示波器测信号的周期和频率实验报告.doc

示波器的使用1、了解通用双通道示波器的结构和工作原理，熟悉各个旋钮的作用和使用方法2、掌握用示波器观察波形、测量电压和频率的方法；了解用示波器测量相位差的 方法3、掌握观察李萨如图形的方法，并能用李萨如图形测量未知正弦信号的频率；能 用示波器观察“拍”现象1、通用双通道示波器的结构，面板旋钮的作用和使用方法；2、通用双通道示波器的工作原理，李萨如图形测量未知正弦信号频率的原理，观 察“拍”现象的原理一、前言示波器是利用电子束的电偏转来观察电压波形的一种常用电子仪器， 主要用于观察电信号随时间变化的波形，定量测量波形的幅度、周期、频率、相位等参数一般的电学量（如电流、电功率、阻抗等）和可转化为电学量的非电学量（如温度、位移、速度、压力、光强、磁场、频率）以及它们随时间变化的规律都可以用示 波器来观测由于电子的惯性很小， 电子射线示波器一般可在很高的频率范围内工作采用高增益放大器的示波器可以观察微弱的信号；具有多通道的示波器，则可以同时观察几个信号，并比较它们之间的相应关系（如时间差或相位差） ，是目前科学 实验、科研生产常用的电子仪器二、实验仪器通用双通道示波器，函数信号发生器、同轴电缆等。

三、实验原理1、仪器工作原理（1）通用双通道示波器的介绍主要结构：示波管、电子放大系统、扫描触发系统、电源外触发X输入Y输入O工作原理:(a)示波管示波管是呈喇叭形的玻璃泡，被抽成高真空，内部装有电子枪和两对相互垂直的 偏转板，喇叭口的球面内壁上涂有荧光物质，构成荧光屏下图是示波管的构造图F K G A Y XP荧光屏图1 示波管构造图电子枪由灯丝F、阴极K、栅极G以及一组阳极A所组成灯丝通电后炽热，使 阴极发热而发射电子由于阳极电位高于阴极，所以电子被阳极电压加速当高速电 子撞击在荧光屏上会使荧光物质发光，在屏上就能看到一个亮点改变阳极组电位分 布，可以使不同发射方向的电子恰好会聚在荧光屏某一点上，这种调节称为聚焦栅 极G电位较阴极K为低，改变G电位的高低，可以控制电子枪发射电子流的密度， 甚至完全不使电子通过，这称为辉度调节，实际上就是调节荧光屏上亮点的亮暗丫偏转板是水平放置的两块电极当丫偏转板上电压为零时，电子束正好射在荧 光屏正中P点如果丫偏转板加上电压，则电子束受到电场力作用，运动方向发生上 下偏移如果所加的电压不断发生变化， P点的位置也随着在铅垂线上移动在屏上看到的是一条铅直的亮线。

荧光屏上亮点在铅直方向位移 丫和加在丫偏转板的电压Uy成正比X偏转板是垂直放置的两块电极在 X偏转板加上一个变化的电压，那么，荧光 屏上亮点在水平方向的位移 X也与加在X偏转板的电压Ux成正比，于是在屏上看到 的则是一条水平的亮线b)示波器显示波形的原理如果在丫偏转板上加上一个随时间作正弦变化的电压 UY =Uym si‘t，我们在荧 光屏上仅看到一条铅直的亮线，而看不到正弦曲线只有同时在 X偏转板上加上一 个与时间成正比的锯齿形电压Ux =Uxm t，才能在荧光屏上显示出信号电压 Uy和时 间t关系曲线，其原理如下图所示图2示波器显示正弦波形的原理图设在开始时刻a,电压Uy和Ux均为零，荧光屏上亮点在 A处，时间由a到b， 在只有电压Uy作用时，亮点沿铅直方向的位移为 ABy，屏上亮点在By处，而在同时 加入Ux后，电子束既受Uy作用向上偏转，同时又受 Ux作用向右偏转(亮点水平位 移为bBx)，因而亮点不在By处，而在B处随着时间的推移，以此类推，便可显示 出正弦波形来所以，在荧光屏上看到的正弦曲线实际上是两个相互垂直的运动(U 丫 =Uym sin ■ 't和 Ux =U xm t)合成的轨迹。

