测量声速（实验报告）
实验目的：
1）探究影响声速的因素，超声波产生和接收的原理。
2）学习、掌握空气中声速的测量方法
3）了解、实践液体、固体中的声速测量方法。
4）三种声速测量方法作初步的比较研究。
实验仪器:
1）超声波发射器
2）超声波探测器
3）平移与位置显示部件。
4）信号发生器：
5）示波器
实验原理：
1)空气中：
a.在理想气体中声波的传播速度为
（1）
（式中
称为质量热容比，也称“比热[容]比”，它是气体的质量定压热容
与质量定容热容
的比值；M 是气体的摩尔质量，T是绝对温度，R=8.314472(1±1.7×10-6)
为摩尔气体常量。）
标准干燥空气的平均摩尔质量为
=28.966´10-3kg/mol
b.在标准状态下(
,
)，干燥空气中的声速为
=331.5m/s。在室温t℃下，干燥空气中的声速为
（2）
（T0＝273.15K）
c.然而实际空气总会有一些水蒸气。当空气中的相对湿度为
时，若气温为t℃时饱和蒸气压为
，则水汽分压为
。经过对空气平均摩尔质量 M和质量热容比 g的修正，在温度为t、相对湿度为r的空气中，声速为
（3）
（在北京大气压可近似取
101kPa；相对湿度r可从干湿温度计上读出。温度t℃时的饱和水汽压
可用
计算） d.式(3)的计算结果与实际的超声声速真值可能有一定偏差。
引起偏差的原因有：
~状态参量的测量误差
~理想气体理论公式的近似性
~实际超声声速还与频率有关的声“色散”现象等。
实验方法：
A. 脉冲法：利用声波传播时间与传播距离计算声速
实验中用脉冲法测量，具体测量从脉冲声源(声发射器)到声探测器之间的传播时间
和距离
，进而算出声速
(实验中声源与探测器之间基本是同一被测煤质)
B. 利用声速与频率、波长的关系测量（要求声发射器的直径显著大于波长、声探测器的的直径小于波长(反射很少)）测波长的方法有
B-1 行波近似下的相位比较法
B-2 驻波假设下的振幅极值法
B-3 发射器与探测器间距一定时的变频测量法
实验步骤：
1）用行波近似下的相位比较法测量空气中的声速
a. 正确接线 将信号发生器的输出连接到声速仪的超声发射器信号的输入端的T型三通接头上，三通的另一个借口用导线连到示波器的一个输入端。声速仪的探测信号输出端连接到示波器的另一输入端上
b. 选定频率 当探测器距离发射器约100mm时，调节信号发生器的频率，调节范围为30~50kHz，同时记录接收信号的最大峰峰值。
得到如下数据：
作出图像：
要求选定某一使探测器输出信号幅度较大的频率作为实验测量时的声波频率，所以频率应选为40.5KHz。
c. 测同相点位置 单向缓慢移动探测器，同时观察发射器、探测器波形，当波峰在同一竖直线上时，记录此时数显卡尺读数值。然后继续移动探测器，记录七个相邻的波峰相同的位置。
2）用驻波假设下的振幅极值法测量空气中的声速
单向平移声发射器，依次找出7个相邻极大值位置，并记录。
3）用行波近似下的相位比较法测量水中的声速
实验步骤与在空气中的实验步骤基本相同（除了实验开始时把实验装置换为的水中的实验装置）频率为：90.0KHz
实验结果：
1）用行波近似下的相位比较法测量空气中的声速
数据记录如下：
（单位：毫米）
实验前的气温23.6℃ 相对湿度28.7
实验后的气温25.0℃ 相对湿度30.2
由此计算出的空气中的理论值为：v=346.43m/s
用最小二乘法直线拟合的方法求波长得：λ=(8.65±0.04)mm
声速：（346.17±1.61）m/s
理论偏差：0.00075
2）用驻波假设下的振幅极值法测量空气中的声速
数据记录如下：
（单位：毫米）
用最小二乘法直线拟合的方法求波长得：λ=(8.70±0.04)mm
