示波器NUMPAGES11-PAGE11示波器NUMPAGES11-PAGE11示波器操作實(shí)驗(yàn)【目的】熟悉示波器的原理和操作?！驹怼渴静ㄆ?oscilloscope)是實(shí)驗(yàn)室中不可或缺的基本儀器。無(wú)論物理學(xué)、化學(xué)、工程或醫(yī)學(xué)上，任何訊號(hào)只要能轉(zhuǎn)變成電子訊號(hào)，大都可用示波器來(lái)顯示。本實(shí)驗(yàn)介紹最簡(jiǎn)單型的示波器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要為陰極射線管(CRT)及相關(guān)的電子線路和附件所組成。陰極射線管是示波器、電視機(jī)和許多電子儀器的主體，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。的主體為一玻璃管，管內(nèi)抽真空以避免電子束和空氣粒子碰撞。圖1中，利用燈絲(8)加熱陰極(9)使電子脫離陰極表面，然后，電子受電位較陰極高V1的加速陽(yáng)極(acceleratinganode)(3)吸引而向右運(yùn)動(dòng)。聚焦陽(yáng)極(2)具有聚焦作用，目的在使電子到達(dá)螢光幕上的同一位置?？刂茤艠O(1)可控制電子束之流量，即控制電子打在螢光幕上的亮度(intensity)圖1陰極射線管的結(jié)構(gòu)：(1)控制柵極(2)聚焦陽(yáng)極(3)加速陽(yáng)極(4)水平偏折板(X板)(5)垂直偏折板(Y板)(6)電子束(7)螢光幕(8)加熱燈絲(9)陰極(10)電子鎗(即(8)(9)(1)(2)及(3)之合稱)。在電子經(jīng)過(guò)的路途上，有兩對(duì)偏折板，X板(4)和Y板(5)。如果偏折板間不加偏折電場(chǎng)，則電子沿著Z方向做直線運(yùn)動(dòng)，而在螢光幕上中央位置產(chǎn)生亮點(diǎn)。由于加速陽(yáng)極的電位比陰極電位高Ｖ1，電子穿過(guò)陽(yáng)極(通常為中空的圓柱)后，在Z方向之速度為VZ=其中e為電子的荷電量(1.60x1O-19C)；m為電子質(zhì)量(9.11×10－31㎏)；V1的單位為伏特(V)；VZ的單位為圖2電子在與初速度垂直之電場(chǎng)中的偏折如果在垂直偏折板(Y板)上施一個(gè)固定電位差Ｖ2，則兩板之間的電場(chǎng)強(qiáng)度為E=V2d，d為兩板之間的距離。當(dāng)電子從Y板間通過(guò)時(shí)，受電場(chǎng)作用而有垂直方向加速度ay=eEm，此加速度使電子往Yy=L其中L為Y板之長(zhǎng)度，D為Y板后緣到螢光幕的距離。如果在Y偏折板上加一個(gè)未知電壓，觀察y方向的位移，這個(gè)未知電壓的大小可以利用(2)式來(lái)測(cè)量。這是示波器最常使用的性能之一。偏折電壓(Ｖ2)為固定的直流定電壓時(shí)，電子?xùn)|會(huì)在螢光幕上，y方向的不同位置形成亮點(diǎn)。偏折電壓為交流電壓時(shí)，電子束在螢光幕上的y方向位置會(huì)隨交流電壓而變化，因此掃描成一亮線。亮線長(zhǎng)度?與交流電壓的振幅之關(guān)系式為?=L交流電壓之振幅V2,m是均方根值V用電器的交流電壓為110伏特，是指Vrms=110VoltVm=1102圖3正弦交流電壓Vm與V一般所謂交流電是指交變電壓(alternatingvoltage)或交變電流(alternatingcurrent)。它們幾乎皆可用正(余)弦函數(shù)表示，或者被寫成數(shù)個(gè)正(余)弦函數(shù)之和。正弦波的型式為:yt=式中Ym表示振幅，ω為角頻率。正弦波的頻率ν=ω2π，周期T=Yrms=習(xí)慣上，變動(dòng)的量用小寫字母表示，對(duì)應(yīng)的大寫字母則表示直流、平均值、極大值或均方根值。如交變電壓為：vt=上式中VmVrms=或Vm=一般電表量交流電壓所得均為其rms值。