實驗12示波器的使用

1、大學物理實驗教案實驗名稱：示波器的使用1 實驗目的（1）了解示波器的結(jié)構(gòu)和工作原理，初步掌握示波器的使用方法。（2）觀察正弦波和李薩如圖形，測量電信號頻率值。2 實驗儀器 陰極射線示波器 （ST16B） 、低頻信號發(fā)生器（ DF1027B）、電信號源 （頻率取 1KHZ 或 1.2KHZ） 。3 實驗原理示波器是一種能把隨時間變化的電壓用圖象顯示出來的電子測量儀器，利用它可展現(xiàn)交流電壓隨時間變化的波形，可以測量頻率、相位、幅度等。利用換能器，還可以將非電學 量轉(zhuǎn)換成電學量進行測量。示波器主要由示波管、 Y 軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、 X軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、掃描與同步電路、 電源等幾大部分組成。 理論和實踐

2、證明示波管熒光屏上光點偏離中心的距 離與示波管偏轉(zhuǎn)板上所加電壓的大小成正比，如垂直偏轉(zhuǎn)板上加電壓U y ，光點偏離中心的距離為 Y ，則：Y AyU y1）AAy 稱為垂直偏轉(zhuǎn)板的偏轉(zhuǎn)靈敏度，表示每伏電壓所引起光點偏離屏中心的距離。對于一般示波器 Ay =0.1 1.0mm/v（示波器 ST16B輸入靈敏度： 0.5Vp-p/div ）。若已知 Ay，從熒光屏上量出光點偏離中心距離值 Y ，即可求得值 U y。1）波形形成原理假如 Y 偏轉(zhuǎn)板加上隨時間作正弦變化的電壓 電壓 , 此時熒光屏上觀察到光點只沿 Y軸方向移動Uy U0sin t，X 軸偏轉(zhuǎn)板沒有加任何, 移動的距離正比于 U y ,

3、 按正弦變化 , 我們可在熒光屏上看到一條 Y 軸方向的線段。為了觀察正弦電壓的波形， Y 偏轉(zhuǎn)板上加正弦電壓的同時 , 必須在 X 軸偏轉(zhuǎn)板上加與時 間成正比的電壓 （ Ux Kt ）, 光點將沿 X 軸方向拉開 , 熒光屏光點的橫向偏離大小與時間成 正比,常稱此為時間基線 .這樣在 Y軸偏轉(zhuǎn)板加上任意時間變化的電壓就可在X方向（時基線）展現(xiàn)出其隨時間變化的波形。為了重復觀察波形，要求“ X”偏轉(zhuǎn)板的電壓從零開始隨時間成正比增長到一定值后,突然變?yōu)榱?, 然后再重復前過程 . 在這種鋸齒波電壓作用下光點在水平軸上由左端移動到右 端的現(xiàn)象稱為掃描 , 鋸齒波電壓稱為掃描電壓 , 它是由示波器內(nèi)

4、的掃描發(fā)生器產(chǎn)生的, 掃描發(fā)TIME/DIV 鈕調(diào)節(jié)。（掃描生器包括掃描閘門、受控恒流源及釋抑電路等組成。掃描時間由電壓也可以由機外的掃描發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖電壓提供）為了使熒光屏上的圖形穩(wěn)定， 要求周期性反復掃描， 而且每次掃描圖形要和上次掃描圖 形相吻合，這就要求掃描電壓起點始終和被觀察信號每周期的某一確定點（時刻）相對應， 這種掃描電壓與被觀察信號電壓的時間關(guān)系稱為同步。為了實現(xiàn)“同步”，在掃描電壓發(fā)生 器上加一定的同步觸發(fā)信號， 迫使其同步。 同步信號源有三種： 直接取被觀察信號的一部分 （示波器內(nèi)部完成） 稱為“內(nèi)同步” ；第二種同步信號是從示波器以外獲得， 同步信號從 “ X” 外接端

