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示波器的应用
示波器的应用电子示波器又称阴极射线示波器, 是一种利用阴极射线管作为显示器的电子图示测量仪表. 它可以将电压随 时间的变化规律显示在荧光屏上,以便研究它的大小,频率,位相和其它的变化规律,还可以用来显示两个相关 的电学量之间的函数关系.因此电子示波器被广泛用来捕获,显示和分析各种电信号的波形和瞬变过程. 电子 示波器是调试, 检验, 修理和制作各种电子仪表设备时不可缺
少的工具, 随着各种换能技术的应用与发展, 温度, 压力,振动,速度,声,光,磁等非电学物理量都可以转换为便于观察,记录和测量的电学量,因此,示波器已 成为测量电学量以及研究可转化为电压变化的其它非电学物理量的重要工具之一.一,实验要求1.实验重点① ② ③ ④ 了解示波器的主要结构和波形显示基本原理,掌握示波器,信号发生器的使用方法. 学习用示波器观察波形以及测量电压,周期和频率的方法. 学会用连续波方法测量空气声速,加深对共振,相位等概念的理解. 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.2.预习要点① 为什么示波器必须在测量档的校准位置读数? ② 怎样用示波器测量波形的幅值和周期?&伏特/格&和&秒/格&开关分别起什么作用?其上数字分别代表 什么含义?怎样利用它们测量信号的电压,以及两个信号的相位差? ③ 本实验中存在两个共振,它们分别是什么共振?这两个共振是一回事吗? ④ 欲在示波器上观察到稳定的李萨如图形,对 X 轴和 Y 轴所加的频率有何要求? ⑤ 如何利用李萨如图测量信号的频率?示波器的&X-Y 方式&开关,应怎样设置? ⑥ 振幅法测声速主要利用哪个共振?各共振位置之间有什么关系? ⑦ 相位法是利用什么原理进行测量的?应在出现什么现象时进行读数?这些位置之间又有什么关系? ⑧ 已知声速测量实验的工作频率范围为 40kHz~50kHz,试问如何使用声速仪中信号发生器产生所需的正弦 共振信号?二,实验原理1.示波器原理示波器是利用电子束的电偏转来观察电压波形的常用仪器.示波管是它的关键显示部件,原理示意见图 1.图1示波器示意图图 2 示波器工作原理当电子枪被加热发出电子束后, 经电场加速打在荧光屏上就形成一个亮点, 电子束在到达荧光屏之前要受到两相1互垂直的偏转板间电场作用,从而亮点位置会发生改变. 如果在 X 轴偏转板上加如图 2 上方所示的锯齿形电压,电子束受该电场作用到达荧光屏的位置就发生变化: 先由左向右匀速运动, 到达右端后立即返回左端, 再从左向右重复上述过程. 每完成一个循环我们称为一次扫描, 这时荧光屏出现一条水平亮线. 类似地, 如在 Y 轴加一周期变化的电压 (例如正弦波形) 但 X 轴不加偏转电压, , 我们将在屏上看到一条垂直亮线,亮点在该线上作正弦振荡. 如果在 Y 轴偏转板上加所要观察的周期性电压波形,又在 X 轴偏转板上加锯齿形电压,则亮点在荧光屏上 将同时参与两种位移,显示出随 Y 轴信号周期性变化的波形.如果 Y 轴信号的周期与锯齿波的周期完全一样{或 者后者是前者的整数倍) ,当 Y 轴完成了一个(或数个)周期的运动时,X 轴的扫描信号也正好回到左端起始扫 描位置.这样,屏上的图形将通过一次次的扫描得到同步再现从而形成稳定的显示曲线.显然,如果两者不能实 现严格的同步,就无法观察到稳定的图形.这个矛盾可以通过同步触发的办法来解决:只有当 Y 轴信号(或者 与 Y 轴信号严格同步的其它信号)达到某一确定的状态(极性和幅度) ,才触发 X 轴开始扫描.这样扫描信号就 可以和 Y 轴周期信号严格同步了.启动 X 轴扫描的信号称为触发信号. 如果 Y 轴加正弦信号,X 轴也加正弦扫描电压,荧光屏将得到所谓的李萨如图形.当两者的频率有简单的 整数比时,合成运动有稳定的闭合轨道(如图 3) .图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频率成正比例. 因此封闭 的李萨如图形与水平线相交的点数nx与垂直线相交的点数ny之间与两信号频率之比有如下关系: f y nx (1) = fx ny 若已知其中一个信号的频率,从李萨如图形上数得的点数nx和ny,就可以求出另一待测信号的频率. 利用李萨如图除可测频率外,还可比较两个振动的相位差.如果f=f0,且同相位,则李萨如图为向左下倾斜 ,向右下倾斜的椭圆, 的直线.若不断改变Y与X的相位差Δ,则直线变成向左下倾斜的椭圆,正椭圆(Δ=π/2) 直至成为向右下倾斜的直线.此时Δ=π,即两振动的相位差为π.此过程如图 4 所示.Δ=0Δ=π/2Δ=π图4相位差与李萨如图22.波形测量示波器除了能直观地显示波形之外,其测量内容可归结为两类:电压和时间的测量,而电压和时间的测量最 终又归结为屏上波形长度的测量. (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就可知该两点间的电压Δuy Δuy=KΔy (2) 式中 K 为灵敏度(屏上 Y 轴每一大格所代表的输入电压值) ,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就可知其电压的有效值ue u p
