大學(xué)物理-示波器的原理與使用 實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、大連理工大學(xué)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告院（系）材料學(xué)院專(zhuān)業(yè)班級(jí)姓名學(xué)號(hào)實(shí)驗(yàn)臺(tái)號(hào)實(shí)驗(yàn)名稱示波器的原理與使用實(shí)驗(yàn)時(shí)間年月日，第周，星期第節(jié)教師評(píng)語(yǔ)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。-4-電子槍的作用是釋放并加速電子束。其中第一陽(yáng)極

2、稱為聚焦陽(yáng)極，第二陽(yáng)極稱為加速陽(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、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. 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偏轉(zhuǎn)板上五點(diǎn)也是，電子束

3、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：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. 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，電壓和頻率可以由以下方法讀出U=axh，f=（

4、bxl）-ip-p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(kāi)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(kāi)關(guān)上可以直接讀出，單位s/div、ms/div或us/div；l為輸入信號(hào)的單個(gè)周期寬度，單位div。(1) 打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)并切換到DC檔，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。(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、b值。(3) 調(diào)節(jié)“垂直位移”與“水平位移”旋鈕，利

5、用熒光屏上的刻度讀取1、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或CH2端。0-(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. 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xy率之比，即*示波器和函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的操作

6、原理略數(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+I-1?完整的正弦信號(hào)波形Ii半波整流圖形I全波整流圖形示波器計(jì)算結(jié)果Y偏轉(zhuǎn)因數(shù)a/(V/div)h/(div)X偏轉(zhuǎn)因數(shù)b/(ms/div)l/(div)U/VP-PT/msf/Hz512.513162.53132.26實(shí)際電壓（最大值）/V31.25信號(hào)頻率/Hz32.262.正弦信號(hào)、半波整流信號(hào)、全波整流信號(hào)的圖形3.李薩如圖形測(cè)量正弦信號(hào)的頻率n:nxy1:11:22：33:22:1圖形形狀_L_r-I-If/Hzx160.5160.4160.5160.4160.1f/Hzy160.580.2107.0240.6320.

7、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+n-n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)

8、頻率相同，信號(hào)振幅相同，且兩者的相位差為土n/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軸為未知信號(hào)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)f比f(wàn)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；yx當(dāng)f比f(wàn)小很多時(shí)，熒光屏上顯示一條上下振蕩的水平線段。yx(4) 試解釋全波整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(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：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(jiàn)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(méi)有達(dá)到最小。原因可以認(rèn)為，二極

9、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。-7-第二種理解方式: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。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

10、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)正向電壓達(dá)到某一數(shù)值（這一數(shù)值稱為n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，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(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。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。（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)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