声速：(347.86±1.61)m/s
理论偏差：0.0039
4）用行波近似下的相位比较法测量水中的声速
数据记录：
（单位：毫米）
用最小二乘法直线拟合的方法求波长得：(λ=17.33±0.14)mm
声速：（1359.43±12.62）m/s
总结与反思：这次实验使我认识到自己对实验仪器了解的不足。课前应查找相关资料以增加对如何操作实验仪器的知识！
第二篇：声速测量
实验四 声 速 测 量
声波是一种在弹性媒质中传播的纵波，其频率低于20Hz的声波为次声波，频率高于20KHz的声波为超声波，它们都不能被人听到，频率在20Hz~20KHz的声波可以被人听到。称为可闻声波。
声速的测量通常有两方面用途。一方面，由于声波的传播与媒质的特性和状态等因素有关，因此通过声速的测量，可以了解被测媒质的特性及状态的变化。例如，声波在空气中传播速度为
，其中
为空气定压和定容比热容之比，即
，
为玻尔兹曼常数，
为气体分子的平均质量，
为绝对温度。因此，对某媒质中声速的测量可以得到此媒质的某些特性或它的状态变化的某些信息。此外，还可进行气体成份的分析；比热容比的测定；测定溶液的浓度；确定固体材料的弹性模量等。
超声波具有波长短，能定向传播等优点。在实际应用中，可以用来测距、定位、探伤，测流体流速，测量气体温度瞬间变化等。这些测量都离不开声波的传播速度的测量。
一．实验目的
(1) 加深对声波的产生、传播和相干等知识的理解。
(2) 学习测量空气中声速的方法。
(3) 了解压电换能器的功能和示波器的基本结构及使用方法。
二．实验原理
声速测量的常用方法有两类，一类测量声波传播距离
和时间间隔
，即可根据
计算出声速
；另一类是测出频率
和波长
，利用关系式
（4-4-1）
计算声速。本实验采用第二种方法测量。
虽然公式(4-4-1)给出的声速等于频率与波长的乘积，但是声波在空气中的传播速度与声波的频率是无关的，而只取决于空气本身的性质。声速的理论值由下式决定：
（4-4-2）
式中
为空气定压比热容与定容比热容之比，
为摩尔气体常数，
为气体的摩尔质量，为绝对温度。在
℃时，声速
。显然在℃时的声速应为：
（4-4-3）
如果测到了声速，由（4-4-2）式还可求出空气的比热容比。
由于超声波具有波长短，易于定向发射，不可闻的优点，所以本实验对超声声速进行测量。
实验中超声波是由交流电信号产生的，所以（4-4-1）式中声波的频率就是交流电信号的频率，由信号发生器中的频率显示可直接读出。因此，本实验的主要任务就是测量声波的波长。常用方法有驻波法、相位法两种，现分别介绍如下。
1． 驻波法
图4-4-1 实验装置图
实验装置如图4-4-1所示，超声发射器
作为超声波源。信号发生器发出的信号接入S1后，即发射出一平面超声波。超声波接收器
，接收一部分超声波转换成电信号后，输入示波器进行观察，同时反射一部分超声波。这样，由发出的超声波和由反射的超声波在、之间叠加相干而出现驻波。
设声源在
坐标轴原点，由声源发出的平面简谐波沿轴正向传播，为入射波，经一个理想平面反射后沿轴负方向传播，为反射波。
入射波方程为：
反射波方程为：
在两波相遇处，合成的声波为：
上式表明，两波合成的结果是驻波。在两波相遇处各点都在作同频率的振动，而各点的振幅
是位置的余弦函数。对应于
，即
（
0，1，2，……）处，振幅最大为
，称为波腹；对应于
，即
（ 0，1，2，3，……）处，振幅最小为零，称为波节。其余各点的振幅在0和最大值之间，两相邻波腹（或波节）间的距离均为
。如图4-4-2所示。
图4-4-2 声波合成图
当移动，使与之间的距离
为半波长的整数倍时，即
（
1，2，3，…） （4-4-4）