p KΔy ue = = (3) 2 2 2 2 式中up-p为被测电压的峰-峰值. 注意:只有&VOLTS/DIV(伏特/格) &灵敏度微调旋钮位于校准位置(顺时针旋到底) ,测量电压才有意义. (2)时间的测量 用示波器可直观地测量时间.当扫描电压用锯齿波时,荧光屏上 X 轴坐标与时间直接相关,信号从波形上 某点传至另一点所用的时间Δt,等于该两点间距(格数)l乘以观测时的每格扫描时间t0,即 Δt=lt0 (4) 若观测的两点,正好是周期性信号相邻的两个同相位点,且间距为 L 格,则其周期 T=Lt0 (5) 为减少测周期读数的误差,可观测 n 个周期总长度进行计算. 同频率的两个简谐信号之间相位差为 = Δt360 o T(6)式中Δt 为两信号的对应同相位点时间间隔. 注意:用示波器测时间时, &扫描微调&旋钮需位于校准位置(顺时针旋到底) .3.二极管伏安特性曲线的观测利用示波器可以直观地研究两个相关的物理量变化过程中的依赖关系. 本实验即通过示波器研究非线性元件 (硅稳压二极管)电流和电压的数值关系. 普通二极管的伏安特性曲线从正向特性来看,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(一般硅管约为 0.5V,锗管约为 0.1V)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. 稳压管是一种特殊的 PN 结面接触型二极管.其伏安特性与普通二极管相似.稳压管与普通二极管的主要区 别是,稳压管工作于反向击穿区.当反向电压增至击穿电压时,反向电流突然剧增,此后,虽然流过管子的电流IR EY输入U~A D X输入 B图6图5测量二极管伏安特性电路图二极管伏安特性曲线3变化很大,而管子两端电压变化却很小,达到稳压效果.稳压管的反向击穿是可逆的,当去掉反向电压后,稳压 管又恢复正常;但如果反向电流超过允许范围,它会因热击穿而损坏. 测试二极管伏安特性的电路如图 5 所示,图中D为稳压二极管,R为固定电阻.由图 5 可知,在示波器X方向 输入的电压为二极管D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 6 所示. 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.4.声速的测量声学测量是人们认识声学问题本质的一种实验手段, 通过声波的传播速度, 衰减等的精确测量可以了解材料 或结构的许多物理性质和状态.本实验的主要内容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: v=fλ (7) 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 7 所示.其中S1和S2分别用来发送和接收声波.它们是以压电陶瓷为敏感元件做成的电声 换能器.当把电信号加在S1的电端时,换能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)? ? ? ? ?S1S2? ? ?? ? ? ?图7声速测量仪信号发生器产生频率为几十 kHz 的交变电信号,其频率可由频率计精确测定.换能器端面发出相同频率的 声波(属于超声频段,人耳听不见) .为了确定声速,还要测定声波的波长,它可以用以下两种方法进行. (1)振幅法 S1发出的声波,传播到接收器后,在激发起S2振动的同时又被S2的端面所反射.保持接收器端面和发送器端 面相互平行, 声波将在两平行平面之间往返反射. 因为声波在换能器中的传播速度和换能器的密度都比空气要大 得多,可以认为这是一个以两端刚性平面为界的空气柱的振动问题.当发送换能器所激发的强迫振动,满足空气 柱的共振条件l0 = nλ2(8)时,接收换能器在一系列特定的位置上,将有最大的电压输出.式中l0是空气柱的有效长度,λ 是空气中的声波 长,n取正整数.考虑到激励源的末端效应,式(8)还应附加一个校正因子Δ: λ (9) l=n +Δ 2 振 式中 l 是空气柱的实际长度, 即发送换能器端面到接收换能器端面之间 幅 的距离. 在S2处于不同的共振位置时,因 Δ 是常数,所以各电信号极大值 之间的距离均为λ .