示波器测量时间 - 学号PB07013077 姓名 朱业俊

1试验名称:用示波器测量时间试验目的:本实验的目的是了解示波器的基本原理和结构，学习使用示波器观察波形和测量信号周期及其时间参数。实验原理1．示波器的基本结构示波器的结构如图3.2.2-1所示，由示波管（又称阴极射线管）、放大系统、衰减系统、扫描和同步系统及电源等部分组成。示波管是示波器的基本构件，它由电子枪、偏转板和荧光屏三部分组成.电子枪是示波管的核心部分，它由阴极、栅极和阳极构成。（1）阴极——阴极的射线源：（2）栅极——辉度控制：由第一栅极G1（又称控制级）和第二栅极G2（又称前加速级）构成，（3）第一阳极——聚焦：（4）第二阳极——电子的加速：（5）偏转板：由两对相互垂直的金属板构成，在两对金属板上分别加以直流电压，以控制电子束的位置，适当调节这个电压值可以把光点或波形移到荧光屏的中间部位。（6）荧光屏：荧光屏（P）上面涂有硅酸锌、钨酸镉、钨酸钙等磷光物质，能在高能电子的轰击下发光。余辉使我们能在屏上观察到光点的连续轨迹。自阴极发射的电子束，经过第一栅极（G1）、第二栅极（G2）、第一阳极（A1）、第二阳极（A2）的加速和聚焦后，形成一个细电子束。垂直偏转板（常称y轴）及水平偏转板（常称x轴）所形成的二维电场，使电子束发生位移，位移的大小，与y偏转板及x偏转板上所加的电压有关：yyyyDVVSyxxxxDVVSx(1)式（1）中的Sy和Dy为y轴偏转板的偏转灵敏度和偏转因数，Sx和Dx为x轴偏转板的偏转灵敏度和偏转因数。它们均与偏转板的参数有关，是示波器的主要技术指标之一。2．示波器显示波形的原理由式（1），y轴或x轴的位移与所加电压有关。如图3.2.2-3，在x轴偏转板上加一个随时间t按一定比例增加的电压Vx，光点从A点向B点移动。Vx周期性变化（此种变化称为锯齿波），并且由于发光物质的特殊性使光迹有一定保留时间（由荧光屏的发光物质而定），于是就得到一条“扫描线”，称为时间基线。如果在x轴上加有锯齿形扫描电压的同时，在y轴上加一正弦变化的电压,则电子束受到水平2电场和垂直电场的共同作用而呈现二维图形。很显然，为了得到清晰稳定的波形，上述扫描电压的周期Tx（或频率fx）与被测信号的周期Ty（或fy）必须满足nTTxy，xxnff，n=1,2,…（2）以保证Tx轴的起点始终与y轴周期信号固定一点相对应（称“同步”），波形才稳定。否则，波形就不稳定而无法观测。由于扫描电压发生器的扫描频率fx不会很稳定。因此，要保证式（2）始终成立，示波器需设置扫描电压同步电路，即触发电路.用x轴时基测时间参数在实验中或工程技术上都经常用示波器来测量信号的时间参数，如信号的周期或频率，信号波形的宽度、上升时间或下降时间，信号的占空比（宽度/周期）等。x轴扫描信号的周期，实际上是以时基单位（时间/cm或时间/度）来标示的，一般的示波管荧光屏直径以10cm的居多，则式（2）的Tx，由时基（时间/cm）乘上10cm，如时基为0.1ms/cm，则扫描信号的周期为1ms。为此，在实际测量中，将式（2）改成式（3）的形式波形厘米数时基单位xT（3）3．用李萨如图形测信号的频率如果将不同的信号分别输入到y轴和x轴的输入端，当两个信号的频率满足一定的关系时，在荧光屏上将显示出李萨如图形，可用测量李萨如图形的相位参数或波形的切点数来测量时间参数。二个互相垂直的振动（有相同的自变量）的合成李萨如图形。（1）频率相同而振幅和相位不同时，两正交正弦电压的合成图形。设此两正弦电压分别为：tAxcos)cos(tBy（4）消去自变时t，得到的轨迹方程为：22222sincos2ABxyByAx（5）这是一个椭圆方程。当两个正交电压的相位差φ取0~2π的不同值时，合成的圆形如图3.2.2-4所示。3（2）两正交正弦电压的相位差一定，频率比为一个有理数时，合成的圆形是一条稳定的闭合曲线。图3.2.2-5是几种频率比时的图形，频率比与图形的切点数之间有下列关系：垂直切线上的切点数水平切线上的切点数xyff试验记录试验仪器示波器函数信号发生器1．用x轴的时基测信号的时间参数（1）测量示波器自备方波输出信号的周期（时基分别为0.1ms/cm，0.2ms/cm，0.5ms/cm）。输入频率v=1KHz周期T=1ms时基ms/cm0.10.20.5波形厘米数cm10.05.02.01周期ms1.01.01.05相对误差0.0%0.0%5%结果分析:用时基0.1ms/cm测得更准确.因为示波器校准用的时基就是0.1ms/cm.所以用0.1ms/cm测得的周期更准确.（2）选择信号发生器的对称方波接y输入（幅度和y轴量程任选），信号频率为200Hz~2kHz（每隔200Hz测量一次），选择示波器合适的时基，测量对应频率的厘米数、周期和频率（注明x轴的时基）。外接方波频率Hz2004006008001K1.2K1.4K1.6K1.8K2.0K时基ms/cm0.50.50.20.20.10.10.10.10.150/scm波形厘米数cm10.15.08.46.310.08.37.26.25.610周期ms5.052.501.681.261.000.830.720.620.560.5测得频率Hz198400595794100012041389161317862000相对误差%1.000.000.830.500.000.330.790.810.780.0040200400600800100012001400160018002000220002004006008001000120014001600180020002200LinearRegressionforData1_B:Y=A+B*XParameterValueError------------------------------------------------------------A-2.066675.52289B0.999970.00445------------------------------------------------------------信号发生器频率Y示波器测量频率XBLinearFitofData1_B由ORIGIN软件,拟合直线,求得斜率0.999970.00445K.