实验三 示波器的使用—信号的测量
一 实验目的
1.了解示波器的基本工作原理和主要技术指标；
2.掌握示波器的使用方法；
3.应用示波器测量各种信号的波形参数。
二 实验仪器；
1.双踪示波器 1台
2.函数信号发生器1台
3.“四位半”数字万用表1台
三实验原理；
1数字示波器显示波形原理
示波器是将输入的周期性信号以图像的形式展现在显示器上，以便对信号进化观察和测量的仪器；示波器显示器是一种电压控制器件，根据电压的有无来控制屏幕的亮灭，并根据电压大小控制光点在屏幕的位置。
2数字存储示波的原理；
数字存储示波器只要由信号调理部分，采集存储部分，触发部分，软件处理部分和其他部分。
3 双通道数字存储示波器结构框图
4示波器的主要技术特性
（1） 模拟带宽；由前置放大器的带宽决定；
（2） 采样频率；由模拟转换电路决定；
（3） 存储深度；由存储器决定；
（4） 由触发电路决定。
5 功能键及旋钮的作用说明
6示波器的使用方法；
（1） 打开电源开关30秒后，屏幕上应有光迹，否则检查有关开关及按钮的位置；
（2） 将示波器的探头接到被测信号，确定触发源选择在所接通道位置；
（3） 键入相应的通道的开关，启动该通道工作；
（4） 将垂直和水平灵敏度旋钮调到合适的位置，V-pp/8<=选择Y轴灵敏度；T/10<=选择X轴灵敏度；
（5） 屏幕上应有被测信号的波形；
（6） 若需测信号各点的电平，耦合方式应选DC耦合，若只需观测信号幅度，则选AC耦合；
（7） 调节Y和X位移旋钮将波形调到便于测量的位置。
四 实验内容
1.校验示波器的灵敏度：
对于首次接触的示波器，必须对其灵敏度进行校验。方法为：在示波器正常显示状态下，将探头接示波器本身提供的校准方波信号源（demo2端子）：采用自动或者手动方法观察校准信号，若测量得到的波形幅度、频率与校准信号（f=1KHZ，Vp-p=2.5V）相同，说明示波器准确，若不同，应记下其误差。
2.调整、测量含有直流电平的信号
若要求信号发生器输出方波信号（f=1KHZ、占空比50%，Vp-p=4V、VH=3V、VL=-1V），则调整、测量方法为：
1. 令信号发生器输出方波，调整信号频率为1KHZ；
2. 调整信号幅度为4V，偏移量为1V，或者通过设置高低电平的方法设置VH=3V,VL=-1V。
3. 连接示波器和信号发生器，令两仪器“COM”端相接，并将示波器探头接信号发生器信号输出端。
4. 示波器置直流耦合（DC），手动或者自动观测信号发生器的输出信号，分别改变波形输出类型。
3.正弦电压的测量
信号发生器输出正弦信号（f=1KHZ、占空比50%，Vp-p=4V、VH=3V、VL=-1V），用数字万用表和示波器按表1测量，然后计算相应的电压均方根值，并与数字表测量值相比较。
表1:信号幅度的测量
4正弦信号周期和频率的测量；
按表2改变上一步骤所用信号发生器的频率，并保持其参数不变，测量其周期，并与信号发生器的频率显示值相比较。
表2：信号周期的测量
5示波器的双踪显示
（1） 按上图搭接电路；
（2） 将上一步骤所用的信号改为f=50KHZ, 示波器采用双通道工作，分别调节CH1和CH2的Y灵敏度和上下位移，使显示波形高度和位置适中，调节X灵敏度，是波形显示1-2个周期。用光标法测出tΦ,则V0滞后Vi的相位差Φ=360度*tΦ/T.调整电位器，测出tΦ的最大值，并计算出Φ的值。
解；tΦ=4.00μs,T=20μs.所以，Φ=360*0.2=72度。
6 示波器的外扫描”（X-Y）工作模式
在外扫描”（X-Y）工作模式（按下“Horizontal”按键，选择X-Y模式），则CH1的输入信号代表示波器内部的锯齿波作X轴扫描信号，此时，水平轴变为CH1的电轴，X轴上各点得电压值，用CH1的Y灵敏度来测量，垂直轴仍为CH2的电压轴，Y轴上的各点的电压值，仍用CH2的Y灵敏度来测量，用（X-Y）功能，可以观察到图6电路关于Vi，Vo波形的李萨如图形。
五 操作总结
此次试验主要对示波器进行一些了解，并求得部分数值，较为基础。
1.检验示波器的灵敏度时，要注意将探头接在示波器本身的方波信号源；
2.调整，测量含有直流电平的信号时，要让示波器和信号发生器的“com”端相接，并将示波器探头接信号发生器信号输出端；
3.测量信号幅度均方根时，要记得将数字万用表的三键同时按下，方能测出准确数值。
4.完成示波器的双踪显示时，示波器要采用双通道方式，调节使波形适中，并大概显示1到2个完整波形。
六 思考题
（1）没有显示，调节辉度，以及水平和垂直位置旋钮 。或者电源没接好，应仔细检查。
（2）这时没有信号输入，time频率为0.可以调节水平和垂直位置旋钮，把光点移到中心。
（3）可能是信号幅度太小，调节幅度旋钮。
（4）时间轴频率太低，调节time旋钮。
（5）把x轴扫描打到“触发”，微调触发电平。
（6）观察已知信号频率时，应注意示波器时间量程是否与输入信号的周期同数量级。
七 示波器的使用方法；
（1）打开电源开关30秒后，屏幕上应有光迹，否则检查有关开关及按钮的位置；
（2）将示波器的探头接到被测信号，确定触发源选择在所接通道位置；
（3）键入相应的通道的开关，启动该通道工作；
（4）将垂直和水平灵敏度旋钮调到合适的位置，V-pp/8<=选择Y轴灵敏度；T/10<=选择X轴灵敏度；
（5）屏幕上应有被测信号的波形；
（6）若需测信号各点的电平，耦合方式应选DC耦合，若只需观测信号幅度，则选AC耦合；
（7）调节Y和X位移旋钮将波形调到便于测量的位置。
第二篇：大物实验报告——示波器的原理及应用
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20##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
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).