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用示波器观察两同频率、互相垂直运动的电信号合成时,呗观察的信号应从哪几个接线端输入示波器?此时水平偏转板上所加的电压还是锯齿波电压吗?
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你可以用示波器的XY显示,不用YT显示,两个信号同时输入示波器
从哪几个接线端输入？
示波器1通道输入信号的X轴，2通道输入信号的Y轴.
也就是双通道两个接线端子都要输入。
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模拟示波器与RC串联电路的稳态特性
示波器是一种能将随时间变化的电压信号转换成图形直接显示和观测的电子仪器，它不仅可以定性观察各种电压信号的动态过程，还可以定量测量信号波形的周期、频率、幅度、相位、上升/下降时间、占空比等参数。配上转换电路和相应的传感器后，一切可转化为电压信号的电学量（如电流、阻抗）和非电学量（如光强、声强、磁场、温度、频率、位移）均可以用示波器来观察和测量。由于示波器具有直观、灵敏、反应速度快、输入阻抗大、动态实时显示等优点，自1931年美国研制出第一台示波器至今，它已在科学研究、实验教学、医药卫生、电工电子、仪器仪表等领域有着广泛的应用。与此同时，随着科学技术的不断发展，示波器本身也得到了迅速发展，示波器的种类越来越多，功能也越来越强，慢扫描示波器、各种频率的示波器、记忆示波器、数字存储示波器等产品相继问世。目前，实验室常用的示波器主要有传统的模拟示波器和新型的数字示波器两种。本次实验就是要学习模拟示波器的工作原理和使用方法。
【实验目的】
1. 了解模拟示波器的基本结构及工作原理。
2. 熟悉常用模拟示波器、函数信号发生器的使用和调节。
3. 学习使用双踪模拟示波器对电压信号的幅值、频率和相位差的测量。
4. 研究RC串联稳态电路的相频特性。
【预习思考题】
1. 示波器荧光屏上的图形是如何形成的？发光图形上的各点是否同时受到电子束轰击？
2. 示波屏上波形图是如何形成的？如果没有X轴扫描信号，屏上显示什么波形？
3. 如果荧光屏上显示的图形总是沿水平方向移动，应该怎样调节？
4. 示波器是好的，可打开电源后荧光屏上既无亮点又无扫描线，可能的原因是什么？
5. 如何调节才能使荧光屏上显示一个峰-峰高度、周期宽度适中的波形？
【实验原理】
1. 模拟示波器的工作原理
模拟示波器又称阴极射线示波器，它主要由示波管、轴放大衰减电路、扫描电路（即锯齿波发生器）、同步触发电路、电源等几部分组成。
（）示波管
示波管是模拟示波器的核心部件，主要用于显示被测信号的波形，其结构如图所示。示波管主要由三部分组成，前端是荧光屏，中间为偏转板，后端为电子枪。
位于示波管前端的是荧光屏，其内壁涂有一层荧光物质。荧光物质受到电子轰击时，将吸收电子的动能，辐射可见光和热能。荧光物质发光的强度取决于轰击电子的能量和数量。电子束轰击作用停止后，荧光物质产生的荧光并不立即消失，而能持续一段时间（持续时间的长短决定于荧光物质的成分），这个时间称为余辉。在这段时间内电子束受偏转系统的控制顺次扫过的区域都在辐射荧光，进而在荧光屏上显示出一幅图形（或曲线）。
轰击荧光屏的电子来源于电子枪。电子枪是示波管的核心部分，其作用是发射电子束，并控制轰击荧光屏的电子数目、电子束的形状和尺寸。如图，电子枪主要由灯丝、阴极、栅极、第一阳极（也称聚焦电极）和第二阳极等部分组成。
阴极是一个顶部表面涂有逸出功较低的钡、锶氧化物的金属圆筒，受到通电发热的灯丝加热时，一部分电子将脱离金属表面，成为自由电子发射出去。
在阴极的外部套有一个顶端开有小孔的圆筒，称为栅极，其电位较阴极电位低。栅极与阴极间形成的电场对阴极表面发射的电子具有反推作用，只有初始速度超过一定的阈值的少量电子能穿过栅极顶端小孔射向荧光屏。调节栅极电位可以改变阈值的大小，进而控制射向荧光屏的电子数。轰击荧光屏电子数目的改变，将直接影响到荧光物质所能吸收的能量，进而影响荧光物质辐射荧光的强弱。因此，栅极电位的调节也称辉度调节。
