大連理工大學
大學物理實驗報告
院（系） 材料學院專業材料物理班級 0705
姓名童凌煒學號 200767025 實驗台號
實驗時間 2008 年 11 月 18 日，第13周，星期二第 5-6 節
實驗名稱示波器的原理與使用
教師評語
實驗目的與要求：
（1） 了解示波器的工作原理
（2） 學習使用示波器觀察各種訊號波形
（3） 用示波器測量訊號的電壓、頻率和相位差
主要儀器裝置：
yb4320g 雙蹤示波器， ee1641b型函式訊號發生器
實驗原理和內容：
1. 示波器基本結構
示波器主要由示波管、放大和衰減系統、觸發掃瞄系統和電源四部分組成， 其中示波管是核心部分。
示波管的基本結構如下圖所示， 主要由電子槍、偏轉系統和螢光屏三個部分組成， 由外部玻璃外殼密封在真空環境中。
電子槍的作用是釋放並加速電子束。 其中第一陽極稱為聚焦陽極， 第二陽極稱為加速陽極。 通過調節兩者的共同作用， 可以使電子束打到螢光屏上產生明亮清晰的圓點。
偏轉系統由x、y兩對偏轉板組成， 通過在板上加電壓來使電子束偏轉， 從而對應地改變屏上亮點的位置。
螢光屏上塗有螢光粉， 電子打上去時能夠發光形成光斑。 不同螢光粉的發光顏色與餘輝時間都不同。
放大和衰減系統用於對不同大小的輸入訊號進行適當的縮放， 使其幅度適合於觀測。
掃瞄系統的作用是產生鋸齒波掃瞄電壓(如左上圖所示)， 使電子束在其作用下勻速地在螢光屏周期性地自左向右運動， 這一過程稱為掃瞄。 掃瞄開始的時間由觸發系統控制。
2. 示波器的顯示波形的原理
如果只在豎直偏轉板加上交變電壓而x偏轉板上五點也是， 電子束在豎直方向上來回運動而形成一條亮線， 如左圖所示：
如果在y偏轉板和x偏轉板上同時分別載入正弦電壓和鋸齒波電壓， 電子受水平豎直兩個方向的合理作用下， 進行正弦**和水平掃瞄的合成運動， 在兩電壓週期相等時， 螢光屏上能夠顯示出完整週期的正弦電壓波形， 顯像原理如右圖所示：
3. 掃瞄同步
為了完整地顯示外界輸入訊號的週期波形， 需要調節掃瞄週期使其與外界訊號週期相同或成合適的關係。 當某些因素改變致使週期發生變化時，使用掃瞄同步功能， 能夠使掃瞄起點自動跟蹤外界訊號變化， 從而穩定地顯示波形。
步驟與操作方法：
1. 示波器測量訊號的電壓和頻率
對於乙個穩定顯示的正弦電壓波形， 電壓和頻率可以由以下方法讀出
， 其中a為垂直偏轉因數（電壓偏轉因數）（從示波器面板的衰減器開關上可以直接讀出）單位為v/div或mv/div； h為輸入訊號的峰-峰高度， 單位div； b為掃瞄時間係數， 從主掃瞄時間係數選擇開關上可以直接讀出， 單位s/div、ms/div或μs/div； l為輸入訊號的單個週期寬度， 單位div。
（1） 開啟電源開關並切換到dc檔， 撥動垂直工作方式開關，選擇未知訊號所在的通道。
（2） 通過調節「掃瞄時間係數選擇開關」和「垂直偏轉係數開關」， 以及它們對應的微調開關， 使未知訊號圖形的高度和波形個數便與測量。 同時在開關上讀出計算所需的a、b值。
（3） 調節「垂直位移」與「水平位移」旋鈕，利用螢光屏上的刻度讀取l、h值， 並記錄。
2. 用示波器直接觀察半波和全波整流波形
（1） 將實驗室提供的未知訊號分別接到整流電路的ab端， cd端送入示波器的ch1或ch2端。
（2） 通過調節「掃瞄時間係數選擇開關」和「垂直偏轉係數開關」是訊號顯示在屏內， 分別觀察整流後的波形， 並記錄
3. 李薩如圖形測量訊號的頻率
不使用機內的掃瞄電壓， 而使用兩個外界輸入的正弦電壓分別載入在x、y偏轉板上， 當兩個正弦電壓的頻率相同或呈簡單的整數比， 則屏上將顯示特殊形狀的軌跡， 這種軌跡稱為李薩如圖形。 李薩如圖形與x軸和y軸的最大交點數nx與ny之比正好等於y、x端的輸入電壓頻率之比， 即
* 示波器和函式訊號發生器的操作原理略
資料記錄與處理/結果與分析：
1. 正弦訊號電壓和頻率的測量：
2. 正弦訊號、半波整流訊號、全波整流訊號的圖形
3. 李薩如圖形測量正弦訊號的頻率
討論、建議與質疑：