由于波阵面的发散及其它损耗,随着距离的增大, 2λ 2 λ 2 λ 2 λ 2距离各极大值的振幅逐渐减小.当接收器沿声波传播方向由近而远移动时, 接收器输出的电信号的变化情况如图 8 所示. 只要测出各极大值所对应 的接收器的位置,就可以测出波长λ.4图8接收信号的振幅变化(2)相位法 波是振动状态的传播,也可以说是相位的传播.对行波而言,沿传播方向上的任何两点,它们和波源的相位 差 2π(或 2π的整倍数)时,该两点间的距离就等于一个波长(或波长的整数倍) .而就本实验而言,S1和S2之间 空气柱受换能器激励作受迫振动,其振动状态(相位)是距离l的周期函数,因此S2每移过一个λ 的距离,激励 源和接收器的电信号的相位差也将出现重复. 这表明我们可以用测量相位差 (例如李萨如图) 的办法来测定波长. 把激励信号接示波器的X端,把输出波形接Y端,我们可以在屏幕上看到稳定的椭圆.当相位差为 0 或π 时,椭 圆变成向左或向右的直线.移动S2,当示波器重现同一走向的直线时,S2所移过的距离就等于声波的波长.5.同轴电缆电信号传播速度的测量(1)行波法 本实验中将同轴电缆近似为无损耗均匀传输线. 当传输线是有限长且终端不匹配时, 终端将发生电压波和电 流波的反射.终端处的反射系数为n=Z
Zc Z + Zc(10)式中,Z为终端所接负载,Zc为传输线的特性阻抗. 当传输线终端匹配(Z=Zc)时,n=0,即线上不存在反射波(图 9) ;如果终端接有非匹配的电阻,则视其阻 值大小将出现不同的反射,但最终沿线电压及电流将趋于恒定.图 10 所示为终端短路时的波形图.图9终端匹配图 10终端短路本实验采用如图 11 电路来观察同轴电缆中的反射波. 如果将 同轴电缆视为集总参数电路中的导线,则这一电路是由电容和电 阻组成的微分电路,输入方波时可在示波器的CH2中看到与方波 的上升沿和下降沿对应的正,负尖脉冲.但若考虑到同轴电缆终 端的反射波, 则在上述每个尖脉冲后还会出现若干个较小的脉冲, 这便是反射波.相邻两个尖脉冲之间的时间间隔,便是信号在同 轴电缆中反射一次所需的时间. (2)驻波法 终端开路或短路的无损耗线, 在角频率 ω 的正弦信号作用下,图 11 行波法电路图沿线将形成电压和电流的驻波.在正弦信号作用下,若无损耗线长为 l ,驻波波长为 λ ,则 2πl 终端开路: Z i =
jZ c cot λ 2πl 终端短路: Z i = jZ c tan λ 本实验通过观察同轴电缆上的驻波来测定其中的信号传播时间.实验电路如图 12 所示.5终端开路的同轴电缆当作一个集总元件与电阻串联,由于 其阻抗是一个纯电抗,图中CH1,CH2两路信号将有相位差,仅 当始端为电压或电流的波节时二者同相位,这可由示波器显示 李萨如图形来观察.在频率增大的过程中,电缆始端交替出现 电压波节和电流波节,故李萨如图形相邻两次退化为直线时, 必有一次斜率较大(电压波腹) ,此时有 2πl 2πlf (11) = = kπ v λ 即 则2lf = f Δt = k v(12)Δt =图 12 驻波法电路图2l v 此便是信号在电缆反射一次所需的时间.也可测量始端为电压波节时的频率,其满足 f Δt = k + 1 2(13)(14)图 13 所示的李萨如图形与上文的结论是一致的.但是不难发现,当始端为电流波节时,虽然 CH1 与 CH2 的信号同相位,但二者幅度不等. (若按实验方案所述,此时电缆输入阻抗无穷大,电阻上几乎无压降,CH1 与 CH2 不仅同相而且幅度也应相等) ;始端为电压波节时,李萨如图形也不完全水平,即 CH2 信号幅值不为零.究 其原因,一方面是同轴电缆并非真正的无损耗线,另一方面是整个测试电路中分布参数的影响.(a) 始端为电压波节 图 13(b) 始端非波节 驻波法的李萨如图形(c) 始端为电流波节三,仪器设备1.实验仪器同轴电缆信号传播速度测试仪,声速测量仪,信号发生器,示波器,屏蔽电缆若干,温度计.2.仪器介绍(1)信号发生器 本实验有三种信号发生器可供使用.一种是 8112 型数字式函数发生器,它能产生 0.1Hz 到 2MHz 的多种波 形的电振荡信号(也可用作频率测量) ,其面板如图 14 所示.下面介绍与本实验有关的功能开关及其使用. 通 电 和 输 出 信 号 的 幅 度 调 整 : 将 电 源 线 接 入 220V , 50Hz 交 流 电 源 , 顺 时 针 旋 转 开 & 振 幅 / 电 源 & (Amplitude/Power)开关,预热 10～20 分钟后即可使用. &振幅/电源&旋钮除作电源开关外,还兼作信号源的 幅度调整旋钮,顺时针转动,幅度增大,输出电压的调节范围约为 5mV～20V(峰峰值) ,如需小信号,可将&衰 减器& (Att)按键按下,这时输出信号将衰减 30db. 