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1、示波器实验一、实验目的1、了解通用双通道示波器的结构和工作原理，熟悉各个旋钮的作用和使用方法。2、掌握用示波器观察波形、测量电压和频率的方法；了解用示波器测量相位差 的方法。3、掌握观察李萨如图形的方法，并能用李萨如图形测量未知正弦信号的频率； 能用示波器观察“拍”现象二、实验仪器通用双通道示波器，函数信号发生器、同轴电缆等。三、实验原理1、仪器工作原理(1)通用双通道示波器的介绍主要结构：示波管、电子放大系统、扫描触发系统、电源工作原理：(a)示波管示波管是呈喇叭形的玻璃泡，被抽成高真空，内部装有电子枪和两对相互垂直的 偏转板，喇叭口的球面内壁上涂有荧光物质，构成荧光屏。下图是示波管的构造图
2、。阴极发热而发射电子。由于阳极电位高于阴极，所以电子被阳极电压加速。当高速电 子撞击在荧光屏上会使荧光物质发光，在屏上就能看到一个亮点。改变阳极组电位分 布，可以使不同发射方向的电子恰好会聚在荧光屏某一点上，这种调节称为聚焦。栅 极 G 电位较阴极 K 为低，改变 G 电位的高低，可以控制电子枪发射电子流的密度， 甚至完全不使电子通过，这称为辉度调节，实际上就是调节荧光屏上亮点的亮暗。Y 偏转板是水平放置的两块电极。当 Y 偏转板上电压为零时，电子束正好射在荧 光屏正中 P 点。如果 Y 偏转板加上电压，则电子束受到电场力作用，运动方向发生上 下偏移。如果所加的电压不断发生变化，P点的位置也随
3、着在铅垂线上移动。在屏上 看到的是一条铅直的亮线。荧光屏上亮点在铅直方向位移Y和加在Y偏转板的电压 UY成正比。X偏转板是垂直放置的两块电极。在X偏转板加上一个变化的电压，那么，荧光 屏上亮点在水平方向的位移X也与加在X偏转板的电压UX成正比，于是在屏上看到 的则是一条水平的亮线。(b)示波器显示波形的原理如果在Y偏转板上加上一个随时间作正弦变化的电压U = U sinot，我们在荧YYM光屏上仅看到一条铅直的亮线，而看不到正弦曲线。只有同时在 X 偏转板上加上一 个与时间成正比的锯齿形电压U = U -1，才能在荧光屏上显示出信号电压UY和时xXMY图2示波器显示正弦波形的原理图设在开始时刻
4、a,电压UY和UX均为零，荧光屏上亮点在A处，时间由a到b, 在只有电压uY作用时，亮点沿铅直方向的位移为aby，屏上亮点在By处，而在同时 加入UX后，电子束既受UY作用向上偏转，同时又受UX作用向右偏转（亮点水平位 移为bBX），因而亮点不在By处，而在B处。随着时间的推移，以此类推，便可显示 出正弦波形来。所以，在荧光屏上看到的正弦曲线实际上是两个相互垂直的运动（U = U sin w t和U = U -1 ）合成的轨迹。Y YM x xm由上可见，要想观测加在Y偏转板上电压UY的变化规律，必须在X偏转板上加 上锯齿形电压，把uy产生的垂直亮线“展开”这个展开过程称为“扫描”锯齿形 电压
5、又称为扫描电压。上面讨论的波形因为uy和UX的周期相同，荧光屏上显示出一个正弦波形，若频 率f = Nf ,N = 1,2,3.则荧光屏上将出现一个，两个，三个稳定的正弦波形。只yx有当 f 为 f 的整数倍时，正弦波形才能在荧光屏上稳定。为了在荧光屏上得到稳定不yx动的信号波形，一般采用被测信号来控制扫描电压的产生时刻，称为触发扫描。只要 被测信号达到某一个定值时，扫描电路才开始工作，产生一个锯齿波，将被测信号显 示出来。由于每次被测信号触发扫描电路工作的情况都是一样的，所以显示的波形也 相同。这样，在荧光屏上看到的波形就稳定不动了。面板旋纽的作用：见双通道示波器使用说明书（略）（ 2）函数
