湖北工程学院电路实验讲义_XXXX-2

1实验一常用实验仪器的使用【实验目的】学习示波器和信号发生器的使用方法。【仪器设备】示波器一台，信号发生器一台，RXDI-1A电路原理实验箱一台。【实验原理】1.示波器是一种综合性的电信号特性测试仪，用它可以直接显示电信号的波形，测量其幅值、频率以及同频率两信号的相位差等。电路实验中，这种基本电子测量仪器会多次用到。通过本实验，要求能够大致了解示波器的原理，熟悉示波器的面板开关和旋扭的作用，初步学会示波器的一般使用方法。2.信号发生器是产生各种时变信号电源的设备总称，常用的有正弦信号发生器、方波信号发生器、脉冲信号发生器等。输出信号的频率（周期）和输出幅值一般可以通过开关和旋钮加以调节。3.示波器的结构较为复杂，面板上的开关和旋钮较多，信号发生器又是初次接触，因此，为使实验顺利进行，要在课前预习“示波器原理及基本测量方法简介”和“信号发生器简介”（均附在本实验之后）的基础上，仔细听取教师针对具体仪器进行的讲解和演示，然后再动手操作。【实验内容】1.熟悉示波器和信号发生器的各主要开关和旋钮的作用。（1）接通电源并经预热以后，在示波器的荧光屏上调出一条水平扫描亮线来。分别旋动[聚焦]、[辅助聚焦]、[亮度]、[标尺亮度]、[垂直移位]、[水平移位]等旋钮，体会这些旋钮的作用和对水平扫描线的影响。（2）把信号发生器输出调到零值并接至示波器的输入端，然后合上信号发生器电源开关，预热再调节输出电压，在示波器的荧光屏上调出被测信号的波形来，分别转动[V/cm]、[t/cm]等旋扭，体会其作用。（3）分别改变信号的幅值和频率，重复调节。2.用示波器测量给定信号的幅值和频率。把测出的频率与信号发生器的标称频率相比较，记下测量步骤和方法。3.按图1-1接线，正弦信号发生器输出一个给定信号，用示波器观察电容器的端电压uc和流过电容器的电流ic的波形。其中R为电流取样电阻，uR的波形即表示ic的波形。然后用示波器测量uc和ic的相位差角。改变信号发生器输出信号频率，重复测量。2【注意事项】1.在大致了解示波器和信号发生器的使用方法和各旋钮、开关的作用之后，再动手操作。使用这些仪器时，各旋钮和开关不要用力过猛。2.用示波器观察信号发生器的波形时，两台仪器的公共地线要接在一起，以免引进干扰信号。3.仪器的使用注意事项参见后附。【实验报告】1.记录测得的波形，标明被测信号的幅度和周期。2.记录uc和uR的波形和它们之间的相位差。3.总结用示波器测量信号电压和两同频率信号相位差的步骤和方法。4.回答思考题1。【思考题】1.用一台工作正常的示波器测量正弦信号时，观察到下列现象（图1—2），试指出应该首先旋动那些旋钮，才有可能得到清晰和稳定的图形。2.在实验内容2中，如果[V/cm]开关指在0.5伏的位置，荧光屏上正弦波的波峰和波谷相距四个方格（一方格为一个边长为1厘米的正方形），问信号幅值是多少？如果在水平线上每个周期的波形占四个方格，[t/cm]开关（及微调旋钮）指在0.5ms的位置上，问信号的频率是多少?a.无任何图形b.一条水平线c.一条垂直线d.垂直竖线图1-2正弦信号发生器示波器－UR＋R100ΩCXY图1-11μF3【附】示波器与信号发生器简介一、示波器概述示波器(又称阴极射线示波器)可以用来观察和测量随时间变化的电信号图形,它是进行电信号特性测试的常用电子仪器。由于示波器能够直接显示被测信号的波形，测量功能全面，加之具有灵敏度高、输入阻抗大和过载能力强等一系列特点，所以在近代科学领域中得到了极其广泛的应用。示波器的种类很多，电路实验中常用的有普通示波器、双踪示波器、长余辉示波器等，它们的基本工作原理是相似的。二、示波器的结构普通示波器主要由示波管、垂直（Y轴）放大器、扫描（锯齿波）信号发生器、水平（X轴）放大器以及电源等部分组成，其结构方框图如图1-3所示。1.示波管是示波器的核心部件，它主要包括电子枪、偏转板和荧光显示几个部分，如图1-4所示。