中山大学：《大学物理实验》课程实验报告（讲义）实验A5 用示波器测量交流信号的基本参数

中山大学《大学物理实验》课程报告模板 实验A5用示波器测量交流信号的基本参数 预习 操作记录 实验报告 总评成绩 《大学物理实验》课程实验报告 学院 专业 年级 实验人姓名(学号) 参加人姓名(学号) 日期 年 日星期 上午 下午[]晚上[] 室温 相对湿度: 实验A5用示波器测量交流信号的基本参数 实验前思考题 1.示波器主要由哪几大部分组成? 2.简述示波器显示波形的原理 3.模拟示波器和数字示波器的主要区别是什么? 4.尽可能多地列出评价示波器性能的技术指标的名称(不需解释,只列名称) 5.怎样用示波器测量正弦信号的电压、周期和频率? 中山大学物理学院物理实验教学中心编制,仅用于教学。未经允许,请不要擅自在网络上传播 2016年02月19日更新

中山大学《大学物理实验》课程报告模板 实验 A5 用示波器测量交流信号的基本参数 中山大学物理学院物理实验教学中心编制，仅用于教学。未经允许，请不要擅自在网络上传播。 Page / 2016 年 02 月 19 日更新 预习 操作记录 实验报告 总评成绩 《大学物理实验》课程实验报告 学院： 专业： 年级： 实验人姓名(学号)： 参加人姓名(学号)： 日期： 年 月 日 星期 上午[ ] 下午[ ] 晚上[ ] 室温： 相对湿度： 实验 A5 用示波器测量交流信号的基本参数 [实验前思考题] 1．示波器主要由哪几大部分组成？ 2．简述示波器显示波形的原理 3．模拟示波器和数字示波器的主要区别是什么？ 4．尽可能多地列出评价示波器性能的技术指标的名称（不需解释，只列名称）。 5．怎样用示波器测量正弦信号的电压、周期和频率？

中山大学《大学物理实验》课程报告模板 实验A5用示波器测量交流信号的基本参数 (请自行加页) I实验目的 了解示波器显示波形的原理(显示器、扫描、同步、整步) 2.了解双踪数字存储示波器的使用方法 3.学习用示波器测交流信号电压、频率和相位差。 仪器用具 编号 仪器用具名称 数量 主要参数(型号,测量范围,测量精度等) 1双踪示波器 2双通道信号发生器 3双通道交流毫伏表 4台式数字万用表 5示波器训练模板 6导线 原理概述 电子示波器是用来直接显示、观察和测量电压波形及其参数的电子仪器。一切可转 化为电压的电学量(如电流、电阻等)和非电学量(如温度、压力、磁场、光强等), 只要转换后的电压参数落在示波器的观察范围内,均可用示波器来观察和测量。示波器 自1933年诞生以来已经有70多年的历史,已由模拟示波器发展到取样示波器、记忆示 波器、数字存储示波器(DSO, Digital Storage Oscilloscope)、逻辑示波器、智能示波器、 虚拟示波器等近十个系列数百个品种,频率响应可从直流至10°Hz,是用途极为广泛的 种通用电子测量测试仪器。由于示波器种类繁多,外形、性能、功能差异很大,要想 完全熟练地掌握一种示波器的使用方法,就必须认真阅读相关的使用说明书。这里只能 介绍一些具有共性的基本知识。 示波器的基本原理 示波器实际上是一台电压信号的二维显示设备,任何种类的示波器,都主要由电源 系统、信号检测和放大系统、扫描触发系统、波形显示系统等四部分组成。示波器的原 理框图如图1所示,虚线框内的模块是数字示波器特有的功能模块,模拟示波器没有。 不论哪种示波器,若设显示屏的水平方向为x,垂直方向为y,屏幕上光点的坐标是加 中山大学物理学院物理实验教学中心编制,仅用于教学。未经允许,请不要擅自在网络上传播 2016年02月19日更新

