基于示波器的频率测量(李沙育图形免分)

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1、通用示波器的应用-频率测量实验目的实验目的 了解示波器的基本结构和工作原理。 了解示波器及信号发生器各旋钮的作用和使用方法。 观察周期信号的波形和李萨如图形。 4. 学习用双踪示波器测量 RC 电路相位差、用李萨如图形测量信号频率的原理和方法。 。实验仪器实验仪器 1SS7802A 双踪示波器；EE1642B 低频信号发生器（2 台） 。实验原理与内容实验原理与内容1测量两同频率正弦波信号相位差的原理与方法A相位差的产生与理论值计算在图 1 所示的 RC 电路中，信号源的电压 U、电容上的电压 UC与电阻上的电压 UR之间的相位关系如图 2 所示，U 落后于 UR的相位角由下式得到：11 2a

2、rctgarctgRCfRCjwp=-=-在实验上，相位角可以采用双踪示波器技术或李萨如图形方法来测量。R4 10KC4 103测测测2测测测1UcURUCUUR图 1、RC 电路图 图 2、RC 电路的相位关系B相位差的实验测量本实验采用双踪示波器技术来测量 RC 电路中两同频率正弦波信号的相位差。根据图 1 连接实验线路，U 和 UR分别连接到示波器的 CH1 和 CH2 通道，函数信号发生器选择正弦波输出，调节“偏转因数” 、“厘米扫描时间”使波形幅度、宽度适中，旋转“触发电平”使触发同步，根据测时间间隔的实验方法测量两信号的时间差 t，如图 3 所示。图 3、具有相位差的两正弦波信号C

3、实验相位差的计算：2()360(tt TTjpDD=实验弧度度)将实验结果与理论计算值进行比较。2用李萨如图形测频率的原理与方法A李萨如图形的形成原理当两个相互垂直、频率不同的简谐信号合成时，合振动的轨迹与分振动的频率、初相位有关。当两个分振动的频率成简单整数比时，将合成稳定的封闭轨道，称为李萨如图形，它的形成过程如图 4 所示。如图 5 所示，由于李萨如图形与分振动的频率比有关，因此通过李萨如图形和已知频率的信号，可以精确地测定未知信号的频率。图 4 李萨如图形的形成过程 图 5、不同频率、不同相位差的李萨如图形B用李萨如图形测频率的方法按照图 6 连接实验线路，将已知频率的正弦波信号 fy

4、 (50Hz)送入 CH2 通道，被测正弦波信号 fx（函数信号发生器）送入 CH1 通道，当两信号的频率为整数倍时，屏幕上出现稳定的李萨如图形。测测测1测测测2Fx VSINFy VSIN图 6、观察李萨如图形电路图C被测正弦波信号频率的计算：y xy xNffN其中 Nx、Ny分别为图形与水平直线、垂直直线的切点。如果两个信号的频率比不是整数比时，图形不稳定。当接近整数比时，可以观察到转动的图形。李萨如图形的形状还随两个信号的幅值以及位相不同而变化。3实验内容介绍与其他仪器使用讲解A测量两个同频率正弦信号的位相差用函数信号发生器作为信号源，测量两信号的时间差 t，根据相位差的理论值和实验值

5、的计算方法计算相位差。f / Hz5001000C / f0.010.01R / k25102510T / mst / ms实验理论李萨如图形其中：11 2arctgarctgRCfRCjwp=-=-理论2()360(tt TTjpDD=实验弧度度)注意：R、C 读数的有效数字，R 精度 0.1%，C 精度 0.5%。B用李萨如图形测频率用函数信号发生器作为 fx信号源，输入 CH1 端，用信号源 S1 提供 fy信号，输入 CH2 端，根据给定的信号 fx调出李萨如图形，获得李萨如图形与水平、垂直切线的切点数目，计算 fx频率，绘出李萨如图形。fx 12345fy (Hz)50NxNyfx

6、(Hz)李萨如图形C介绍函数信号发生器使用方法。4实验中的注意事项A测量两个同频率正弦信号的位相差时，注意水平基线的调节与同相位点的确定。B观察李萨如图形时，注意屏幕水平显示的扫描模式与 X-Y 模式的切换。思考题思考题1. 测量两个同频率正弦信号的位相差时，若屏幕上两个正弦信号无位相差，可能的原因有哪些？2. 采用李萨如图形测量信号频率时，屏幕上图形不稳定，可能是何原因所致？ 实验总结实验总结 附录：示波器原理 示波器能够简便地显示各种电信号的波形，一切可以转化为电压的电学量和非电学量及它们作周期 性变化的过程都可以用示波器来观测，示波器是一种用途十分广泛的测量仪器。示波器一般由示波管、 衰

