大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)示波器實(shí)驗(yàn)報(bào)告示波器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)示波器實(shí)驗(yàn)報(bào)告示波器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 告 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 第 四 周星期 二 下午 一 點(diǎn)開始 【 實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?1、 了解示波器的結(jié)構(gòu)與工作原理,熟悉示波器與信號(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)的波形與測(cè)量電壓、周期及頻率值。 3、 通過觀察李沙如圖形,學(xué)會(huì)一種測(cè)量正弦波信號(hào)頻率的方法。 【 實(shí)驗(yàn)儀器】 VD4322B 型雙蹤示波器

2、、EM1643 型信號(hào)發(fā)生器、連接線及小喇叭等 17 1 2 4 14 15 16 圖 8-2 VD4322 型雙蹤示波器板面圖 1 1、電源開關(guān) 2 2、電源指示燈 3 3、聚焦旋鈕 4 4、亮度調(diào)節(jié)旋鈕 5 5、Y1(X)信號(hào)輸入口 6 6、Y2 信號(hào)輸入口 7 7 、8 8、入耦合開關(guān)(AC-GND-DC)9 9、 10、垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)選擇開關(guān)(V/格) 11、1Y 位移旋鈕 12 、2Y 位移旋鈕 13 、工作方式選擇開關(guān)(1Y 、2Y 、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)及簡單

3、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)放大器與衰減器(3)掃描發(fā)生器;(4)觸發(fā)同步電路;(5)電源。下面分別加以簡單說明。 1 1、 、 示波管 示波管主要包括電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)與熒光屏三部分,全都密封在玻璃外殼內(nèi),里面抽成高真空。如圖 8-4所示,下面分別說明各部分熒 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 Y X H K G A 1 A 2 電子槍 圖 8-3 電路結(jié)構(gòu)圖 電源 Y X 圖 8-4 示波管示意圖 的作用。 (1)熒光屏:它就是示波器的顯示部分

4、,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、第一陽極 A 1 、第二陽極 A 2 五部分組成。燈絲通電后加熱陰極。陰極就是一個(gè)表面涂有氧化物的金屬筒,被加熱后發(fā)射電子?？刂茤艠O就是一個(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)射出來的電子起控制作用,只有初速度較大的電子才能穿過柵極頂端的小孔然后在陽極加速下奔向熒光屏。示波器面板上的“亮度”調(diào)整就就是通過調(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。陽極

5、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、第一陽極、第二陽極之間的電位調(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,所以第一陽極也稱聚焦陽極。第二陽極電位更高,又稱加速陽極。面板上的“聚焦”調(diào)節(jié),就就是調(diào)第一陽極電位,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)際就是調(diào)節(jié)第二陽極電位。 (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

6、電壓的測(cè)量轉(zhuǎn)化為屏上光點(diǎn)偏移距離的測(cè)量,這就就是示波器測(cè)量電壓的原理。 2 、信號(hào)放大器與衰減器 示波管本身相當(dāng)于一個(gè)多量程電壓表,這一作用就是靠信號(hào)放大器與衰減器實(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。衰減器的作用就是使過大的輸入信號(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)一般示波器來說,X 軸與 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

7、電路,用來產(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)就是示波器顯示被測(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 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回運(yùn)動(dòng),如果電壓頻率較高,則瞧到的就是一條豎直亮線,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

8、描電壓的特點(diǎn)就是電壓隨時(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,則熒光屏上只顯示一0 t U x 圖 8-5 鋸齒波 t 0 U y 圖8-6正弦波 條水平亮線。 如果在豎直偏轉(zhuǎn)板上(簡稱Y軸)加正弦電壓,同時(shí)在水平偏轉(zhuǎn)板上(簡稱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 如果正弦波與鋸齒波電壓的周期

9、稍微不同,屏上出現(xiàn)的就是一移動(dòng)著的不穩(wěn)定圖形。這種情形可用圖 8-7 說明。設(shè)鋸齒波電壓的周期 T x 比正弦波電壓周期 T y 稍小,比方說 T x /T y =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 T x 比 T y 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程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)。其原因就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

10、造成的。為了使屏上的圖形穩(wěn)定,必須使T x /T y =n(n1,2,3,),n 就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,用來調(diào)節(jié)鋸齒波電壓的周期 T x (或頻率 f x ),使之與被測(cè)信號(hào)的周期 T y (或頻率 f y )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)部的鋸齒波電壓就是互相獨(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),雖然可通過調(diào)節(jié)掃描旋鈕將周期調(diào)到整數(shù)倍的關(guān)系,但過一會(huì)兒又變了,波形又移動(dòng)起來。在觀察高頻信號(hào)時(shí)這種問

11、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1Y 或2Y 端接入加到 Y 偏轉(zhuǎn)板,X 偏轉(zhuǎn)板加上掃描電壓信號(hào),調(diào)節(jié)輝度旋圖 8-7 不同步時(shí)波形 T y T x 3 U y t 1 2 4 5 7 6 9 10 11 12 8 0 1 6 9 2 5 4 7 10 4,11 8 8 3 0 U x t T x =T y 鈕、聚集旋鈕、x、y 位

12、移旋鈕,調(diào)節(jié)電壓偏轉(zhuǎn)因數(shù)旋鈕與掃描時(shí)間旋鈕,再調(diào)節(jié)同步觸發(fā)電平旋鈕,即瞧到待觀察信號(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 ( )yU t yk ? (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;yk 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)的原理就是頻率與周期成倒數(shù)關(guān)系: Tf1? (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

13、求得 T t x ? ? (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 設(shè)將 頻率 率 f y 的電壓 U y 與率 已知頻率 f x 的電壓 U x (均為正弦電壓),分別送到示波器的 Y 軸與 X 軸,則由于兩個(gè)電壓的頻率、振幅與相位的不同,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: yxxyNNf Xf Y點(diǎn)數(shù) 垂直直線與圖形相交的點(diǎn)數(shù) 水平直線與圖形相交的軸電壓的頻率 加在軸電壓的頻率 加在? 1:1 1:2 1:3 2:3 頻率比 相位差角 0 14? 12? 34? ? 圖 8-8 李莎如圖 所以頻率 xyxyfNNf ?