同济大学示波器实验报告

-5-
根据电磁感应定律，在匝数为N2的副线圈中感应电动势为 ε 2
=
−N2S
dB dt
(2)
若副边回路中的电流为i2且电容C上的电量为q，则应有 ε 2
=
R2i2
+
q C
(3)
在上式中已考虑到副线圈匝数N2较小，因而自感电动势可忽略不计。在选定线路参数
时，有意将R2与C都选成足够大，使电容C上的电压降 uC = q / C 比起电阻上的电压降R2i2
MN L
图 6. 测量相位差方法 1
φ = 2π ∆t = 2π MN
T
L
8． 用双踪示波器测量相位差方法二： 将Ui输入示波器X偏转板，U0输入示波器的YCH2轴，得李萨如图形。U0与Ui间相位差Ф
就转化为X轴与YCH2轴间相位差。
B
A
图 7. 测量相位差方法 2
两偏转板上电压解析式为 X = X 0 cos(ϖt − φ )
= UC
=
N2S R2C
B
(7)
式中N2、S、R2和C都为常数，可见uC与B成正比。也就是示波器荧光屏上竖直方向偏 转得大小与磁感应强度成正比。
至此，我们可以看出，在磁化电流变化的一周期内，示波器的光点将描绘出一条完整 的磁滞回线。以后每个周期都重复此过程，结果在示波器的荧光屏上看到一稳定的磁滞回 线图形。可以得到
将材料加热到居里点以上，材料由铁磁质变成顺磁质，再将材料降温到居里点以下，材料 就回到未经磁化的初始态。第二种方法是，将材料置于交流磁场中，并逐渐减小磁场幅度， 磁滞回线将逐步减小，直至成为坐标原点的一个点，材料就回到未经磁化的初始态。
-6-
【实验仪器】 YB1639 信号发生器、XJ4328 型双踪示波器、实验电路板、电阻、电容、磁环、导线
综上所述， sinφ = B / A ，φ = arcsin B / A
-4-
9． 用双踪示波器观测铁磁性材料的动态磁滞回线。 （1）磁介质分为顺磁质、抗磁质、铁磁质等。对于顺磁质、抗磁质，B 与 H 成正比关系。 （2）对铁磁质物质，B与H，M与H的关系可以用磁滞回线来表示。一块从未被磁化的材料 在磁化时，当H由 0 开始逐渐增加至最大值Hm，B也由 0 开始逐渐增加，最后趋于不变。 这段B~H曲线称为起始磁化曲线。最后B趋于不变的现象称为饱和，饱和时的磁感应强度 称为饱和磁感应强度BS。当磁场由Hm减小至 0，B并非沿原来的磁化曲线返回，而是滞后 于H的变化。当H=0 时，B= Br，称为剩余磁化强度。要想使B为 0，就必须施加一反向磁 场－Hc，Hc称为矫顽力。继续加大反向磁场，形成一条闭合曲线，叫饱和磁滞回线。如果 初始磁化时B没有增大到最大值，而是增加到一个小一点的值，也可以得到一条磁滞回线， 但这是不饱和磁滞回线。
与单踪示波器不同，XJ4328 型双踪示波器设有电子开关，使两个待测电压信号YCH1和YCH2 周期性地轮流作用在Y偏转板，这样在荧光屏上忽而显示YCH1信号波形，忽而显示YCH2信号波 形。由于荧光屏荧光物质的余辉及人眼视觉滞留效应，荧光屏上看到的是两个波形。
电子束
P
电 子 枪 Y偏转板 X偏转板 （两电极）（两电极）
两个相互垂直的简谐振动合成的结果，它们满足 f y = nx ，其中，fx代表X偏转板上正弦
fx ny
波信号的频率，fy 代表Y偏转板上正弦波信号的频率，nx代表李萨如图形与假想水平线的
切点数目，ny代表李萨如图形与假想垂直线的切点数目。
f y = nx = 1 fx ny 1
f y = nx = 2 ……
B
