示波器的原理和使用实验报告.docx
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示波器的原理和使用实验报告
示波器的原理与使用实验报告
院(系)材料学院专业材料物理班级成绩
姓名学号实验台号教师签字
实验时间
实验名称示波器的原理与使用教师评语
实验目的与要求:
(1)了解示波器的工作原理
(2)学习使用示波器观察各种信号波形
(3)用示波器测量信号的电压、频率和相位差
主要仪器设备:
YB4320G双踪示波器,EE1641B型函数信号发生器
实验原理和内容:
1.示波器基本结构
示波器主要由示波管、放大和衰减系统、触发扫描系统和电源四部分组成,
其中示波管是核心
部分。
示波管的基本结构如下图所示,主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三个部分
组成,由外部玻
电子枪的作用是释放并加速电子束。
其中第一阳极称为聚焦阳极,第二阳极
称为加速阳极。
通
过调节两者的共同作用,可以使电子束打到荧光屏上产生明亮清晰的圆点。
偏转系统由X、丫两对偏转板组成,通过在板上加电压来使电子束偏转,从而对应地改变屏上亮点的位置。
荧光屏上涂有荧光粉,电子打上去时能够发光形成光斑。
不同荧光粉的
发光颜色与余辉时间都不同。
放大和衰减系统用于对不同大小的输入信号进行适当的缩放,使其幅度
适合于观测。
扫描系统的作用是产生锯齿波扫描电压(如左上图所示),使电子束在其作用下匀速地在荧光屏
周期性地自左向右运动,这一过程称为扫描。
扫描开始的时间由触发系统控制。
2.示波器的显示波形的原理
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如果只在竖直偏转板加上交变电压而X偏转板上五点也是,
电子束在竖直方向上来回运动而形成一条亮线,如左图所示:
如果在丫偏转板和X偏转板上同时分别加载正弦电压和锯齿波电压,电子受
水平竖直两个方向的合理作用下,进行正弦震荡和水平扫描的合成运动,在两电
压周期相等时,荧光屏上能够显示出完整周期的正弦电压波形,显像原理如右图
所示:
3.扫描同步
为了完整地显示外界输入信号的周期波形,需要调节扫描周期使其与外界信
号周期相同或成合适的关系。
当某些因素改变致使周期发生变化时,使用扫描同步功能,能够使扫描起点自动跟踪外界信号变化,从而稳定地显示波形。
步骤与操作方法:
1.示波器测量信号的电压和频率
对于一个稳定显示的正弦电压波形,电压和频率可以由以下方法读出
1,U,a,hf,(b,l)p,p
其中a为垂直偏转因数(电压偏转因数)(从示波器面板的衰减器开关上可以直接读出)单位为V/div或mV/div;h为输入信号的峰-峰高度,单位div;b为扫描时间系数,从主扫描时间系数选择开关上可以直接读出,单位s/div、ms/div或
卩s/div;l为输入信号的单个周期宽度,单位div。
(1)打开电源开关并切换到DC档,拨动垂直工作方式开关,选择未知信号所
在的通道
(2)
以及它
通过调节“扫描时间系数选择开关”和“垂直偏转系数开关”,
们对应的微调开
关,使未知信号图形的高度和波形个数便与测量。
同时在开关上读出计算所
需的a、b
值。
(3)调节“垂直位移”与“水平位移”旋钮,利用荧光屏上的刻度读取I、h
值,并记录。
2.用示波器直接观察半波和全波整流波形
(1)将实验室提供的未知信号分别接到整流电路的AB端,CD端送入示波器的
CH或CH12
端。
(2)通过调节“扫描时间系数选择开关”和“垂直偏转系数开关”是信号显示
在屏内,分
别观察整流后的波形,并记录
3.李萨如图形测量信号的频率
不使用机内的扫描电压,而使用两个外界输入的正弦电压分别加载在X、丫偏转板上,当两个
正弦电压的频率相同或呈简单的整数比,则屏上将显示特殊形状的轨迹,这
种轨迹称为李萨
如图形。
李萨如图形与X轴和丫轴的最大交点数n与n之比正好等于Y、X端的输入电压频xy
