示波器的认识与使用Word格式.docx

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1、認識示波器的各鈕：

時間鈕、電壓鈕、……..

2、校正：

這是儀器用來測量前的必經步驟（如果沒先校正，會怎麼樣呢？

）

1.將CH1的紅色端夾在校正端（<

9>

CAL）上，<

2>

AC-GND-DC選DC

2.將電壓鈕上的校正鈕<

5>

及<

22>

VARIABLE鈕順時針轉到最底，觀察螢幕上的方波所顯示的頻率及電壓是否為1kHz,2V。

3.校正CH2：

校正鈕<

11>

4.校正完成後，<

、<

三個鈕均不能再碰，否則又要重新校正了。

3、測量：

（將函數產生器與示波器相連接，波形選擇正弦波）

A、最大電壓Vmax與均方根電壓Vrms的比值

1.將函數產生器與示波器相連接，波形選擇正弦波。

2.調整示波器上的電壓及時間鈕（<

4>

<

15>

），得到適當的波形。

記錄當時函數產生器信號之頻率。

比較Vmax（示波器螢幕上波形的振幅）和Vrms（以三用電表的AC檔量出函數產生器之輸出電壓）。

3.同上一步驟，頻率不改變，記錄不同輸出電壓時，Vmax與Vrms的比值。

4.同步驟2，固定輸出電壓，記錄頻率的改變對Vmax與Vrms比值的影響。

5.從步驟2～5，可以發現，用示波器和三用電表所量到的電壓值是不一樣的，這是怎麼回事？

我們應該採取哪一個才準呢？

B、電阻串聯

1.用麵包板將二個電阻串聯。

（二個電阻值為簡單整數比）

2.

以交流電源（用函數產生器的正弦波）與電阻連接，再與示波器相連接如線路圖，先用示波器分別觀看CH1、CH2之圖形後，再將示波器波<

7>

VERTMODE選擇DUAL，畫下示波器上之圖形。

（哪一端接紅？

那一端接黑？

接錯了會怎樣？

3.如果將串聯改為並聯呢？

4.步驟1~2中，如果把交流電源換成直流電源，結果又會如何？

C、李賽圖形（Lissajousfigure）

1.將示波器的CH1、CH2各連接一台函數產生器（選正弦波），並使二台函數產生器的輸出電壓相同。

2.先用示波器分別觀看CH1、CH2之圖形後，再將示波器波<

3.按下<

X-Y鈕

4.調整水平與垂直信號的頻率比為簡單整數比（如1:

1,1:

2,3:

2,2:

3），觀察李賽圖形。

【問題】

1.用積分證明

2.如何由李賽圖形看出二個訊號的頻率比及相位差？

（可由參考資料1歸納出）

3.請寫個程式，畫出資料1中的每個圖形（輸入頻率比及相位差，圖形就會自動呈現出來）。

您可以使用的方法有

（1）EXCEL；

（2）Flash；

（3）JAVA；

（4）VisualBasic；

（5）C++語言；

（6）其它你想得到的方法

參考資料1：

李賽圖形（Lissajousfigure）

例1：

二個頻率相同，相位差π/2的二個波的李賽圖形是一個橢圓。

，此為一橢圓的方程式

例2：

二個頻率2：

1，相位差π/2的二個波的李賽圖形是一個蝴蝶結。

，ωx:

ωy=2:

1，ψ=π/2

令Ax=Ay=A，ωx=2ω,ωy=ω

可以推導出

，你可以描點看看，看是不是蝴蝶結。

【習題】

1.例2中，若二個波的振幅不同（Ax≠Ay），那李賽圖形的數學方程式應是什麼形式？

2.二個頻率1：

2，相位差π/2的二個波的李賽圖形是什麼樣子？

請用Excel畫出如例2的二個圖形，並推導出數學方程式。

3.畫出頻率比1：

2，相位差0，π/4，π/2，3π/4，π的李賽圖形。

ωy=1:

2，ψ=0，π/4，π/2，3π/4，π

參考資料2：

交流電的電壓

方均根電壓

x由

證明（註：

用二倍角公式

三用電表利用一個二極體，將正負交替的交流電壓『整流』為只有正的（見圖（b），這種稱為『半波整流』），所讀到的是整流後的電壓平均值Vav。

但是，為了使我們讀到的是Vrms，因此電表的設計必須將所讀到的值Vav乘上一個比例常數

，即

，才能得到Vrms。

1.如果將交流電（正弦波）進行『全波整流』（見圖（d）），那麼，Vrms和Vav之間的比例常數應為多少？

2.如果輸入的是方波（見圖（c）），從三用電表看到的電壓值會是多少？

（假設三用電表是利用『半波整流』的技術）

（a）正弦波

（b）半波整流

（c）方波

（d）全波整流

參考資料3：

示波器的原理

示波器（oscilloscope）是實驗室中不可或缺的基本儀器。

無論物理學、化學、工程或醫學上，任何訊號只要能轉變成電子訊號，大都可用示波器來顯示。

本實驗介紹最簡單型的示波器，其內部結構主要為陰極射線管（CRT）及相關的電子線路和附件所組成。

陰極射線管是示波器、電視機和許多電子儀器的主體，其基本結構如圖1所示。

CRT的主體為一玻璃管，管內抽真空以避免電子束和空氣粒子碰撞。

圖1中，利用燈絲（8）加熱陰極（9）使電子脫離陰極表面，然後，電子受電位較陰極高

的加速陽極（acceleratinganode）（3）吸引而向右運動。

聚焦陽極

（2）具有聚焦作用，目的在使電子到達螢光幕上的同一位置。

控制柵極

（1）可控制電子束之流量，即控制電子打在螢光幕上的亮度（intensity）。

圖1陰極射線管的結構：

（1）控制柵極

（2）聚焦陽極（3）加速陽極（4）水平偏折板（X板）（5）垂直偏折板（Y板）（6）電子束（7）螢光幕（8）加熱燈絲（9）陰極（10）電子鎗（即（8）（9）

（1）

（2）及（3）之合稱）。

在電子經過的路途上，有兩對偏折板，X板（4）和Y板（5）。

如果偏折板間不加偏折電場，則電子沿著Z方向做直線運動，而在螢光幕上中央位置產生亮點。

由於加速陽極的電位比陰極電位高Ｖ1，電子穿過陽極（通常為中空的圓柱）後，在Z方向之速度為

（1）

其中e為電子的荷電量（1.60x1O-19C）；

m為電子質量（9.11×

10－31㎏）；

的單位為伏特（V）；

的單位為m/sec。

圖2電子在與初速度垂直之電場中的偏折

如果在垂直偏折板（Y板）上施一個固定電位差Ｖ2，則兩板之間的電場強度為

，d為兩板之間的距離。

當電子從Y板間通過時，受電場作用而有垂直方向加速度

，此加速度使電子往Y方向偏折，如圖2所示。

電子離開偏折板後不再受力而做等速直線運動。

因此，在螢光幕上亮點位置向Y方向偏折的距離

為:

（2）

其中L為Y板之長度，D為Y板後緣到螢光幕的距離。

如果在Y偏折板上加一個未知電壓，觀察y方向的位移，這個未知電壓的大小可以利用

（2）式來測量。

這是示波器最常使用的性能之一。

偏折電壓（Ｖ2）為固定的直流定電壓時，電子東會在螢光幕上，y方向的不同位置形成亮點。

偏折電壓為交流電壓時，電子束在螢光幕上的y方向位置會隨交流電壓而變化，因此掃描成一亮線。

亮線長度

與交流電壓的振幅之關係式為

（3）

交流電壓之振幅

是均方根值

的

倍。

通常家用電器的交流電壓為110伏特，是指

=110V，其振幅

，如圖3所示。

圖3正弦交流電壓

與

的關係

一般所謂交流電是指交變電壓（alternatingvoltage）或交變電流（alternatingcurrent）。

它們幾乎皆可用正（餘）弦函數表示，或者被寫成數個正（餘）弦函數之和。

正弦波的型式為:

（A-1）

式中Vm表示振幅，ω為角頻率。

正弦波的頻率v=ω/2π，週期T=2π/ω，由於此種週期函數的平均值為零，其有效值通常以均方根值（root-mean-squarevalue，簡稱rmsvalue）表示，其定義為:

（A-2）

習慣上，變動的量用小寫字母表示，對應的大寫字母則表示直流、平均值、極大值或均方根值。

如交變電壓為：

（A-3）

上式中

為電壓的振幅或極大值。

（A-4）

或

（A-5）

一般電表量交流電壓所得均為其rms值。

若要測振幅，則需使用示波器直接觀察波形。

如果把螢光幕的水平方向定為X向，垂直方向定為Y向，而以螢光幕正中間當座標原點，則螢光幕上就有了一個X-Y座標系。

一對垂直偏向板只能使光點在同一X位置作上下運動。

為光點隨著時間在X方向拉開，在水平方向增加一對致偏板，並在這對致偏板上加上一個與時間成正比關係的強電場。

所以X軸也成了時間軸。

這水平致偏電壓通常是周期性的“鋸齒波”（因為鋸齒波是與時間成正比的周期波），由示波器本身的內部電路提供，用來掃描欲觀察的外加信號電壓。

外加信號電壓則加在垂直偏向板上。

圖4描述鋸齒波掃描一個正弦電壓，使正弦波的波形顯示在螢光幕上。

圖4

圖4（a）是輸入的正弦波形對時間的變化，並接到示波器的垂直偏向板。

圖4（b）是示波器內部產生的鋸齒波，加在水平偏向板上，此鋸齒波並與外加正弦波“同步”。

這兩個電壓的合成結果是圖4（c）的正弦波。

因為在正弦波的每一周期開始時，鋸齒波也回到起點重新開始掃描，所以由視覺暫留的效果，在示波器上看到一個停住的正弦波形。

如果只有垂直輸入電壓而沒有鋸齒波掃描，結果是圖4（d）。

如果換用頻率比正弦波少一半的鋸齒波掃描，則會得到圖4（e）圖形。

下面以方塊圖對示波器的整個結構作一個概略描述（圖5）

圖5

有時候外來水平輸入信號取代示波器內部產生的鋸齒波，如比較兩信號的相位差時，由外來信號掃描垂直信號，這樣可以使示波器變成一部X-Y作圖機。

一部示波器的面板上有很多開關，旋轉鈕和按鈕，上面又標示了一堆的數字，簡稱和記號，對於一位初接觸示波器的人來說簡直無從下手。

這些開關，旋轉鈕和按鈕的設置之目的為何，各種情況下的操作與這些操作之間的關係必須首先弄清楚，然後才能熟練的運用示波器，因此未做實驗前請先閱讀示“示波器面板說明”，了解各開關，旋轉鈕和按鈕的功用後，才開始操作示波器。

李賽圖形曲線（Lissajouscurves）

如果把兩個正弦波信號分別輸入示波器的垂直輸入端（Y輸入端）和水平輸入端（X輸入端），且兩輸入頻率成簡單整數比時，則電子束在示波器的螢光幕上掃描的軌跡會成簡單的封閉曲線，叫做李賽曲線。

以下以圖6簡單說明李賽曲線的形成。

圖6（a）為兩個正弦波信號對時間的變化，縱軸分別代表Vx與Vy，橫軸代表時間。

圖6（b）是此二正弦波（頻率比為2）的封閉李賽曲線。

這種曲線可以從圖6（a）中的1點至16點分別對應X-Y座標畫成。

利用李賽曲線，由已知頻率的正弦波測未知頻率的正弦波。

方法是在X-Y分別輸入已知頻率的正弦波和未知頻率的正弦波，然後變化前者的頻率，直到示波器螢光幕上出現一個簡單的李賽曲線為止。

分別計算封閉曲線穿過X軸和Y軸的次數（例如在圖6中量兩者分別是4次和2次），這兩個次數的比值就等於兩正弦波的頻率比：

nx：

ny＝fy