Bs Br HC
Hm H
图 8. 铁磁性材料的饱和磁滞回线
动态磁滞回线和各种磁化曲线都与交流磁场的频率有关。 （3）这是用示波器测量动态磁滞回线的电路图。磁环由铁磁质物质组成。调节R2大小、 Ui信号幅度及频率，可以得到饱和磁滞回线。
i1
~ Ui
U1
R1
R2
N1 ε2 N2
CY UC
X
i2
⊥ ⊥Y
荧光屏
图 1.示波管构造图
2． 双踪示波器控制电路的功能： 双踪示波器控制电路主要包括：电子开关、垂直放大电路、水平放大电路、扫描发生器、
同步电路、电源等。
-1-
Y轴输入
YA YB
电子 垂直
开关
放大 电路
y 单束示波管 xx
y
水平 放大
电路
X轴输入
触发扫 描电路
图 2.双踪示波器控制电路方框图
其中，电子开关使两个待测的电压信号YCH1和YCH2周期性地轮流作用在Y偏转板上。 同步电路的使用可以使显示波形稳定。同步电路从垂直放大电路中取出部分待测信号， 输入到扫描发生器，迫使锯齿波与待测信号同步，此称为“内同步”。如果同步电路信号从 仪器外部输入，则称为“外同步”。具体地说，为了有效地使显示的波形稳定，目前示波器 多采用触发扫描电路来达到同步的目的。操作时，使用“电平（LEVEL）”旋钮，改变触 发电平高度，当待测电压达到触发电平时，扫描发生器开始扫描，直到一个扫描周期结束。 但如果触发电位高度超出所显示波形最高点或最低点的范围，则扫描电压消失，扫描停止。
双踪示波器的使用及 RC、RL 磁滞回线的测量
赵敏 王忠合 电子示波器利用电场对电子运动的影响来反映电压的瞬变过程。由于电子惯性小，荷 质比大，因此示波器具有较宽的频率响应，用以观察变化极快的电压瞬变过程。 示波器能直接观测电压随时间变化的波形；还能测量频率、相位等；利用换能器还能 将应变、加速度、压力等其他非电量转换成电压进行测量。
来小到可以忽略不计，从而(3)式为 ε 2 = R2i2
(4)
将 i2
=
dq dt
=
C
duC dt
代入(4)式，得 ε 2
=
R2C
duC dt
(5)
将(2)(5)式比较，不考虑其负号（在交流电中负号相当于相位差为±π ）时应有
N2S
dB dt
=
R2C
duC dt
(6)
将(6)式两边对时间积分，得U y
1． 示波管： 示波管是呈喇叭形的玻璃泡，抽成高真空，内部装有电子枪和两对相互垂直的偏转板，
喇叭口的球面壁上涂有荧光物质，构成荧光屏。高速电子撞击在荧光屏上会使荧光物质发 光，在荧光屏上就能看到一个亮点。Y 偏转板是水平放置的两块电极。X 偏转板是垂直放置 的两块电极。在 Y 偏转板和 X 偏转板上分别加电压，可以在荧光屏上得到相应的图形。
下公式。
L
UL
~ Ui
U0 R
UL
Ui
Ф
U0
图 5. RL 电路
-3-
tanφ = ϖL / R
U 0 = cosφ Ui
7．利用双踪示波器测量相位差方法一： 将Ui输入示波器的CH1 轴，U0输入示波器的CH2 轴， U0与Ui间相位差Ф就转化为CH1
与CH2 间相位差，满足以下公式。
CH1 CH2
3．利用双踪示波器同时显示YCH1 和YCH2信号 如果在示波器的YCH1端口加上正弦波，YCH2端口也加上正弦波，同时在示波器的X偏转板
加上示波器内部的锯齿波，则在荧光屏上将得到两个正弦波。
X 端口：U x = U xmt
U YCH1端口： y1 = U y1m sin ϖ 1t
YCH2端口：U y2 = U y2m sinϖ 2t