示波器上可观察到信号幅度的极大值（或极小值）。相邻两极值点之间的距离为。
2．相位比较法
从发射器发出的超声波近似于平面波，沿着此波传播方向上，相位相同或相位差为
的整数倍的任意两点位置之间的距离等于波长的整数倍，即
（
为正整数）。
当接收器端面垂直于波的传播方向时，其端面上各点都具有相同的位相。沿传播方向移动接收器时，总可找到一个位置使得接收到的信号与激励信号即函数信号发生器发出的信号同相。继续移动，直到接收到的信号再一次和激励信号同相时，移过的这段距离必然等于超声波的波长。
为了判断位相差并测量波长，可用如下两种方法：
（1）行波法 此方法利用双踪示波器直接比较函数信号发生器发出的信号和接收器接收到的信号，从信号发生器直接引出的信号同发射的信号相同，输入到示波器的通道1（CH1）与地之间，接收器接收的信号输入到示波器的通道2（CH2）与地之间。示波器的屏幕上同时出现两个波形，当移动时相应的波形也发生移动，而与信号发生器相应的波形不动。因此，在移动时，总可找出一系列同相点，（极大值对齐极大值，极小值对齐极小值）。两个相邻的同相点之间的间隔为。 图4-4-3 声压衰减示意图
由于声波在传输过程中的衍射和其它损耗（非平面波、反射面小及介质吸收等因素造成），使声压极大值随与的距离的增大而逐渐减小，由示波器观察到的各极大值的幅度是逐渐衰减的，如图4-4-3所示。声压幅度的衰减并不影响波长的测定，因为我们只需找到各周期中的极大值所对应的位置即可。
（2）李萨如图形法 相位差可根据两个互相垂直的简谐振动的合成所得到的李萨如图来测定。将信号发生器发出的信号接入示波器的通道1（CH1）输入端，将接收到的电信号接到示波器的通道2（CH2）输入端，并使两路信号叠加一起，由于两端电信号频率相同，因而叠加合成如图4-4-4的李萨如图形，图的形状由两信号的相位差
决定。假如初始时图形如图4-4-4（a），移动距离为半波长时，图形变化为图4-4-4（c）；移动距离为时，图形变为图4-4-4（e），所以通过对李萨如图形的观测，就能确定声波的波长。
a b c d e
图4-4-4 同频率互相垂直的谐振动合成的李萨如图形
三．实验装置
超声声速测量仪、函数信号发生器、双踪示波器
1． 超声声速测量仪
图4-4-5 数显声速测量仪结构图
1—电源开关；2—位移显示；3—位移显示置零；4—位移微调滚轮；5—信号输入
6—超声发射器；7—超声接收器；8—接收信号输出；9—位移单位选择开关
超声声速测量仪示意图如图4-4-5所示。主要由压电陶瓷超声换能器[见本实验的附录（一）]和数显游标卡尺构成。利用压电陶瓷超声换能器压电效应制成了本实验的声波发射器和超声波接收器，即图4-4-5中的6和7。超声发射器6在信号发生器产生的交变正弦电压信号的激励下，由于压电晶片的逆压电效应，激发起机械振动从而产生超声波。超声波接收器7与超声波发射器用的是同一种结构的压电换能器，只是两种压电晶片的性能有所差别，接收型压电晶片内机械能转变为电能的效率高，而发射型则相反，电能转变为机械能的效率高。
数显游标卡尺其机械部分与普通游标卡尺一样，但它有一个位移传感器及液晶显示器，游标移动时，液晶显示器能直接显示其移动距离。液晶显示器上有一电源开关、置零开关和单位选择开关。
由于位移传感器的原理比较复杂，在此不作详细介绍，有兴趣的同学可查阅有关资料。
2． 函数信号发生器［详细使用方法见附录（二）］。
3． 双踪示波器［有关原理和使用方法参见附录（三）］。
四．实验内容
（一）仪器调节
1.将信号发生器输出端与CH1通道相接，将超声波接收器与CH2通道相接。
2.按下“自动”按钮。示波器将自动设置垂直偏转系数、扫描时基、以及触发方式。
