示波器原理使用與聲速測量

本文格式為Word版，下載可任意編輯——示波器原理使用與聲速測量示波器的原理和使用及聲速測量

一．試驗目的

（1）了解示波器的基本結構及其工作原理，學習并把握示波器的基本使用方法（2）學習電信號有關參數的基本概念，使用示波器觀測波形并進行測量(3)了解聲波在空氣中傳播速度和氣體狀態(tài)參量的關系

(4)了解超聲波產生和接受的原理，學習用相位法測量空氣中的聲速

二．試驗原理

(1)示波器原理框圖

示波器按顯示方式可分為陰極射線示波管和液晶顯示兩種。陰極射線示波器一般包括示波管、豎直放大器、水平放大器、掃描發(fā)生器、觸發(fā)同步和直流電源等。

(2)示波器基本結構

示波管為示波器的主要部分，包括電子槍、偏轉系統(tǒng)和熒光屏三部分，全部密封在真空玻璃外殼內。

電子槍由燈絲、陰極、控制柵極、第一陽極及其次陽極組成。燈絲加熱表面涂有氧化物的陰極，使其發(fā)射電子。因控制柵極電位比陰極低，初速度較大的電子才能通過控制柵極，示波器上的亮度就是通過調整柵極電位來控制的。陽極電位比陰極電位高好多，電子被陰陽極間的電場加速而形成陰極射線。當控制柵極、第一陽極及其次陽極的電位調理適合時，射線收到聚焦。所以第一陽極也稱聚焦陽極，而其次陽極電位更高，稱為加速陽極。

熒光屏上涂有熒光粉，電子打上去能發(fā)出熒光，形成光斑。性能較好的示波管中，熒光屏玻璃內表面直接刻有坐標刻度，熒光粉緊貼坐標刻度以消除視差。

(3)示波器顯示波形的原理

豎直偏轉板上加交變正弦電壓使電子豎直運動，水平偏轉板上加鋸齒波掃描電壓，使電子水平運動。而電子的運動是豎直方向和水平方向的合成，所以當豎直偏轉板電壓與水平偏轉板電壓的周期相等時，在熒光屏上能顯示出完整周期的波形圖

(4)同步觸發(fā)

(5)李薩如圖形的基本原理

假使示波器的X和Y輸入是頻率一致或成簡單整數比的兩個正弦電壓，則屏上的光點將浮現特別形狀的軌跡，這種軌跡圖稱為李薩如圖形。假使做一個限制光點x、y方向變化范圍的假想方框，則圖形與此框相切時，橫邊上的切點數nx與豎邊上的切點數ny之比恰好等于Y和X輸入的兩正弦信號的頻率之比。即：fy:fx=nx:ny，若有端點與假想邊框相接時，應把一個端點記為1/2個切點。利用李薩如圖形能便利得比較出兩個正弦信號的頻率。(6)聲速測量

（1）理想氣體中聲波的傳播速度為

v??RTM

其中，γ為比熱容比，Ｍ是氣體的摩爾質量，Ｔ是絕對溫度，Ｒ＝8.31441J/(mol·K)。

v?v01?（2）在室溫t下，枯燥空氣中的聲速為

tT0，其中v0為標準狀況下枯燥空

氣聲速，為331.5m/s。

（3）但實際中空氣并不是枯燥的，所以修正的結果為

?tv?331.5?1??T0???rps??1?0.31??p??????

5p?1.013?10Pa。其中，r為相對濕度，ps為飽和蒸汽壓，

三．試驗儀器

（1)SS-7802雙蹤示波器

試驗用SS-7802雙蹤示波器能夠同時測量頻率在20MHz范圍內的兩個電壓信號。借助于電子開關可將兩個信號交替加到示波管的Y偏轉板上，當電子開關的頻率足夠高時，在屏上可以同時得到兩個信號。其基本使用方式如下。

1.X方式選擇按鍵(HORIZDISPLAY)：尋常選“A〞方式，需要顯示李薩如圖時選擇“X-Y〞，此時CH-1為X輸入，CH-2為Y輸入。

2.觸發(fā)方式選擇按鍵(SWEEPMODE)：尋常選“AUTO〞方式。

3.開啟信號通道，假使信號線插在CH1通道，按下“CH1〞鍵，使屏幕左下方顯示“1：〞，假使信號線插在CH2通道，按下“CH2〞鍵，使屏幕左下方顯示“2：〞，注意，“2：〞前不能出現“+〞號，假使出現“+〞，請看第10步。