栅极、第一阳极、第二阳极作用在于对电子束进行轴向加速和聚焦，使通过栅极发散的电子会聚成很细的电子束，以较高的能量轰击荧光屏上微小的区域。调节第一阳极的电压可以改变栅极、第一阳极、第二阳极之间的电场分布，电场力作用的改变将影响电子束通过这一电场区域后的会聚程度，进而改变荧光屏上显示图形的清晰度。因此，调节第一阳极的电压也称聚焦调节。
③ 偏转系统
由前面的讨论知，利用荧光的余辉，只要能控制电子束对荧光屏的某些区域进行周期性地轰击，这些区域就会持续发光、显示一幅稳定的图形。偏转系统是利用电场力的作用对电子束的偏转加以控制的。
电子束的偏转
如图，在示波管的一对偏转板（如轴偏转板）上加上控制电压时，这一对偏转板之间将形成一个均匀电场。当电子束经过该区域时将受到电场力的作用而发生偏转。由静电场和质点运动学知识可得，在一定的范围内，荧光屏上电子束的轰击位置相对于无控制信号作用时的位移：
式中，常量、为电子的电量和质量，、、、与示波管的结构有关，比例系数称为电压偏转灵敏度。对于特定的示波管，为定值，利用标准电压进行标定后，就可以通过荧光屏上亮点的位移来测得控制电压的大小，这就是示波器定量测量的原理。
波形的显示
在示波管的一对偏转板上加上控制电压时，荧光屏上亮点的位移与控制电压的大小成正比；控制电压恒定不变时，荧光屏上亮点的位移保持不变，荧光屏上可观察到一个静止不动的亮点；控制电压随时间作周期性变化时，荧光屏上亮点的位移也将随时间作周期性变化，荧光屏上可观察到一个作周期性运动的亮点。当控制信号的周期小于荧光的余辉时间时，由于荧光物质的余辉现象和人眼的视觉残留效应，在荧光屏上可观察到一条亮线。
偏转系统对电子束偏转的控制，可以看作是对荧光屏上亮点位置的控制。只在示波管的某对偏转板（轴或轴）上加上控制电压时，亮点在荧光屏上作一维运动；在示波管相互垂直的两对偏转板（轴和轴）上同时加上控制电压时，荧光屏上的亮点将作二维运动，此时亮点的运动实际上是两个互相垂直的一维运动、的叠加，其轨迹方程（即荧光屏显示的曲线）可用方程来描述。
如图，当在示波器的轴偏转板上加上一个随时间呈线性变化的电压信号时，荧光屏上亮点的运动轨迹方程与轴控制电压的函数形式相似，这时可以用荧光屏上显示的曲线来代表控制信号的波形，进而对有关参数进行测量。这种随时间呈线性变化的电压称为扫描电压（也称锯齿波），其特点如图所示：电压从开始随时间线性增加到（这一变化过程也称为扫描），然后迅速降到，经过一段时间后再重复。扫描电压一般是由示波器的内部扫描电路提供的。
除了可以连接内置的扫描电压，示波器的轴偏转板还可以连接外部输入的电压信号，此时示波器荧光屏显示的图形将是两个互相垂直的一维运动叠加的结果。当示波器的轴和轴输入的信号都是正弦电压信号时，两个互相垂直的一维简谐振运动的叠加将在荧光屏上形成李萨如图形。
在任意时刻，荧光屏上只有一个微小的区域受到电子束的轰击而产生荧光。荧光屏之所以能显示图形，是利用了荧光物质的余辉现象和人眼的视觉残留效应。一幅稳定图形的显示是荧光屏上构成这幅图形的区域被周期性轰击（扫描）的结果。要显示稳定的波形，一是要求扫描的周期与荧光的余辉时间相匹配，否则出现图形闪烁现象；二是需要荧光屏上每次电子束扫过的轨迹完全重合，否则，荧光屏上显示的波形将沿x方向不断向左或向右移动。要使荧光屏上电子束每次扫过的轨迹完全重合，这就要求扫描电压每一次扫描时都必须在待测信号具有相同的相位（具有相同电平和极性）时才开始扫描，这一要求称为扫描同步。
（2）电压放大/衰减电路
在偏转板上加上待测电压时，电子束在荧光屏上的偏移量与加在偏转板上的待测电压成正比，即荧光屏上亮点的位移与待测电压成正比。为了扩展示波器的观测范围，需要在输入端和示波管的偏转板之间加入电压放大/衰减电路。通过对输入电压放大或衰减使加到偏转板的电压与荧光屏的偏转量相适应。Y轴/X轴的电压放大/衰减电路的放大/衰减量可以由示波器面板上的“垂直衰减”旋钮(VOLTS/DIV)来调节。