3．根据情况，进行手工调整，直至波形符合要求：（1） 按下触发（TRIGGER）控制区域菜单按钮，显示触发设置菜单。（2）在此菜单下分别应用F1～F5键菜单操作键设置触发类型为:边沿 、触发源选择为 CH1 、斜率为 上升 、触发方式为 正常 、触发耦合为交流。尽量使波形显示稳定。（3）按下水平“菜单”按键，显示水平菜单。（4）调整面板上部的多用途旋钮，触发释抑时间将随之改变，直至波形显示稳定。（5）按下垂直系统的CH1按钮选择CH1，调节垂直标度和水平标度使垂直、水平幅度适中；旋转水平位置和垂直位置以调整CH1波形的位置。（6）旋转触发电平旋钮，调整适合的触发电平。
4.调节CH2通道： ① 按下垂直系统的CH2按钮，选择CH2。②在40KHz附近调节信号源频率，直至示波器显示的CH2信号振幅最大。此时的信号源频率即是谐频。记录最大振幅时对应的频率，即为超声波频率
。此过程中根据信号幅度的大小随时调节垂直标度以使通道CH2的信号显示合适的幅度。③ 旋转水平位置和垂直位置以调整CH2波形的位置。使通道1、2的波形不重叠在一起，利于观察比较。
（二）测量
1．用驻波法测量超声波波长
移动接收器
的位置，增大与发生器
之间的距离，观察示波器上CH2的信号幅度的周期性变化。选择波形幅度最大值的某个位置
作为测量的起点。移动，使接近或远离都可，逐一顺序记录每个波形幅度最大值的位置
，直到记下10个波形幅度最大值为止。
2．用相位比较法测量超声波波长
（1）行波法
a)按下垂直系统的CH1按钮和CH2按钮，同时选择CH1和CH2。使荧光屏同时出现两个信号的正弦波形。b)按下触发（TRIGGER）控制区域菜单按钮，显示触发设置菜单。 在此菜单下用F2令触发源选择为 CH1。C)当接收器S
移动，发射器发射出的信号幅度大小和相位都不会发生变化；接收器S接收的的信号的幅度大小和相位都会发生变化。移动接收器S观察两列波之间的相位关系，并顺序记下10个同相点的位置。
（2）用李萨如图法测量超声波波长
a）按下垂直系统的 CH1 和 CH2按钮。b）按下“自动”按钮。c）调整垂直标度旋钮使两路信号显示的幅值大约相等。d）按下控制区的“显示”按键，以调出水平控制菜单。e）按F2以选择 X-Y 。示波器显示李萨如图形。f）调整垂直标度和垂直位置旋钮使波形达到最佳效果。改变S和S
之间的距离，观察示波器上李萨如图形的变化情况，顺序记下10个图形为同一斜直线的位置。
五．数据记录及处理
1．驻波法
（1）用逐差法计算出超声波的波长。数据表格自拟，表格的设计要便于求相应位置的差值和计算。波长的平均值的计算公式为
。
（2）计算波长的标准差，并写出其测量结果
。
（3）求出声速 
。再由声速计算公式推导出声速的标准差
的表达式，把各量代入公式求出的值，最后给出
的测量结果
（频率的相对误差为0.1%）
④计算测量值与理论值之间的百分误差
理论值计算式为 
，记录实验时的室温t℃，算出
。求百分误差
×100%
2．相位比较法
（1）行波法 数据处理要求与驻波法相同，只是波长的平均值的计算公式为
。
（2）李萨如图法 数据处理要求与驻波法相同，只是波长的平均值的计算公式为。
六．附录
（一）压电换能器
压电陶瓷超声波换能器是由压电陶瓷片（压电晶片）和轻、重两种金属组成。压电陶瓷片（如钛酸钡、锆钛酸铅）是一种多晶结构的压电材料组成，在一定温度下经极化处理后，具有压电效应。即受到与极化方向一致的应力时，在极化方向上产生一定的电场强度
，且有线性关系：
；反之，当与极化方向一致的外加电压
加在压电材料上时，材料的伸缩形变
与也有线性关系：
。
为压电常数，与材料有关。由于与，与间有简单的线性关系，因此我们就可以将正弦的交流电信号变成压电材料纵向长度的伸缩，从而成为超声波的波源，同样也可以使声压变化转变为电压的变化，用来接收信号。
