示波器的原理與使用-實驗報告

PAGE4-大連理工大學(xué)成績教師簽字大學(xué)物理實驗報告院（系）材料學(xué)院專業(yè)材料物理班級0705姓名童凌煒學(xué)號200767025實驗臺號實驗時間2008年11月18日，第13周，星期二第5-6節(jié)實驗名稱示波器的原理與使用教師評語實驗?zāi)康呐c要求：了解示波器的工作原理學(xué)習(xí)使用示波器觀察各種信號波形用示波器測量信號的電壓、頻率和相位差主要儀器設(shè)備：YB4320G雙蹤示波器，EE1641B型函數(shù)信號發(fā)生器實驗原理和內(nèi)容：示波器基本結(jié)構(gòu)示波器主要由示波管、放大和衰減系統(tǒng)、觸發(fā)掃描系統(tǒng)和電源四部分組成，其中示波管是核心部分。示波管的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，主要由電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三個部分組成，由外部玻璃外殼密封在真空環(huán)境中。電子槍的作用是釋放并加速電子束。其中第一陽極稱為聚焦陽極，第二陽極稱為加速陽極。通過調(diào)節(jié)兩者的共同作用，可以使電子束打到熒光屏上產(chǎn)生明亮清晰的圓點。偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)由X、Y兩對偏轉(zhuǎn)板組成，通過在板上加電壓來使電子束偏轉(zhuǎn)，從而對應(yīng)地改變屏上亮點的位置。熒光屏上涂有熒光粉，電子打上去時能夠發(fā)光形成光斑。不同熒光粉的發(fā)光顏色與余輝時間都不同。

放大和衰減系統(tǒng)用于對不同大小的輸入信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)目s放，使其幅度適合于觀測。

掃描系統(tǒng)的作用是產(chǎn)生鋸齒波掃描電壓(如左上圖所示)，使電子束在其作用下勻速地在熒光屏周期性地自左向右運(yùn)動，這一過程稱為掃描。掃描開始的時間由觸發(fā)系統(tǒng)控制。示波器的顯示波形的原理如果只在豎直偏轉(zhuǎn)板加上交變電壓而X偏轉(zhuǎn)板上五點也是，電子束在豎直方向上來回運(yùn)動而形成一條亮線，如左圖所示：如果在Y偏轉(zhuǎn)板和X偏轉(zhuǎn)板上同時分別加載正弦電壓和鋸齒波電壓，電子受水平豎直兩個方向的合理作用下，進(jìn)行正弦震蕩和水平掃描的合成運(yùn)動，在兩電壓周期相等時，熒光屏上能夠顯示出完整周期的正弦電壓波形，顯像原理如右圖所示：掃描同步為了完整地顯示外界輸入信號的周期波形，需要調(diào)節(jié)掃描周期使其與外界信號周期相同或成合適的關(guān)系。當(dāng)某些因素改變致使周期發(fā)生變化時，使用掃描同步功能，能夠使掃描起點自動跟蹤外界信號變化，從而穩(wěn)定地顯示波形。步驟與操作方法：示波器測量信號的電壓和頻率對于一個穩(wěn)定顯示的正弦電壓波形，電壓和頻率可以由以下方法讀出，其中a為垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)（電壓偏轉(zhuǎn)因數(shù)）（從示波器面板的衰減器開關(guān)上可以直接讀出）單位為示輸入信號的波形；顯示李薩如圖形時，水平方向接入的是未知的正弦信號，它使電子束在水平方向上做簡諧往復(fù)運(yùn)動，與豎直方向的另一簡諧運(yùn)動相疊加后，在熒光屏上形成李薩如圖形。形成橢圓的條件較為簡單，當(dāng)輸入的兩個同頻正弦信號相位差存在，且大小在+π~-π之間時，即可形成橢圓圖形。

