基于示波器的频率测量李沙育图形免分.docx
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基于示波器的频率测量李沙育图形免分
通用示波器的应用--频率测量
[实验目的]
⒈了解示波器的基本结构和工作原理。
⒉了解示波器及信号发生器各旋钮的作用和使用方法。
⒊观察周期信号的波形和李萨如图形。
4.学习用双踪示波器测量RC电路相位差、用李萨如图形测量信号频率的原理和方法。
。
[实验仪器]
1SS7802A双踪示波器；⑵EE1642B低频信号发生器（2台）。
[实验原理与内容]
1．测量两同频率正弦波信号相位差的原理与方法
A．相位差的产生与理论值计算
在图1所示的RC电路中，信号源的电压U、电容上的电压UC与电阻上的电压UR之间的相位关系如图2所示，U落后于UR的相位角由下式得到：
在实验上，相位角可以采用双踪示波器技术或李萨如图形方法来测量。
图1、RC电路图图2、RC电路的相位关系
B．相位差的实验测量
本实验采用双踪示波器技术来测量RC电路中两同频率正弦波信号的相位差。
根据图1连接实验线路，U和UR分别连接到示波器的CH1和CH2通道，函数信号发生器选择正弦波输出，调节“偏转因数”、“厘米扫描时间”使波形幅度、宽度适中，旋转“触发电平”使触发同步，根据测时间间隔的实验方法测量两信号的时间差Δt，如图3所示。
图3、具有相位差的两正弦波信号
C．实验相位差的计算：
将实验结果与理论计算值进行比较。
2．用李萨如图形测频率的原理与方法
A．李萨如图形的形成原理
当两个相互垂直、频率不同的简谐信号合成时，合振动的轨迹与分振动的频率、初相位有关。
当两个分振动的频率成简单整数比时，将合成稳定的封闭轨道，称为李萨如图形，它的形成过程如图4所示。
如图5所示，由于李萨如图形与分振动的频率比有关，因此通过李萨如图形和已知频率的信号，可以精确地测定未知信号的频率。
图4李萨如图形的形成过程图5、不同频率、不同相位差的李萨如图形
B．用李萨如图形测频率的方法
按照图6连接实验线路，将已知频率的正弦波信号fy（50Hz）送入CH2通道，被测正弦波信号fx（函数信号发生器）送入CH1通道，当两信号的频率为整数倍时，屏幕上出现稳定的李萨如图形。
图6、观察李萨如图形电路图
C．被测正弦波信号频率的计算：
其中Nx、Ny分别为图形与水平直线、垂直直线的切点。
如果两个信号的频率比不是整数比时，图形不稳定。
当接近整数比时，可以观察到转动的图形。
李萨如图形的形状还随两个信号的幅值以及位相不同而变化。
3．实验内容介绍与其他仪器使用讲解
A．测量两个同频率正弦信号的位相差
用函数信号发生器作为信号源，测量两信号的时间差Δt，根据相位差的理论值和实验值的计算方法计算相位差。
f/Hz
500
1000
C/f
0.01
0.01
R/k
2
5
10
2
5
10
T/ms
t/ms
实验
理论
李萨如
图形
其中：
注意：
R、C读数的有效数字，R精度0.1%，C精度0.5%。
B．用李萨如图形测频率
用函数信号发生器作为fx信号源，输入CH1端，用信号源S1提供fy信号，输入CH2端，根据给定的信号fx调出李萨如图形，获得李萨如图形与水平、垂直切线的切点数目，计算fx频率，绘出李萨如图形。
fx
1
2
3
4
5
fy（Hz）
50
Nx
Ny
fx（Hz）
李萨如图形
C．介绍函数信号发生器使用方法。
4．实验中的注意事项
A．测量两个同频率正弦信号的位相差时，注意水平基线的调节与同相位点的确定。
B．观察李萨如图形时，注意屏幕水平显示的扫描模式与X-Y模式的切换。
[思考题]
1.测量两个同频率正弦信号的位相差时，若屏幕上两个正弦信号无位相差，可能的原因有哪些？