压电换能器结构如附图4-4-6所示。头部用轻金属做成喇叭型，尾部用重金属做成锥形或柱形，中部为压电陶瓷圆环，螺钉穿过环的中心。这种结构增大了幅射面积，增强了振子与解质的耦合作用，由于振子是以纵向长度的伸缩直接影响头部轻金属作用同样的纵向长度伸缩振动（对尾部金属作用小），这样所发射的波方向性强，平面性好。
图4-4-6 压电换能器结构图
（二）
号发生器的操作：
仪器的参数及功能设置采用数字按键与旋钮（手轮）联合操作。例如，当前菜单为“幅度”时，旋转旋钮则调节幅度值，若当前菜单为“频率”，则调节频率值，一轮多用，因此，旋钮又称作多重定义旋钮。 旋钮操作时，菜单中的参数有一个数位始终在闪烁，表示旋钮调节的是该位对应的数值，每顺时针旋转一格，数值加一，逆时针旋转一格，数值减一，超过十进位，小于零借位。
1． 按【波形】键，顺时针或逆时针旋转旋钮，选择“正弦”函数波形。
2． 按【频率】键，数值部分的单个数位在闪烁，用方向键可左右移动闪烁的位置，从而实现频率值的粗调或微调。单位部分，可用方向键移动到“kHz”使之闪烁或直接按 “量程”键使之闪烁，旋转旋钮以改变频率单位。
快速设置参数的方法是用数字键直接输入：按数字键，依次输入数字，按数字键，依次输入数字，同时屏幕下半区出现“MHz”、“kHz”、“Hz”、“mHz”和“uHz”5个单位与下方的5个按键一一对应。输入的数字整体闪烁，表示正处在键盘输入过程中，按方向【左】键，可自右向左删除最新输入的数字。当输入完数字和选择好新的单位后，频率值变成单个数位闪烁，此时，仪器输出新的频率；或者只是输入新的数字，而单位不变，再按【确定】键，频率值变成单个数位闪烁，仪器也输出新的频率。若新的设置超过频率的上、下限，则按【确定】键后，参数返回设置前的数值。在键盘输入过程中，按【取消】键退出键盘输入过程，恢复显示设置前的参数。
（三）示波器
示波器能直接观察电信号的波形，并能测量电压，电流，频率，本角的大小，它是生产，科研中经常用到的电子仪器。示波器有传统的模拟示波器和数字液晶示波器。
1．模拟示波器
由示波管（阴极射线管），扫描、整步装置，放大部分（包括垂直及水平放大两部分）和电源部分组成。各部分的工作原理分述如下，具体线路不作介绍。
（1）示波管是示波器的主要元件。双踪示波管的原理与单踪示波管类似，我们以单踪示波管来说明，其结构如附图4-4-8所示，各部分的作用
图4-4-8 示波管示意图
说明如下：
K为阴极，通电加热时，便发射电子。M为调制极，控制电子发射多少，即控制电子射线的亮度。A1和A2为第一阳极和第二阳极，加速电子并控制电子束聚焦于荧光屏上，屏上的荧光物质发光形成一个亮点。在荧光屏和第二阳极之间装有两对相互垂直的平行板电极，若在任一对极板上加以电压，则电子束受电极间电场的作用而发生偏转，此时亮点在屏上的偏转的大小和所加的电压成正比。
（2）扫描整步装置：
若在垂直偏转极板上加一个交变电压，那么，荧光屏上的光点就不再固定在一个位置上，而是随电压的变化在垂直方向做来回的直线运动，在屏上可以看到一条发亮的直线，若在水平偏转极板上加一个随时间线性变化的电压，光点在水平方向作匀速直线运动。如果两个电压同时加上去，则光点在荧光屏的运动轨迹即反映了垂直方向所加的电压随时间变化的规律。为了达到此目的，示波器装有一种叫锯齿扫描电压发生器的装置。它能发生一种锯齿形电压，其特点是，电压从
开始（
）随时间成正比地增加。在
增加到
。然后迅速返回到（速度很快可以看作仍在时间
）然后再开始作与时间成正比增加，不断重复前述过程。这时电子束在荧光屏上作相应运动，即亮点由左（）匀速地向右运动（
），在时飞速回到左端，然后再重复前述过程。