示波器面板上的垂直衰减旋钮分粗调和微调两种，粗调可以在多个离散值中切换，微调则只在当前粗调所在档位和下一个档位间连续调节。当定量测量时，微调必须处于校准状态，粗调旋钮旁的示数给出了当前的垂直衰减因数。
（）扫描电路（即锯齿波发生器）
扫描电路是模拟示波器内部用于产生扫描电压的部件。该电路产生的扫描电压的幅值是固定不变的，扫描电压随时间变化的周期则是可调的。利用示波器面板上的扫描时间因数旋钮（）调节，可以观测不同周期的输入信号。
示波器面板上的扫描时间因数旋钮分粗调和微调两种，粗调可以在多个离散的值中切换，微调则只在当前粗调所在档位和下一个档位间连续调节。在定量测量时，微调必须处于校准状态，粗调旋钮旁的示数给出了当前的扫描时间因数。
（4）同步触发电路
只有在扫描电压每一次开始扫描时待测信号都具有相同的相位，才可能在荧光屏上显示一个稳定的图形。为了实现这一同步的要求，旧式的示波器需要调节扫描时间因素使得扫描电压的周期是待测电压周期的整数倍，此时可以在荧光屏上观察到待测电压波形的整数个周期。由于待测电压和扫描电压的信号源是相互独立的，频率的随机变化使得仅仅通过调节“扫描时间因数”难以将两个电压的频率调节成准确的整数倍关系，为了克服这个问题，现在的示波器内部都设有专门的同步触发电路来实现扫描同步。
同步触发电路位于扫描电路的前面，用于产生触发脉冲信号。扫描电路平时处于等待状态，当同步触发电路送来一个触发脉冲信号时，它才从-Um开始按设定的比例系数随时间线性地增加到Um，然后迅速降到-Um，这一过程也称为扫描。在扫描期间，扫描电路不会受其他触发脉冲信号的影响直至这一次扫描结束。扫描结束后，扫描电路又处于等待状态，直到同步触发电路送来又一个触发脉冲信号。
当示波器设置为“内同步”时，同步触发电路的触发源来自待测电压，此时待测电压同时被送到偏转板和同步触发电路。同步触发电路将待测电压同设定值相比较，只有当待测电压达到设定的相位点（具有一定的电平和极性）时，同步触发电路才输出一个触发脉冲信号，以启动扫描电路开始扫描。每一个触发脉冲对应于待测电压的同一个相位点，进而确保了每一次电子束扫描的轨迹完全重合，实现了扫描电压与待测电压同步。
为了在各种情况下都能实现扫描同步，在示波器面板上设置有“触发源”、“触发电平”、“触发极性”、“释抑”等调节旋钮或按键，供实时选择与调控。通过示波器面板上的“触发电平”旋钮（LEVEL）和“极性”按钮可以调节起始扫描相位点的设定值；“释抑”旋钮可以调节相邻两次扫描的间隔时间。
示波器的电源用于将交流市电转换为内部电路所需的各种电压信号。
2. 模拟示波器的测量原理
由示波器的工作原理知，当示波器工作在Y-t模式时，可以用荧光屏上亮点运动的轨迹方程来模拟Y轴输入电压的波形，进而可以测量其振幅、周期等相关参数。
如图4，只要测得荧光屏上亮点运动轨迹在垂直方向的高度Y和水平方向上一个周期的宽度L0，并从示波器面板上读出当前的垂直衰减因数Ku(V/DIV)和扫描时间因数Kt(s/DIV)就可以下式：
计算出待测信号的电压峰峰值和周期频率。
利用双踪示波器还可以同时显示两个频率相同的正弦电压信号、，由荧光屏上显示的图形可以测量两同频正弦信号的初相位差：
式中，为荧光屏上一个信号在水平方向上的周期宽度，为两个信号相邻同相位点之间的水平距离。
串联电路的稳态特性
如图，把信号源产生的正弦交流电压加到电阻和电容串联电路的两端时，由电磁学知识可得电容元件两端的电压为：
可见，电容元件两端电压的幅值及其相对于电源电压的相位差都会因电源频率的变化而改变。
串联电路中，回路电流、元件端电压的幅值和相位随电源频率变化的特性称为串联电路的稳态特性；其中，幅值随频率变化的特性称为幅频特性，相对于电源电压的相位差随频率变化的特性称为相频特性。作为示波器的应用，本次实验将利用模拟示波器来观测电路的相频特性。
【实验仪器】
YB4320G示波器、EE1641B函数信号发生器、电阻箱、电容箱、导线和专用馈线。
【仪器说明】
