dāng)，撥動(dòng)垂直工作方式開(kāi)關(guān)，選擇未知 信號(hào)所在的通道。（

5、 2 2）通過(guò)調(diào)節(jié)“掃描時(shí)間系數(shù)選擇開(kāi)關(guān)”和“垂直偏轉(zhuǎn)系數(shù)開(kāi)關(guān)” ，以 及它們對(duì)應(yīng)的微調(diào)開(kāi)關(guān)，使未知信號(hào)圖形的高度和波形個(gè)數(shù)便與 測(cè)量。同時(shí)在開(kāi)關(guān)上讀出計(jì)算所需的 a a、 b b 值。（3 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 l 、 h h 值， 并記錄。2.2. 用示波器直接觀察半波和全波整流波形（1 1）將實(shí)驗(yàn)室提供的未知信號(hào)分別接到整流電路的ABAB 端，CDCD 端送入示波器的 CHCH1或 CHCH2端。（ 2 2） 通過(guò)調(diào)節(jié)“掃描時(shí)間系數(shù)選擇開(kāi)關(guān)”和“垂直偏轉(zhuǎn)系數(shù)開(kāi)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3.3. 李薩如圖形測(cè)量信號(hào)的頻

6、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 X、丫偏轉(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的軌跡， 這種軌跡稱為李薩如圖形。 李薩如圖形與 X X 軸和丫軸的最大交點(diǎn)數(shù) n nx與 n ny之比正好等于丫X X 端的輸入電壓頻率之比， 即示波器和函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的操作原理略數(shù)據(jù)記錄與處理/ /結(jié)果與分析: 1.1.正弦信號(hào)電壓和頻率的測(cè)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/Hz513131實(shí)際電壓（最大值）/V信號(hào)頻率/HZ2.2.正弦信號(hào)、半波

7、整流信號(hào)、全波整流信號(hào)的圖形3.3. 李薩如圖形測(cè)量正弦信號(hào)的頻率m:ny1:1122：33:22:1圖形形狀iE:1fx/Hzfy/HZ討論、建議與質(zhì)疑：（1 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 所完整的正弦信號(hào)波形半波整流圖形全波整流圖形使用的掃描電壓(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)諧往復(fù)運(yùn)動(dòng)， 與豎直方向的另 一簡(jiǎn)

8、諧運(yùn)動(dòng)相疊加后， 在熒光屏上形成李薩如圖形。2)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+ + n - - n 之間時(shí)， 即可形成橢圓圖形。3)3)圓可以認(rèn)為是一種特殊條件下形成的橢圓圖形。4)4)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 為士 n12時(shí)，李薩如圖形為圓形。(5)(5) 實(shí)驗(yàn)中丫軸信號(hào)為已知正弦信號(hào)，X X 軸為未知信號(hào)， 經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā) 現(xiàn)(6)(6) 當(dāng) f fy比 f 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)(7) 當(dāng) f fy比 f fx小很多時(shí)，熒光屏上顯示一條上下振蕩的水平線

9、段。8)8) 試解釋全波整流圖形存在水平片段的原因。9)9)個(gè)人認(rèn)為， 由于示波器上沒(méi)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：10)10)第一種理解方式：(16(16)(11(11)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(jiàn)實(shí)際波形下端未能達(dá)到 0 0，即負(fù)載端電壓 值在外部加載電壓換向時(shí)沒(méi)有達(dá)到最小。(12)(12)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(guò)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 0 的

10、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(13)(14(14)(13)(13)第二種理解方式：(17(17)如右圖所示， 波形的形狀與實(shí)際可見(jiàn)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。(18)(18)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：(19)(19)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(guò)二極管的正向電流十分微弱。只有當(dāng)正

11、向電壓達(dá)到某一數(shù)值(這一 數(shù)值稱為“門(mén)檻電壓”，鍺管約為，硅管約為)以后，二極管才能直 正導(dǎo)通。(20)(20)由此可以解釋實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象：(21)(21)當(dāng)?shù)谝粋€(gè)半周期內(nèi)末端， 電壓下降到門(mén)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 X 軸上的直線；(22)(22)當(dāng)電壓進(jìn)入第二個(gè)半周期時(shí)，電壓由零開(kāi)始重新上升， 但尚未達(dá)到門(mén)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(mén)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。(23)(23)綜合以上兩個(gè)短暫過(guò)程來(lái)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。2424)25)25)實(shí)驗(yàn)體會(huì)：26)26)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(guò)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(shū)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(jiàn)的動(dòng)態(tài)量轉(zhuǎn)化為