如果在垂直偏转极板上加一个正弦电压，又在水平极板上加锯齿形电压，则荧光屏上的亮点同时参与两种运动，它的运动轨迹为正弦图形。这种由于在水平方向加锯齿形电压后，使垂直方向上电压随时间的变化情况得到展示的过程称为扫描。
称为扫描同期。
称为扫描频率。为了使纵向变化电压如实地稳定地描绘出来，一定要满足两个条件。即①扫描电压的变化一定要与时间成正比，即一定要加锯齿形电压。②扫描频率
一定要与垂直方向电压的变化频率
相同或互为整数倍时图形才会稳定。此时称为两者同步。
为了达到此目的，示波器的锯齿形扫描电压的频率必须可以调整。改变扫描电压频率使之与被观察电压频率成整倍数关系，叫做同步调节。示波器上设有两个旋钮：扫描范围（扫描频率）旋钮用来粗调；扫描微调旋钮用作精细调节。细心调节它们，就可以大体上满足要求，但有时这种人工调节的方法仍难使图形静止不动，待测电压的频率越高时，问题就越突出。为此，示波器内还装有自动频率跟踪装置，称为“整步”。在人工调节接近满足同步条件下，再加入“整步”的作用，就能获得稳定的波形。
（3）放大部分：
通常示波管的偏转极板所需电压很高，有时待观察信号的电压或扫描发生器所产生的扫描电压不高，所以示波器内还有放大器，垂直偏转极前的放大器称为垂直放大器，水平偏转极前的放大器称为水平放大器。
有时待观察的信号的电压很高，直接输入会使放大后的信号发生畸变，所以示波器内还装有衰减器。它利用分压的方法将输入电压降低后再输入放大器。
（4）供电部分：
示波器内装有电源变压器及各级整流器，它们给以上各部分提供所需要的交、直流电源。本实验中所用的是一种通用的双通道示波器。面板图控制件如附图4-4-9所示。
图4-4-9 示波器面板控制件位置图
1、辉度（INTEN）：调节光迹线的亮度。
2、辅助聚焦：与聚焦配合，调节光迹的清晰度。
3、聚焦（FOCUS）调节光迹线的清晰度。
4、轨迹旋转：调节光迹与水平刻度线平行。
5、校正信号：提供幅度为0.5V，频率为1KHz的方波信号用于校正10：1探极的补偿电容器和检测示波器垂直与水平的偏转因数。
6、电源指示：电源接通时，灯亮。
7、电源开关（POWER）：电源接通或断开。
8、Y1移位：调节通道1光迹在屏幕上的垂直位置。
9、Y2移位：调节通道2光迹在屏幕上的垂直位置。
10、方式：选择系统的工作方式。按下“Y1”时通道y1单独显示，按下“Y2”时通道
单独显示，按下“交替”时y1和y2交替工作，荧光屏同时出现两个信号的波形。适用于较高扫速。按下“断续”时断续显示y1和y2，适用于扫描速度较慢的双踪显示。
11、垂直衰减器：改变示波器Y1通道信号的放大或衰减的倍数。
12、微调：示波器Y1通道信号的放大或衰减微调。
13、垂直衰减器：改变示波器Y2通道信号的放大或衰减的倍数。
14、微调：示波器Y2通道信号的放大或衰减微调。
15、水平位移：调节光迹在屏幕上的水平位置。
16、扫描速率（SEC/DIV）：用于调节扫描速率。可以分档式来改变扫描时间，使得到稳定的大小合适的波形。
17、微调：用于连续微调扫描速率。
18、触发方式（TRIG MODE）：
常态：无信号时，屏幕上无显示，有信号时，与电平控制配合显示稳定波形。
自动：无信号时，屏幕上显示光迹，有信号时，与电平控制配合显示稳定波形。
电视：用于显示电视场信号。
峰值自动：无信号时，屏幕上显示光迹，有信号时，无须调节电平即能获得稳定波形显示。
一般情况下都用此钮。
19、内触发电源：用于选择Y1、Y2或交替触发。
20、电平：用于调节被测信号在某一电平触发扫描。
21、触发极性：用于选择信号的上升或下降沿触发扫描。
22、触发电源：用于选择触发电源为内或外。