波形选择:在&函数/计数& (Func/Count)的控制下,配合其右侧的三个波形选择键可以得到方波,三角波 和正弦波等多种信号输出.例如选用正弦波,应使&函数/计数&键处于伸出位置并将波形选择键中标有&～& 的键按下,正弦信号即可由&输出& (Output)插孔输出.注意连接输出电缆时,一般应把外屏蔽线作公用端使 用.61MRANGE Hz/GATE TIME 100K 10K 1K 100 101FUNC.ATT. 0dBOVFLGATE KHzHz 0.01S 0.1S 1S SYNC OUT 10S COUNT. VCF IN COUNT. IN30dB OUTPUTMAINFINEPULL TO VAR AMPLITUDE RAMP/PULSE DC OFFSET POWER CAL + OFFTopward DIGITAL FUNCTION GENERATOR 8112图 14 8112 函数发生器面板频率的选择和调节:选择&频率范围/选通时间& (Range/Gatetime)的适当按键(共七档)按下,再配合&粗& (Main), &细& (Fine)调整旋钮,可获得 0.1Hz～2MHz 频率连续可调信号.其中&频率范围/选通时间&用于选 择频段范围, &粗&&细&旋钮用于频段范围内的连续调整,输出信号的频段可由显示屏直接读出,但有效数字 , 较少(3～4 位) . 8112 型信号发生器也可作频率计使用,这时应把&函数/计数& (Func/Count)键按下(系统处于计数状态) , 被测信号接入&计数输入& (Count in)插孔,选择适当的计数时间(把相应的&频率范围/选通时间&的按键按 下) ,即可获得正确的频率测量显示,一般有 6 位有效数字.当然,作频率计使用时,信号发生器的功能也就丧 失了. 有一些其它的功能开关,由于与本实验关系不大,这里就不再介绍.使用中不要随意改变其正确状态,以免 影响系统工作甚至造成仪器故障和损坏. 信号发生器的使用方法: ① 开机:顺时针旋开&振幅/电源(Amplitude/power) &开关. ② 信号输出:按下&~&键(选用正弦波) ,并使&函数/计数(Func/Count) &键处于伸出状态(选用函数 功能) ,电缆接&输出(Output) &插孔. ③ 频率调节:按换能器共振频率要求,选择&频率范围/选通时间(Range/Gatetime) &的频率档位(6 档) , 再用&Main&&Fine&旋钮分别进行粗调和细调. , ④ 幅度调整:旋转&振幅/电源(Amplitude/power) &可调节信号幅度,测量时信号应尽量大一些(提高信 噪比) . 另一种信号源是配合 SVX-3 型声速测试仪使用的信号源 (图 15) ,它可以产生 25kHz―50kHz 的正弦波和周期为 8ms,宽度为 200μs,载波频率 36.5kHz 的脉冲调制信号.并可对接收信号进行 放大处理. 信号源的电源开关位于机箱后面板右侧.前面板分成 5 个功 能块. &发射端&由两个 Q9 插座组成: &换能器接口& (左侧)是 信号源的功率输出端口; &发射波形&提供发射换能器的激励波形 (右侧)以便用示波器观测. &接收端&也由两个 Q9 插座组成: &换能器接口&用来接收换能器的输出信号,以便进行放大处理; &接收波形&则是放大后接收换能器的输出波形,用于示波器观 测. &调节旋钮&由三个旋钮组成: &信号频率&用于调节信号源 输出的正弦波频率; 发射强度& & 用于调节信号发生器的输出幅度; 图 15 SVX-5 声速测定仪信号源 &接收增益&用于调节接收信号的放大倍数. &测试方法&有两个 功能:连续波输出或脉冲(调制)波输出. &传播介质&功能块在 本实验中不用. &测试方式&为&连续波&时,信号源的 5 位 LED 显示正弦波的频率值; &脉冲波&时,显示传 播时间. 第三种为正弦波信号发生器,能发生 4 种频率的正弦波.电源开关位于机箱后面板;前面板有一个Q9 插座 的&输出端&和 4 个频率选择按钮f1,f2,f3,f4组成.7(2)示波器 YB-4320 是一台双踪示波器(图 16) ,可同时对两路信号进行观测,带宽从直流(DC)至 20MHz.采用数 字编码开关,便于操作,提高了可靠性和使用寿命.示波器面板上可操纵的旋钮和开关较多,但只要把工作原理 和相应的功能开关,旋钮结合起来,了解并不困难,熟练也是容易办得到的.YB4320G20MHzOSCILLOSCOPE水平方式A A加亮 B B触发延迟时间位移垂直位移 方式断续 CH1