中山大学《大学物理实验》课程报告模板 实验 A5 用示波器测量交流信号的基本参数 中山大学物理学院物理实验教学中心编制，仅用于教学。未经允许，请不要擅自在网络上传播。 Page / 2016 年 02 月 19 日更新 （请自行加页） [ 实验目的 ] 1． 了解示波器显示波形的原理（显示器、扫描、同步、整步）； 2． 了解双踪数字存储示波器的使用方法； 3． 学习用示波器测交流信号电压、频率和相位差。 [ 仪器用具 ] 编号 仪器用具名称 数量 主要参数(型号，测量范围，测量精度等) 1 双踪示波器 2 双通道信号发生器 3 双通道交流毫伏表 4 5 台式数字万用表 示波器训练模板 6 导线 [ 原理概述 ] 电子示波器是用来直接显示、观察和测量电压波形及其参数的电子仪器。一切可转 化为电压的电学量（如电流、电阻等）和非电学量（如温度、压力、磁场、光强等）， 只要转换后的电压参数落在示波器的观察范围内，均可用示波器来观察和测量。示波器 自 1933 年诞生以来已经有 70 多年的历史，已由模拟示波器发展到取样示波器、记忆示 波器、数字存储示波器（DSO，Digital Storage Oscilloscope）、逻辑示波器、智能示波器、 虚拟示波器等近十个系列数百个品种，频率响应可从直流至 9 10 Hz，是用途极为广泛的 一种通用电子测量测试仪器。由于示波器种类繁多，外形、性能、功能差异很大，要想 完全熟练地掌握一种示波器的使用方法，就必须认真阅读相关的使用说明书。这里只能 介绍一些具有共性的基本知识。 1. 示波器的基本原理 示波器实际上是一台电压信号的二维显示设备，任何种类的示波器，都主要由电源 系统、信号检测和放大系统、扫描触发系统、波形显示系统等四部分组成。示波器的原 理框图如图 1 所示，虚线框内的模块是数字示波器特有的功能模块，模拟示波器没有。 不论哪种示波器，若设显示屏的水平方向为 x，垂直方向为 y，屏幕上光点的坐标是加

中山大学《大学物理实验》课程报告模板 实验A5用示波器测量交流信号的基本参数 在两个方向上的电压Ux和Uy的函数,这一函数通常为线性的,则光点的运动可用一个 参数方程表示为 x=f[Ux(t)= K,Ux(t)=g(t) y=wlU(t)=K, U, (t)=v(t) (1) 两方程联立,消去参数t,所得方程就是屏幕上光点的运动轨迹方程。 根据波形显示方式的不同,基本可将示波器分为模拟示波器、数字示波器、虚拟示 波器三种类型。 CHI 取样保持口A/D转换采集存储 GND 垂直显示 处理电路 CH2 取样保持HAD转换采集存储 显示器 XY模式 K3触发电路 K4水平显示 处理电路 图1示波器原理框图 1、K2.输入端耦合方式选择,K3.触发源选择,K4.Y-T显示模式和Ⅹ-Y显示模式选择 2.示波器的工作模式 示波器通常有两种工作模式,分别为 (1)波形显示模式(Y-T),对应图1中开关K4接“YT模式”。该模式下在x轴施 加的信号Ux(t)为锯齿波,由于锯齿波的电压在一个周期内与时间t成正比,有 x∝Ux(t)∝t,相当于在显示屏上建立了一个以时间t为横坐标的线性坐标系。 当y方向电压为零,对应图1中的开关K2接地(GND)时,Uy(t)=0,仅在水平 方向上加周期电压Ux(t),则显示光点沿水平方向作往返运动,这种过程称为扫描,相 应地U(t)称为扫描电压。当扫描电压频率f较高时,将显示为一条连续的直线,称为 扫描线。当y方向加周期电压Uy(t),有y∝Uy(t),如图2(a)所示,y轴输入信号的 波形就可以在屏幕上显示出来 为显示波形的方便,示波器锯齿波的频率可通过扫描速度t旋钮( Horizontal scale) 来进行调节,其单位为s/div(秒每格),在一些老式的模拟示波器上也采用scm(秒每 厘米)作单位。若选择了扫描速度t,则水平距离为l格的两点间的时间间隔t为 中山大学物理学院物理实验教学中心编制,仅用于教学。未经允许,请不要擅自在网络上传播 2016年02月19日更新