2.采用李萨如图形测量信号频率时，屏幕上图形不稳定，可能是何原因所致？
[实验总结]
附录：
示波器原理
示波器能够简便地显示各种电信号的波形，一切可以转化为电压的电学量和非电学量及它们作周期性变化的过程都可以用示波器来观测，示波器是一种用途十分广泛的测量仪器。
示波器一般由示波管、衰减和放大系统、扫描和整步系统以及电源等部分组成。
为了适应各种测量的要求，示波器的电子线路是多种多样而且很复杂。
这里仅就通用双踪示波器的主要部分的功能，用方框图来加以介绍。
1.1. 示波管的基本结构
示波管由电子枪、偏转板和荧光屏三部分组成。
其中电子枪是示波管的核心部件，如图a-1所示。
电子枪由灯丝H、阴极C、栅极G、第一加速极A1、聚焦极
、第二加速极
等组成。
电子从被灯丝H加热的阴极C表面逸出。
由于
相对C具有较高的电位，在C—G—
形成强电场，故从C逸出的电子在电场中被加速，穿过G的小孔，再高速穿过
、
、
筒内的限制孔，形成一束电子射线，电子最后撞击屏上的荧光物质，发出可见光，在屏上就可以看见一个亮点。
G相对于C为负电位，两者相距较近，其间形成的电场对电子有推斥作用，用电位器
调节C—G间的电压，可以控制电子枪发射电子的数目，从而改变屏上光点的亮度，即“辉度”调节。
此外，示波管中还有一组“电子透镜”，利用电场的分布对电子运动轨迹的影响，使电子会聚在荧光屏上。
而电场的分布是由各电极的几何形状、相对位置及电位决定的。
在实际使用中，通过调节聚焦电位器
、
，改变其电位，从而使荧光屏上的亮点最清晰。
2．电压放大器和衰减器
由于示波管本身的X及Y轴的偏转灵敏度不高（约0.1—1mm/V），当加于偏转板的信号电压较小时，电子束不能发生足够的偏转，致使荧光屏上光点位移过小，不便观察。
故需先把小的信号电压放大后再加到偏转板上。
为此设置X轴和Y轴放大器，如图a-2所示。
衰减器的作用是使过大的输入电信号减小，以适应放大器的要求，否则放大器不能正常工作，甚至损坏。
YB4320F双踪示波器的衰减器共有十二档，通常用垂直偏转因数（垂直输入灵敏度）表示，范围为1mV—5V/div，按1—2—5进位（div表示荧光屏上的一格）。
3．扫描与整步、波形显示
通常情况是要在示波器上观测从Y轴输入的周期信号电压的波形，即必须使信号电压随时间的变化而稳定地出现在荧光屏上。
但如果只把一个周期交变信号如
加到Y轴偏转板上，而X轴偏转板不加信号电压，则屏上的光点仅作上下方向的正弦振动，振动频率较快时，看到的只是一条直线。
当同时在X轴偏转板加上线性锯齿波扫描电压时，光点沿X轴方向随时间展开，屏上即出现正弦波形。
扫描电压波形如图a-3。
若扫描电压周期和正弦电压周期相等，则屏上显示的图形将是一个完整的正弦波。
所以扫描电压的作用，使Y轴电压波形按时间在屏上展开，这个展开过程称为“扫描”。
不难理解，扫描电压周期是Y轴信号周期的n（整数）倍时，即Tx=nTy，屏上将稳定地出现n个完整的Uy函数波形。
但是两个独立发生的信号的振荡频率在技术上难以调节并保持准确的整数倍，因而屏上波形将发生横向移动，不能稳定，难于观测。
克服的办法是：
用Y轴信号频率去控制扫描发生器的频率，使信号频率准确地等于扫描频率的整数倍。
电路的这个作用称“整步”。
它是由放大后的Y轴电压作用于锯齿波发生器来完成的。
如图a-2所示，此时图中的开关K1接到“内（1NT）”，K2与锯齿波发生器相连。
当需要从“X轴输入”端输入信号电压时，开关K2扳到右边，锯齿波发生器不再起作用。
对于双踪示波器，除上述基本原理外，由于需要同时显示两路信号波形，因此，设计有Y1、Y2两个输入端，由电子开关自动将两路信号间歇交替地将其中一路（Y1或Y2）送入Y轴放大器，如图a-4所示。
