示波器原理使用与声速测量

示波器的原理和使用及声速测量

一．实验目的

（1）了解示波器的基本结构及其工作原理，学习并掌握示波器的基本使用方法

（2）学习电信号有关参数的基本概念，使用示波器观察波形并进行测量

(3)了解声波在空气中传播速度和气体状态参量的关系

(4) 了解超声波产生和接受的原理，学习用相位法测量空气中的声速

二．实验原理

(1)示波器原理框图

示波器按显示方式可分为阴极射线示波管和液晶显示两种。阴极射线示波器一般包括示波管、竖直放大器、水平放大器、扫描发生器、触发同步和直流电源等。

(2)示波器基本结构

示波管为示波器的主要部分，包括电子枪、偏转系统和荧光屏三部分，全部密封在真空玻璃外壳内。

电子枪由灯丝、阴极、控制栅极、第一阳极及第二阳极组成。灯丝加热表面涂有氧化物的阴极，使其发射电子。因控制栅极电位比阴极低，初速度较大的电子才能通过控制栅极，示波器上的亮度就是通过调整栅极电位来控制的。阳极电位比阴极电位高很多，电子被阴阳极间的电场加速而形成阴极射线。当控制栅极、第一阳极及第二阳极的电位调节合适时，射线收到聚焦。所以第一阳极也称聚焦阳极，而第二阳极电位更高，称为加速阳极。

荧光屏上涂有荧光粉，电子打上去能发出荧光，形成光斑。性能较好的示波管中，荧光屏玻璃内表面直接刻有坐标刻度，荧光粉紧贴坐标刻度以消除视差。

(3)示波器显示波形的原理

竖直偏转板上加交变正弦电压使电子竖直运动，水平偏转板上加锯齿波扫描电压，使电子水平运动。而电子的运动是竖直方向和水平方向的合成，所以当竖直偏转板电压与水平偏转板电压的周期相等时，在荧光屏上能显示出完整周期的波形图

(4)同步触发

(5)李萨如图形的基本原理

如果示波器的X和Y输入是频率相同或成简单整数比的两个正弦电压，则屏

上的光点将呈现特殊形状的轨迹，这种轨迹图称为李萨如图形。如果做一个限制光

点x、y方向变化范围的假想方框，则图形与此框相切时，横边上的切点数nx与竖边上的切点数ny之比恰好等于Y和X输入的两正弦信号的频率之比。即：

fy:fx=nx:ny，若有端点与假想边框相接时，应把一个端点记为1/2个切点。利用李萨如图形能方便得比较出两个正弦信号的频率。

(6)声速测量

（1）理想气体中声波的传播速度为

其中，γ为比热容比，Ｍ是气体的摩尔质量，Ｔ是绝对温度，Ｒ＝

8.31441J/(mol·K)。

（2）在室温t下，干燥空气中的声速为

，其中v0为标准状况下干燥空气声速，为331.5m/s。

（3）但实际中空气并不是干燥的，所以修正的结果为

其中，r为相对湿度，ps为饱和蒸汽压，

。

三．实验仪器

（1)SS-7802双踪示波器

实验用SS-7802双踪示波器能够同时测量频率在20MHz范围内的两个电压信号。借助于电子开关可将两个信号交替加到示波管的Y偏转板上，当电子开关的频率足够高时，在屏上可以同时得到两个信号。其基本使用方式如下。

1.X方式选择按键(HORIZ DISPLAY)：通常选“A”方式，需要显示李萨如图

时选择“Ｘ-Y”，此时CH-1为X输入，CH-2为Y输入。

：通常选“AUTO”方式。

2.触发方式选择按键(SWEEP MODE)

3.打开信号通道，如果信号线插在CH1通道，按下“CH1”键，使屏幕左下方显示“1：”，如果信号线插在CH2通道，按下“CH2”键，使屏幕左下方显示“2：”，注意，“2：”前不能出现“+”号，如果出现“+”，请看第10步。

4.如果屏幕正上方有“TV”字符显示，按下“TV”键，将该功能取消。

5. 按下藕合方式开关键(COUPLING)，可能要多次，通常设置为“AC”方式（在屏幕正上方显示字符“AC”）。

”：通常设置为与信号输入相同的通道（如果信

6.触发源选择按键“SOURCE

号线插在CH1通道，就设置为“CH1”方式，屏幕正上方显示“CH1”字符，如果信号线插在CH2通道，就设置为“CH2”方式，屏幕正上方显示“CH2”字符）。

7. 按下触发极性按键“SLOPE”：通常选上边沿触发方式“+”(屏幕正上方)。

8.若有“MAG”字符显示于屏幕的右下角。按“MAG×10”键将该功能取消。

9.CH1、CH2通道不能接地（即屏幕下方无“⊥”显示）,若出现“⊥”则按相应通道的“GND”键取消。

10.若有“+”显示于屏幕的左下角，在“2：”前，按“ADD”键将其取消。

11.若有“↓”显示于屏幕的左下角，在“2：”后，按“INV”键将其取消。

12.若有“〉”显示于屏幕的左上角，在“A”后，按压时间调节旋纽（TIME/DIV）将其取消。

13.若有“〉”显示于屏幕的左下角，按压相应通道的幅度调节旋纽

（VOLTS/DIV）将其取消。

14.调节旋钮“TRIG LEVEL”，时它左边第二行的灯“TRIG’D”变亮，至于第一行的灯“READY”亮不亮都没关系。

15.旋转输入信号所在通道的幅度调节旋钮“VOLTS/DIV”，把信号波形调节到适合观察的大小。

16.旋转时间扫描速率旋钮“TIME/DIV”, 把信号波形调节到适合观察的疏密程度。

（2）函数信号发生器

TFG1005型函数信号发生器，可以输出正弦波、方波、三角波等，其频率连

续可调，范围为10Hz-2MHz，信号幅度连续可调，最大可达20V。详细操作参见实验室资料。

四．实验步骤

1．观察波形

从自制多波形信号发生器输出正弦波、方波、三角波和尖脉冲四种波形。分

别用示波器测出其正弦波输出幅度的有效值，方波幅度的峰峰值，三角波的周期，

尖脉冲的频率。

2. 观察李萨如图形

（1）将频率耦合信号发生器的两个正弦信号输入到示波器上，调出fx：fy=1：1和2：1的稳定的李萨如图形。观察并记录相位差为0，π/4，π/2，

3π/4，π时的图形形状。

（2）将自制信号源和函数信号发生器的正弦信号分别输入到示波器的两输

入端，调出频率比为1：1的李萨如图，并由此定出自制信号源正弦波信号的频

率。

3.测量声速

（1）连接电路，将函数信号发生器的输出与超声波发射器的输入端及示波器

的通道1连接；将超声波接收器的输出端与示波器的通道2连接。函数型号发生器置于正弦波输出，其频率范围置于100kHz左右，输出幅度调到10V左右。

（2）用示波器观察加在声波发射器上的电信号与超声波接收器输出的电信

号，先将函数信号发生器的频率调节到40kHz左右，然后细条频率，使接收器输出信号最大。记录下此频率，即为超声波频率。实验过程中信号频率若有改变，记下

最大值、最小值，最后取平均值。

（3）用相位法测波长。利用李萨如图形找出同相点来求波长。为了提高精

度，可采用逐差法处理数据。