中山大学《大学物理实验》课程报告模板 实验 A5 用示波器测量交流信号的基本参数 中山大学物理学院物理实验教学中心编制，仅用于教学。未经允许，请不要擅自在网络上传播。 Page / 2016 年 02 月 19 日更新 在两个方向上的电压𝑈𝑥 和𝑈𝑦 的函数，这一函数通常为线性的，则光点的运动可用一个 参数方程表示为 { 𝑥 = 𝑓[𝑈𝑥 (𝑡)] = 𝐾𝑥𝑈𝑥 (𝑡) = 𝑔 (𝑡); 𝑦 = 𝑤[𝑈𝑦 (𝑡)] = 𝐾𝑦𝑈𝑦 (𝑡) = 𝑣 (𝑡). （1） 两方程联立，消去参数𝑡 ，所得方程就是屏幕上光点的运动轨迹方程。 根据波形显示方式的不同，基本可将示波器分为模拟示波器、数字示波器、虚拟示 波器三种类型。 图 1 示波器原理框图 K1、K2. 输入端耦合方式选择，K3. 触发源选择，K4. Y-T 显示模式和 X-Y 显示模式选择 2. 示波器的工作模式 示波器通常有两种工作模式，分别为： （1）波形显示模式（Y-T），对应图 1 中开关 K4 接“Y-T 模式”。该模式下在 x 轴施 加的信号𝑈𝑥 (𝑡) 为锯齿波，由于锯齿波的电压在一个周期内与时间𝑡 成正比，有 𝑥 ∝ 𝑈𝑥 (𝑡) ∝ 𝑡 ，相当于在显示屏上建立了一个以时间𝑡 为横坐标的线性坐标系。 当 y 方向电压为零，对应图 1 中的开关 K2 接地（GND）时，𝑈𝑦 (𝑡) = 0，仅在水平 方向上加周期电压𝑈𝑥 (𝑡)，则显示光点沿水平方向作往返运动，这种过程称为扫描，相 应地𝑈𝑥 (𝑡) 称为扫描电压。当扫描电压频率𝑓 较高时，将显示为一条连续的直线，称为 扫描线。当 y 方向加周期电压𝑈𝑦 (𝑡)，有𝑦 ∝ 𝑈𝑦 (𝑡)，如图 2（a）所示， 𝑦 轴输入信号的 波形就可以在屏幕上显示出来。 为显示波形的方便，示波器锯齿波的频率可通过扫描速度𝑡0 旋钮（Horizontal Scale） 来进行调节，其单位为 s/div（秒每格），在一些老式的模拟示波器上也采用 s/cm（秒每 厘米）作单位。若选择了扫描速度𝑡0，则水平距离为 l 格的两点间的时间间隔𝑡 为