当电子开关K接至位置1时，示波管电子束受Y1信号的控制，荧光屏上显示Y1信号波形；而当电子开关K接至位置2时,示波管电子束受Y2信号的控制，荧光屏上显示Y2信号波形。
这样，就能在荧光屏上两个不同位置交替显示这两个信号波形，当切换速度很快时，由于人眼视觉暂留，就可同时在荧光屏上看到两个稳定的波形。
双踪示波器有“交替”与“断续”两种工作方式。
“交替”方式第一次扫描接通第一个信号，第二次扫描接通第二个信号，交替显示两个信号波形，尽管两个波形是交替显示的，由于人眼视觉暂留，看到的是稳定波形而不会闪烁，为了使荧光屏上至少显示一个周期的波形，因此，要求输入的信号的频率不能低于扫描的频率，“交替”方式不适用于显示频率很低的信号波形；“断续”方式是在每一次扫描过程中，高速的轮流接通两个信号，实际在荧光屏上显示的波形是由断续的虚线构成的，但由于切换速度很快（YB4320F双踪示波器的断续频率为250kHz），虚线上的线段很密，人眼看到的图像依然是连续的。
因此，要求切换速度足够高，而输入的信号的频率远低于切换速率，“断续”方式适合观察频率较低的信号波形。
当两路信号为不相关的信号时，必须使用“交替”方式，两路不相关的信号波形才能被稳定同步显示。
[仪器介绍]
一、YB4320F型示波器面板见图a-5。
（9）仪器电源开关：
当此开关置“1”时，指示灯发绿光，经预热后，仪器即可正常工作。
（8）电源指示灯。
（2）辉度调节装置：
顺时针方向转动辉度加亮，反之减弱，直至辉度消失。
如光点长期停留在屏上不动时，应将辉度减弱或熄灭，以延长示波管的使用寿命。
（40）（43）
垂直移位：
用以调节屏幕上光点或信号波形在垂直方向上的位置，顺时针方向转动，光点或信号波形向上移，反之向下移。
（42）垂直方式工作开关：
CH1：
屏幕上仅显示CHI的信号；
CH2：
屏幕上仅显示CH2的信号；
双踪：
以交替或断续方式，同时显示CH1和CH2上的信号波形；
叠加：
显示CH1和CH2输入信号的代数和。
（10）（15）VOLTS/DIV（V/div）：
垂直输入灵敏度步进式选择开关，输入灵敏度自1mV/div—5V/div按1—2—5进位分十二个档级，可根据被测信号的电压幅度，选择适当的档级位置以利观测。
当（14）（19）“微调”旋钮位于校准位置（顺时针旋到底“关”）时，“V/div”档级的标称值即可视为示波器的垂直输入灵敏度。
（14）（19）微调：
用以连续改变垂直放大器的增益，当“微调”旋钮顺时针旋满至“关”位置时，即处于校准位置，增益最大。
其微调范围大于2.5倍。
（11）（16）AC—DC：
输入信号与放大器耦合方式的选择开关，AC：
放大器的输入端与信号连接由电容器来耦合；DC：
放大器的输入端与信号输入端直接耦合。
（12）（18）：
输入信号与放大器断开，并且放大器的输入端接地。
（13）CH1（X）：
Y1输入插座；X—Y方式时为X轴输入端。
（17）CH2（Y）：
Y2输入插座；X—Y方式时为Y轴输入端。
（35）
水平位移旋钮：
用以调节屏幕上光点或信号波形在水平方向的位置，顺时针方向转动，光点或信号波形向右移，反之向左移。
（30）X—Y控制键：
按下此键，CH1为X轴输入端，CH2为Y轴输入端。
（20）TIME/DIV（t/div）：
主扫描时间系数选择开关，扫描速率范围由0.1μs—0.5s/div按1—2—5进位分二十一档，可根据被测信号频率的高低，选择适当的档级，当扫描“微调”（24）旋钮位于校准位置（顺时针旋到底“关”）时，t/div档级的标称值即可视为时基扫描速率。
（24）扫描微调旋钮：
用于连续调节时基扫描速率，当该旋钮顺时针方向旋至满度“关”位置，即处于“校准”状态。
微调扫描的调节范围大于2.5倍。
（34）释抑：
