实验十211《示波器的使用》实验报告

班级：食品学院食品科学与工程141班上课班级：生命科学学院生物科学类165班姓名：黄素君学号：5000414080示波器的使用一、引言示波器是利用电场对电子运动的影响来反映电压的瞬变过程，由于电子惯性小，荷质比大，因此示波器具有较宽的频率响应，用于观察变化极快的电压瞬变过程。示波器能直接观测电压随时间变化的波形，还能测量频率、相位等，利用换能器还能将应变、加速度、压力等其他非电量转换成电压进行测量。二、实验目的1、了解双踪示波器显示波形的工作原理。2、学会利用双踪示波器观察电压信号。3、学会利用双踪示波器观察李萨茹图形，并利用其测量正弦信号的频率。三、实验原理示波器一般都包括两部分：示波管和控制示波器工作的电路。1、示波管示波管的基本结构如图所示，主要包括电子枪、偏转系统和荧光屏三个部分，全都密封在玻璃外壳内，里面抽成高真空。F灯丝，K阴极，G控制栅极，A1、A2第一、第二阳极，Y、X竖直、水平偏转板图1示波管结构简图（1）电子枪：由灯丝、阴极、控制栅极、第一阳极和第二阳极五部分组成，灯丝通电后加热阴极。阴极是一个表面涂有氧化物的金属圆筒，被加热后发射电子。控制栅极是一个顶端有小孔的圆筒，套在阴极外面。它的电位比阴极低，对阴极发射出来的电子起控制作用，只有初速度较大的电子才能穿过栅极顶端的小孔然后在阳极加速下奔向荧光屏。示波器面板上的“辉度”调整就是通过调节电位以控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变了屏上的光斑亮度。阳极电位比阴极电位高很多，电子被它们之间的电场加速形成射线。当控制栅极、第一阳极与第二阳极电位之间电位调节合适时，电子枪内的电场对电子射线有聚集作用，所第一阳极也称聚集阳极。第二阳极电位更高，又称加速阳极。面板上的“聚集”调节，就是调第一阳极电位，使荧光屏上的光斑成为明亮、清晰的小圆点。有的示波器还有“辅助聚集”，实际是调节第二阳极电位。（2）偏转系统：它由两对互相垂直的偏转板组成，一对竖直偏转板，一对水平偏转板。在偏转板上加以适当电压，电子束通过时，其运动方向发生偏转，从而使电子束在荧光屏上产生的光斑位置也发生改变。（3）荧光屏：屏上涂有荧光粉，电子打上去它就发光，形成光斑。不同材料的荧光粉发光的颜色不同，发光过程的延续时间（一般称为余辉时间）也不同。荧光屏前有一块透明的、带刻度的坐标板，供测定光点的位置用。在性能较好的示波管中，将刻度线直接刻在荧光屏玻璃内表面上，使之与荧光粉紧贴在一起以消除视差，光点位置可测得更准确。2、示波器显示波形原理（1）仅在垂直偏转板（Y偏转板）加一正弦交变电压：如果仅在Y偏转板加一正弦交变电压，则电子束所产生的亮点随电压的变化在y方向来回运动，如果电压频率较高，由于人眼的视觉暂留现象，则看到的是一条坚直亮线，其长度与正弦信号电压的峰－峰值成正比，如图7-3所示。（2）仅在水平偏转板加一扫描（锯齿）电压：为了能使y方向所加的随时间t变化的信号电压uy(t)在空间展开，需在水平方向形成一时间轴。这一t轴可通过在水平偏转板加一如图7－4所示的锯齿电压ux(t)，由于该电压在0—1时间内电压随时间成线性关系达到最大值，使电子束在屏上产生的亮点随时间线性水平移动最后到达屏的最右端。在1—2时间内（最理想情况是该时间为零）ux突然回到起点（即亮点回到屏的最左端）。如此重复变化，若频率足够高的话，则在屏上形成了一条如图7-4所示的水平亮线，即t轴。（3）常规显示波形：如果在Y偏转板加一正弦电压（实际上任何所想观察的波形均可）同时在X偏转板加一锯齿电压，电子束受竖直、水平两个方向的力的作用下，电子的运动是两相互垂直运动的合成。当两电压周期具有合适的关系时，在荧光屏上将能显示出所加正弦电压完整周期的波形图。如图7-5所示。3、李萨如图形的原理如果示波器的X和Y输入是频率相同或成简单整数比的两个正弦电压，则屏上将呈现特殊的光点轨迹，这种轨迹图称为李萨如图。图7-7所示的为fY∶fx=2∶1的李萨如图形。频率比不同的将形成不同的李萨如图形。图7-8所示的是频率比成简单整数比值的几组李萨如图形。从中可总结出如下规律：如果作一个限制光点x、y方向变化范围的假想方框，则图形与此框相切时，横边上切点数nx与竖边上的切点数ny之比恰好等于Y和X输入的两正弦信号的频率之比，即fy∶fx=nx∶ny。但若出现图（b）或（f）所示的图形，有端点与假想边框相接时，应把一个端点计为1/2个切点。所以利用李萨如图形能方便地比较两正弦信号的频率。若已知其中一个信号的频率，数出图上的切点数nx和ny，便可算同另一待测信号的频率。