若要測(cè)振幅，則需使用示波器直接觀察波形。如果把螢光幕的水平方向定為X向，垂直方向定為Y向，而以螢光幕正中間當(dāng)座標(biāo)原點(diǎn)，則螢光幕上就有了一個(gè)X-Y座標(biāo)系。一對(duì)垂直偏向板只能使光點(diǎn)在同一X位置作上下運(yùn)動(dòng)。為光點(diǎn)隨著時(shí)間在X方向拉開，在水平方向增加一對(duì)致偏板，并在這對(duì)致偏板上加上一個(gè)與時(shí)間成正比關(guān)系的強(qiáng)電場(chǎng)。所以X軸也成了時(shí)間軸。這水平致偏電壓通常是周期性的“鋸齒波”(因?yàn)殇忼X波是與時(shí)間成正比的周期波)，由示波器本身的內(nèi)部電路提供，用來(lái)掃描欲觀察的外加信號(hào)電壓。外加信號(hào)電壓則加在垂直偏向板上。圖4描述鋸齒波掃描一個(gè)正弦電壓，使正弦波的波形顯示在螢光幕上。圖4圖4(a)是輸入的正弦波形對(duì)時(shí)間的變化，并接到示波器的垂直偏向板。圖4(b)是示波器內(nèi)部產(chǎn)生的鋸齒波，加在水平偏向板上，此鋸齒波并與外加正弦波“同步”。這兩個(gè)電壓的合成結(jié)果是圖4(c)的正弦波。因?yàn)樵谡也ǖ拿恳恢芷陂_始時(shí)，鋸齒波也回到起點(diǎn)重新開始掃描，所以由視覺暫留的效果，在示波器上看到一個(gè)停住的正弦波形。如果只有垂直輸入電壓而沒(méi)有鋸齒波掃描，結(jié)果是圖4(d)。如果換用頻率比正弦波少一半的鋸齒波掃描，則會(huì)得到圖4(e)圖形。下面以方塊圖對(duì)示波器的整個(gè)結(jié)構(gòu)作一個(gè)概略描述(圖5)圖5有時(shí)候外來(lái)水平輸入信號(hào)取代示波器內(nèi)部產(chǎn)生的鋸齒波，如比較兩信號(hào)的相位差時(shí)，由外來(lái)信號(hào)掃描垂直信號(hào)，這樣可以使示波器變成一部X-Y作圖機(jī)。一部示波器的面板上有很多開關(guān)，旋轉(zhuǎn)鈕和按鈕，上面又標(biāo)示了一堆的數(shù)字，簡(jiǎn)稱和記號(hào)，對(duì)于一位初接觸示波器的人來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)直無(wú)從下手。這些開關(guān)，旋轉(zhuǎn)鈕和按鈕的設(shè)置之目的為何，各種情況下的操作與這些操作之間的關(guān)系必須首先弄清楚，然后才能熟練的運(yùn)用示波器，因此未做實(shí)驗(yàn)前請(qǐng)先閱讀示“示波器面板說(shuō)明”，了解各開關(guān)，旋轉(zhuǎn)鈕和按鈕的功用后，才開始操作示波器。利薩如曲線(Lissajouscurves)如果把兩個(gè)正弦波信號(hào)分別輸入示波器的垂直輸入端(Y輸入端)和水平輸入端(X輸入端)，且兩輸入頻率成簡(jiǎn)單整數(shù)比時(shí)，則電子束在示波器的螢光幕上掃描的軌跡會(huì)成簡(jiǎn)單的封閉曲線，叫做利薩如曲線。以下以圖6簡(jiǎn)單說(shuō)明利薩如曲線的形成。圖6(a)為兩個(gè)正弦波信號(hào)對(duì)時(shí)間的變化，縱軸分別代表Vx與Vy，橫軸代表時(shí)間。圖6(b)是此二正弦波(頻率比為2)的封閉利薩如曲線。這種曲線可以從圖6(a)中的1點(diǎn)至16點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)X-Y座標(biāo)畫成。利用利薩如曲線，由已知頻率的正弦波測(cè)未知頻率的正弦波。方法是在X-Y分別輸入已知頻率的正弦波和未知頻率的正弦波，然后變化前者的頻率，直到示波器螢光幕上出現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的利薩如曲線為止。