大物實驗報告-示波器的原理及應(yīng)用

PAGEI學(xué)號：姓名：學(xué)院：2013年12月示波器的原理及應(yīng)用摘要:本實驗主要目的是了解陰極射線示波器的工作原理，用函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生不同頻率比的電壓，通過數(shù)字示波器觀察李薩如圖形。同時以示波器和低頻信號發(fā)生器為工具，分別運(yùn)用共振干涉（駐波）法和相位比較（行波）法，利用示波器將抽象的較難測量的聲速轉(zhuǎn)換成容易測量的物理量，然后計算得出聲速，實現(xiàn)對示波器的靈活應(yīng)用。關(guān)鍵詞:陰極射線示波器、數(shù)字示波器、李薩如圖形、干涉、相位比較、聲速測量引言:示波器是顯示被測量的瞬時值軌跡變化情況的儀器，它能把肉眼看不見的電信號變換成看得見的圖象，便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過程。示波器初期主要為模擬示波器，發(fā)展到一定階段，人們發(fā)現(xiàn)模擬示波器有很多缺陷，而且已經(jīng)到了發(fā)展的瓶頸，這些缺陷都很難得到改善，例如，模擬示波器觀察低頻、慢速信號存在缺陷，單次、瞬變等信號根本無法觀測等等。這時數(shù)字示波器正在興起，數(shù)字示波器可以彌補(bǔ)模擬示波器的很多缺陷，數(shù)字示波器可以存儲波形和數(shù)據(jù)，而且測量方便，并且大大增加了可測量信號的范圍，對于探測未知信號非常有用，基于以上情況，便產(chǎn)生了模數(shù)組合示波器。現(xiàn)在示波器已成為電子測量實驗中不可缺少的儀器。廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、實驗教學(xué)、醫(yī)藥衛(wèi)生、電工電子和儀器儀表等各個研究領(lǐng)域和行業(yè)。一、示波器的基本組成和原理：示波器利用狹窄的、由高速電子組成的電子束，打在涂有熒光物質(zhì)的屏面上，就可產(chǎn)生細(xì)小的光點(diǎn)。在被測信號的作用下，電子束就好像一支筆的筆尖，可以在屏面上描繪出被測信號的瞬時值的變化曲線。示波器由示波管、豎直信號放大器（Y放大）、水平信號放大器（X放大）、掃描信號發(fā)生器、觸發(fā)同步系統(tǒng)和直流電源等組成。示波管由電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏組成，管內(nèi)抽成真空。1、電子槍由燈絲、陰極、控制柵極、第一陽極、第二陽極組成，作用是產(chǎn)生高速飛行的一束電子。2、電子隨后進(jìn)入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)中有一對豎直偏轉(zhuǎn)板（Y軸）和一對水平偏轉(zhuǎn)板（X軸）。示波管的Y偏轉(zhuǎn)電極上加的是待顯示的信號電壓。示波器的X偏轉(zhuǎn)電極通常接入其自身產(chǎn)生的鋸齒波電壓（掃描電壓）。電子束受到豎直和水平兩個方向的電場作用，除了參與Y方向上的振動，同時參與X軸方向的勻速移動，就可以把Y方向上的振動橫向拉開，從而顯示出其波形。這里需要特別注意的地方是，鋸齒波電壓和信號電壓的周期必須相同或者成整數(shù)倍的關(guān)系，這樣才能正確地顯示出信號電壓的波形。若兩電壓周期不相同或無整數(shù)倍關(guān)系，這時需要進(jìn)行“整步”或“同步”，調(diào)節(jié)示波器上的觸發(fā)電平，通過電子電路來調(diào)整掃描電壓周期。