四、实验仪器信号发生器、双踪示波器、探头。五、实验步骤1、观察波形将被测信号信号发生器的信号从CH1（X）端输入端输入，调节“V/div”旋钮，使波形大小适中（大小约占屏的1/2~1/3为宜），调节信号发生器的频率和示波器的“T/div”，使示波器出现稳定的正弦波；按信号发生器的波形选择按钮，分别选择三角波、方波，调节SYM旋钮，可观察各种波形。2、测正弦波的电压（1）将被测信号信号发生器的信号从CH1（X）输入端输入，调节“V/div”旋钮，使图像大小适中（大小约占屏的1/2~1/3为宜），调节信号发生器的频率和示波器的“T/div”，使示波器出现稳定的正弦波，记录信号发生器的电压值Vp-p。（2）测出正弦波的波峰到波谷的垂直距离dy，并记录“V/div”所属位置的a。（3）改变信号发生器的电压值，调节“V/div”旋钮，使屏中出现大小适中的图像，记录数据。（4）根据公式计算Vp-p的值并比较记录值，分析产生误差的原因。Vp-pady3、测正弦波的周期、频率（1）将另一被测信号信号发生器的信号从CH2（Y）输入端输入，调节“V/div”旋钮，使图像大小适中（大小约占屏的1/2~1/3为宜），调节信号发生器的频率和示波器的“T/div”，使示波器出现两、三个稳定的正弦波，记录信号发生器的电压值fy。（2）测出一个完整的正弦波的水平宽度dx，并记录“T/div”所置位置的值t。（3）改变信号发生器的频率，调节“T/div”旋钮，使示波器出现两、三个稳定的正弦波，记录数据。（4）根据公式计算fy的值，并比较记录值，分析误差产生的原因。Ttdxf1/T4、利用李萨茹图形测频率将两信号发生器分别从示波器的Y输入端和X输入端输入，将“T/div”开关置于“X-Y”，调节信号大小，使屏中出现大小适中的图形，可保持Y输入端信号发生器的频率基本不变，调节X输入端信号发生器的频率，利用屏上图形与X轴和Y轴的切点个数比，可分别计算出Y输入端信号发生器的频率，同时记录该信号发生器频率的示值，比较计算值和示值。六、实验数据及处理dy（v）2垂直格数4.8Vp-p（v）9.6dx500us水平格数8f/Hz250记录值Vp-p=10.1V，f=251.984Hz，与实验结果相近。次数1f（x）f（y）图像100100nx1ny1fx：fy1:1nx：ny1:12100200211:22:13100300311:33:1七、误差分析1.实验环境对数据的影响，例如周围的电场、磁场干扰等。2.调节频率过程中不免与源数据有分差。3.还有就是数据读值过程的人为因素照成的误差。八、思考题1、简述示波器显示电压-时间图形（即电信号波形）的原理。答：高速电子撞击在荧光屏上会使荧光物质发光，在荧光屏上就能看到一个亮点，Y偏转板是水平放置的两块电极，X偏转板是垂直放置的两块电极，在Y偏转板和X偏转板上分别加电压，可在荧光屏上得到相应的图形。当然电压不同，周期不同，所得到的图形会不一样。2、怎样用示波器定量测量交流信号的电压有效值和频率？答：对于交流信号，有固有的频率，那么在波形上就有相对稳定的重复性，根据信号在采样点上的重复规律就可以算出信号频率，然后根据波形做积分计算，就可以得出起有效值。示波器相当于是一个二维的万用表，得到一个数字之后就在屏幕上画一个点，由于采样频率是固定的，所以可以得到一个横轴均匀的图形，这就是我们看到的电信号波形。3、观察两个信号的合成李萨如图形时，应如何操作示波器？答：将两信号发生器分别从示波器的Y输入端和X输入端输入，将“T/div”开关置于“X-Y”，可保持Y输入端信号发生器的频率不变，调节X输入端信号发生器的频率，则可看到李萨如图形。4、为了使李萨如图形稳定下来，能否使用示波器上的同步按钮，为什么？答：不能；李萨如图上的每一个点都可以用以下的公式进行表示：X=A1Cos(ω1t+ψ1)Y=A2Cos(ω2t+ψ2)。从这里可以看出，李萨如图实际上是一个质点同时在X轴和Y轴上振动形成的。但是，如果这两个相互垂直的振动的频率为任意值，那么它们的合成运动就会比较复杂，而且轨迹是不稳定的。然而，如果两个振动的频率成简单的整数比，这样就能合成一个稳定、封闭的曲线图形，这就是李萨如图形。同步旋钮是使每次扫描都扫描同一个起始相位。使一个示波器内只有一个稳定的图形，比如你测正弦波时示波器里有多个波形，这时就可以调同步旋钮。但从李萨如图形的形成原理来看，调同步旋钮式不能是它稳定下来的。应该是调频率。5、用示波器观测周期为0.2ms的正弦电压，若在荧光屏上呈现了三个完整而稳定的正弦波形，扫描电压的周期等于多少毫秒？答：T=3*0.2ms=0.6ms。九、附上原始数据（原始数据附于下一页）