分別計(jì)算封閉曲線穿過(guò)X軸和Y軸的次數(shù)(例如在圖6中量?jī)烧叻謩e是4次和2次)，這兩個(gè)次數(shù)的比值就等于兩正弦波的頻率比：nx：ny＝fy：fx由頻率比和已知的頻率fx，就能求得未知的頻率fy。此外，由兩個(gè)振幅相同頻率相等的正弦波所形成的利薩如曲線，可計(jì)算兩個(gè)正弦波的相位差θ，參考圖7，若輸入之兩正弦波分別為則當(dāng)t＝0時(shí)又之振幅所以【儀器】示波器，聲頻信號(hào)產(chǎn)生器，連接電線多條(附4mm香蕉插頭及BNC插頭)，自備方格紙?！静襟E】(一)基本操作1.將示波器電源線插頭插入110V交流電源座。2.打開或按下電源開關(guān)“POWER”，此時(shí)指示燈會(huì)亮。3.垂直輸入“CH1”及“CH2”，選在“CHI”位置。4.垂直輸入之微調(diào)“VERTVAR”調(diào)到CAL位置。5.調(diào)整垂直輸入“CH1”及“CH2”之“VERTICALPOSITION”使水平光跡至螢光幕中央位置。6.調(diào)整強(qiáng)度“INTENSITY”及焦聚“FOCUS”以得適當(dāng)亮度及清晰之亮點(diǎn)或水平光跡。(二)檢查放大器靈敏度及時(shí)基靈敏度1.將校準(zhǔn)信號(hào)方波輸出“2Vpp”接到垂直輸入CH1接頭(將探針之尖端插進(jìn)校準(zhǔn)信號(hào)方波輸出孔，另一端則接到垂直輸入接頭)，并將“ACGNDDC”選在AC位置。2.調(diào)整垂直輸入CH1之“VOLTS/DIV”調(diào)到適當(dāng)位置(如校準(zhǔn)信號(hào)方波輸出為“2Vpp”)，將微調(diào)鈕“VAR”以箭頭方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到最底“cal”的位置。3.調(diào)整時(shí)間掃描率“TIME/DIV”調(diào)到0.5mS/DIV位置，此時(shí)應(yīng)看到方波信號(hào)。4.測(cè)量方波的兩波峰之間的電壓(Vpp)，并比較測(cè)量值和標(biāo)準(zhǔn)值。5.測(cè)量方波的頻率(每一周期之間隔刻度數(shù)乘“TIME/DIV”靈敏度為方波的周期，即時(shí)間=水平距離（DIV）×TIME/DIV，而周期之倒數(shù)為頻率)，并比較測(cè)量值和標(biāo)準(zhǔn)值。(三)X-Y操作─利薩如曲線(Lissajouscurves)1.將波形產(chǎn)生器接上電源，并打開電源開關(guān)。2.波形產(chǎn)生器的輸出波形為正弦波。3.將BNC香蕉插連接線之紅色插頭插入波形產(chǎn)生器的兩個(gè)輸出“CH1”和“CH2”，連接線之BNC端連接到示波器的兩個(gè)垂直輸入“CH1”和“CH2”接頭。按下波形產(chǎn)生器兩個(gè)輸出的基頻按鈕(440Hz)4.將示波器的“VERTMODE”選在“DUAL”位置。，此時(shí)應(yīng)看到兩個(gè)輸出之正弦波的信號(hào)。調(diào)整時(shí)間掃描率“TIME/DIV”直到看到穩(wěn)定的正弦波形。5.調(diào)整垂直輸入CH1和垂直輸入CH2之靈敏度“VOLTS/DIV”調(diào)到適當(dāng)相同的位置，然后調(diào)整正弦波之振幅(相同)及相位（此款波形產(chǎn)生器機(jī)型，在CH1、CH2頻率比為1：1時(shí)無(wú)法調(diào)整相位差）。6.按下示波器右上角“X-Y”按鈕，此時(shí)螢光幕上即可顯示利薩如曲線。記錄CH1(X軸)和CH2(Y軸)的頻率，以及示波器上所顯示的利薩如曲線。由利薩如曲線算出頻率比，與以上所記錄之頻率比值比較。改變正弦波之相位，重復(fù)步驟4～6作出如下圖4種不同的相位差（此款波形產(chǎn)生器機(jī)型，在CH1、CH2頻率比為1：1時(shí)無(wú)法調(diào)整相位差）。