由上可见，要想观测加在丫偏转板上电压Uy的变化规律，必须在X偏转板上加 上锯齿形电压，把Uy产生的垂直亮线“展开”这个展开过程称为“扫描”，锯齿形 电压又称为扫描电压上面讨论的波形因为Uy和Ux的周期相同，荧光屏上显示出一个正弦波形，若频 率fy二Nfx,N =1,2,3……则荧光屏上将出现一个，两个，三个……稳定的正弦波形只 有当fy为fx的整数倍时，正弦波形才能在荧光屏上稳定为了在荧光屏上得到稳定不 动的信号波形，一般采用被测信号来控制扫描电压的产生时刻，称为触发扫描只要 被测信号达到某一个定值时，扫描电路才开始工作，产生一个锯齿波，将被测信号显 示出来由于每次被测信号触发扫描电路工作的情况都是一样的，所以显示的波形也 相同这样，在荧光屏上看到的波形就稳定不动了面板旋纽的作用：见双通道示波器使用说明书（略）（2）函数信号发生器简介输出信号的频率范围和电压范围：见函数信号发生器使用说明书（略）面板旋纽的作用：见函数信号发生器说明书（略）2 •测量原理1）测量信号的电压和周期用示波器测量信号的电压，一般是测量其峰一峰值 Upp，即信号的波峰到波谷之间的电压值在选择适当的通道偏转因数和扫描时基因数后，只要从屏上读出峰一峰 值对应的垂直距离 Y（div）和一个周期对应的水平距离 X（div），即可求出信号的电压和 周期。

Upp二丫偏转因数 （1）T =X扫描时基因数 （2）正弦信号的有效值Ueff和峰一峰值Upp的关系为eff叮2%(3)有时，被测信号电压比较高，必须经过衰减后才能输入示波器的 丫通道衰减倍数用分贝数表示，其定义为dB =20logUo10 U(4)式中，U0为未衰减时的信号电压值，U为示波器测得的衰减后的电压值根据衰 减的分贝数和示波器测得的值U，就可得到被测信号的电压值2）观察李萨如图形，测信号频率设两个互相垂直的振动为x = A cos（2二 f|t 1）y 二 A2 cos（2二 f2W2）式中，f" f2为两振动的频率，喑、：2为两振动的初相当fl = f2时合成振动的轨迹 方程为2 2(5)At A7 —2AA^c°s( 2 - i)=sin2( \ - J ^Ai ^A2 ^Ai ^A2（5）式是一个椭圆方程当2-^0或-二时，椭圆退化为一条直线；当\-;^_\/2 时，合成轨迹为一正椭圆当fiM f2时，合成振动的轨迹比较复杂，但当fl与f2成简单的整数比时，合成振动的轨迹为封闭的稳定几何图形，这些图形称为李萨如图形，如下图所示nx: ny1:11:21:32:33:4李萨如图形[I1 11 11 11 11 11 i1 11 i1 1i - I1 11 I1 11 11 11 i1 11 i1 1i_ 11 11 11 11 11 11 i1 11 i1 1i_ I111111111匚 nxi1123nyi2334从图形中，人们总结出如下规律：如果作一个限制光点在 x，y方向运动的假想 矩形框，则图形与此矩形框相切时，竖边上的切点数 ny与横边上的切点数nx之比恰 好等于两振动的频率之比，即fx: fy = ny :nx或 £fx = nyfy （6）因此，若已知其中一个信号的频率，从李萨如图形上数得切点数 nx和ny,就可以求出另一待测信号的频率。