6、信号发生器简介输出信号的频率范围和电压范围：见函数信号发生器使用说明书（略）面板旋纽的作用：见函数信号发生器说明书（略）2测量原理1）测量信号的电压和周期用示波器测量信号的电压，一般是测量其峰一峰值U，即信号的波峰到波谷之PP间的电压值。在选择适当的通道偏转因数和扫描时基因数后，只要从屏上读出峰峰 值对应的垂直距离Y（div）和一个周期对应的水平距离X（div），即可求出信号的电压和 周期。U = Y x偏转因数（1）PPT = X x扫描时基因数（2）正弦信号的有效值Uff和峰一峰值U的关系为effppUeff_ 1 U22 pp3)有时，被测信号电压比较高，必须经过衰减后才能输入示波器的Y
7、通道。衰减倍数用分贝数表示，4)其定义为dB = 20logiO牛式中，U0为未衰减时的信号电压值，U为示波器测得的衰减后的电压值。根据衰 减的分贝数和示波器测得的值U,就可得到被测信号的电压值。2）观察李萨如图形，测信号频率设两个互相垂直的振动为x = A cos（2 兀 ft + 甲）1 1 1y = A cos（2 兀 ft + 申）2 2 2式中，f、f为两振动的频率，申、申为两振动的初相。当f = f时合成振动的轨迹1 2 1 2 1 2方程为x2y 2xy+- 2 cos（ 甲）=sin2（ 一甲）（5）A 2 A2 A A21211 2 1 2（5）式是一个椭圆方程。当甲-甲=0
8、或土兀时，椭圆退化为一条直线；当甲-甲=兀,；22 1 2 1 时，合成轨迹为一正椭圆。当 K 时，合成振动的轨迹比较复杂，但当f与f2成简单的整数比时，合成振动的轨迹为封闭的稳定几何图形，这些图形称为李萨如图形，如下图所示。1:21:32:33:4从图形中，人们总结出如下规律：如果作一个限制光点在 x， y 方向运动的假想 矩形框，则图形与此矩形框相切时，竖边上的切点数n与横边上的切点数n之比恰yx 好等于两振动的频率之比，即f : f = n : n 或n f = n f(6)x y y x x x y y 因此，若已知其中一个信号的频率，从李萨如图形上数得切点数n和n,就可以 xy 求出
9、另一待测信号的频率。3) 观察“拍”现象两个同方向的谐振动合成时，若其频率 f 与 f 的差值远小于 f 、 f ，合成振动的1 2 1 2 振幅随时间缓慢的呈周期性变化，这种现象称为“拍”。设两个同方向的简谐振动为y = A cos(2兀 f t + 甲)1 1 1 1y = A cos(2兀 f t + )2 2 2 2选某一时刻两振动相位相同时作为计时起点，则甲=甲=甲，若两振动的振幅也21相同(A = A = A)，则合成振动可以表示为21y = y + y = 2A cos兀(f - f )tcos兀(f + f )t + p1 2 2 1 2 1当f1与f2的差值远小于久、f2时，
10、合成振动的振幅|2A cos h (f - f)t|随时间缓慢地呈周期性变化，这种现象称为拍，振幅变化的频率叫拍频f = If - f 丨(7)3 21下图所示为拍的形成的示意图，其中，t=0时，y1与y2的相位差为“。如果信号 频率f1已知且连续可调，则通过改变f1观察拍频的变化，可以判断出待测信号频率厶是大于f还是小于f,然后根据测得的拍频f3和()式就可求出待测信号的频率。聚焦旋钮，使光点亮度适中、清晰。四、实验内容与步骤匕1、使(1)(2)2、观察交流信号波形并画出波形图打开信号发生器电源开关，将其输出接CH1。调节信号发生器频率为1kHz，输出 电压为4.0V，输出衰减置20dB，C