率之比,即f:
f,n:
nyxxy
*示波器和函数信号发生器的操作原理略数据记录与处理/结果与分析:
1.正弦信号电压和频率的测量:
示波器计算结果Y偏转因数X偏转因数1h/(div)l/(div)U/VT/msf/Hzp-pa/(V/div)b/(ms/div)
512.513162.53132.26实际电压(最大值)/V31.25信号频率/Hz32.26
2.正弦信号、半波整流信号、全波整流信号的图形
完整的正弦信号波形半波整流图形
全波整流图形
3.李萨如图形测量正弦信号的频率
n:
n1:
11:
22:
33:
22:
1xy
图形形状
f/Hz160.5160.4160.5160.4160.1x
f/Hz160.580.2107.0240.6320.2y
讨论、建议与质疑:
(1)在示波器显示扫描波形图和李萨如图形的原理中,不同之处在与它们所使用的扫描电压(即
水平方向的输入电压)不同。
显示扫描波形时,水平方向加载的是锯齿波的扫描电压,它
能够使电子束从左向右地单方向扫描,当扫描频率和输入信号的频率相配合
时,就能够显
示输入信号的波形;显示李萨如图形时,水平方向接入的是未知的正弦信
号,它使电子束在水平方向上做简谐往复运动,与竖直方向的另一简谐运动相叠
加后,在荧光屏上形成李萨如图形。
(2)形成椭圆的条件较为简单,当输入的两个同频正弦信号相位差存在,且
大小在+n~-n之间时,即可形成椭圆图形。
圆可以认为是一种特殊条件下形成的椭圆图形。
当输入的两个正弦信号频率相同,信号振幅相同,且两者的相位差为?
n/2
时,李萨如图形为圆形。
(3)实验中丫轴信号为已知正弦信号,X轴为未知信号,经过实验,发现
当f比f大很多时,荧光屏上的线条之间不可分辨,形成一个矩形块状图案;yx
当f比f小很多时,荧光屏上显示一条上下振荡的水平线段。
yx
(4)试解释全波整流图形存在水平片段的原因。
个人认为,由于示波器上没有精确地显示出波形所在的相对位置,故对这一
波形现象可以有以下两种理解方式:
第一种理解方式
如上图,左图为理论上的全波整流信号波形,右图为实际中由示波器观察到
的整流波形,可见实际波形下端未能达到0,即负载端电压值在外部加载电压换向时没有达到最小。
原因可以认为,二极管的单向导通作用不是绝对的,在电
压反向加载时,仍有小部分的反向“漏电流”通过二极管,因此在桥式整流电路
中,电路电流完全等于零的时刻是不存在的,在正向电压下降到接近0的位置
时,由于有反向漏电流存在,故负载两端的实际电流不为零,故电压也不为零,由示波器显示其电压变化状态,变得到了右上图示的“削尾”现象。
另外,也可
以认为二极管有电流/电压残留现象等等。
第二种理解方式
如右图所示,波形的形状与实际可见相同,但与上一种理解方式不同的是,此种情况可以理解为,负载两端的电压提前下降到零,维持在零水平一段时间后,重新上升。
在这种情况下,必须提到二极管单向导通性质的一个前提:
当加在二极管两端的正向电压很小时,二极管仍然不能导通,流过二极管的正向电流十分微
“门槛电压”,锗管约为0.2V,硅管约为弱。
只有当正向电压达到某一数值
(这一数值称为
0.6V)以后,二极管才能直正导通。
由此可以解释实验中观察到的现象:
当第一个半周期内末端,电压下降到门槛电压以下时,二极管实际已不能导通,而另两个反向的二极管此时也尚未导通,此时负载两端的电压为零,在示波器上表现为X轴上的直线;
当电压进入第二个半周期时,电压由零开始重新上升,但尚未达到门槛电压
时,二极管仍然处在不导通状态,此时负载两端的电压仍为零;直到电压上升到
门槛电压以上,二极管才被导通,此时负载两端才有电压,并且随外源信号呈
正弦规律上升。
综合以上两个短暂过程来看,可以发现负载两端电压有一段持续
为零的“真空期”,表现为波形即为示波器上观察到的短直线片段。
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- 关 键 词:
- 示波器 原理 使用 实验 报告