中山大学《大学物理实验》课程报告模板 实验A5用示波器测量交流信号的基本参数 如果选择扫描速度t使得屏幕范围(通常为10格)内的总时间大于被观测波形Uy(t的 周期,就可以在屏幕上显示出完整的波形。该工作模式下,式(1)中的Ky可简写为K, 称为电压灵敏度,单位为V/div。 (2)李萨如图形显示模式(XY),对应图1中的开关K4接“X-Y模式”。该模式 下在x轴施加与CH通道的输入信号成比例的电压,故屏幕显示的波形是CHl通道和 CH2通道输入信号的合成图形,称为李萨如图形。该模式下,Kx称为x轴的电压灵敏度, Ky称为y轴的电压灵敏度。 Tx<Tr (a)扫描同步时的波形 (b)扫描不同步时的波形 图2示波器的扫描 3.示波器的扫描同步(波形稳定)原理 (1)扫描同步 示波器如不经过仔细调节,其显示的波形会左右移 动。为了后续进行各种测量,需要使显示的波形在屏幕 K入 上稳定不动。设锯齿波Ux(t)的周期为Tx,被观测波形a Uy(t)的周期为Ty,如图2(a)所示,如果Tx=nTy 触发脉冲 (n=123…)严格成立,则锯齿波每次扫描的起点都a 准确地落在被观测信号的同相位点上,每次扫描显示的 波形都完全相同,从而显示出稳定的波形,波形与时间 无关,该状态称为扫描同步。若Tx≠nTy,每次扫描起 始点会落在非同相位点上,每次扫出的波形不重复,如 光屏上显示的波形 图2(b)所示,则屏上显示的波形在x方向上不断移动,图3触发扫描实现扫描同步 中山大学物理学院物理实验教学中心编制,仅用于教学。未经允许,请不要擅自在网络上传播 2016年02月19日更新

中山大学《大学物理实验》课程报告模板 实验 A5 用示波器测量交流信号的基本参数 中山大学物理学院物理实验教学中心编制，仅用于教学。未经允许，请不要擅自在网络上传播。 Page / 2016 年 02 月 19 日更新 𝑡 = 𝑡0𝑙 （2） 如果选择扫描速度𝑡0使得屏幕范围（通常为 10 格）内的总时间大于被观测波形𝑈𝑦 (𝑡)的 周期，就可以在屏幕上显示出完整的波形。该工作模式下，式（1）中的𝐾𝑦 可简写为𝐾， 称为电压灵敏度，单位为 V/div。 （2）李萨如图形显示模式（X-Y），对应图 1 中的开关 K4 接“X-Y 模式”。该模式 下在 x 轴施加与 CH1 通道的输入信号成比例的电压，故屏幕显示的波形是 CH1 通道和 CH2 通道输入信号的合成图形，称为李萨如图形。该模式下，𝐾𝑥 称为𝑥 轴的电压灵敏度， 𝐾𝑦 称为 𝑦 轴的电压灵敏度。 （a）扫描同步时的波形 （b）扫描不同步时的波形 图 2 示波器的扫描 3. 示波器的扫描同步（波形稳定）原理 （1）扫描同步 示波器如不经过仔细调节，其显示的波形会左右移 动。为了后续进行各种测量，需要使显示的波形在屏幕 上稳定不动。设锯齿波𝑈𝑥 (𝑡)的周期为𝑇𝑥，被观测波形 𝑈𝑦 (𝑡)的周期为𝑇𝑦，如图 2（a）所示，如果𝑇𝑥 = 𝑛𝑇𝑦 （𝑛 = 1,2,3 ⋯）严格成立，则锯齿波每次扫描的起点都 准确地落在被观测信号的同相位点上，每次扫描显示的 波形都完全相同，从而显示出稳定的波形，波形与时间 无关，该状态称为扫描同步。若𝑇𝑥 ≠ 𝑛𝑇𝑦，每次扫描起 始点会落在非同相位点上，每次扫出的波形不重复，如 图 2（b）所示，则屏上显示的波形在 x 方向上不断移动， 图 3 触发扫描实现扫描同步

