大物实验报告——示波器的原理及应用

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2013年12月

示波器的原理及应用

摘要:本实验主要目的是了解阴极射线示波器的工作原理，用函数信号发生器产生不同频率比的电压，通过数字示波器观察李萨如图形。同时以示波器和低频信号发生器为工具，分别运用共振干涉（驻波）法和相位比较（行波）法，利用示波器将抽象的较难测量的声速转换成容易测量的物理量，然后计算得出声速，实现对示波器的灵活应用。

关键词:阴极射线示波器、数字示波器、李萨如图形、干涉、相位比较、声速测量

引言:示波器是显示被测量的瞬时值轨迹变化情况的仪器，它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器初期主要为模拟示波器，发展到一定阶段，人们发现模拟示波器有很多缺陷，而且已经到了发展的瓶颈，这些缺陷都很难得到改善，例如，模拟示波器观察低频、慢速信号存在缺陷，单次、瞬变等信号根本无法观测等等。这时数字示波器正在兴起，数字示波器可以弥补模拟示波器的很多缺陷，数字示波器可以存储波形和数据，而且测量方便，并且大大增加了可测量信号的范围，对于探测未知信号非常有用，基于以上情况，便产生了模数组合示波器。现在示波器已成为电子测量实验中不可缺少的仪器。广泛应用于科学研究、实验教学、医药卫生、电工电子和仪器仪表等各个研究领域和行业。

一、示波器的基本组成和原理：

示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。

示波器由示波管、竖直信号放大器（Y放大）、水平信号放大器（X放大）、扫描信号发生器、触发同步系统和直流电源等组成。示波管由电子枪、偏转系统和荧光屏组成，管内抽成真空。

1、电子枪由灯丝、阴极、控制栅极、第一阳极、第二阳极组成，作用是产生高速飞行的一束电子。

2、电子随后进入偏转系统，偏转系统中有一对竖直偏转板（Y轴）和一对水平偏转板（X 轴）。示波管的Y偏转电极上加的是待显示的信号电压。示波器的X偏转电极通常接入其自身产生的锯齿波电压（扫描电压）。电子束受到竖直和水平两个方向的电场作用，除了参与Y方向上的振动，同时参与X轴方向的匀速移动，就可以把Y方向上的振动横向拉开，

从而显示出其波形。这里需要特别注意的地方是，锯齿波电压和信号电压的周期必须相同或者成整数倍的关系，这样才能正确地显示出信号电压的波形。若两电压周期不相同或无整数倍关系，这时需要进行“整步”或“同步”，调节示波器上的触发电平，通过电子电路来调整扫描电压周期。

3、电子经过偏转系统的偏转之后，最终打在荧光屏上，屏上涂有荧光粉，电子打上去荧光粉发光形成光斑。当频率适中时，连续的电子束在屏幕上形成连续的曲线，显示出信号电压的波形。

二、李萨如图形的基本原理

两个相互垂直的简谐振动相互叠加，即在示波器的X 轴和Y 轴输入频率相同或成简单整数比的两个正弦电压，荧光屏上呈现的光电的特殊形状轨迹称为李萨如图形。X 轴和Y 轴输入频率比不同，在示波器上得到的李萨如图形也不同。实验中通过调节函数信号发生器两输入电压的频率，得到不同的图形。

如果作一个限制光点在x 、y 方向变化范围内的假想方框，则图形与此框相切时，横边上的切点数n x 与竖边上的切点数n y 之比恰好等于y 和x 输入的两正弦信号的频率之比。即y

x n n fx fy 三、示波器的应用——声速测量

声波是机械纵波。频率在20Hz-20KHz 的声波能引起人的听觉，称为可闻声波，简称声波。超声波的频率在20KHz~500MHz ，具有波长短、穿透能力强、易于定向传播等优点，故本实验利用超声波对声速进行测量。

1、共振干涉（驻波）法

在同一介质中两列频率、振动方向相同，而且振动幅度也相同的简谐波，在同一直线上沿反方向传播时就叠加形成驻波。振幅呈周期性变化，最大处为波腹，振幅为0处为波节，波腹与波节的距离为λ/2，若声速测量仪调节到适当的距离（>10cm ）时，开始观察。避免因距离太近产生干扰，影响测量结果的准确性。S1为超声源（发射头），S2作为超声波接收头。移动S2对试验中的某一波长。相继出现一系列共振状态，示波器上的信号幅度每出现一次周期性变化，相当于S1、S2改变了λ/2，此距离可由声速测量仪测得，根据v=λ*f 求得声速。

2、相位比较（行波）法

相位比较法与共振干涉法有相似之处，仍利用原装置，不同的是将示波器的功能调于

X-Y方式，S1与S2之间产生相位差，运用李萨如图形，S1、S2之间的距离改变一个波长λ，相位变化2π，为了便于观测，调节S2使示波器出现一条直线，记录下数据L1，然后调节距离S2，再次出现相同直线时记录数据L2。λ=L1-L2,再由V=λ×f求得速度V。结论:通过实验观察可以看出，当竖直偏转板加正弦电压，水平偏转板不加电压时，在荧光屏上得到的是Y方向的一条亮线或者是连续的光点，这是因为水平方向无偏转力。这是若是在水平方向加上锯齿波电压，在一个周期内，电压随时间逐渐升高，电子便在水平方向被拉开，呈现出正弦电压的波形。若水平加的是同频率或呈简单整数比的正弦电压，则出现李萨如图形。

两输入电压频率不相等或非整数倍关系时，得到的是以个连续变化的图形，这是由于频率不同步，两垂直电压的相位变化造成的图形不稳定。通过观察得出图形的变化快慢取决于两者及其整数倍之间的差之大小，差值越大，变化越快。利用示波器、声速测量仪信号源、声速测量仪将难以测量的声速巧妙转化成距离的测量时此实验的一大特色。比较两种方法测声速的结果，不难看出利用示波器测声速具有很大的优势，结果较为准确，达到了预期的效果。

参考文献

[1] 张三慧.大学基础物理学.清华大学出版社，2007.

[2] 白梅兰.北方工业大学学报.北方工业大学出版社，1990(3).