7、减和放大系统、扫描和整步系统以及电源等部分组成。为了适应各种测量的要求，示波器的电子线路 是多种多样而且很复杂。这里仅就通用双踪示波器的主要部分的功能，用方框图来加以介绍。1.1. 示波管的基本结构示波管的基本结构 示波管由电子枪、偏转板和荧光屏三部分组成。其中电子枪是示波管的核心部件，如图 a-1 所示。电子枪由灯丝 H、阴极 C、栅极 G、第一加速极 A1、聚焦极AF、第二加速极2A等组成。电子从被灯丝 H 加热的阴极 C 表面逸出。由于1A相对 C 具有较高的电位，在 CG1A形成强电场，故从 C 逸出的电子在电场中被加速，穿过 G 的小孔，再高速穿过1A、AF、2A筒内的限制孔，形成一

8、束电子射线，电子最后 撞击屏上的荧光物质，发出可见光，在屏上就可以看见一个亮点。G 相对于 C 为负电位，两者相距较近，其间形成的电场对电子有推斥作用，用电位器1W调节 CG 间的电压，可以控制电子枪发射电子的数目， 从而改变屏上光点的亮度，即“辉度”调节。此外，示波管中还有一组“电子透镜” ，利用电场的分布对 电子运动轨迹的影响，使电子会聚在荧光屏上。而电场的分布是由各电极的几何形状、相对位置及电位决定的。在实际使用中，通过调节聚焦电位器4W、5W，改变其电位，从而使荧光屏上的亮点最清晰。 2 电压放大器和衰减器电压放大器和衰减器由于示波管本身的 X 及 Y 轴的偏转灵敏度不高（约 0.11

9、mm/V） ，当加于偏转板的信号电压较小时，YXCGA F AH+150VW-1200VA25W4W3W11辅助聚焦辉度聚焦图 a-1 示波管示意图电子束不能发生足够的偏转，致使荧光屏上光点位移过小，不便观察。故需先把小的信号电压放大后再加 到偏转板上。为此设置 X 轴和 Y 轴放大器，如图 a-2 所示。衰减器的作用是使过大的输入电信号减小，以 适应放大器的要求，否则放大器不能正常工作，甚至损坏。YB4320F 双踪示波器的衰减器共有十二档，通 常用垂直偏转因数（垂直输入灵敏度）表示，范围为 1mV5V/div，按 125 进位（div 表示荧光屏上 的一格） 。 3 扫描与整步、波形显示扫

10、描与整步、波形显示通常情况是要在示波器上观测从 Y 轴输入的周期信号电压的波形，即必须使信号电压随时间的变化而稳定地出现在荧光屏上。但如果只把一个周期交变信号如tUUysin0加到 Y 轴偏转板上，而 X 轴 偏转板不加信号电压，则屏上的光点仅作上下方向的正弦振动，振动频率较快时，看到的只是一条直线。 当同时在 X 轴偏转板加上线性锯齿波扫描电压时，光点沿 X 轴方向随时间展开，屏上即出现正弦波形。扫描电压波形如图 a-3。 若扫描电压周期和正弦电压周期相等，则屏上显示的图形将是一个完整的正弦波。所以扫描电压的 作用，使 Y 轴电压波形按时间在屏上展开，这个展开过程称为“扫描” 。 不难理解，

11、扫描电压周期是 Y 轴信号周期的 n（整数）倍时，即 Tx=nTy，屏上将稳定地出现 n 个完整 的 Uy函数波形。但是两个独立发生的信号的振荡频率在技术上难以调节并保持准确的整数倍，因而屏上 波形将发生横向移动，不能稳定，难于观测。克服的办法是：用 Y 轴信号频率去控制扫描发生器的频率， 使信号频率准确地等于扫描频率的整数倍。电路的这个作用称“整步” 。它是由放大后的 Y 轴电压作用于 锯齿波发生器来完成的。如图 a-2 所示，此时图中的开关 K1接到“内（1NT） ” ，K2与锯齿波发生器相连。 当需要从“X 轴输入”端输入信号电压时，开关 K2扳到右边，锯齿波发生器不再起作用。对于双踪示