11、H1通道偏转因数旋钮调为0.2V/格，扫描速率旋钮 调为0.5ms/格，观察示波器上的波形；若波形不稳定，调节电平旋钮使之稳定；将扫 描速率旋钮改为0.2ms/格，再观察示波器上的波形；画出观察到的波形图。3、正弦信号电压与周期测量按观察交流信号波形的输出信号频率和电压调好信号发生器， CH1 通道偏转因数 置为50mV/格，选择合适的扫描速率值，使屏上刻度范围内出现完整波形，将实验数 据记录入下表：4、观察李萨如图形，测量信号的频率（1）将待测信号输入CH1通道，使示波器显示出信号波形，并估算其频率大致值。（2）将标准已知频率信号输入CH2通道，扫描速率旋钮置X-Y （逆时针到底），调节信号
12、幅度或改变通道偏转因数，使图形不超出荧光屏视场。（3）根据待测信号频率的粗测值，调节CH2通道信号的频率，使示波器屏上分别 出现f : f = n : n =1:1、1:2、2:3、3:4的李萨如图形。描下李萨如图形，并在下表y x x y中记下相应的 CH2 通道信号的频率值 f 。y5、观察“拍”现象（选做）（1）将待测信号输入CH1通道，垂直方式选CH1，选择适当的偏转因数和扫描速 率，使屏上出现合适的稳定的正弦波图形估算信号的大致频率。（2）将可调标准信号源信号输入CH2通道，垂直方式选CH2，调节信号源，使其 输出信号的频率和幅度与待测信号的大致相同。（3）垂直方式选ADD,通道2极
13、性选NORM，扫描速率调到合适值。调可调标准信 号源信号频率，使屏上出现稳定的“拍”波形。记下此时一个“拍”波形的长度X、1标准信号源频率 f 和扫描速率值。缓慢改变标准信号源频率，得到另一稳定的“拍”1波形，记下此时一个“拍”波形的长度X、标准信号源频率f 2和扫描速率值。6、关闭电源，整理仪器。五、数据表格及数据处理1、正弦信号电压与周期测量数据表表1正弦信号电压与周期测量数据记录表信号发生器示波器频率（Hz）电压示数（V）偏转因数（V/格）Y（格）扫描速率（s/格）X（格）10000.360.13.500.25.00U = Y x偏转因数=0.35 VU = U /22 = 0 . 1V
14、2ppeffP pT = X x时间因数=1.0msf = 1T =1000Hz2、用李萨如图形测正弦信号频率表 2 用李萨如图形测量正弦信号频率数据记录表n : n1:11:22:33:4李萨如图形nxnyf (Hz )(待测)xfy(Hz)y1110011001121006503231001667341003752nf =亠 f = 1001 Hz x1 ny1x1nf = y2 f 二 1006 Hzx2 ny 2x2nf =3 f = 1001 Hzx3 ny 3x3nf =亠 f 二 1003 Hzx4 ny 4x43、用“拍”现象测正弦信号的频率表3用“拍”现象测正弦信号的频率标准
15、信号频率（Hz）扫描速率（ms/格）拍长度X（格）1六、注意事项1双通道示波器使用说明书和函数信号发生器使用说明书在实验桌上资料夹内； 2测信号电压时，一定要将电压衰减旋纽的微调顺时针旋足（校正位置）；测信 号周期时，一定要将扫描速率旋纽的微调顺时针旋足（校正位置）；3不要频繁开关机，示波器上光点的亮度不可调得太强，也不能让亮点长时间停 在荧光屏的一点上，如果暂时不用，把辉度降到最低即可。4动旋钮和按键时必是有的放矢，不要将开关和旋钮强行旋转、死拉硬拧，以免 损坏按键、旋钮和示波器，电缆与插座的配合方式类似于挂口灯泡与灯座的配合方式， 切忌生拉硬拽。5示波器的标尺刻度盘与荧光屏不在同一平面上，之