叠加50 50 20 10 5 2 5 1位移CH2 反相B TIME /DIV×5 扩展水平5 2 1 .5 .2 .5 .1 最小触发μs10 20 50 .1 .2释抑锁定 自动 常态电平X-Y-+ms复位VOLTS/DIVV.1 .2 .5 1 2 5 1 20 10 5 2VOLTS/DIVmV V.1 .2 .5 1 2A TIME/DIVTV-VmVms2断续5 10 20 501 .5.2 .1 50 20 10 5交替 -H TV2 μs 1 .5单次准备触发耦合AC 高频
抑制 TV DC触发源CH1 X-Y CH2 电源 外接 交替 触发
CH1 X微调AC DC 接地校准CH2 Y微调AC DC 接地校准.1 s.2.5.1.2扫描 非校准扫描微调极性+ -校准信号2Vp-p 1KHz辉度B辉度聚焦光迹旋转电源关 开CH1输入(X)!CH2输入(Y)!外接输入!400Vpk MAX400Vpk MAX100Vpk MAX图 16YB4320G 双踪示波器面板I.开机 显示屏右下方为&电源& (Power)开关,按下为开,弹出为关.接通时指示灯亮.预热约 20 秒后,示波管 屏幕会显示光迹.如 60 秒后仍未出现光迹,应检查开关和控制按钮的位置是否正常. 调节 &辉度& (Inten)和&聚焦& (Focus)旋钮,使光迹亮度适中且最清晰.荧光屏辉度调节,顺时针转 动,辉度加亮,反之减弱.注意:不可将光点和扫描线调得过亮,否则不仅会使眼睛疲劳,而且长时间停留会使 荧光屏变黑.如果实验过程中较长时间不做观察的话,应将辉度减弱,以延长示波管的寿命.本装置在调节亮度 时,聚焦电路有自动调节功能,但有时也会有轻微变化,这时需重新调节聚焦旋钮. II.Y 轴信号 ① 输入――作为双踪示波器, YB-4320 有两个输入通道 CH1 和 CH2. 被观察的信号由面板中部下方的两个 Q9 插座&CH1 输入(X) &和&CH2 输入(Y) &接入. ② 灵敏度调整――利用 VOLTS/DIV 开关,合理选择灵敏度,使显示在屏上的被观测信号大小适中. VOLTS/DIV 分 12 档,最高灵敏度为 mV/DIV 档(每格代表 1mV) ;最低灵敏度为 5V/ DIV 档,这时示波器 能显示的最大动态范围是 40V(8DIV) ,使用 10:1 探头,还可达 400V.思考:观察一个峰―峰值约 1V 的信号, 应当如何选择 VOLTS/DIV?如果选择的 VOLTS/DIV 过大或过小将会看到什么现象? ③ 灵敏度微调――使用垂直&微调&旋钮,可连续改变灵敏度(垂直偏转系数) .若将旋钮逆时针旋到底, 灵敏度下降在 2.5 倍以上.因此如需用示波器做电压测量,此旋钮应位于校准位置(顺时针旋到底) . ④ 输入信号的耦合――输入信号与示波器有三种连接方式: &AC& (交流) 为交流耦合, 按钮处于弹出位置, 信号经电容输入,其直流成份被阻断; &DC& 直流 )为直流耦合,按钮处于按入位置,信号与示波器直接耦 ( 合;另有一&GND& (接地)按钮,按入时输入信号与示波器断开,示波器内部输入端接地.该按钮常用于确定 测量基准或寻迹. ⑤ 工作方式选择――&方式&开关置于&CH1& ,屏幕仅显示 1 通道的信号; &CH2& 仅显示 2 通道的信号; &双踪& ,屏幕显示双踪,以交替或断续方式同时显示 1 通道和 2 通道的信号; &叠加& ,显示 1 通道和 2 通道信 号之和,如要获得两信号的差,可按下&CH2 反相&按钮,此时 CH2 显示反相信号. ⑥ 垂直移位――利用&v位移& 旋钮,可以调节光迹在屏幕中的垂直位置,使信号在垂直方向位置适中, 便于观测. III.X 轴的扫描 ① 扫描快慢的选择――利用&TIME/DIV& (时间/格)时基扫描开关,可以控制示波器内部产生的 X 轴锯齿 波扫描的速率,共 20 档,0.1μs/DIV―0.5s/DIV,因此扫过显示屏的最快时间是 0.1×10=1 μs( &扫描微调&旋钮8置于校准位置) ,利用扫描扩展还可以加快至 0.2 μs. &TIME/DIV&的档位应当根据被观测信号的频率来选择. 思考:要在屏幕上观察到 3―5 个周期的～35kHz 的正弦波信号,应当如何选择 TIME/DIV? 另有一扩展控制键&×5 扩展& ,按下时扫描时间是&TIME/DIV&指示值的 1/5,这时扫描加快为原来的 5 倍, 但辉度可能下降. ② X-Y 操作与 X 外接控制――示波器的 X 轴也可以不使用内部产生的锯齿波扫描信号,它包括两种方式. 一种是将 X-Y 键按入,这时垂直偏转信号接入 CH2 输入端,水平偏转信号接入 CH1 输入端(此时&触发源& 应置于&CH1X-Y&档) ,示波器按&X-Y&方式工作.此方式常用于李萨如图的观察.另一种是将 X-Y 键按入, &触发源&置于&外接&档,示波器按 X 外接方式扫描工作. 思考:振幅法测波长,应如何设置示波器?