模拟示波器的使用研究性实验报告

1基础物理实验研究性实验报告模拟示波器的使用作者：***学号：********院系：******2目录摘要................................................................................................................................3关键词.............................................................................................................................3一、实验目的..................................................................................................................4二、实验原理..................................................................................................................42.1模拟示波器简介.....................................................................................................42.2示波器应用............................................................................................................6三、实验仪器..................................................................................................................8四、实验主要步骤..........................................................................................................84.1模拟示波器的使用.................................................................................................84.2观察二极管的伏安特性曲线...................................................................................84.3声速测量（振幅法）..............................................................................................9五、数据记录与处理.......................................................................................................95.1模拟示波器的使用.................................................................................................95.2观察二极管的伏安特性曲线.................................................................................105.3声速测量（振幅法）............................................................................................10六、误差分析................................................................................................................12七、实验改进方法........................................................................................................12八、实验总结与感想.....................................................................................................13参考文献.......................................................................................................................13附件..............................................................................................................................143摘要：示波器是一种非常实用的电子设备，可以使我们无法直观感受到的电信号很直观的感受出来。本文通过模拟示波器的使用实验，以及利用模拟示波器用振幅法测量超声波的速度，介绍了试验的整个过程以及后面的数据处理与分析，接着分析了实验中的误差来源以及减小实验误差的方法。