用示波器测量时间

实验报告评分：08系10级余馨婷PB10207051实验题目：用示波器测量时间实验目的：1.了解示波器的基本原理和结构；2.学习使用示波器观察波形和测量信号周期及其时间参数。实验原理1．示波器的基本结构示波器由示波管、放大系统、衰减系统、扫描和同步系统及电源等部分组成。示波管是示波器的基本构件，它由电子枪、偏转板和荧光屏三部分组成，被封装在高真空的玻璃管内。电子枪是示波管的核心部分。（1）阴极：实现电子发射。（2）栅极：由第一栅极和第二栅极构成，只有少量电子通过第一栅极，第二栅极对阴极发射的电子奔向荧光屏起加速作用。（3）第一阳极：第一阳极上加有几百伏的电压，形成一个聚焦的电场，当电子束通过此聚焦电场时，调节加在上的电压可以达到聚焦的目的。（4）第二阳极：第二阳极上加有1000V以上的电压。聚焦后的电子经过这个高压电场的加速获得足够的动能，使其成为一束高速的电子流。这些能量很大的电子打在荧光屏上可引起荧光物质发光。（5）偏转板：由两对相互垂直的金属板构成，在两对金属板上分别加以直流电压，以控制电子束的位置，适当调节这个电压值可以把光点或波形移到荧光屏的中间部位。（6）荧光屏：荧光屏能在高能电子的轰击下发光。辉光的强度取决于电子的能量和数量。在电子射线停止作用之后，余辉使我们能在屏上观察到光点的连续轨迹。垂直偏转板（y轴）及水平偏转板（x轴）所形成的二维电场，使电子束发生位移：yyyyDVVSyxxxxDVVSx（1）其中，S和D分别为偏转板的偏转灵敏度和偏转因数示波器显示波形的原理在x轴偏转板上加一个随时间t按一定比例增加的电压Vx，Vx周期性变化，并且由于发光物质的特殊性使光迹有一定保留时间，于是就得到一条“扫描线”，称为时间基线。如果在x轴上加有电压的同时，在y轴上加电压，则电子束受到水平电场和垂直电场的共同作用而呈现二维图形。为了得到可观测的图形，必须使电子束的偏转多次重叠出现，即重复扫描。实验报告评分：08系10级余馨婷PB10207051很显然，为了得到清晰稳定的波形，上述扫描电压的周期Tx（或频率fx）与被测信号的周期Ty（或fy）必须满足nTTxy，xxnff，n=1,2,…（2）以保证Tx轴的起点始终与y轴周期信号固定一点相对应（同步），波形才稳定。否则，波形就不稳定而无法观测。2．用x轴时基测时间参数x轴扫描信号的周期，是以时基单位（ms/cm）来标示的，示波管荧光屏直径为10cm，则式（2）的Tx，由时基（ms/cm）乘上10cm，在实际测量中，将式（2）有式（3）的形式波形厘米数时基单位xT（3）式中的波形厘米数，可以是信号一个周期的读数（可测待测信号的周期）、正脉冲（或负脉冲）的信号宽度的读数或待测信号波形的其他参数。3．用李萨如图形测信号的频率如果将不同的信号分别输入到y轴和x轴的输入端，当两个信号的频率满足一定的关系时，在荧光屏上将显示出李萨如图形，可用测量李萨如图形的相位参数或波形的切点数来测量时间参数。两正交正弦电压的相位差一定，频率比为一个有理数时，合成的圆形是一条稳定的闭合曲线。下图是几种频率比时的图形，频率比与图形的切点数之间有下列关系：垂直切线上的切点数水平切线上的切点数xyff实验内容和数据处理：1．用x轴的时基测信号的时间参数（1）测量示波器自备方波输出信号的周期（时基分别为0.1ms/cm，0.2ms/cm，0.5ms/cm）。哪种时基测出的数据更准确？为什么？时基（ms/cm）0.10.20.5周期长度（cm）10.005.002.00周期（ms）125第一种测出的数据更准确。因为屏幕上只显示了一个周期，而屏幕只有10cm，相当于放大了周期长度，缩小了误差，置信度较大（相对于0.2ms/cm的时基缩小了2倍读数误差，相对于0.5ms/cm的时基缩小了5倍读数误差）。实验报告评分：08系10级余馨婷PB10207051（2）选择信号发生器的对称方波接y输入（幅度和y轴量程任选），信号频率为200Hz~2kHz（每隔200Hz测量一次），选择示波器合适的时基，测量对应频率的厘米数、周期和频率（注明x轴的时基）。以信号发生器的频率为x轴，示波器测量的频率为y轴，作y-x曲线，求出斜率并讨论。