圓可以認(rèn)為是一種特殊條件下形成的橢圓圖形。

當(dāng)輸入的兩個正弦信號頻率相同，信號振幅相同，且兩者的相位差為±π/2時，李薩如圖形為圓形。實驗中Y軸信號為已知正弦信號，X軸為未知信號，經(jīng)過實驗，發(fā)現(xiàn)

當(dāng)fy比fx大很多時，熒光屏上的線條之間不可分辨，形成一個矩形塊狀圖案；

當(dāng)fy比fx小很多時，熒光屏上顯示一條上下振蕩的水平線段。試解釋全波整流圖形存在水平片段的原因。

個人認(rèn)為，由于示波器上沒有精確地顯示出波形所在的相對位置，故對這一波形現(xiàn)象可以有以下兩種理解方式：

第一種理解方式：

如上圖，左圖為理論上的全波整流信號波形，右圖為實際中由示波器觀察到的整流波形，可見實際波形下端未能達(dá)到0，即負(fù)載端電壓值在外部加載電壓換向時沒有達(dá)到最小。

原因可以認(rèn)為，二極管的單向?qū)ㄗ饔貌皇墙^對的，在電壓反向加載時，仍有小部分的反向“漏電流”通過二極管，因此在橋式整流電路中，電路電流完全等于零的時刻是不存在的，在正向電壓下降到接近0的位置時，由于有反向漏電流存在，故負(fù)載兩端的實際電流不為零，故電壓也不為零，由示波器顯示其電壓變化狀態(tài)，變得到了右上圖示的“削尾”現(xiàn)象。另外，也可以認(rèn)為二極管有電流/電壓殘留現(xiàn)象等等。

第二種理解方式：

如右圖所示，波形的形狀與實際可見相同，但與上一種理解方式不同的是，此種情況可以理解為，負(fù)載兩端的電壓提前下降到零，維持在零水平一段時間后，重新上升。

在這種情況下，必須提到二極管單向?qū)ㄐ再|(zhì)的一個前提：

當(dāng)加在二極管兩端的正向電壓很小時，二極管仍然不能導(dǎo)通，流過二極管的正向電流十分微弱。只有當(dāng)正向電壓達(dá)到某一數(shù)值（這一數(shù)值稱為“門檻電壓”，鍺管約為0.2V，硅管約為0.6V）以后，二極管才能直正導(dǎo)通。

由此可以解釋實驗中觀察到的現(xiàn)象：

當(dāng)?shù)谝粋€半周期內(nèi)末端，電壓下降到門檻電壓以下時，二極管實際已不能導(dǎo)通，而另兩個反向的二極管此時也尚未導(dǎo)通，此時負(fù)載兩端的電壓為零，在示波器上表現(xiàn)為X軸上的直線；

當(dāng)電壓進(jìn)入第二個半周期時，電壓由零開始重新上升，但尚未達(dá)到門檻電壓時，二極管仍然處在不導(dǎo)通狀態(tài)，此時負(fù)載兩端的電壓仍為零；直到電壓上升到門檻電壓以上，二極管才被導(dǎo)通，此時負(fù)載兩端才有電壓，并且隨外源信號呈正弦規(guī)律上升。

綜合以上兩個短暫過程來看，可以發(fā)現(xiàn)負(fù)載兩端電壓有一段持續(xù)為零的“真空期”，表現(xiàn)為波形即為示波器上觀察到的短直線片段。

實驗體會：

本次實驗相比與其他實驗，更加接近于一種體驗性的實驗，目的并不在于獲得最終的實驗數(shù)據(jù)結(jié)果，而在于讓我們更好地理解實際生產(chǎn)生活中常用的示波器；通過操作示波器，一方面我能夠熟悉儀器的使用方法，認(rèn)識到書本理論和實際操作存在的差距，一方面也體會了示波器中所表現(xiàn)的將一些不可見的動態(tài)量轉(zhuǎn)化為另一種量直觀地表現(xiàn)出來的方法（鋸齒波掃描電壓與信號電壓的組合是其表現(xiàn)思想的精髓