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    用示波器測量時間 - 下載本文

    實 驗 報 告 評分:

    08系10級

    余馨婷

    PB10207051

    實驗題目:用示波器測量時間

    實驗目的:1. 了解示波器的基本原理和結構;2. 學習使用示波器觀察波形和測量信號周期及其時間參數。 實驗原理

    1. 示波器的基本結構

    示波器由示波管、放大系統、衰減系統、掃描和同步系統及電源等部分組成。示波管是示波器的基本構件,它由電子槍、偏轉板和熒光屏三部分組成,被封裝在高真空的玻璃管內。電子槍是示波管的核心部分。 (1) 陰極:實現電子發射。

    (2) 柵極:由第一柵極和第二柵極構成,只有少量電子通過第一柵極,第二柵極對陰極

    發射的電子奔向熒光屏起加速作用。

    (3) 第一陽極:第一陽極上加有幾百伏的電壓,形成一個聚焦的電場,當電子束通過此

    聚焦電場時,調節加在上的電壓可以達到聚焦的目的。

    (4) 第二陽極:第二陽極上加有1000V以上的電壓。聚焦后的電子經過這個高壓電場的

    加速獲得足夠的動能,使其成為一束高速的電子流。這些能量很大的電子打在熒光屏上可引起熒光物質發光。

    (5) 偏轉板:由兩對相互垂直的金屬板構成,在兩對金屬板上分別加以直流電壓,以控

    制電子束的位置,適當調節這個電壓值可以把光點或波形移到熒光屏的中間部位。

    (6) 熒光屏:熒光屏能在高能電子的轟擊下發光。輝光的強度取決于電子的能量和數量。

    在電子射線停止作用之后,余輝使我們能在屏上觀察到光點的連續軌跡。 垂直偏轉板(y軸)及水平偏轉板(x軸)所形成的二維電場,使電子束發生位移:

    y?SyVy?VyDy x?SxVx?Vx (1) Dx其中,S和D分別為偏轉板的偏轉靈敏度和偏轉因數 示波器顯示波形的原理

    在x軸偏轉板上加一個隨時間t按一定比例增加的電壓Vx,Vx周期性變化,并且由于發光物質的特殊性使光跡有一定保留時間,于是就得到一條“掃描線”,稱為時間基線。

    如果在x軸上加有電壓的同時,在y軸上加電壓,則電子束受到水平電場和垂直電場的共同作用而呈現二維圖形。為了得到可觀測的圖形,必須使電子束的偏轉多次重疊出現,即重復掃描。

    實 驗 報 告 評分:

    08系10級

    余馨婷

    PB10207051

    很顯然,為了得到清晰穩定的波形,上述掃描電壓的周期Tx(或頻率fx)與被測信號的周期Ty(或fy)必須滿足 Ty?Tx,fx?nfx,n=1,2,… (2) n以保證Tx軸的起點始終與y軸周期信號固定一點相對應(同步),波形才穩定。否則,波形就不穩定而無法觀測。

    2. 用x軸時基測時間參數

    x軸掃描信號的周期,是以時基單位(ms/cm)來標示的,示波管熒光屏直徑為10cm,則式(2)的Tx,由時基(ms/cm)乘上10cm,在實際測量中,將式(2)有式(3)的形式 Tx?時基單位 (3) ?波形厘米數式中的波形厘米數,可以是信號一個周期的讀數(可測待測信號的周期)、正脈沖(或負脈沖)的信號寬度的讀數或待測信號波形的其他參數。

    3. 用李薩如圖形測信號的頻率

    如果將不同的信號分別輸入到y軸和x軸的輸入端,當兩個信號的頻率滿足一定的關系時,在熒光屏上將顯示出李薩如圖形,可用測量李薩如圖形的相位參數或波形的切點數來測量時間參數。

    兩正交正弦電壓的相位差一定,頻率比為一個有理數時,合成的圓形是一條穩定的閉合曲線。下圖是幾種頻率比時的圖形,頻率比與圖形的切點數之間有下列關系:

    fyfx?水平切線上的切點數

    垂直切線上的切點數實驗內容和數據處理: 1.

    用x軸的時基測信號的時間參數

    (1) 測量示波器自備方波輸出信號的周期(時基分別為0.1ms/cm,0.2ms/cm,0.5ms/cm)。

    哪種時基測出的數據更準確?為什么?

    時基(ms/cm) 0.1 0.2 0.5

    周期長度(cm) 10.00 5.00 2.00 周期(ms) 1 2 5

    第一種測出的數據更準確。因為屏幕上只顯示了一個周期,而屏幕只有10cm,相當

    于放大了周期長度,縮小了誤差,置信度較大(相對于0.2 ms/cm的時基縮小了2倍讀數誤差,相對于0.5 ms/cm的時基縮小了5倍讀數誤差)。

    實 驗 報 告 評分:

    08系10級

    余馨婷

    PB10207051

    (2) 選擇信號發生器的對稱方波接y輸入(幅度和y軸量程任選),信號頻率為

    200Hz~2kHz(每隔200Hz測量一次),選擇示波器合適的時基,測量對應頻率的厘米數、周期和頻率(注明x軸的時基)。以信號發生器的頻率為x軸,示波器測量的頻率為y軸,作y-x曲線,求出斜率并討論。