23、触发指示：在触发扫描时，指示灯亮。
24、Y1或X：被测信号的输入插孔。
25、Y2或Y：被测信号的输入插孔。
26、偶合方式：（AC-DC-GND）：用于选择被测信号输入垂直通道的偶合方式。
27、偶合方式：（AC-DC-GND）：用于选择被测信号输入垂直通道的偶合方式。
28、荧光屏。
面板上有些部分我们未作介绍。在做实验时，实验室工作人员已经预先调到所需的位置。请同学们注意，没有介绍过的钮请不要动，以免损坏示波器，影响实验的正常进行。
2．数字示波器
本实验用到的是UT20##/3000数字示波器。UT20##/3000示波器为双通道CH1和CH2通道对两路输入信号都要进行模拟/数字转换，实现数字化处理并通过专用集成电路实现处理显示被观测波形参数的功能。
（1）示波器的功能简介
双模拟通道、高清晰彩色/单色液晶显示系统，320×240分辨率、支持即插即用USB存储设备，并可通过USB存储设备与计算机通信、自动波形、状态设置（AUTO）、波形、设置和位图存储以及波形和设置再现、精细的视窗扩展功能，精确分析波形细节与概貌、自动测量19种波形参数、独特的波形录制和回放功能、内嵌FFT(快速傅立叶变换)、多重波形数学运算功能(包括：加，减，乘，除)。
（2）前面板的操作及功能
如图4-4-10所示，面板上包括旋钮和功能按键，旋钮的功能与其它示波器类似。显示屏右侧的一列5个按键为菜单操作键（自上而下定义为F1键至F5键）。通过它们，可以设置当前菜单的不同选项；其它按键为功能键，通过它们，可以进入不同的功能菜单或直接获得特定的功能应用。
图4-4-10 示波器前面板
1）垂直系统
如图4-4-11所示，在垂直控制区有一系列的按键、旋钮。
a)垂直位置旋钮控制信号的垂直显示位置。
b)改变垂直设置，并观察状态信息变化。通过波形窗口下方的状态栏显示的信息，确定任何垂直档位的变化。旋动垂直标度旋钮改变“伏/格”垂直档位，可以发现状态栏对应通道的档位显示发生了相应的变化。按 “CH1”、 “CH2” 、 “数学” 、 “参考” , 屏幕显示对应通道的操作菜单、标志、波形和档位状态信息。按 “关闭” 按键关闭当前选择的通道。
2）水平系统
如图4-4-12所示，在水平控制区有一个按键、两个旋钮。
a)使用“水平标度”旋钮改变水平时基档位设置，并观察状态信息变化。转动水平标度旋钮改变“秒/格”时基档位，可以发现状态栏对应通道的时基档位显示发生了相应的变化。水平扫描速率从5ns～50s，以1－2－5方式步进。
b)使用“水平位置”旋钮调整信号在波形窗口的水平位置。水平位置旋钮控制信号的触发移位。当应用于触发移位时，转动水平位置旋钮时，可以观察到波形随旋钮而水平移动。
c)按“ MENU(菜单)” 按钮，显示Zoom菜单。在此菜单下，按 F3可以开启视窗扩展，再按 F1 可以关闭视窗扩展而回到主时基。在这个菜单下，还可以设置触发释抑时间。
图4-4-11 垂直控制区 图4-4-12 水平控制区 图4-4-13 触发菜单
双模拟通道垂直、水平位置恢复到零点快捷键“置零”：可通过快捷键“置零”使将垂直移位、水平移位、触发释抑的位置回到零点（中点）。
3）触发系统
如图4-4-13所示，在触发菜单控制区有一个旋钮、三个按键。
a)使用“触发电平”旋钮改变触发电平，可以在屏幕上看到触发标志来指示触发电平线，随旋钮转动而上下移动。在移动触发电平的同时，可以观察到在屏幕下部的触发电平的数值相应变化。
b)使用“触发菜单”，以改变触发设置。
按F1键，选择“ 边沿” 触发 ；按F2键，选择“触发源”为 CH1；按F3键，设置“边沿类型”为 上升 ；按F4键，设置“触发方式”为 自动 ；按F5键，设置“触发耦合”为 直流 。