关键词：模拟示波器，声速测量，误差分析4一、实验目的1.了解示波器的主要结构和波形显示及参数测量的基本原理，掌握示波器、信号发生器的使用方法；2.学习用示波器观察波形以及测量电压、周期和频率的方法；3.学会用连续方法测量空气声速，加深对共振、相位等概念的理解；4.用示波器研究电信号谐振频率、二极管的伏安特性曲线、同轴电缆中电信号传播速度等的测量方法。二、实验原理2.1模拟示波器简介模拟示波器是利用电子示波管的特性，将人眼无法观测的交变电流信号转换成图像并显示在荧光屏上以便测量和分析的电子仪器。它主要由四部分组成：阴极射线示波管，扫描、触发系统，放大系统，电源系统。其基本组成如图2.1所示。当电子枪被加热发出电子束后，经电场加速、聚焦和偏转系统，打在涂有荧光物质的荧光屏上就会形成一个亮点。若电子束在到达荧光屏之前受到两相互垂直的偏转板间电场的作用，则亮点位置会发生改变，从而显示出各种波形。图2.1示波器工作原理示意图2.1.1工作原理模拟示波器的基本工作原理是：被测信号经Y轴衰减后送至Y1放大器，经延迟级后到Y2放大器，信号放大后加到示波器的Y轴偏转板上，如图2.1所示。若Y轴所加信号为图2.2（a）所示的正弦信号，X输入开关S切换到“外”输入，且X轴没有输入信号，则光点在荧光屏竖直方向上按正弦规律上下运动，随着Y轴方向信号频率的提高，由于视觉暂留或荧光屏余辉等原因，在荧光屏上显示出一条数值扫描线；同理，如在X轴所加信号为图2.2（b）所示的锯齿波信号，且Y轴没有输入信号，则光点在荧光屏水平方向上先由左向右匀速运动，到达右端后立即返回左端，再从左到右重复上述过程，每完成一个循环称为一次扫描。随着X轴方向信号频率的提高，在荧光屏上显示出一条水平扫描线。Z轴的作用是使扫描波形有一定辉度（亮度），对于某些具有Z轴外输入的示波器，则可以通过Z轴的输入信号，动态调节不同扫描时刻波形的亮度，实现类似于电视图像的显示效果。5图2.2扫描信号与运动轨迹的关系2.1.2李萨如图形在图2.1中，X输入开关S切换到“外”输入，且X轴和Y轴同时有频率相同的或成整数比的两个正弦电压输入，此时电子束同时受到两个方向偏转电压的作用，在荧光屏上的光点将显示两个正交谐振动的合成振动图形，即李萨如图形，其形状随两个信号的频率和相位差的不同而不同。如果Y轴信号和X轴的频率有简单的整数比，则合成运动有稳定的闭合轨道。（见图2.3）。图2.3李萨如图形不难理解，沿着这种闭合轨道环绕一周后在水平和竖直方向往返的次数与两个方向的频率成正比。因此封闭的李萨如图形与水平线相交的点数nx及与垂直线相交的点数ny之间的比值与两信号频率之比有如下关系：yxxynnff若已知其中一个信号的频率，以及从李萨如图形上数得的点数nx和ny，就可以求出另一个待测信号的概率。2.1.3模拟示波器的特点模拟示波器的主要特点是：①波形显示快速、实时显示；②波形连续真实，垂直分辨率高；③捕获率高；④有对聚焦和亮度的控制，可调节出锐利和清晰的显示结果。模拟示波器的不足之处是：①无存储功能；②仅有边沿触发；③无自动参数测量功能，只能进行手动测量，所以准确度不够高；④由于CRT的余辉时间很短，所以难以显示频率很低的信号；⑤难以观察非重复性信号和瞬变信号。2.2示波器应用62.2.1电压的测量由于电子束在显示屏上偏转的距离与输入电压成正比，所以只要量出被测波形任意两点的垂直间距（格数）Δy就可知两点间的电压Δ𝑢𝑦,即∆𝑢𝑦=𝐾∆𝑦式中，K为灵敏度，也称垂直偏转系数。若被测电压为简谐波，则只要量出电压波形峰-峰的间距Δy，就可以知其电压的有效值𝑢𝑒,即𝑢𝑒=𝑢𝑝−𝑝2√2=𝐾∆𝑦2√2式中，𝑢𝑝−𝑝为被测电压的峰-峰值。2.2.2观察二极管的福安特性曲线普通二极管的伏安特性曲线从正面特性来看，当正向电压较小时，正向电流几乎为零；当正向电压超过死区电压后，正向电流明显增大；只有当正向管压达到导通电压时，管子才处在正向导通状态。从反向特性可以看出，当反向电压较小时，反向电流很小；当反向电压超过反向击穿电压后，反向电流突然增大，二极管处于击穿状态，普通二极管只能工作在单向导通状态。二极管伏安特性测量原理如图2.4所示，图中E为信号发生器输出的正弦信号电压，D为稳压二极管，R为固定电阻。由图2.4可知，在示波器X方向输入的电压为二极管两端的电压𝑢𝐷，在示波器Y方向输入的电压为电阻R上的电压𝑢𝑅。因为𝑢𝑅=𝑖𝑅，且i与𝑢𝑅同相位，所以𝑢𝑅实际上反映了通过二极管D的电流的变化情况。将示波器设为X-Y工作方式，这时示波器上可显示出二极管的伏安特性曲线，如图2.5所示。图2.4测量二极管福安特性曲线电路图图2.5二极管伏安特性曲线在伏安特性曲线上可近似测量该稳压二极管的正向导通电压和反向击穿电压。2.2.3声速的测量（振幅法）声速是指声波在媒质中的传播速度。声波能够在除真空以外的所有物质中传播，其传播速度由相应媒质的材料特性特别是力学参数所决定，也与传播模式有关。由于声波的传播模式会受到边界的影响，因此常常给出的声速都是指无限大媒质中的传播速度。在空气中声波只能以纵波的形式存在。本实验是利用连续波方法来测定空气中的声速。在波动过程中，波的传播速度v、f和波长λ之间存在下列关系：vf因此只要测出声波的频率和波长就可以算出声速。实验装置原理如图2.6所示。其中S1和S2分别用来发送和接受声波。它们7是以压电陶瓷为敏感元件做成的电声转换能器。当把电信号加在S1的电端时，转换器端面产生机械振动（反向压电效应）并在空气中激发出声波。当声波传递到S2表面时，激发起S2端面的振动，又会在其电端产生相应的电信号输出（正向压电效应）。图2.6声速测量仪信号发生器产生频率为几十kHz的交变电信号，其频率可有频率计精确测定。换能器端面发出相同频率的声波（属于超声波频段，人耳听不见）。为了确定声速，还要测定声波的波长。本试验采用振幅法。振幅法S1发出的声波传播到接收器后，在激发起S2振