中山大学《大学物理实验》课程报告模板 实验A5用示波器测量交流信号的基本参数 扫描不同步。 (2)扫描同步的实现(整步) 实际使用示波器的过程中,很难通过调节Tx的方法满足上述的扫描同步状态,即使 实现短暂的同步,对信号的任何扰动也会破坏这种状态,所以示波器中采用了特殊的方 式来实现和保持扫描同步状态,这一过程称为“整步”。 触发扫描同步:如图3所示,示波器将“触发电平”( trig level)与输入的被测信号 进行比较,当输入信号电压等于触发电平(图中A点的电压)时,触发电路便输出触发 脉冲,强制启动扫描电路进行扫描,光点自左向右由A点扫描至A'点。在该扫描周期内, 扫描电路不再受触发脉冲影响。本次扫描结束后,触发脉冲又可再次强制启动扫描电路, 进行下一次扫描。因每个触发脉冲产生于相同触发电平处,故每次扫描的起点都会准确 地落在同相位点φ上,多次扫出的波形重叠,稳定地显示在屏幕上。 注意:示波器的触发电平应调至信号的峰峰值之间,否则会因为信号电压始终达不 到触发电平而无法产生触发脉冲。 4.判断波形是否稳定的三个原则 在示波器屏幕上调节出波形后,可通过如下几个原则判断其是否稳定 (1)在任意位置画一垂直线与波形相交,交点数有且只有一个。若没有交点或交 点数不止一个,则波形不稳定或不完整,需继续调节 (2)波形上的任意一点不左右移动。低频时光点会闪烁,但其位置不左右移动, 应认为是稳定的。 (3)屏幕上能看到两个以上完全一样的重复图形,即两个周期以上 5.DS1152D-EDU型混合信号数字示波器使用介绍 DS1152D-EDU是一种常用的混合信号数字示波器,带宽150MHz,同时具备2通道的 模拟信号输入端和16通道的数字逻辑输入端。本节简单介绍DS152DED示波器面板 (图4)中11个主要部分的作用。更多的功能和调节方法需参阅说明书。 (1)Ds1152DEDU示波器前面板主要部分 中山大学物理学院物理实验教学中心编制,仅用于教学。未经允许,请不要擅自在网络上传播 2016年02月19日更新

中山大学《大学物理实验》课程报告模板 实验 A5 用示波器测量交流信号的基本参数 中山大学物理学院物理实验教学中心编制，仅用于教学。未经允许，请不要擅自在网络上传播。 Page / 2016 年 02 月 19 日更新 扫描不同步。 （2）扫描同步的实现（整步） 实际使用示波器的过程中，很难通过调节𝑇𝑥的方法满足上述的扫描同步状态，即使 实现短暂的同步，对信号的任何扰动也会破坏这种状态，所以示波器中采用了特殊的方 式来实现和保持扫描同步状态，这一过程称为“整步”。 触发扫描同步：如图 3 所示，示波器将“触发电平”（trig level）与输入的被测信号 进行比较，当输入信号电压等于触发电平（图中 A 点的电压）时，触发电路便输出触发 脉冲，强制启动扫描电路进行扫描，光点自左向右由 A 点扫描至𝐴 ′点。在该扫描周期内， 扫描电路不再受触发脉冲影响。本次扫描结束后，触发脉冲又可再次强制启动扫描电路， 进行下一次扫描。因每个触发脉冲产生于相同触发电平处，故每次扫描的起点都会准确 地落在同相位点𝜑0上，多次扫出的波形重叠，稳定地显示在屏幕上。 注意：示波器的触发电平应调至信号的峰峰值之间，否则会因为信号电压始终达不 到触发电平而无法产生触发脉冲。 4．判断波形是否稳定的三个原则 在示波器屏幕上调节出波形后，可通过如下几个原则判断其是否稳定： （1）在任意位置画一垂直线与波形相交，交点数有且只有一个。若没有交点或交 点数不止一个，则波形不稳定或不完整，需继续调节。 （2）波形上的任意一点不左右移动。低频时光点会闪烁，但其位置不左右移动， 应认为是稳定的。 （3） 屏幕上能看到两个以上完全一样的重复图形，即两个周期以上。 5. DS1152D-EDU 型混合信号数字示波器使用介绍 DS1152D-EDU 是一种常用的混合信号数字示波器，带宽 150MHz，同时具备 2 通道的 模拟信号输入端和 16 通道的数字逻辑输入端。本节简单介绍 DS1152D-EDU 示波器面板 （图 4）中 11 个主要部分的作用。更多的功能和调节方法需参阅说明书。 （1） DS1152D-EDU 示波器前面板主要部分