【实验内容】 1． 校准示波器。
2． 在本实验中，取 R = 510Ω, C = 0.47µF 。用双踪示波器，用两种方法分别测量Ui的频 率 f = 500Hz,2000Hz,10kHz 时RC电路中Ui与U0的相位差，并将其与理论值比较。
3． 利用双踪示波器，利用铁磁质材料制作的磁环，调节电路中电子元件，以观测饱和动 态磁滞回线。记录观测饱和动态磁滞回线的实验条件，并测量饱和磁感应强度BS、最 大磁场强度Hm、剩余磁感应强度Br、矫顽力Hc 在本实验中，取 N1 = 60匝，N 2 = 65匝 R1 = 2Ω，R2 = 1kΩ
C = 4.7µF d外径 = 14.08mm, d内径 = 8.66mm, h = 5.36mm l = (d外径 + d内径 )π / 2 = 35.72mm S = d外径 − d内径 h = 14.5mm2
2
-7-
fx ny 1
5． RC 电路
Ui为源电压，UR为电阻R两端电压，U0为电容两端电压。则U0与Ui间相位差Ф满足以下 公式。
R
UR
UR
~ Ui
U0 C
Ф
U0
Ui
图 4. RC 电路
tanφ = ϖCR
U 0 = cosφ Ui
6． RL 电路 Ui为源电压，UL为电感L两端电压，U0为电阻R两端电压。则U0与Ui间相位差Ф满足以
y = y0 cosϖt
其中，X0、Y0分别为正弦信号Ui、U0的振幅
由解析式得：当 X=0 时， ϖt − φ = ±π / 2 ，则李萨如图形在 y 轴的两交点距离
B
=
π y0[cos( 2
+φ)
−
cos(− π 2
+ φ )]
=
2 y0
sin φ
而由解析式得：当 cosϖt = ±1 时， A = 2 y0
图 9. 测量动态磁滞回线电路图
设环状样品平均周长为 l ，初级线圈为N1，次级线圈为N2，磁化电流为i1（注意这是交
流电流瞬时值），磁感应强度为B，设样品的截面积为S
根据安培环路定律有 Hl
=
N1i1 ，而 u1
= i1R1 ，可得U x
= u1
=
R1l N1
H
(1)
可见，示波器荧光屏上电子束水平偏转大小与样品中磁场强度成正比。
【实验目的】 1． 了解双踪示波器显示波形的工作原理。 2． 学会利用双踪双踪示波器观测电压信号。 3． 学会利用双踪示波器观察李萨如图形，并利用其测量正弦信号的频率。 4． 学会利用双踪示波器测定 RC、RL 电路中的相移。 5． 利用双踪示波器测定铁磁性材料的磁化曲线。
【实验原理】 双踪示波器包括两部分：示波管和控制示波管工作的电路。
荧光屏
亮点在Y轴方向的位移
BC
A
E
D
Ax Bx Cx
By Cy Ay
Ey
时间t
Dy 亮点在X轴方向的位移
Dx Ex
时间t 图 3.示波器显示正弦波形的原理
-2-
4．利用双踪示波器显示李萨如图形 如果在示波器的Y偏转板加上正弦波，在示波器的X偏转板加上另一正弦波，则当两正
弦波信号的频率比值为简单整数比时，在荧光屏上将得到李萨如图形。这些李萨如图形是
H
=
N1S X R1l
lX
B
=
R2CS y N2S
ly
其中，磁场强度为H，磁感应强度为B，N1为初级线圈，N2为次级线圈，ι为环状样品 的平均周长，样品的截面积为S，SX和SY分别Βιβλιοθήκη BaiduX轴和Y轴的灵敏度(V/div)，ιX和ιY分别 为测量时的记录的坐标值(div)。
10．退磁： 一块铁磁性材料有磁化经历以后，进行退磁的方法有两种。第一种方法是热退磁，即