5、口輸入。這種方法稱“外同步”；第三種示波器電源獲得稱電源同步。一般情況采用 內(nèi)同步，觸發(fā)方式選“自動 auto ”。2）李薩如圖形和電信號頻率的測定兩個同頻的正弦電壓分別加在水平（此時，掃描發(fā)生器無效）和垂直偏轉(zhuǎn)板上，在屏上word 文檔 可自由復制編輯形成的波形形狀隨兩個信號的振幅和相位 不同而異， 如下圖所示， 這種圖形稱為李薩如 圖形。如果 X、Y 偏轉(zhuǎn)板上同時加上不同頻率的兩個正弦信號，其頻率之比為整數(shù)比時，如2）式所示，則在屏上也會顯示出復雜而穩(wěn)定的李薩如圖形。fyfxfyfxfyfxfyfxfx表示加在“ x”偏轉(zhuǎn)板上的信號 Ux的頻率， fy 表示加在“ y”偏轉(zhuǎn)板上的信號 Uy

6、的 頻率， m、 n為整數(shù)。實驗上可以通過觀察李薩如圖形來測量某個信號的頻率或兩個信號之間的相位之差。 如 用李薩如圖形測頻率時， 在圖形外周引水平和垂直切線， 而水平、 垂直線與圖形切點的數(shù)目 分別為 m和 n，如果 fy （或 fx ）的值已知，又從圖形中得出 m、n 值，那另一信號的未知 fx （或 fy ）就可求得。4 教學內(nèi)容（ 1 ）觀察掃描線（即時基線） 開機后，電源指示燈亮，一般屏上將出現(xiàn)亮點或亮線，若無亮點或亮線出現(xiàn)，先把 “輝度”旋鈕旋大一些， “ X軸位移”和“ Y 軸位移”旋鈕調(diào)在中間， Y 軸耦合方式開關(guān) 撥到 “”接地 ,Y 信號對地短接。觸發(fā)方式開關(guān)置“自動”，光

7、屏上應有亮線。把亮 線調(diào)在屏上中央，再調(diào)“聚焦”旋鈕，使屏幕亮線最細。（2）觀察和描繪信號源電壓波形1）用示波器 10：1 衰減或 BNC（不帶衰減器 ） 探極旋入儀器 Y 軸輸入插座。2）Y 軸耦合方式開關(guān)應置 AC或 DC檔。3）根據(jù)輸入信號的大小，選擇“ Y 軸衰減 VOLTS/DIV”和調(diào)節(jié)“ Y軸增益”使屏幕上 顯示的信號圖形大小適中。 （以 Y軸方向上下各 3格，共 6格較適宜 ）4）觸發(fā)方式：選擇“自動”檔。5）觸發(fā)源：選擇“內(nèi)觸發(fā)”。6）探極接到被測電信號源，調(diào)節(jié)示波器各旋鈕，使屏幕顯示周期數(shù)為3 的穩(wěn)定正弦波形，設計表格并把波形描繪下來。（3）觀察低頻信號發(fā)生器輸出波形1）把

8、信號發(fā)生器的輸出電壓接到示波器的Y輸入端，輸出電壓調(diào)到 1 伏。2）選擇適當?shù)?Y 衰減數(shù)值并調(diào)節(jié)增益微調(diào)選鈕使屏幕上波形幅度適中。3）信號發(fā)生器輸出頻率分別調(diào)到 60Hz、700Hz、5KHz，選擇適當?shù)膾呙钑r間 TIME/DIV 檔，調(diào)節(jié)掃描時間微調(diào)使屏幕上出現(xiàn)周期數(shù)為3 的穩(wěn)定波形。設計表格并記錄波形圖，記下各波形對應掃描時間 TIME/DIV 檔。（ 4）觀察李薩如圖形及測量電信號頻率1）“ Y軸輸入”接電信號源。2）“ X軸輸入”接低頻發(fā)生器的電壓輸出（不能接同步輸出）。注意探極衰減開關(guān)。（可置 20dB 檔）3）選擇低頻信號發(fā)生器的“頻率倍乘”按鍵；調(diào)節(jié)“頻率調(diào)節(jié)”旋鈕；調(diào)節(jié)頻率