输出频率（Hz）200400600800100012001400160018002000所选时基（ms/cm）1.00.50.50.20.20.20.10.10.10.1周期长度（cm）5.005.003.406.405.004.207.206.405.605.00实测频率（Hz）200400588.24781.2510001190.51388.9156317862000作信号发生器频率（x轴）与实测频率（y轴）的散点图并线性拟合如下：信号发生器的频率与实测频率的关系y=0.9935x-3.1174R2=0.99970500100015002000250005001000150020002500信号发生器的频率（Hz）实测频率（Hz）实测频率（Hz）线性(实测频率（Hz）)斜率为9935.0，而理论上斜率应该是0000.1，因此，绝对误差为：0065.09935.00000.1相对误差为：%65.0%100*0000.1/)9935.00000.1(由斜率和图像的方差可得，实测频率和信号发生器的频率比较接近，说明用用x轴时基测时间参数这种方法测对称方波频率比较准确。但由于在荧光屏上读数时，很难读准小数点第二位的数字，人为读数造成了一定误差。（3）选择信号发生器的非对称方波接y轴，频率分别为200Hz、500Hz、1kHz、2kHz、5kHz、10kHz、20kHz，测量各频率时的周期和正波的宽度（或占空比），用内容（2）的方法作曲线。输出频率（Hz）2005001000200050001000020000所选时基（ms/cm）0.500.200.100.050.020.010.005周期长度（cm）10.0510.0010.0010.0610.0010.0010.03正波宽度（cm）3.053.003.003.053.003.003.00实验报告评分：08系10级余馨婷PB10207051预设占空比（%）30实测频率（Hz）19950010001988.150001000019940实测占空比（%）30．35303030．32303029．91作信号发生器频率（x轴）与实测频率（y轴）的散点图并线性拟合如下：信号发生器的频率与实测频率的关系y=0.9974x+3.9094R2=105000100001500020000250000500010000150002000025000信号发生器的频率（Hz）实测频率（Hz）实测频率（Hz）线性(实测频率（Hz）)斜率为9974.0，而理论上斜率应该是0000.1，因此，绝对误差为：0026.09974.00000.1相对误差为：%26.0%100*0000.1/)9974.00000.1(由斜率和图像的方差和计算占空比的方差小于610数量级可得，实测频率和信号发生器的频率比较接近，说明用用x轴时基测时间参数这种方法测非对称方波的频率和非对称方波的占空比也比较准确。但同样由于在荧光屏上读数时，很难读准小数点第二位的数字，人为读数造成了一定误差。（4）选择信号发生器的输出为三角波，频率为500Hz、1kHz、1.5kHz、测量各个频率时的上升时间、下降时间及周期。信号发生器的频率（Hz）x轴时基（ms/cm）上升段宽度（cm)下降段宽度（cm)周期段宽度（cm)一个周期中的上升时间（ms）一个周期中的下降时间（ms）周期（ms）实测频率（Hz）5000.502.002.004.001.001.002.0050010000.105.005.0010.000.500.501.00100015000.103.333.336.660.330.330.671492.542．观察李萨如图形并测频率用两台信号发生器分别接y轴和x轴（x轴选择外输入），取4/33/22/11/、、、yxff实验报告评分：08系10级余馨婷PB10207051时，测出对应的xyff和，画有关图形并求公用信号发生器的频率。1yxffyxff/)(Hzfy)(Hzfx1699.02699.021/2349.52699.042/3466.03699.053/4524.29699.05因此，xf的平均值为699.02Hz，即为公共信号发生器的频率。思考题1．用示波器测频率有何优缺点？答：优点：直观，计算简便。缺点：（1）测量中出现的误差较大，包括了对仪器调节的误差和人为读数的误差。（2）输出的图形不稳定。2．在本实验中，观察李萨如图形时，为什么得不到稳定的图形？答：（1）手动调节的精度不能达到输出频率的精度，不能完全相等。（2）两个信号发生器的频率都不稳定。3．假定在示波器的y轴输入一个正弦电压，所用的水平扫描频率为120Hz，在荧光屏上出现三个稳定完整的正弦波形，那么输入信号的频率是多少？这是否是测量信号频率的好方法？为什么？答：HzHzf3603120为输入信号的频率。不是一个好方法，因为荧光屏上有三个周期，产生的误差较大。