    輸出頻率(Hz) 200 400 600 800 1000 1200 1400

    所選時基(ms/cm) 1.0 0.5 0.5 0.2 0.2 0.2 0.1 周期長度(cm) 5.00 5.00 3.40 6.40 5.00 4.20 7.20 1600 1800 2000

    0.1 0.1 0.1 6.40 5.60 5.00 實測頻率(Hz) 200 400 588.24 781.25 1000 1190.5 1388.9

    1563 1786

    作信號發生器頻率(x軸)與實測頻率(y軸)的散點圖并線性擬合如下:

    信號發生器的頻率與實測頻率的關系2500y = 0.9935x - 3.1174)2000R2 = 0.9997zH(率1500頻實測頻率(Hz)測1000線性 (實測頻率(Hz))實500005001000150020002500信號發生器的頻率(Hz)

    斜率為0.9935,而理論上斜率應該是1.0000,因此, 絕對誤差為:1.0000?0.9935?0.0065

    相對誤差為:(1.0000?0.9935)/1.0000*100%?0.65%

    由斜率和圖像的方差可得,實測頻率和信號發生器的頻率比較接近,說明用用x軸時基測時間參數這種方法測對稱方波頻率比較準確。但由于在熒光屏上讀數時,很難讀準小數點第二位的數字,人為讀數造成了一定誤差。

    (3) 選擇信號發生器的非對稱方波接y軸,頻率分別為200Hz、500Hz、1kHz、2kHz、

    5kHz、10kHz、20kHz,測量各頻率時的周期和正波的寬度(或占空比),用內容(2)的方法作曲線。

    輸出頻率(Hz) 200 500 1000 2000

    5000 10000 20000 所選時基(ms/cm) 0.50 0.20 0.10 0.05 0.02 0.01 0.005 周期長度(cm) 10.05 10.00 10.00 10.06 10.00 10.00 10.03 正波寬度(cm) 3.05 3.00 3.00 3.05 3.00 3.00 3.00

    2000

    實 驗 報 告 評分:

    08系10級

    余馨婷

    PB10207051

    預設占空比(%) 實測頻率(Hz) 實測占空比(%)

    199 30.35 500 30

    30

    1000 1988.1 5000 30 30.32 30

    10000 19940 30 29.91

    作信號發生器頻率(x軸)與實測頻率(y軸)的散點圖并線性擬合如下:

    信號發生器的頻率與實測頻率的關系25000y = 0.9974x + 3.90942R = 1實測頻率(Hz)線性 (實測頻率(Hz))實測頻率(Hz)2000015000100005000005000100001500020000信號發生器的頻率(Hz)25000

    斜率為0.9974,而理論上斜率應該是1.0000,因此, 絕對誤差為:1.0000?0.9974?0.0026

    相對誤差為:(1.0000?0.9974)/1.0000*100%?0.26%

    由斜率和圖像的方差和計算占空比的方差小于10數量級可得,實測頻率和信號發生器的頻率比較接近,說明用用x軸時基測時間參數這種方法測非對稱方波的頻率和非對稱方波的占空比也比較準確。但同樣由于在熒光屏上讀數時,很難讀準小數點第二位的數字,人為讀數造成了一定誤差。

    (4) 選擇信號發生器的輸出為三角波,頻率為500Hz、1kHz、1.5kHz、測量各個頻率時

    的上升時間、下降時間及周期。

    ?6信號發一個周一個周

    上升段下降段周期段

    生器的x軸時基期中的期中的周期實測頻

    寬度寬度寬度

    頻率(ms/cm) 上升時下降時(ms) 率(Hz)

    (cm) (cm) (cm)

    (Hz) 間(ms) 間(ms)

    500 0.50 2.00 2.00 4.00 1.00 1.00 2.00 500 1000 0.10 5.00 5.00 10.00 0.50 0.50 1.00 1000 1500 0.10 3.33 3.33 6.66 0.33 0.33 0.67 1492.54

    2.

    觀察李薩如圖形并測頻率

    1/2、2/3、3/4 用兩臺信號發生器分別接y軸和x軸(x軸選擇外輸入),取fx/fy?1、實 驗 報 告 評分:

    08系10級

    余馨婷

    PB10207051

    時,測出對應的fy和fx,畫有關圖形并求公用信號發生器的頻率。

    fx?1 fyfx/fy fy(Hz) fx(Hz)

    1 1/2 2/3 3/4 699.02 349.52 466.03 524.29 699.02 699.04 699.05 699.05

    因此,fx的平均值為699.02Hz,即為公共信號發生器的頻率。 思考題 1.

    用示波器測頻率有何優缺點?

    答:優點:直觀,計算簡便。

    缺點:(1)測量中出現的誤差較大,包括了對儀器調節的誤差和人為讀數的誤差。 (2)輸出的圖形不穩定。 2.

    在本實驗中,觀察李薩如圖形時,為什么得不到穩定的圖形?

    答:(1)手動調節的精度不能達到輸出頻率的精度,不能完全相等。 (2)兩個信號發生器的頻率都不穩定。 3.

    假定在示波器的y軸輸入一個正弦電壓,所用的水平掃描頻率為120Hz,在熒光屏上出現三個穩定完整的正弦波形,那么輸入信號的頻率是多少?這是否是測量信號頻率的好方法?為什么?

    答:f?120?3Hz?360Hz為輸入信號的頻率。不是一個好方法,因為熒光屏上有三個周期,產生的誤差較大。





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