c) 按“50%”按钮，设定触发电平在触发信号幅值的垂直中点。
d) 按“ 强制触发”按钮：强制产生一触发信号，主要应用于触发方式中的正常和单次模式。
触发电平恢复到零点快捷键：可以通过按下50% 按钮即可快速使触发电平设置到零点（通道垂直参考点），在触发零点可以获得最高的触发灵敏度。触发零点也可以通过旋动触发电平旋钮来实现。
4）显示系统
在功能区域“显示”为显示系统的功能按键。使用“显示”按钮弹出下表所示设置菜单。通过菜单控制按钮调整显示方式。
其中，Y-T方式：此方式下Y轴表示电压量，X轴表示时间量；X-Y方式：此方式下X轴表示CH1电压量，Y轴表示CH2电压量，此方式只适用于CH1和CH2。
波形显示的自动设置：UT20##/3000系列数字存储示波器具有自动设置的功能。根据输入的信号，可自动调整垂直偏转系数、扫描时基、以及触发方式直至最合适的波形显示。应用自动设置要求被测信号的频率大于或等于50Hz，占空比大于1﹪。
（3）自动设置
1) 将被测信号连接到信号输入通道。
2) 按下功能区域的“自动” 按钮。示波器将自动设置垂直偏转系数、扫描时基、以及触发方式。如果需要进一步仔细观察，在自动设置完成后可再进行手工调整，直至使波形显示达到需要的最佳效果。（有关仪器的更多的设置方法可参见仪器说明书）
（4）电子示波器的使用
示波器能够正确地显示各种波形的特性，因而可用来监视各种信号及跟踪其变化规律。利用示波器还可以将待测的波形与已知的波形进行比较，粗略地测量波形的幅度、频率和相位等各种参量。
随着计算机的发展，示波器的结构发生了很大变化，主要有：显示波形的示波管改为数字点阵的液晶显示屏，因而线性度好，并且可显示有关参数字符；测试的波形成为数据存在机内存储器中，需要显示时，可对采集的数据进行平均，求峰值等项处理后再显示出来；示波器调节更方便，测到的数据可与上位机联结，进行数据传送作进一步处理。因此示波器的变化会使实验室的测量精确度显著提高。此类示波器的价格当前较高。
1)观察波形
示波器的种类很多，性能上差异也较大，以下的讨论均以通用示波器为准进行，在操作上和实验室提供的仪器可能不同，但基本思想是相同的。
2)电压测量
用示波器不仅能测量直流电压，还能测量交流电压和非正弦波的电压。它采用比较测量的方法，即用已知电压幅度波形将示波器的垂直方向分度，然后将信号电压输入，进行比较。
3)测量频率或周期
用示波器测量频率或周期必须知道轴的扫描速率，即方向每分度相当于多少秒或者微秒。 假定如图4-4-14图所示的扫描速率为10ms/div，则正弦波的周期为4.0div×10 ms/div=40ms，因此频率?=1/40 ms=25Hz就可以计算出来。当显示波形的个数较多时，周期可根据测量几个周期的时间除以n来计算，以保证周期有较高的精度。
图4-4-14频率或周期的测量示意图
因为稳定的标准频率容易得到，示波器判别合成的波形（李萨如图形）非常直观、灵敏和准确，所以测频率时都要用到它，在复杂信号的频谱分析中也要用到它。李萨如图与两信号的频率比有如下简单的关系
nx，ny分另为李萨如图的外切水平线的切点数和外切垂直线的切点数，如图4-4-15所示
图4-4-15 李萨如图
因此，如fx 、fy 中有一个已知且观察它们形成的李萨如图，得到外切水平线和外切垂直线的切点数之比，即可测出另一个信号的频率。
注意：由于两种信号的频率不会非常稳定和严格相等。因此得到的李萨如图形不很稳定，经常会出现上下左右来回地或定向地滚动现象。如果是比较稳定的翻转，则测出翻转一次的时间为，可知?x与?y之差为1/ (Hz)。
4)测量两个正弦信号的位相差
利用示波器可以测量两个同频率信号之间的相位差。更详细的内容可查阅相关的资料。