華中科技大學(xué)示波器實(shí)驗(yàn)

示波器的使用班級(jí)：學(xué)生：學(xué)號(hào)：論文內(nèi)容實(shí)驗(yàn)?zāi)康膬x器介紹實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)步驟數(shù)據(jù)記錄數(shù)據(jù)處理問題討論實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆諗?shù)字存儲(chǔ)示波器和函數(shù)信號(hào)發(fā)生器基本使用方法；研究RC和RLC串聯(lián)電路的暫態(tài)過程，加深對(duì)電阻、電容、電感特性的理解，理解阻尼振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。儀器介紹函數(shù)信號(hào)發(fā)生器（ch1、ch2電壓輸出數(shù)字儲(chǔ)存示波器（Autoset自動(dòng)設(shè)置Measure數(shù)據(jù)測(cè)量Cursor探針Display顯示格式）實(shí)驗(yàn)原理——數(shù)字儲(chǔ)存示波器原理一個(gè)典型的數(shù)字存儲(chǔ)示波器原理框圖如圖所示，模擬輸入信號(hào)先適當(dāng)?shù)胤糯蠡蛩p，然后再進(jìn)行數(shù)字化處理。數(shù)字化包括“取樣”和“量化”兩個(gè)過程，取樣是獲得模擬輸入信號(hào)的離散值，而量化則是使每個(gè)取樣的離散值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字，最后，數(shù)字化的信號(hào)在邏輯控制電路的控制下依次寫入到RAM（存儲(chǔ)器）中，CPU從存儲(chǔ)器中依次把數(shù)字信號(hào)讀出并在顯示屏上顯示相應(yīng)的信號(hào)波形。GPIB為通用接口總線系統(tǒng)，通過它可以程控?cái)?shù)字存儲(chǔ)示波器的工作狀態(tài)，并且使內(nèi)部存儲(chǔ)器和外部存儲(chǔ)器交換數(shù)據(jù)成為可能。由此可見，數(shù)字示波器必須要完成波形的取樣、存儲(chǔ)和波形的顯示，另外為了滿足一般應(yīng)用的需求，幾乎所有微機(jī)化的數(shù)字示波器都提供了波形的測(cè)量與處理功能。圖1數(shù)字存儲(chǔ)示波器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)原理——信號(hào)波的基本概念

正弦波是波形的基本組成，任何非正弦波都可視成是基波和無數(shù)不同頻率的諧波分量組成。例如：方波是由基波以及3，5，7，9……次諧波分量迭加而成。

對(duì)于非正弦波，由最小值過渡到最大值的時(shí)間越短，所含的諧波分量也就越多，波形所含諧波的頻率也越高。對(duì)于脈沖波占空比越小，波形所含諧波就越多，諧波頻率分量也越高。在使用數(shù)字示波器過程中，測(cè)量不同波形會(huì)得到不同的波參數(shù)，波的基本參數(shù)定義如圖所示。實(shí)驗(yàn)原理——RC串聯(lián)電路的暫態(tài)過程

函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出一定頻率的方波周期電壓信號(hào)如圖所示，電阻、電容串聯(lián)電路如圖所示。當(dāng)方波前半個(gè)周期處于高電平E時(shí)，相當(dāng)于電源開關(guān)K合向“1”，直流電源E對(duì)電容C充電；當(dāng)方波后半個(gè)周期處于低電平0時(shí)，相當(dāng)于在電容C充電后，把開關(guān)K從“1”合向“2”，電容C開始放電過程。實(shí)驗(yàn)原理——RC串聯(lián)電路的暫態(tài)過程由電路方程可解出，電容C兩端的電壓隨時(shí)間變化規(guī)律為：當(dāng)電容在充放電過程中，其電壓VC(t)均按指數(shù)規(guī)律變化。當(dāng)電容器被充電時(shí)，電壓逐漸增大，而放電時(shí)則逐漸減小。令

，其具有時(shí)間的量綱，稱為電路的時(shí)間常數(shù)，是表征暫態(tài)過程進(jìn)行快慢的一個(gè)重要物理量。時(shí)間常數(shù)越大，充放電過程越慢，反之亦然。圖中顯示了時(shí)間常數(shù)分別取不同值時(shí)的VC(t)－t曲線。實(shí)驗(yàn)原理——RLC串聯(lián)電路的暫態(tài)過程由電阻R、電感L和電容C組成的直流串聯(lián)電路如圖所示。令,λ稱為電路的阻尼系數(shù)，隨著阻尼系數(shù)的不同，其電路方程有三種不同的解。當(dāng)方波為高電平時(shí)，可得到：（1）阻尼較小

，即

，弱阻尼狀態(tài)，電容兩端電壓為：可見，電容電壓呈現(xiàn)振蕩特性，由于電阻R的作用，使振蕩幅度呈指數(shù)衰減，衰減的快慢由時(shí)間常數(shù)τ決定。這種情況稱為弱阻尼振蕩狀態(tài)。時(shí)間常數(shù)