7.重復(fù)步驟3～6作出如下圖6種不同頻率比的利薩如曲線?！締?wèn)題】1.證明兩個(gè)頻率相同，相位差90。的正弦波的利薩如曲線是橢圓。2.從利薩如曲線的原理來(lái)思考，如果水平與垂直方向各輸入一個(gè)方波，則在螢?zāi)簧蠒?huì)看到什么樣的利薩如曲線圖形？請(qǐng)解釋之。3.試舉例說(shuō)明利薩如曲線在實(shí)驗(yàn)上的各種用途。4.下圖中的利薩如曲線有哪些在本實(shí)驗(yàn)中是看不到的？為什么？X=Asin(ωxt)Y=Asin(ωyt+θ)θ=0?θ=45?θ=60?θ=90?ωy:ωx=1:1ωy:ωx=2:1ωy:ωx=3:1ωy:ωx=3:2ωy:ωx=4:3ωy:ωx=5:1普通物理實(shí)驗(yàn)示波器簡(jiǎn)易操作說(shuō)明以下僅針對(duì)普物實(shí)驗(yàn)課程中，有關(guān)示波器的使用操作方面常用到的幾項(xiàng)功能作簡(jiǎn)單說(shuō)明，內(nèi)容分為以下幾個(gè)部分：前言：面版功能說(shuō)明開機(jī)、歸零計(jì)算訊號(hào)振幅大小計(jì)算訊號(hào)周期（頻率）常見問(wèn)題之排解前言：面版功能簡(jiǎn)介下圖為普物實(shí)驗(yàn)室使用之示波器面版圖，以下針對(duì)實(shí)驗(yàn)課常用操作部分做說(shuō)明：※BNC訊號(hào)線輸入端?CHA：(1)/CHB：(13)※輸入交連開關(guān)(DC-GND-AC)?CHA:(2)/CHB:(14)?進(jìn)行歸零程序時(shí)切至『GND』檔位?一般搭配訊號(hào)產(chǎn)生器使用時(shí)，切換至『AC』檔位※校準(zhǔn)方波輸出端(9)?提供1KHz2V方波訊號(hào)作為示波器自我校正使用?！怪蔽恢谜{(diào)整鈕?CHA:(27)/CHB:(25)?旋轉(zhuǎn)此鈕可調(diào)整螢?zāi)簧蠏呙璨ㄐ蔚拇怪蔽恢酶叩??！妷浩蛳禂?shù)調(diào)整鈕?CHA:(4)/CHB:(10)?改變此鈕的檔位，可適當(dāng)?shù)乃p輸入信號(hào)使其波形可完整的顯示在螢光幕上。PS：調(diào)整電壓偏向系數(shù)調(diào)整鈕『不會(huì)』影響電路中的訊號(hào)波形振幅大小，此鈕的調(diào)整只是改變波形在螢光幕上呈現(xiàn)的結(jié)果。?計(jì)算波形振幅大小所占螢光幕的垂直刻度格數(shù)，配合此鈕所在的檔位可計(jì)算訊號(hào)電壓振幅的大小?！怪逼蛭⒄{(diào)(紅色旋鈕)?CHA：(5)/CHB：(11)?功用請(qǐng)見實(shí)驗(yàn)講義說(shuō)明?實(shí)驗(yàn)課程操作上并無(wú)使用此功能，一般操作上均是將此鈕下壓并順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至CAL位置?！怪辈僮髂Ｊ竭x擇開關(guān)(7)?切換在CHA檔位可觀察CHA輸入訊號(hào)，欲觀察CHB輸入訊號(hào)則切換至CHB。?若欲同時(shí)在螢光幕上顯示CHA與CHB的訊號(hào)時(shí)，將檔位切換至DUAL位置?ADD在實(shí)驗(yàn)課程中并無(wú)使用，功能請(qǐng)見講義說(shuō)明。?使用X-Y功能時(shí)，需將檔位調(diào)整至CHB檔位?！鲯呙钑r(shí)基調(diào)整鈕(15)?調(diào)整此鈕可改變螢?zāi)簧巷@示的波形數(shù)量。?計(jì)算螢?zāi)簧弦粋€(gè)周期訊號(hào)所占的水平刻度格數(shù)，配合此鈕檔位值可計(jì)算得出訊號(hào)的周期及頻率值?！鶗r(shí)基微調(diào)(22)?功用請(qǐng)見實(shí)驗(yàn)講義說(shuō)明?