3、電子經(jīng)過偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)之后，最終打在熒光屏上，屏上涂有熒光粉，電子打上去熒光粉發(fā)光形成光斑。當(dāng)頻率適中時，連續(xù)的電子束在屏幕上形成連續(xù)的曲線，顯示出信號電壓的波形。二、李薩如圖形的基本原理兩個相互垂直的簡諧振動相互疊加，即在示波器的X軸和Y軸輸入頻率相同或成簡單整數(shù)比的兩個正弦電壓，熒光屏上呈現(xiàn)的光電的特殊形狀軌跡稱為李薩如圖形。X軸和Y軸輸入頻率比不同，在示波器上得到的李薩如圖形也不同。實驗中通過調(diào)節(jié)函數(shù)信號發(fā)生器兩輸入電壓的頻率，得到不同的圖形。如果作一個限制光點(diǎn)在x、y方向變化范圍內(nèi)的假想方框，則圖形與此框相切時，橫邊上的切點(diǎn)數(shù)nx與豎邊上的切點(diǎn)數(shù)ny之比恰好等于y和x輸入的兩正弦信號的頻率之比。即三、示波器的應(yīng)用——聲速測量聲波是機(jī)械縱波。頻率在20Hz-20KHz的聲波能引起人的聽覺，稱為可聞聲波，簡稱聲波。超聲波的頻率在20KHz~500MHz，具有波長短、穿透能力強(qiáng)、易于定向傳播等優(yōu)點(diǎn)，故本實驗利用超聲波對聲速進(jìn)行測量。1、共振干涉（駐波）法在同一介質(zhì)中兩列頻率、振動方向相同，而且振動幅度也相同的簡諧波，在同一直線上沿反方向傳播時就疊加形成駐波。振幅呈周期性變化，最大處為波腹，振幅為0處為波節(jié)，波腹與波節(jié)的距離為λ/2，若聲速測量儀調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)木嚯x（>10cm）時，開始觀察。避免因距離太近產(chǎn)生干擾，影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。S1為超聲源（發(fā)射頭），S2作為超聲波接收頭。移動S2對試驗中的某一波長。相繼出現(xiàn)一系列共振狀態(tài)，示波器上的信號幅度每出現(xiàn)一次周期性變化，相當(dāng)于S1、S2改變了λ/2，此距離可由聲速測量儀測得，根據(jù)v=λ*f求得聲速。2、相位比較（行波）法相位比較法與共振干涉法有相似之處，仍利用原裝置，不同的是將示波器的功能調(diào)于X-Y方式，S1與S2之間產(chǎn)生相位差，運(yùn)用李薩如圖形，S1、S2之間的距離改變一個波長λ，相位變化2π，為了便于觀測，調(diào)節(jié)S2使示波器出現(xiàn)一條直線，記錄下數(shù)據(jù)L1，然后調(diào)節(jié)距離S2，再次出現(xiàn)相同直線時記錄數(shù)據(jù)L2。λ=L1-L2,再由V=λ×f求得速度V。結(jié)論:通過實驗觀察可以看出，當(dāng)豎直偏轉(zhuǎn)板加正弦電壓，水平偏轉(zhuǎn)板不加電壓時，在熒光屏上得到的是Y方向的一條亮線或者是連續(xù)的光點(diǎn)，這是因為水平方向無偏轉(zhuǎn)力。這是若是在水平方向加上鋸齒波電壓，在一個周期內(nèi)，電壓隨時間逐漸升高，電子便在水平方向被拉開，呈現(xiàn)出正弦電壓的波形。若水平加的是同頻率或呈簡單整數(shù)比的正弦電壓，則出現(xiàn)李薩如圖形。兩輸入電壓頻率不相等或非整數(shù)倍關(guān)系時，得到的是以個連續(xù)變化的圖形，這是由于頻率不同步，兩垂直電壓的相位變化造成的圖形不穩(wěn)定。通過觀察得出圖形的變化快慢取決于兩者及其整數(shù)倍之間的差之大小，差值越大，變化越快。利用示波器、聲速測量儀信號源、聲速測量儀將難以測量的聲速巧妙轉(zhuǎn)化成距離的測量時此實驗的一大