相位法测波长,又应如何设置示波器? ③ 扫描微调――&扫描微调&旋钮用于示波器内部产生的 X 轴扫描的连续微调,此旋钮顺时针方向旋转到 底时为校准位置,扫描由 TIME/DIV 开关指示;逆时针方向旋转,扫描减慢,旋转到底,扫描减慢 2.5 倍以上. 注意: &扫描微调&必须在&扫描非校准&按入的前提下进行,否则调节无效即时基扫描仍处于校准状态. ④ 水平移位――&水平位移&旋钮用于调节光迹在水平方向移动,顺时针旋转光迹右移;逆时针旋转光迹 左移. IV.触发 ① 触发源的选择――&触发源&开关用于选择启动扫描的触发信号: &CH1X-Y&以 1 通道的信号为触发信 号; &CH2& 以 2 通道的信号为触发信号; &电源&以电源信号为触发信号; &外接&用外接的信号为触发信号, 外触发信号由&外接输入&插座输入. 注意:按入 X-Y 键, &触发源&开关置于&CH1X-Y&位置时,示波器按 X-Y 方式工作. ② 触发电平――&电平&旋钮用于调节产生触发所需的电平,它会影响显示波形的起始位置.向&+&旋转, 启动扫描的触发电平上升,向&-&旋转,触发电平下降.思考:若&电平&选择太大或过小时将出现什么现象? ③ 触发极性――&极性&按钮用于选择触发极性,按入为负极性,即下降沿触发,弹出为正极性,上升沿 触发. ④ 触发方式――&自动&为扫描电路自动进行扫描,在没有信号输入或信号没有被触发同步时,屏幕上仍 然可以显示扫描线; &常态&则只有触发信号才能扫描,否则屏幕无扫描线显示. ⑤ 触发耦合――&AC&为交流耦合; &DC&为触发信号直接耦合到触发电路; &高频抑制& ,触发信号通过 交流耦合电路和低通滤波器作用到触发电路,高频成分被抑制; &TV&用于电视信号的观测. (3)声速测定仪 声速测量仪由支架, 游标卡尺和两只超声压电换能器组成. 两只换能器的位置分别与游标卡尺的主尺和游标 相对定位,左端的固定换能器为发送换能器,右端(装在游标上)为接收换能器.使用时应首先调整发送换能器 固定卡环上的锁定螺钉,使换能器平面端面与游标卡尺的游标滑动方向垂直,锁定后,再用同样方法移近接收换 能器,调整其端面与发送平面端面平行,并保持换能器位置的固定. 发送换能器的输入插口和接收换能器的输出插口(信号端) ,均为红色接线柱;黑色接线柱为接地端,接公 共端(屏蔽线或外壳) .不要接反接错. 本实验中使用的换能器是共振式超声压电换能器,谐振频率在 30kHz～35kHz 的超声频段,当工作频率偏离 其共振频率时,系统灵敏度将急剧下降,因此必须确保信号的工作频率等于或接近换能器的共振频率,否则将严 重影响测量的准确度甚至使实验无法进行.不同编组的换能器工作频率略有不同. 测量过程中,移动接收器时应松开游标上方的两个锁紧螺钉(注意不要使螺钉过松脱落) ,用拇指推动右下 方的推进螺母,至所要位置附近时,则应先拧紧游标上方右侧的锁紧螺钉,并转动右下方的推进螺母,这时可对 接收换能器位置进行微调. 另一种声速测量仪的型号为 SV-DH,其原理相同,不同的是接收换能器的移动采用手轮控制.手轮转动一 圈(100 格) ,换能器移动 1mm.换能器移动的距离可以通过主刻度尺和手轮的位置读出.思考:该读数装置应 记录到哪一位,距离测量值有几位有效数字? 使用 SVX-3 型声速测试仪时请注意:发射换能器输入的信号幅度和接收信号的放大倍数要选择适中,过大 过小都不利于观测.发射换能器输入的信号幅度一般可控制在 10Vp-p(峰峰值) ,放大后的接收信号可取 1 Vp-p (峰峰值)左右.过大可能引起信号失真.9(4)同轴电缆信号传播测试仪 BHWL-1 同轴电缆信号传播测试仪前后面板如图 17 所示, 前面板分 4 个模块,包括电源开关,液晶显示屏,AB转换开并, 连接信号源及示波器CH1,CH2的Q9 插座. 后面板分为两个模块,一个是连接 220V 交流电插座,另一 个是由六个 Q9 插座组成的模块,分别接同轴电缆线,测量电容 及测量电阻. 同轴电缆信号传播测试仪内部已经按行波法和驻波法连好 线路,连接外电路时只需把各仪器接在相应元器件插口上即可.四,实验内容1.示波器预置并观察与测量&校准信号&(1)示波器的预置 将示波器的&辉度&&聚焦&&水平位移&&垂直位移&旋钮调至居中位置,按下触发方式的&自动&按钮, , , , 通电后十几秒,屏上会出现扫描线,调节&聚焦&和&辉度&使其细而清晰. (2)利用示波器观察其左下角的&校准信号& ,校正偏转系数(灵敏度) 示波器自带校准信号的电压及周期可认为是标准的, 一般用来检查示波器是否正常工作, 当示波器不能正常 工作时用其校准各个档位.