實(shí)驗(yàn)課程操作上并無(wú)使用此功能，一般操作上均是將此鈕順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至CAL位置?！轿恢谜{(diào)整鈕(18)?旋轉(zhuǎn)此鈕可改變螢?zāi)簧喜ㄐ蔚乃轿恢??！甭驶蛴|發(fā)準(zhǔn)位調(diào)整鈕(26)?調(diào)整此鈕可改變掃描起始點(diǎn)。?實(shí)驗(yàn)課程中并沒(méi)有特別使用此功能，一般均將旋鈕上的刻度調(diào)整在正中間。?過(guò)度偏轉(zhuǎn)此鈕常會(huì)造成波形的不穩(wěn)定?！珠]時(shí)間調(diào)整鈕(21)?實(shí)驗(yàn)課程中并沒(méi)有特別使用此功能。?過(guò)度偏轉(zhuǎn)此鈕常會(huì)造成波形的不穩(wěn)定?！|發(fā)交連開關(guān)(24)?實(shí)驗(yàn)課程操作中，一般均將檔位放置于AUTO位置上?！|發(fā)訊號(hào)來(lái)源開關(guān)(23)?CHA：觀察CHA波形時(shí)，將檔位放在此位置。此外，使用X-Y功能時(shí)亦將檔位放置在此。?CHB：觀察CHB波形時(shí)，將檔位放在此位置。?其他檔位功能在實(shí)驗(yàn)課程中并無(wú)使用，詳細(xì)功能請(qǐng)見講義?！鵛-Y功能按鈕(19)?按下此按鈕，可將CHA的訊號(hào)振幅作為X軸的掃描振幅，CHB的訊號(hào)振幅作為Y軸的掃描振幅，同時(shí)將兩個(gè)軸向振幅耦合并將耦合波形顯示在螢?zāi)簧稀?操作此功能時(shí)，需配合將垂直操作模式選擇開關(guān)(7)檔位切換至CHB位置。開機(jī)、歸零按下紅色電源開關(guān)(30)。觸發(fā)交連開關(guān)(24)放置在AUTO位置。垂直偏向微調(diào)(紅色旋鈕)(5)、(11)下壓并順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至CAL位置。時(shí)基微調(diào)(22)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至CAL位置。輸入交連開關(guān)(2)、(14)放置在GND位置。CHA(B)歸零6-1.觸發(fā)訊號(hào)來(lái)源開關(guān)(23)放置在CHA(B)位置。6-2.垂直操作模式選擇開關(guān)(7)放置在CHA(B)位置。6-3.調(diào)整垂直位置調(diào)整鈕(27)、(25)使得螢?zāi)簧系乃街本€落在X軸上。6-4.適當(dāng)?shù)恼{(diào)整亮(31)度與聚焦(28)。6-5.按下X-Y開關(guān)，螢?zāi)簧蠒?huì)呈現(xiàn)一亮點(diǎn)，調(diào)整水平位置調(diào)整鈕(18)，使得亮點(diǎn)位在螢?zāi)恢蠿軸與Y軸的交點(diǎn)。6-6.按回X-Y開關(guān)，使螢?zāi)簧匣貜?fù)成一直線。輸入交連開關(guān)(2)、(14)切換至AC位置。計(jì)算訊號(hào)振幅大小將垂直調(diào)整鈕的檔位值乘以螢光幕上波形垂直振幅所占的垂直大格數(shù)，即為波形振幅大小。PS：垂直調(diào)整鈕的檔位值代表的是螢光幕上垂直刻度表上一大格的值，由于垂直刻度表上一大格又可切分為五小格，因此每一小格的值代表垂直調(diào)整鈕檔位值的五分之一。計(jì)算訊號(hào)周期（頻率）將水平調(diào)整鈕的檔位值乘以螢光幕上一個(gè)波形周期所占的水平大格數(shù)，即為波形周期大小。PS：水平調(diào)整鈕的檔位值代表的是螢光幕上水平刻度表上一大格的值，由于垂直刻度表上一大格又可切分為五小格，因此每一小格的值代表垂直調(diào)整鈕檔位值的五分之一。常見問(wèn)題排解以下針對(duì)部分同學(xué)們常見的操作問(wèn)題略做說(shuō)