显然可以发现1K,误差的产生可能由以下原因造成:1信号发生器产生的信号不准,2示波器精度不够3试验者读数不能很准确.由所求得的斜率K相当接近1,可见示波器已经校准.（3）选择信号发生器的非对称方波接y轴，频率分别为200Hz、500Hz、1kHz、2kHz、5kHz、10kHz、20kHz，测量各频率时的周期和正波的宽度（或占空比），外接非对称方波频率Hz2005001k2k5k10K20K时基ms/cm0.50.20.150/scm20/scm10/scm5/scm周期波形厘米数cm10.010.110.010.010.010.010.0周期ms5.02.021.00.500.200.100.05正波波形厘米数cm3.03.23.23.23.23.23.2正波时间ms0.150.640.320.160.0640.0320.016正波的宽度（或占空比）0.300.320.320.320.320.320.32测得的频率Hz2004951000200050001000020000测量频率相对误差%0.001.000.000.000.000.000.0050500010000150002000005000100001500020000Y=A+B*XParameterValueError------------------------------------------------------------A-1.153710.96469B1.000081.10836E-4------------------------------------------------------------信号发生器频率Y示波器测量的频率XBLinearFitofData1_B由ORIGIN软件,拟合直线,求得斜率1.000080.00011K,可见1K.（4）选择信号发生器的输出为三角波，频率为500Hz、1kHz、1.5kHz、测量各个频率时的上升时间、下降时间及周期。三角波频率Hz5001k1.5k时基ms/cm0.20.10.1上升波形长cm4.84.83.4下降波形长cm5.15,13.2总波形长cm9.99.96.6上升时间ms0.960.480.34下降时间ms1.020.510.32周期ms1.980.990.66测得的频率Hz505101015152．观察李萨如图形并测频率用两台信号发生器（一台为本组专用，一台为公用）分别接y轴和x轴（x轴选择外输入），取4/33/22/11/、、、yxff时，测出对应的xyff和，画有关图形并求公用信号发生器的频率。试验一/1xyff6输入信号0.500yfKHz11yxff水平切线上的切点数垂直切线上的切点数测量值得0.500xfKHz李萨如图形示波器显示图形试验者手画图形试验二/1/2xyff输入信号1.000yfKHz21yxff水平切线上的切点数垂直切线上的切点数测量值0.500xfKHz李萨如图形试验者手画图形试验三/2/1xyff输入信号0.251yfKHz12yxff水平切线上的切点数垂直切线上的切点数测量值0.502xfKHz李萨如图形试验者手画图形7试验四/2/3xyff输入信号0.750yfKHz32yxff水平切线上的切点数垂直切线上的切点数测量值0.500xfKHz李萨如图形试验者手画图形试验五/3/4xyff输入信号0.667yfKHz43yxff水平切线上的切点数垂直切线上的切点数=测量值0.500xfKHz李萨如图形试验者手画图形8思考题1．用示波器测频率有何有优缺点？答:优点:1观图直观;2直接显示出信号随时间的变化;3可以将许多其他信号转化为电信号(如电感,电容),从而在示波器屏幕上显示出来,得以测量.缺点:1图线有一定宽度,导致读数不准;2受电压影响很大,环境中”噪音”信号对结果影响很大;3屏幕的读数精确度不高.2．在本实验中，观察李萨如图形时，为什么得不到稳定的图形？答:若要得到稳定的图形,则要求参与合成的信号相位差一定,.首先,由于信号发生器不能产生频率稳定的信号,另外,两列频率不同的正交正旋波的相位差不可能一直相等.由于李萨如图形的输入信号由信号发生器产生,而信号发生器制造的波是变化,不稳定的,并且两台发生器的变化不一定是同步的,所以得不到稳定的图形.若要观察到稳定的李萨如图形,则还要要求两列波的频率比为有理数,这在试验室中,也是很难准确实现的.3．假定在示波器的y轴输入一个正弦电压，所用的水平扫描频率为120Hz，在荧光屏上出现三个稳定完整的正弦波形，那么输入信号的频率是多少？这是否是测量信号频率的好方法？为什么？答:3120360xHzHz有的时候这是测量信号的好方法，因为调整波形的竖直位移,使波的波峰与一条水平线相切,就可以很准确地判断波峰,即可以较精确地判断波的个数.调整扫描频率,使显示器上正好显示整数个波形n,就可以根据波的个数,设此时扫描频率为f,则被测信号的频率为nf.（这是扫描频率可以调整的情况）；若水平扫描频率是固定不变的，则这不是测量信号频率的好方法，因为被测信号的频率不一定是扫描频率的整数倍，这样一来，屏幕上不一定可以显示整数个波形，所以不能准确测出信号的频率。试验体会1示波器是一种将外界信号转化为电信号的测量仪器.2试验前,准确校对示波器,可以提高试验精度;93选用合适的时基,可以提高试验精度;4可以参考试验仪器的修正值,来修正测量值学号PB07013077姓名朱业俊