4.假使屏幕正上方有“TV〞字符顯示，按下“TV〞鍵，將該功能取消。

5.按下藕合方式開關鍵(COUPLING)，可能要屢屢，尋常設置為“AC〞方式（在屏幕正上方顯示字符“AC〞）。

6.觸發(fā)源選擇按鍵“SOURCE〞：尋常設置為與信號輸入一致的通道（假使信號線插在CH1通道，就設置為“CH1〞方式，屏幕正上方顯示“CH1〞字符，假使信號線插在CH2通道，就設置為“CH2〞方式，屏幕正上方顯示“CH2〞字符）。

7.按下觸發(fā)極性按鍵“SLOPE〞：尋常選上邊沿觸發(fā)方式“+〞(屏幕正上方)。8.若有“MAG〞字符顯示于屏幕的右下角。按“MAG×10〞鍵將該功能取消。9.CH1、CH2通道不能接地（即屏幕下方無“⊥〞顯示）,若出現“⊥〞則按相應通道的“GND〞鍵取消。

10.若有“+〞顯示于屏幕的左下角，在“2：〞前，按“ADD〞鍵將其取消。11.若有“↓〞顯示于屏幕的左下角，在“2：〞后，按“INV〞鍵將其取消。

12.若有“〉〞顯示于屏幕的左上角，在“A〞后，按壓時間調理旋紐（TIME/DIV）將其取消。

13.若有“〉〞顯示于屏幕的左下角，按壓相應通道的幅度調理旋紐（VOLTS/DIV）將其取消。

14.調理旋鈕“TRIGLEVEL〞，時它左邊其次行的燈“TRIG’D〞變亮，至于第一行的燈“READY〞亮不亮都沒關系。

15.旋轉輸入信號所在通道的幅度調理旋鈕“VOLTS/DIV〞，把信號波形調理到適合觀測的大小。

16.旋轉時間掃描速率旋鈕“TIME/DIV〞,把信號波形調理到適合觀測的疏密程度。（2）函數信號發(fā)生器

TFG1005型函數信號發(fā)生器，可以輸出正弦波、方波、三角波等，其頻率連續(xù)可調，范圍為10Hz-2MHz，信號幅度連續(xù)可調，最大可達20V。詳細操作參見試驗室資料。

四．試驗步驟

1．觀測波形

從自制多波形信號發(fā)生器輸出正弦波、方波、三角波和尖脈沖四種波形。分別用示波器測出其正弦波輸出幅度的有效值，方波幅度的峰峰值，三角波的周期，尖脈沖的頻率。

2.觀測李薩如圖形

（1）將頻率耦合信號發(fā)生器的兩個正弦信號輸入到示波器上，調出fx：fy=1：1和2：1

的穩(wěn)定的李薩如圖形。觀測并記錄相位差為0，π/4，π/2，3π/4，π時的圖形形狀。（2）將自制信號源和函數信號發(fā)生器的正弦信號分別輸入到示波器的兩輸入端，調出

頻率比為1：1的李薩如圖，并由此定出自制信號源正弦波信號的頻率。

3.測量聲速

（1）連接電路，將函數信號發(fā)生器的輸出與超聲波發(fā)射器的輸入端及示波器的通道1連接；將超聲波接收器的輸出端與示波器的通道2連接。函數型號發(fā)生器置于正弦波輸出，其頻率范圍置于100kHz左右，輸出幅度調到10V左右。

（2）用示波器觀測加在聲波發(fā)射器上的電信號與超聲波接收器輸出的電信號，先將函數信號發(fā)生器的頻率調理到40kHz左右，然后細條頻率，使接收器輸出信號最大。記錄下此頻率，即為超聲波頻率。試驗過程中信號頻率若有改變，記錄下來最大值、最小值，最終取平均值。

（3）用相位法測波長。利用李薩如圖形找出同相點來求波長。為了提高精度，可采用逐差法處理數據。（4）把理論值與試驗值進行比較。在測量開始和終止時，要先后記錄室溫，以及相對濕度，

并查出平均室溫對應的飽和蒸氣壓。若溫度不是整數，按線性內插法求出確鑿地飽和蒸氣壓。然后計算理論值，與試驗測得的聲速值比較。

4.根據電容充放電原理，研究方波與三角波之間的關系

從電容器的充放電波形到三角波。用函數信號發(fā)生器輸出方波u，加在由RC組成的電路上。用示波器同時觀測u和uc。然后改變R或f,觀測并記