&校准信号&幅值为 2V,频率 1KHZ) ( ① 将示波器&校准信号& (方波)输入到示波器通道(CH1) . ② 调节垂直偏转系数为 1.0 V 格 ,选择合适的时基扫描系数& TIME DIV &&方式&和&触发源&调到 , CH1,并调节&水平位移&及&垂直位移&使信号显示在屏中央,触发&电平&旋钮调节适中,按下电平&锁定& 按钮,使波形稳定. ③ 垂直偏转系数&微调&钮分别取 3 个不同位置(校准位,中间位置,逆时针旋转到底的位置)测出相应 偏转,用下式算出该位置的偏转系数. u K= (15) y 式中,u 为&校准信号&电压幅值,y 为电子束纵向偏转格数. 思考:比较三个位置的偏转系数,为什么在测量信号大小时一定要把垂直偏转&微调&旋钮沿顺时针至&校 准&位置.图 17 测试仪前后面板示意图2.观察各种波形并测量正弦波的电压与周期(1)将 8112 型函数发生器的信号接入示波器通道,分别输出方波,三角波,正弦波,在示波器上观察各种 波形. (2)将正弦波发生器的f2和f4信号分别接入CH1 通道,在示波器上调节出大小适中,稳定的正弦波形,完成 表 1,绘出波形.表1项目 f2 f4垂直偏 转系数垂直偏 转格数水平偏 转系数水平偏 转格数测量结果 up-p/V ue/V T/s f/Hz103.观察李萨如图,用李萨如图测量正弦信号频率将正弦波发生器的f1信号接入CH1 通道,将 8112 型函数发生器的正弦信号接入CH2 通道,按下X-Y键,将 &方式&开关置于&CH2 X-Y&档,此时&触发源&应置于&CH1X-Y&档,示波器按&X-Y&方式工作. 调节 8112 型函数发生器的正弦信号的频率在屏上分别得到fy : fx为 1:1,1:2,1:3,2:3 的稳定的图形.通过观 察李萨如图形,加深对垂直方向振动合成概念的理解.在坐标纸上绘出图形,列表记下相应fy及图形与水平线相 交的点数nx与垂直线相交的点数ny的值,由已知fy算出待测fx.4.观察二极管伏安特性曲线打开信号源和示波器,调节信号发生器输出信号选择合适频率和幅值,示波器打到 X-Y 档,即可得到特征 曲线. (1)在示波器上观测硅稳压管伏安特性的全貌. (2)在坐标纸上定量地描绘出 V-I 特性曲线,确定坐标原点(把 CH1 和 CH2 都接地,看亮点是否在示波 器的中心点) ,正确标出 X 轴和 Y 轴的单位和坐标. (3)从伏安曲线中测量二极管的正向导通电压. 注意事项: ① 在测二极管伏安特性时,原理上按图 5 接线,但受实验室现有仪器设备本身结构的限制,示波器 X 轴信 号可能被短路,因此,在实际电路设计中,将图 5 中 B 点作为接地点,A 点作为 X 输入端. ② 在实验中要求正确选择低频信号的频率,一般取 100Hz~1KHz.5.声速测量 (1)测量正弦波谐振频率并用振幅法测量声波波长通过调节正弦波谐振频率,加深对同方向振动合成概念的理解. ① 按实验装置图 7 接线,使 S1 与 S2 靠拢且留有一定间隙,两端面尽量保持平行且与 S2 的移动方向垂直. 用示波器观察加在发射头 S1 上的电信号和由接收头 S2 输出的电信号,微调信号发生器的频率,使其在压电换 能谐振频率附近.缓慢移动 S2 可在示波器上看到正弦波振幅的变化.移到第一次振幅较大处,固定 S2,再仔细 调节频率,使示波器上的图形振幅最大,此时即达到谐振状态,便等于压电换能器的谐振频率. ② 振幅法测波长是利用接收换能器电压输出的极值位置的间隔来确定的.为提高精度,要求测定连续 10 λ 个间隔为 30× 的距离.即:连续测量第 1 个至第 10 个极大值的位置 x1 , x 2 , x 3
x10 ,接着,继续移动接收器, 2 默数极大值到第 31 个时再连续测出十个极大值位置 x 32 , x 33 ,
x 40 . 由上面 20 个数据用逐差法计算 λ 和 u (λ ) . ③计算声速测量中各直接测量值的不确度.其中波长测量的不确定度包括三个分量:逐差法计算中的A类分 量ua(λ),仪器误差限Δ仪带入的B类分量ub1(λ) 以及位置判断不准确而产生的B类分量ub2(λ).频率测量的不确定度 只计测量过程信号频率不稳定而造成的B类分量ub (f). ④计算测定的空气声速 c 及其不确定度 u(c),给出相应的结果表述.计算相应室温下空气声速的理论值,与 测量值比较,计算百分差. (2)用相位法测量声波波长 相位比较法测波长是利用李萨如图形来比较发射器交变电压和接收器电信号之间的相位差. 移动接收器, 依 次记下椭圆蜕化为斜直线时换能器的位置,测量要求同上.6.同轴电缆电信号传播速度的测量(1)行波法测同轴电缆电信号传播速度实验按图 11 接好线路,打开信号源和示波器,调节信号发生器输出 信号,取合适频率和幅值的方波,电容已固定为 100pF,在示波器上观察当终端短路和终端匹配时,CH2处同轴 电缆入射波与反射波叠加的波形,测量出信号在同轴电缆中反射一次所需时间t及终端匹配电阻R,并求出电信号 在同轴电缆中的传播速度v. (2)驻波法实验按图 12 接线,即把同轴电缆传播信号测试仪转换为模式 2(按下&B&钮) ,观察李萨如图11形如图 13 所示,选取合适电阻 R,信号发生器输出合适正弦波,测出电压波节和电流波节对应的频率值,求出 信号反射时间 t,并求出电信号在同轴电缆中的传播速度 v 及电阻 R 值.