，振蕩角頻率實(shí)驗(yàn)原理——RLC串聯(lián)電路的暫態(tài)過程（2）

，即

，臨界阻尼狀態(tài)，此時(shí)：上式表明，當(dāng)電阻值達(dá)到一定臨界值，使得

時(shí)，

,此時(shí)電路中各物理量的變化過程不再具有周期性，這便是臨界阻尼狀態(tài)。（3）

即

，過阻尼狀態(tài)過阻尼狀態(tài)下的電容電壓變化如圖中的虛線所示，它以緩慢單調(diào)的變化方式逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)步驟（一）——信號(hào)參數(shù)測(cè)量（1）將信號(hào)發(fā)生器的“ch1電壓輸入”與示波器輸入通道1相連。（2）調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器，波形為正弦，頻率為500HZ，幅值5.00V。按下Autoset，調(diào)節(jié)水平部分標(biāo)度旋鈕，使示波器上顯示5個(gè)周期波形，按下Measure，記錄信號(hào)各數(shù)據(jù)。（3）調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器波形為脈沖，占空比為40%，頻率20HZ，幅值5.00V，按下Autoset調(diào)節(jié)水平部分標(biāo)度旋鈕，使示波器上顯示5個(gè)周期波形，按下Measure，記錄信號(hào)各數(shù)據(jù)。（4）選取Autoset中僅顯示一個(gè)正頻，記錄正頻寬為19.36ns~19.51ns。（5）選取Autoset中僅顯示一個(gè)上升過程，記錄上升時(shí)間19.50ns~20.50ns。實(shí)驗(yàn)步驟（二）——觀察李薩如圖形（1）將信號(hào)發(fā)生器的“ch1電壓輸出”與“ch2電壓輸出”分別連接到示波器1、2輸入通道。設(shè)置信號(hào)發(fā)生器輸出的兩信號(hào)均為正弦波，信號(hào)頻率為1HZ,幅值10.00V，相位0。（2）調(diào)節(jié)Display中格式為XY，按下Autoset。（3）固定一信號(hào)，依次改變另一信號(hào)的頻率與相位，記錄數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)步驟（三）——測(cè)量RC串聯(lián)電路的暫態(tài)過程（1）在電路板上選擇R=1kΩ的電阻串聯(lián)，將其兩端分別連接至信號(hào)發(fā)生器的“ch1電壓輸出”及示波器。（2）調(diào)節(jié)ch1輸出電壓，波形為方波，未能在示波器上觀察到期望中的波形，檢查實(shí)驗(yàn)裝置，初步判斷為示波器1號(hào)輸入通道所連接電壓不應(yīng)為電路兩端電壓，而應(yīng)是電容兩端電壓。（3）重新連接電路，調(diào)節(jié)方波頻率為2kHZ，調(diào)節(jié)探針測(cè)量電路半衰期，記錄探針數(shù)據(jù)。（4）將電阻換為10kΩ，調(diào)節(jié)方波頻率為200HZ，重復(fù)試驗(yàn)，記錄探針數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)步驟（四）——RLC串聯(lián)電路的暫態(tài)過程（1）將10Ω電阻，330μH電感線圈，0.047μR電容串聯(lián)，電路兩端與“ch1電壓輸出”相連，電壓輸出為1kHZ方波,電容兩端與輸入通道1相連。（2）示波器顯示為臨界阻尼振蕩圖像，檢查實(shí)驗(yàn)裝置，判斷為電壓輸出線中紅黑接線柱接反，重新連接電路開始試驗(yàn)。（3）調(diào)節(jié)ch1輸出電壓頻率為5kHZ，得到周期變換函數(shù)如圖中紅線，使用探針記錄阻尼振蕩周期數(shù)據(jù)。（4）電阻換為10kΩ，電壓頻率為100HZ，得到虛線圖像數(shù)據(jù)記錄——實(shí)驗(yàn)（1）（以上數(shù)據(jù)均為平均值）數(shù)據(jù)記錄——實(shí)驗(yàn)（2）數(shù)據(jù)記錄——實(shí)驗(yàn)（3）R=1kΩ（mv）（μs）R=10kΩ（mv）（μs）數(shù)據(jù)記錄——實(shí)驗(yàn)（4）（數(shù)據(jù)5偏差過大，處理數(shù)據(jù)時(shí)舍去）數(shù)據(jù)處理——實(shí)驗(yàn)（3）當(dāng)R=1kΩ半衰期平均值Δt1=185.00/6=30.833μs時(shí)間常數(shù)

τ1=Δt1/㏑2=44.483μs當(dāng)R=10kΩ半衰期平均值

Δt2=1980.0/6=330.00μs時(shí)間常數(shù)

τ2=Δt2/㏑2=476.09μs結(jié)論——實(shí)驗(yàn)（3）當(dāng)R=1kΩ時(shí)間常數(shù)理論值t1=RC=47μs相對(duì)誤差=（τ1-t1）/t1=-5.36%當(dāng)R=10kΩ時(shí)間常數(shù)理論值