3）观察“拍”现象两个同方向的谐振动合成时，若其频率 fi与f2的差值远小于fl、f2，合成振动的 振幅随时间缓慢的呈周期性变化，这种现象称为“拍”设两个同方向的简谐振动为yi = Ai cos（2二 fit I）y2 = A2 cos（2 二 f?t 2）选某一时刻两振动相位相同时作为计时起点，则 笃=二：：，若两振动的振幅也相同（A2=A=A），则合成振动可以表示为y = Yi y2 =2Acos［二（f2 - f|）t］cos［二（f2 fjt ］当fi与f2的差值远小于fi、f2时，合成振动的振幅2AcosR （f2 - fi ）t］随时间缓慢地呈周期性变化，这种现象称为拍，振幅变化的频率叫拍频下图所示为拍的形成的示意图，其中，t=0时，yi与y2的相位差为二如果信号频率fi已知且连续可调，则通过改变fi观察拍频的变化，可以判断出待测信号频率 f2是大于fi还是小于fi,然后根据测得的拍频f3和⑺式就可求出待测信号的频率四、实验内容与步骤i、使用练习（1） 开机准备：了解示波器面板上各功能键的作用，并把各个旋钮调到居中2） 打开电源开关，电源指示灯亮，稍等预热，屏上出现亮点分别调节亮度和 聚焦旋钮，使光点亮度适中、清晰。

2、观察交流信号波形并画出波形图打开信号发生器电源开关，将其输出接 CH1调节信号发生器频率为1kHz,输出 电压为4.0V，输出衰减置20dB, CH1通道偏转因数旋钮调为0.2V/格，扫描速率旋钮 调为0.5ms/格，观察示波器上的波形；若波形不稳定，调节电平旋钮使之稳定；将扫 描速率旋钮改为0.2ms/格，再观察示波器上的波形；画出观察到的波形图3、 正弦信号电压与周期测量按观察交流信号波形的输出信号频率和电压调好信号发生器， CH1通道偏转因数置为50mV格，选择合适的扫描速率值，使屏上刻度范围内出现完整波形，将实验数 据记录入下表：4、 观察李萨如图形，测量信号的频率（1） 将待测信号输入CH1通道，使示波器显示出信号波形，并估算其频率大致值2） 将标准已知频率信号输入 CH2通道，扫描速率旋钮置 X-Y（逆时针到底）， 调节信号幅度或改变通道偏转因数，使图形不超出荧光屏视场3） 根据待测信号频率的粗测值，调节CH2通道信号的频率，使示波器屏上分别 出现fy : fx = nx ： ny=1:1、1:2、2:3、3:4的李萨如图形描下李萨如图形，并在下表 中记下相应的CH2通道信号的频率值fy。

5、 观察“拍”现象（选做）（1） 将待测信号输入CH1通道，垂直方式选CH1,选择适当的偏转因数和扫描速 率，使屏上出现合适的稳定的正弦波图形估算信号的大致频率2） 将可调标准信号源信号输入 CH2通道，垂直方式选CH2调节信号源，使其 输出信号的频率和幅度与待测信号的大致相同3） 垂直方式选ADD通道2极性选NORM扫描速率调到合适值调可调标准信号源信号频率，使屏上出现稳定的“拍”波形记下此时一个“拍”波形的长度 X、标准信号源频率f1和扫描速率值缓慢改变标准信号源频率，得到另一稳定的“拍” 波形，记下此时一个“拍”波形的长度茨、标准信号源频率f2和扫描速率值6关闭电源，整理仪器五、数据表格及数据处理1、正弦信号电压与周期测量数据表表1正弦信号电压与周期测量数据记录表示波器频率（Hz） 电压示数（V）偏转因数（V/格）丫（格）扫描速率（s/格） X（格）信号发生器z2用李萨如图形测正弦信号频率表2用李萨如图形测量正弦信号频率数据记录表nx ： ny1：11:22:33:4李萨如图形1 11 11 11 11 1i I1 11 11 1J 11 11 11 11 11 1i I1 11 11 1J - 111111i1111 nxnyfx(Hz)(待测)fy(Hz)。