12、波器，除上述基本原理外，由于需要同时显示两路信号波形，因此，设计有 Y1、Y2 两个 输入端，由电子开关自动将两路信号间歇交替地将其中一路（Y1 或 Y2）送入 Y 轴放大器，如图 a-4 所示。 当电子开关 K 接至位置 1 时，示波管电子束受 Y1 信号的控制，荧光屏上显示 Y1 信号波形；而当电子开 关 K 接至位置 2 时, 示波管电子束受 Y2 信号的控制，荧光屏上显示 Y2 信号波形。这样，就能在荧光屏上 两个不同位置交替显示这两个信号波形，当切换速度很快时，由于人眼视觉暂留，就可同时在荧光屏上 看到两个稳定的波形。 双踪示波器有“交替”与“断续”两种工作方式。 “交替”方式第一次

13、扫描接通第一个信号，第二次 扫描接通第二个信号，交替显示两个信号波形，尽管两个波形是交替显示的，由于人眼视觉暂留，看到 的是稳定波形而不会闪烁，为了使荧光屏上至少显示一个周期的波形，因此，要求输入的信号的频率不 能低于扫描的频率， “交替”方式不适用于显示频率很低的信号波形；“断续”方式是在每一次扫描过程 中，高速的轮流接通两个信号，实际在荧光屏上显示的波形是由断续的虚线构成的，但由于切换速度很 快（YB4320F 双踪示波器的断续频率为 250kHz） ，虚线上的线段很密，人眼看到的图像依然是连续的。因 此，要求切换速度足够高，而输入的信号的频率远低于切换速率， “断续”方式适合观察频率较低

14、的信号 波形。当两路信号为不相关的信号时，必须使用“交替”方式，两路不相关的信号波形才能被稳定同步 显示。TVt0图 a-3 锯齿波电压图 a-4 双踪示波器的原理框图仪器介绍仪器介绍 一、YB4320F 型示波器面板见图 a-5。（9）仪器电源开关：当此开关置“1”时，指示灯发绿光，经预热后，仪器即可正常工作。 (8) 电源指示灯。 （2）辉度调节装置：顺时针方向转动辉度加亮，反之减弱，直至辉度消失。如光点长期停留在屏上 不动时，应将辉度减弱或熄灭，以延长示波管的使用寿命。（40） （43）垂直移位：用以调节屏幕上光点或信号波形在垂直方向上的位置，顺时针方向转动， 光点或信号波形向上移，反之

15、向下移。 （42）垂直方式工作开关： CH1：屏幕上仅显示 CHI 的信号； CH2：屏幕上仅显示 CH2 的信号； 双踪：以交替或断续方式，同时显示 CH1 和 CH2 上的信号波形； 叠加：显示 CH1 和 CH2 输入信号的代数和。 （10） （15）VOLTS/DIV(V/div)：垂直输入灵敏度步进式选择开关，输入灵敏度自 1m V/div5 V/div 按 125 进位分十二个档级，可根据被测信号的电压幅度，选择适当的档级位置以利观测。当（14） （19） “微调”旋钮位于校准位置（顺时针旋到底“关” ）时， “V/div”档级的标称值即可视为示波器的垂 直输入灵敏度。 （14）

16、（19）微调：用以连续改变垂直放大器的增益，当“微调”旋钮顺时针旋满至“关”位置时， 即处于校准位置，增益最大。其微调范围大于 2.5 倍。 （11） （16）ACDC：输入信号与放大器耦合方式的选择开关，AC：放大器的输入端与信号连接由 电容器来耦合；DC：放大器的输入端与信号输入端直接耦合。 （12） （18）：输入信号与放大器断开，并且放大器的输入端接地。 （13）CH1（X）：Y1 输入插座；XY 方式时为 X 轴输入端。 （17）CH2（Y）：Y2 输入插座；XY 方式时为 Y 轴输入端。 （35）水平位移旋钮：用以调节屏幕上光点或信号波形在水平方向的位置，顺时针方向转动，光 点或信号波形向右移，反之向左移。 （30）XY 控制键：按下此键，CH1 为 X 轴输入端，CH2 为 Y 轴输入端。 (20)TIME/DIV（t/div