（1） 在示波器顯示掃瞄波形圖和李薩如圖形的原理中， 不同之處在與它們所使用的掃瞄電壓（即水平方向的輸入電壓）不同。 顯示掃瞄波形時， 水平方向載入的是鋸齒波的掃瞄電壓， 它能夠使電子束從左向右地單方向掃瞄， 當掃瞄頻率和輸入訊號的頻率相配合時， 就能夠顯示輸入訊號的波形； 顯示李薩如圖形時， 水平方向接入的是未知的正弦訊號， 它使電子束在水平方向上做簡諧往復運動， 與豎直方向的另一簡諧運動相疊加後， 在螢光屏上形成李薩如圖形。
（2） 形成橢圓的條件較為簡單， 當輸入的兩個同頻正弦訊號相位差存在， 且大小在+π~ -π之間時， 即可形成橢圓圖形。
圓可以認為是一種特殊條件下形成的橢圓圖形。
當輸入的兩個正弦訊號頻率相同， 訊號振幅相同， 且兩者的相位差為±π/2時， 李薩如圖形為圓形。
（3） 實驗中y軸訊號為已知正弦訊號， x軸為未知訊號， 經過實驗， 發現
當fy比fx大很多時， 螢光屏上的線條之間不可分辨， 形成乙個矩形塊狀圖案；
當fy比fx小很多時，螢光屏上顯示一條上下振盪的水平線段。
（4） 試解釋全波整流圖形存在水平片段的原因。
個人認為， 由於示波器上沒有精確地顯示出波形所在的相對位置， 故對這一波形現象可以有以下兩種理解方式：
第一種理解方式：
如上圖，左圖為理論上的全波整流訊號波形， 右圖為實際中由示波器觀察到的整流波形， 可見實際波形下端未能達到0， 即負載端電壓值在外部載入電壓換向時沒有達到最小。
原因可以認為， 二極體的單嚮導通作用不是絕對的， 在電壓反向載入時， 仍有小部分的反向「漏電流」通過二極體， 因此在橋式整流電路中， 電路電流完全等於零的時刻是不存在的， 在正向電壓下降到接近0的位置時， 由於有反向漏電流存在， 故負載兩端的實際電流不為零，故電壓也不為零， 由示波器顯示其電壓變化狀態， 變得到了右上圖標的「削尾」現象。另外， 也可以認為二極體有電流/電壓殘留現象等等。
第二種理解方式：
如右圖所示， 波形的形狀與實際可見相同， 但與上一種理解方式不同的是， 此種情況可以理解為， 負載兩端的電壓提前下降到零， 維持在零水平一段時間後， 重新上公升。
在這種情況下， 必須提到二極體單嚮導通性質的乙個前提：
當加在二極體兩端的正向電壓很小時，二極體仍然不能導通，流過二極體的正向電流十分微弱。只有當正向電壓達到某一數值（這一數值稱為「門檻電壓」，鍺管約為0.2v，矽管約為0.
6v）以後，二極體才能直正導通。
由此可以解釋實驗中觀察到的現象：
當第乙個半週期內末端， 電壓下降到門檻電壓以下時， 二極體實際已不能導通， 而另兩個反向的二極體此時也尚未導通， 此時負載兩端的電壓為零， 在示波器上表現為x軸上的直線；
當電壓進入第二個半週期時， 電壓由零開始重新上公升， 但尚未達到門檻電壓時， 二極體仍然處在不導通狀態， 此時負載兩端的電壓仍為零； 直到電壓上公升到門檻電壓以上， 二極體才被導通， 此時負載兩端才有電壓， 並且隨外源訊號呈正弦規律上公升。
綜合以上兩個短暫過程來看， 可以發現負載兩端電壓有一段持續為零的「真空期」， 表現為波形即為示波器上觀察到的短直線片段。
（5） 實驗體會：
本次實驗相比與其他實驗， 更加接近於一種體驗性的實驗， 目的並不在於獲得最終的實驗資料結果， 而在於讓我們更好地理解實際生產生活中常用的示波器； 通過操作示波器， 一方面我能夠熟悉儀器的使用方法， 認識到書本理論和實際操作存在的差距， 一方面也體會了示波器中所表現的將一些不可見的動態量轉化為另一種量直觀地表現出來的方法（鋸齒波掃瞄電壓與訊號電壓的組合是其表現思想的精髓）。
另外， 本次實驗中， 我也體會到了書本上的理論知識和實際應用的差異所在， 具體地說即是全波整形電流波形理論值和實際圖樣的差別。 通過實際的操作和觀察， 我能夠從差異出發， 從一些錯誤出發， 通過比較以不同地角度更好的理解所學的知識， 這是單獨閱讀書本所不能做到的。（6）
電子示波器的使用實驗報告
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《示波器的原理及使用》實驗報告評分標準
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示波器實驗報告
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