用示波器测量时间.docx

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用示波器测量时间

实验报告

PB06013212王主光

实验题目：

用示波器测量时间

实验目的：

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.

为了适用于多种量程,对于不同大小的信号,经衰减器分压后,得到大小相同的信号,经放大器放大后产生最大约20V左右的电压送至示波管的偏转板.

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,被封装在高真空的玻璃管内,其结构如图3.2.2-2所示.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：

由灯丝（F）和阴极（K）构成,阴极表面涂有脱出功较低的钡、锶氧化物,灯丝通电后,阴极被加热,大量的电子从阴极表面逸出,在真空中自由运动从而实现电子发射.

（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,栅极是一个顶部有小孔的金属圆筒,它的电位低于阴极,具有反推电子的作用,只有少量电子能通过栅极,调节栅极电压可控制通过栅极的电子束的强弱,从而实现辉度调节.在G1的控制下,只有少量电子通过栅极,G2与A2相连,所加电位比A1高,G2的正电位对阴极发射的电子奔向荧光屏起加速作用.

（3）第一阳极——聚焦：

第一阳极（A1）呈圆柱形（或圆形）,有好几个间壁,第一阳极上加有几百伏的电压,形成一个聚焦的电场,当电子束通过此聚焦电场时,在电场力的作用下,电子汇合于一点,结果在荧光屏上得到一个又小又亮的光点,调节加在A1上的电压可以达到聚焦的目的.

第二阳极——电子的加速：

第二阳极（A2）上加有1000V以上的电压.聚焦后的电子经过这个高压电场的加速获得足够的动能,使其成为一束高速的电子流.这些能量很大的电子打在荧光屏上可引起荧光物质发光.能量越大就越亮,但也不能太大,太大会使发光强度过大,以致烧坏荧光屏.一般来说,A2上的电压在1500V左右就可以了.

（4）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.偏转板除了直流电压外,还有待测物理量的信号电压,在信号电压的作用下,光点将随信号电压的变化而变化,形成一个反映信号电压的波形.

（5）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.辉光的强度取决于电子的能量和数量.在电子射线停止作用之后,磷光要经过一段时间才熄灭,这个时间称为余辉时间.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：

（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.如果光点到达B点后,Vx降到零（图中坐标轴上的Tx点）,那么光点就返回到A点.若此后Vx再按上述相同规律变化（Vx及Tx相同）,光点会重新由A移动到B.这样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[图3.2.2-3（a）].

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[图3.2.2-3（b）],则电子束受到水平电场和垂直电场的共同作用而呈现二维图形.为了得到可观测的图形,必须使电子束的偏转多次重叠出现,即重复扫描.

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

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,如图3.2.2-1所示,利用它提供一种触发信号来使扫描电压频率与外加信号同步,从而获得稳定的信号图形.图3.2.2-1中设置了三种同步触发方式：

外信号触发、被测信号触发（内触发）、50Hz市电触发.

实际使用的示波器,由于用途不同,它的示波管及放大电路等也不尽相同.因此,示波器有一系列技术特性指标,如输入阻抗、频带宽度、余辉时间、扫描电压线性度、y轴和x轴的范围等.

3．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.如雷达通过测量发射脉冲信号与反射（接收）脉冲信号的时间差来实现测距离,其他无线电测距、声纳测潜艇位置等,都属于这一原理.

从式

（2）出发,设待测信号接y轴输入端,则Ty是待测信号的周期,Tx是x轴扫描信号的周期,N是一个扫描周期内所显示的待测信号的波形周期个数.如荧光屏上显示2个信号波形,扫描信号的周期为10ms,则待测信号的周期为5ms.

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

（3）

式中的波形厘米数,可以是信号一个周期的读数（可测待测信号的周期）、正脉冲（或负脉冲）的信号宽度的读数或待测信号波形的其他参数.

4．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：

（4）

消去自变时t,得到的轨迹方程为：

（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.

（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：

实验步骤：

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）.

（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）.以信号发生器的频率为x轴,示波器测量的频率为y轴,作y-x曲线,求出斜率并讨论.