五,预习思考题回答预习要点①③④⑤问题.六,实验后思考题① 实验时调不出待观测的正弦波形可能的原因是什么? ② 为什么实验观察的李萨如图形不是特别稳定,需要什么方法才能做 到稳定? A ③ 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 3 个 完整而稳定的正弦波形,扫描电压的周期等于多少毫秒? P P' ④ 在双踪示波器上同时显示出两个相同频率的正弦信号(图 18) ,请 B 你确定两者的相位差. ⑤ 定量讨论以下几种因素给声速测量带来的误差或不确定度. (i)发送,接收换能器端面平行,但和卡尺行程有 5°的倾斜. (ii)实验中温度变化≈1℃. 图 18 实验后思考题④图 (iii)振幅极大值位置的判断有≈0.1mm 的不确定性. ⑥ 在示波器的Y轴输入频率为fy的正弦信号,X轴输入频率为fx的锯齿波扫描信号,荧光屏上分别观测到(a), (b),(c)三种图形(图 19) ,试给出它们的频率比fy : fx .Y X(a) (b)YY X(c)X图 19实验后思考题⑥图附录:关于大气中声速的理论推导连续媒质中弹性纵波的传播速度为c= Kρ(16)其中 K 是传播媒质的体积弹性模量,定义为压力改变与体积的相对改变之比的负值,即
ΔP (17) K= ΔV / V 体积弹性模量与过程有关.在通常情况下,声波传播过程可认为是绝热过程,对理想气体的绝热过程有: (18) PVγ=常数 其中γ为比热比,对理想的双原子气体(如空气)γ=1.4,由式(18)得: K=Pγ (19) 所以c= PγρM(20)由理想气体状态方程PV =μ12RT(21)得 代入式(20)得P=M RT RT =ρ μ V μc=(22) (23)γRT μ其中μ是分子量;R=8.31441J/(molK),是气体普适常数. 在正常情况下,地面干燥空气的表观分子量 μ a =28.964,其成份主要是 4/5 的N2 和 1/5 的O2 ,密度为 1.2922kg/m3.由式(23)可以得到在标准状况下,干燥空气中的声速是 c0=331.45 m/s 最后,获得温度为 t℃时干燥空气中声速的理论值为(24)ct = 331.45 1 +t 273.15(m/s)(25)13
电子线路实验报告 实验名称: 实验三 系别专业: 实验者姓名: 实验日期: 指导老师意见: 示波器的应用――信号测量 2016 年 10 月 28 日 实验报告完成日期: 2014...示波器在教学实践中的应用_理学_高等教育_教育专区。论文本科毕业论文 论文题目:示波器在教学实践中的应用 院专姓学系: 业: 名: 号: 物理科学与技术学院 物理学...示波器还能对一些能转化成电信号的非电量进行观测,因而它还是一种应用 非常广泛的、通用的电子显示器。 1.示波器的基本结构 示波器的型号很多,但其基本结构类似。...示波器原理及其应用示波器介绍 示波器的作用示波器属于通用的仪器, 任一个硬件工程师都应该了解示波器的工作原理并 能够熟练使用示波器,掌握示波器是对每个硬件工程师的...■ FORCE:无论示波器是否检测到触发,都可以使用“FORCE”按钮完成当前波形采集。主要应用于触发方式 中的“正常”和“单次”。■ SAVE/RECALL:显示设置和波形的“...[ 入门 ] 一章介绍了示波器的前面板、用户界面、功能检查及探头补偿。 2. [ 功能介绍及操作 ] 一章对示波器的功能及操作做了系统详细的介绍。 3. [ 应用...示波器示波器及其应用 示波器示波器及其应用 郑淑静 1 刘立毅 1 (1.山东省德州市第一中学 253017 李玉明 2 2.山东德州普里森(集团) 技校 253004) 示波器是研究...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...另外,本次实验中,我也体会到了书本上的理论知识和实际应用的差异所在,具体地说...电子线路实验报告 实验名称:实验四(二)――多个波形测量示波器的应用 系别:电子科学系 班号:电科 2 班 实验日期: 实验报告完成日期: 指导老师意见: 2014 年 ...示波器的调节与使用_计算机软件及应用_IT/计算机_专业资料。示波器应用 数字示波器的调节与使用 一、实验目的 1. 了解示波器的结构与示波原理 2. 掌握示波器的使用...
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