示波管的阴极被灯丝加热时发射出大量电子，电子穿过控制栅后，被第一阳极和第二阳极加速和聚焦，即电子枪的作用是产生一束极细的高速电子射线。由于两极平行的偏转板上加有随时间变化的电压，高速电子射线经过偏转板时就会在电场力的作用下发生偏移，偏移距离与偏转板上所加的电压成正比。最后电子射线高速撞在涂有荧光剂的屏面上，发出可见的光点（图形）。2.垂直放大器把被测信号电压放大到足够的幅度，然后加在示波器的垂直偏转板上。这部分还带有衰减器以调节垂直幅度，确保显现图形的垂直幅度适当或进行定量测量，这部分称为Y通道。3.扫描信号发生器产生一个与时间成线性增加的周期性锯齿波电压（又称扫描电压），经过水平放大器放大以后，再加到示波管水平偏转板上，水平放大器还带有衰减器。这部分称为X通道扫描时基部分。4.电源部分向示波管和其它元件提供所需的各组高低压电源，以保证示波器各部分的正常工作。三、示波器面板上各旋钮或开关的作用示波器种类不同，总体上可把旋钮开关分为主机、y通道、扫描部分和x通道四部分。现以TD4632双踪示波器为例。1.主机部分（1）[电源/亮度]开关：接通电源（拉出）时，指示灯亮。调节该旋钮可以控制荧光屏上4显示波形的亮度。（2）[聚焦]旋钮：调节荧光屏上亮点的大小即图形的清晰度。（3）[辅助聚焦]旋钮：作用与聚焦旋钮相同，通常二者配合调节。（4）[标尺亮度]旋钮：调节荧光屏坐标照明的亮度。2.Y通道（1）[Y轴位移]旋钮：控制荧光屏上图形的垂直方向位置。（2）[灵敏度V/cm]开关：可步级调节Y轴幅度，以便定量计算幅值。（3）AC—DC开关：选择Y轴放大器的交流或直流工作状态。3.扫描部分（1）[扫描范围]开关：步级调节（粗调）扫描频率，即[t/cm]开关，以便定量计算周期。（2）[扫描微调]旋钮：微调各扫描档的扫描频率。（3）[触发选择]开关：锯齿波发生器触发信号的来源可选自Y轴内部、X外接输入信号。（4）[触发及选择]开关：触发点选择在信号的上升斜率段或下降斜率段，即“＋”“－”极性。（5）[触发电平]旋钮：和触发极性选择开关一起决定了屏幕上图形的起始点。四、示波器的基本测量方法1.幅度—电压、电流的测定方法（1）读取电压幅值时，只需将被测信号所占坐标的格数（cm）乘以[V/cm]开关所指的刻度再乘以探头的衰减倍数即可。例如，荧光屏上波形如图1—5所示，正弦电压峰--峰值占有5个格子，[V/cm]开关指向0.5V，探头衰减倍数为10，则：VcmVcmUPP2510/5.00.5Y轴放大器锯齿波发生器X轴放大器Y轴输入同步输入X轴输入外同步内同步扫描水平显像管图1-35（2）测量电流一般用电阻取样法将电流信号转换为电压信号后，再进行测量。如图1-6所示，若要测量Z支路电流，先串接一个取样电阻R。电子枪偏转部分显示部分灯丝阳极控制栅第一阳极第二阳极垂直偏转板水平偏转板荧光屏图1-4H=5.0cm图1-5iZR＋－－UR＋图1-66RUiRiURR,通常取RZ。2.频率（周期）的测量方法用示波器测量频率（周期）的方法基本上可分为两大类，一类是利用扫描工作方式，另一类是用示波器的X—Y工作方式。（1）用示波器的扫描工作方式测量信号的频率（周期），实质上是确定锯齿波的周期（时间）坐标后（称为定时标），再与被测信号的周期进行比较测量。将被测信号X轴的一个周期所占的格子数（cm）乘以[t/cm]开关所指示的刻度即可测出周期。仍以图1—5为例，正弦信号一个周期在水平方向占8.2个格子，[t/cm]开关指向5ms，则mscmmscmT41/52.8所以正弦信号的周期为41ms，即频率为24.4Hz。（2）利用示波器的X—Ｙ工作方式。此时，锯齿波信号被切断，Ｘ轴输入已知频率的信号，经放大后加水平偏转板，Ｙ轴输入待测频率的信号，经放大后加至垂直偏转板，荧光屏上显现的是ux和uy的合成图形，即李沙育图形。