当信号波形复杂，用电平旋钮不能稳定触发时，可用“释抑”旋钮使波形稳定同步。
（33）触发电平旋钮：
用于调节被测信号在某选定电平触发。
（32）电平锁定：
无论信号如何变化，触发电平自动保持在最佳位置，无需人工调节。
（31）触发方式选择：
自动：
在没有信号输入时，屏幕上仍然可以显示扫描基线；
常态：
有信号才能扫描，否则屏幕上无扫描线显示。
（29）触发信号源选择开关：
CH1X—Y：
CH1通道信号为触发信号，当工作在X—Y方式时，拨动开关应设置于此档；
CH2：
CH2通道信号为触发信号；
电源触发：
电源为触发信号；
外触发：
外触发输入端触发信号是外部信号，用于特殊信号的触发。
（27）交替触发：
在双踪交替显示时，触发信号来自于两个垂直通道，此方式可用于同时观察两路不相关信号。
适用于显示较高频率信号波形。
（44）断续方式：
CH1、CH2二个通道按断续方式工作，断续频率为250kHz。
适用于显示较低频率信号波形。
［补充实验内容与要求］
⒈示波器使用前的检查
①熟悉各旋钮的作用，将示波器面板上的各旋钮控制机构置于如下位置：
电源（9）——弹出；
辉度
（2）——顺时针1/3处；
聚焦（4）——适中；
垂直位移（40）（43）——适中；
断续（44）——弹出；
垂直方式（42）——双踪；
CH2反相（39）——弹出；
衰减开关（10）（15）——1V/div；
微调（14）（19）——顺时针（关）；
接地开关（12）（18）——GND按下；
耦合方式选择开关（11）（16）——弹出
水平位移（35）——适中；
×5扩展（36）——弹出；
X—Y（30）——弹出
TIME/DIV（20）——0.1ms/div；
微调（24）——顺时针（关）；
释抑（34）——逆时针最小；
电平锁定（32）——按下；
触发方式（31）——自动；
触发耦合（28）——AC；
触发源（29）——CH1或CH2；
触发极性（25）——弹出；
交替触发（27）——弹出；
②按下电源开关（9）接通电源，电源指示灯亮，预热3分钟，仪器即进入正常工作状态。
③顺时针调节辉度旋钮
（2），屏上将出现扫描线。
注意：
辉度不能太亮，以免损伤荧光物质。
2.信号发生器的调节
下面以产生一个频率为3kHz，输出幅度为5Vp-p的正弦电压信号为例，简单介绍信号发生器的基本调节方法。
1① 波形选择：
按下波形选择键（12）的正弦波按钮；
2② 频率调节：
按下频率范围开关
（2）“20k”档，调节“频率调节”旋钮（18）的“0.1—1”及“微调”旋钮，使窗口（17）显示“003.000”即为3kHz。
③电压调节：
调节“幅度”旋钮（8），使窗口（14）显示“05.0”即为5Vp-p。
注意：
其它按钮应处于弹出状态；频率单位是“kHz”；窗口（14）显示的是电压的峰—峰值，单位是“V”或“mV”，相应的指示灯点亮。
3.同时观察两路不相关信号波形
1① 在两信号发生器上分别调出2kHz/2Vp-p、3kHz/3Vp-p的正弦信号并分别连接到示波器的输入端CH1（13）、CH2（17），调节示波器，使（11）（12）（16）（18）弹出，交替触发按钮（27）按下，
其余旋钮控制机构按上述设置，此时，屏幕上将出现两个信号波形。
②调节衰减开关（10）（15）V/div，使屏上波形垂直幅度在坐标刻度以内；调节t/div扫描速率，使屏上出现完整的正弦波形。
③改变V/div、t/div档位、调节信号发生器的输出频率和电压，观察正弦波形的变化。
3③ 若需单独观察CH1或CH2的信号波形，只要将垂直方式工作开关（42）扳至CH1或CH2即可。
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