（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）,用内容

（2）的方法作曲线.

（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.

2．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

时,测出对应的

画有关图形并求公用信号发生器的频率.

实验数据分析与处理：

1．测自备方波的输出信号周期

次数

1

2

3

时基（ms/cm）

0.1

0.2

0.5

厘米数

10.01

5.02

2.04

周期（ms）

1.001

1.004

1.020

从中可见,用时基为0.1ms/cm测出的周期更为准确.其原因是:

时基越小,波的一个波长显示在屏上的厘米数越大,而人的估读误差是一定的,所以厘米数越大,读数据时的相对误差越小,所以越准确.此处的最小时基为0.1ms/cm,故用此时基测量的相对误差最小.

2.对称方波相关测量数据列表如下:

发生器频率（Hz）

201.9

403.9

600.2

820.0

1014

1193

1430

1611

1808

2020

厘米数（cm）

10.00

5.00

8.40

6.10

10.00

8.40

7.00

6.20

5.50

10.00

时基（ms/cm）

0.5

0.5

0.2

0.2

0.1

0.1

0.1

0.1

0.1

0.05

周期（ms）

5.00

2.50

1.68

1.22

1.00

0.83

0.70

0.62

0.55

0.50

测量频率（Hz）

200.0

400.0

595.2

819.7

1000.0

1204.8

1428.6

1612.9

1818.2

2000.0

以信号发生器的频率为x轴,示波器测量的频率为y轴,作y-x曲线,得

s

可得，图线的斜率为0.998,接近于1.从而说明,示波器测量频率基本等于信号发生器的频率,测量的误差比较小.

2.非对称方波的相关测量值列表如下:

发生器频率（Hz）

202.5

503.0

1009

2008

5020

10030

20030

周期宽（cm）

10.00

10.00

10.00

10.00

10.00

10.00

10.00

正波宽（cm）

6.80

6.80

6.80

6.80

6.80

6.80

6.80

时基（ms/cm）

0.5

0.2

0.1

0.05

0.02

0.01

0.005

周期（ms）

5.00

2.00

1.00

0.50

0.20

0.10

0.05

测量频率（Hz）

200.0

500.0

1000.0

2000.0

5000.0

10000.0

20000.0

以信号发生器的频率为x轴,示波器测量的频率为y轴,作y-x曲线,得

斜率为:

0.999.可见,示波器测出的频率精确度相当高.

4.信号发出三角波时,频率为500Hz,1kHz,1.5kHz时,各个频率的上升时间,下降时间及周期列表如下:

信号频率（Hz）

502

1008

1505

时基（ms/cm）

0.5

0.2

0.2

上升宽度（cm）

4.00

5.00

3.30

上升时间（ms）

2.00

1.00

0.66

下降宽度（cm）

4.00

5.00

3.30

下降时间（ms）

2.00

1.00

0.66

周期宽度（cm）

8.00

10.00

6.60

周期（ms）

4.00

2.00

1.32

5.观察李萨如图形并测频率

1）

=1/1时，

=500Hz

=500Hz

图形为：

2）

=2时，

=500Hz

=999Hz

图形为：

3）

=1/2时，

=500Hz

=250Hz

图形为：

4）

=3/2时，

=500Hz

=750Hz

图形为：

5）

=4/3时，

=500Hz

=665Hz

图形为：

6）

=3时，

=500Hz

=167Hz

图形为：

思考题：

1．示波器测频率的优点是：

较为直观，可以从屏上直接读数得到周期，从而算出频率，避免了用其他方法测量时人反应速率造成的影响。

缺点是：

示波器显示的波具有不稳定性，会发生衰减，从而会增大误差。

2．因为信号发生器的扫描频率不是很稳定，而要得到稳定波形的条件是：

X轴的起点始终与Y轴周期信号固定一点相对应，即达到同步。

所以在本实验中，由于仪器的原因，得不到绝对稳定的图形。

3.输入信号的频率是40Hz。

这种方法不是很好，因为只有当扫描频率与输入信号频率成整数比时，才能得到完整的波形，故可测量的频率有局限性。

故不是最佳方法。