从李沙育图形的形状可以判定被测信号uy的频率，当李沙育图形稳定后，设荧光屏水平方向与图形的切线交点为Nx，垂直方向与图形的切线交点为Ny，则已知频率fx与待测频率fy有如下关系：yxxyNNff，xyxyfNNf图1-7表示了几种常见的李沙育图形及对应的频率比。频率比fY：fX1：21：33：1李沙育图形图1-73.同频率两信号相位差角的测量方法采用双踪示波器，Y1、Y2两通道输入待测相位差的同频率两信号，若测得信号周期所占格数为A，信号的相位差所占的格数为B（如图1-8所示），则相位差角：=AB×360O4.示波器水平工作方式（又称X—Y工作方式），除了可用来显示李沙育图形外，还可以用7来显示元件的特性曲线以及状态轨迹等。五、使用注意事项1.示波器接通电源后需预热数分钟后再开始使用。2.使用过程中应避免频繁开关电源，以免损坏示波器。3.荧光屏上所显示的亮点或波形的亮度要适当，光点不要长时间停留在一点上。4.示波器的地端应与被测信号的地端接在一起。5.示波器的X轴输入与Y轴输入的地端是连通的，若同时使用X、Y两路输入时，注意共地。六、信号发生器简介1.信号发生器是产生各种波形的信号电源。按信号波形分类，有正弦信号发生器、方波信号发生器、脉冲信号发生器、函数信号发生器（多信号发生器）等。信号发生器的核心部分是振荡器产生的信号放大后作为电压或功率输出。通常输出电压可连续调节（细调），有电压衰减开关（粗调），输出频率也可通过粗调开关和细调旋钮进行调节。对于有功率输出的信号发生器，为了获得最大功率输出，应使信号源的输出阻抗与负载阻抗匹配，当作电压源使用而不需阻抗匹配时，电源输出阻抗应小于负载阻抗。2.信号发生器的使用方法(1)先将输出幅值调到零位，接通电源，预热几分钟方可进行工作。(2)使用时将电源频率调到所需的数值，对于多信号发生器，还要将转换开关调到选定的波形位置，在确定负载与信号发生器连接无误后，再将输出电压从零调到所需数值。(3)信号发生器的输出功率不能超过额定值，也不能将输出电压短路，以免损坏仪器。AB图1-8OU/It8实验二元件特性的伏安测量法【实验目的】1.认识常用电路元件。2.掌握实验装置RXDI-1A上的仪器、仪表的使用方法。3.学习用电压表、电流表测定线性电阻和非线性电阻元件的伏安特性。【仪器设备】RXDI-1A电路原理实验箱一台，万用表一块。【实验原理】在电路中，电路元件的特性一般用该元件上电压U和通过元件的电流I之间的函数关系U(I)来表示，这种函数关系称为该元件的伏安特性。元件的伏安特性可以用电压表、电流表测定，称为伏安测量法。伏安法原理简单，测量方便，但由于仪表内阻会影响测量的结果，因此必须注意仪表的合理接法（参见本实验思考题1）。1.线性电阻器的伏安特性曲线是一条通过坐标原点的直线，图2-1中a曲线所示，该直线的斜率等于该电阻器的电阻值。2.一般的半导体二极管是一个非线性电阻元件，其特性如图2-1中b曲线。正向压降很小（一般的锗管约为0.2～0.3V，硅管约为0.5～0.7V），正向电流随正向压降的升高而急骤上升，而反向电压从零一直增加到十几伏至几十伏时，其反向电流增加很小，粗略地可视为零。可见，二极管具有单向导电性，如果反向电压加得过高，超过管子的极限值，则会导致管子击穿损坏。3.稳压二极管是一种特殊的半导体二极管，其正向特图2-1性与普通二极管类似，但其反向特性特别，如图2-1中c曲线。在反向电压开始增加时，其反向电流几乎为零，但当反向电压增加到某一数值时（称为管子的稳压值，有各种不同稳压值的稳压管）电流将突然增加，以后它的端电压将维持恒定，不再随外加的反向电压升高而增大。【实验内容】1.测定线性电阻器的伏安特性按图2-2接线，调节直流稳压电源的输出电压U，从0V开始缓慢地增加到12V，记下相应的电压表和电流表的读数。2.测定半导体二极管的伏安特性按图2-3接线，R为限流电阻，测二极管D的正向特性时，其正向电流不得超过0.5mA，正9向压降可在0～0.75V之间取值。特别0.5～0.75之间更应多取几个测量点。作反向特性实验时，只需将图2-3中的二极管D反接，且