9、微調(diào)電位器； 使熒光屏上能夠出現(xiàn)如表 3 中的李薩如圖形 （圖形要穩(wěn)定、 清晰）。 并設計表格分別記錄低頻信號發(fā)生器數(shù)字顯示屏的頻率值，作李薩如圖形的水 平切線和垂直切線，記錄水平切點數(shù)m和垂直切點數(shù) n（m、 n 為自然數(shù)），求word 文檔 可自由復制編輯出其所對應的電信號頻率大小。Fy m Fx （Hz）n4）計算 Fy和不確定度 , 寫出 Fy結(jié)果表達式。5 實驗教學組織及教學要求（ 1）教學組織1）檢查學生預習實驗報告， 同時給學生 5-10 分鐘時間熟悉儀器， 對本實驗有一定的感性 認識。2）講解實驗要點及注意事項，同時以提問的方式檢查學生的預習情況，加深學生對實驗原理的理解。3）

10、隨時注意學生的實驗操作過程，及時指導解決學生實驗中出現(xiàn)的突發(fā)情況。4）檢查每個學生的實驗數(shù)據(jù)，記錄實驗情況。（2）教學要求1）了解示波器的結(jié)構(gòu)和工作原理，初步掌握示波器的使用方法。2）學會觀察正弦波和李薩如圖形，并能利用李薩如圖形測量電信號頻率值。6 實驗教學重點及難點1）重點： 示波器的結(jié)構(gòu)和工作原理及使用方法。2）難點： 在示波器屏上調(diào)出較穩(wěn)定的李薩如圖形及測量電信號頻率值。7 實驗中容易出現(xiàn)的問題1） 開機后，示波器屏上無亮點或亮線。2） 熒光屏的亮點不可太強， 并且不可固定在熒光屏上一點過久， 以免燒壞熒光屏。3）示波器使用過程中，信號波形不穩(wěn)定，圖形大小不適中。4）低頻信號發(fā)生器使用

11、不正確造成的波形不穩(wěn)定。8 實驗參考數(shù)據(jù)電壓信號頻率 f （HZ）波形圖1000掃描時間 （TIME/DIV） 周期數(shù)1）觀察和描繪未知信號電源電壓波形1/22.0121.0061/33.0171.00612000.1ms 0.2ms3T2） 觀察低頻信號發(fā)生器輸出波形低頻信號頻率 f （ HZ）波形圖掃描時間 (TIME/DIV)周期數(shù)602ms、 5ms（有些不可）3T7000.2ms3T500020 s、 50s3T0.1ms 0.2ms3T3） 觀察李薩如圖形及測量電信號頻率李薩如圖形M/nFx(KHZ)Fy(KHZ)2/10.5031.0061/11.0061.006word 文檔

12、可自由復制編輯注： 調(diào)李薩如圖形以先調(diào)出橢圓，確定其頻率，再調(diào)其它圖形為好。4）測量電信號頻率的數(shù)據(jù)處理及有關(guān)公式計算 Fy1及 Fy1的不確定度，寫出 Fy1的結(jié)果表達式： （以 Fx=0.503KHZ為例）m根據(jù)公式 F y= n Fx求出 Fy1=1.006KHZm計算 Fy1 的不確定度 UFx1= 3 =0.0029 (m=示值× 1% =Fx1×1% =0.00503 )UFy1= n UFx1=0.0058U Fy 1 相對不確定度 EFy1= F y1 × 100%=0.58%F y1 的結(jié)果表達式 F y1 =Fy1 UFy1=（1.006 0.006）KHZ（ P= 0.683 ）EFy1= 0.6% 同理可計算出 Fy2 、 Fy3 、 Fy4 ，并寫出結(jié)果表達式9 實驗結(jié)果檢查方法根據(jù)李薩如圖形測量出的 Fy 值誤差不超過 5HZ，一般不超過2HZ。10 課堂實驗預習檢查題目1） 示波器使用過程中，常發(fā)現(xiàn)信號波形不穩(wěn)定，此時應如何調(diào)節(jié)？2） 觀察電信號頻率和李薩如圖形時 , “觸發(fā)方式”開關(guān)如何放置 ?在什么情況下 , 掃描 時間 TIME/DIV 、觸發(fā)極性、觸發(fā)源選擇開關(guān)才起作用 ?3）隨著被測量信號頻率的升高，示波器掃描時間如何變化？掃描檔級（速度檔、單位 檔）如何調(diào)節(jié)？若被測信號頻率 f=10KHz，掃描檔級應置何