1. YB4320G型示波器
YB4320G型示波器是实验室常用的一种20MHZ双时基双踪示波器模拟示波器，其外观如图6所示，各主要部分的功能如表1。
表型示波器控制面板各部分的功能
部件或旋钮名称
部件或旋钮作用
2. EE1641B函数信号发生器
图7是实验室常用的EE1641B函数信号发生器，主要用于输出频率、幅值可调的正弦波、三角波和方波信号，也可以测量外接输入信号的频率。输出信号时：
（1）将专用馈线插入“50函数信号输出口”，开启电源。
（2）按动“波形选择”按钮选择相应的信号波形，使相应指示灯亮。
（3）按动频率“粗选”按钮选定输出信号的频段，使相应指示灯亮；再调节频率“细调”旋钮至所需要的频率。
（4）由“幅度衰减”按钮和“幅度”（AMPL）调节旋钮调节输出信号的幅度。输出0.1～1.2V的电压时需要衰减20dB，输出2.0V以上的电压时不需要衰减。
（5）由“偏置”（OFFSET）、“对称性”（SYS）旋钮调节输出信号的直流偏置电平、对称性（一般情况下，要求将这两个旋钮逆时针旋转到底，处于OFF状态）。
【实验内容】
1. 测量函数发生器显示输出的VP-P=0. 50V、2.0V正弦电压的峰-峰值，并将测量值同函数发生器的显示值进行比较。
函数发生器输出
波形峰-峰高度
垂直衰减因数
Ku（V/DIV）
U1=Y×Ku（V）
B=|U1-U0|/U0×100
2. 测量函数发生器显示输出的f =500Hz、2000Hz正弦电压的频率，并将测量值同函数发生器的显示值进行比较。
函数发生器输出
波形周期的宽度
扫描时间因数
Kt（ms/div-1）
实测值（Hz）
B=|f1 - f0| / f0×100
3. 改变电源频率，测量RC串联电路中电容两端电压相对于电源电压的相位差，并将测量值同理论值进行比较；在坐标纸上绘出RC串联稳态电路中的相频特性曲线。
【实验步骤及注意事项】
1. 参照仪器介绍，熟悉YB4320G型示波器、EE1461B型函数信号发生器各主要旋钮、按键的位置。
由于YB4320G型双时基双踪示波器的调节旋钮、设置按键较多，初次使用时应先检查各旋钮、按键的初始状态。YB4320G型示波器的旋钮、按键共分为三类四个功能模块，螺旋式调节旋钮，除了垂直衰减微调顺时针旋到底（处于校准状态）外，其他旋钮，如辉度、聚焦、垂直/水平位移、垂直衰减因数粗调、A扫描时间因数粗调等，都应旋到中间位置或档位；琴键式按键，除总电源开关外，初始时只有“A”水平方式、“自动”触发、释抑/电平“锁定”三个按下；三个切换开关，Y方式、触发耦合、触发源，初始时都应置于最上档。此后，再根据实际需要，按电源、垂直、水平、触发四个功能模块进行细调。
2. 将函数信号发生器50端口的输出馈线与示波器的CH1端口的输入馈线并联，并开启电源，参照仪器说明，通过实际调节了解YB4320G型示波器各主要旋钮、按键的作用，力争做到荧光屏上显示的波形稳定且亮度、清晰度、垂直高度、水平周期宽度适中。
3. 按测量内容的要求调节函数发生器输出的正弦电压信号的频率和峰-峰值，利用示波器测量该正弦信号的频率和峰-峰值。
定量测量电压、频率时，首先要仔细检查垂直衰减微调、水平扫描时间微调是否处于校准状态，其次要调节垂直衰减因数Ku和扫描时间因素Kt使显示波形的垂直高度和周期宽度尽可能地大，但不能超出荧光屏观测范围；读取Ku、Kt值要注意有无小数点和单位。
4. 按图5连接RC串联电路，利用YB4320G型示波器的“双踪”功能测量电容两端电压相对于电源电压的相位差，观测随电源频率变化的特点。
由于示波器与函数信号发生器使用的交流市电共地，连接RC串联电路时应确保示波器的输入馈线与函数信号发生器的输出馈线的黑色夹头都连接在电路的同一个节点上（本次实验都夹在电容器的接地金属片上），否则连接在任意两个黑色夹头之间的元件短路。
测量同频正弦信号的相位差时，可以利用垂直衰减旋钮和扫描时间微调，以保证两信号具有相等的垂直高度以及一个周期的宽度L0接近整个荧光屏的宽度。测量L0和L1尽量避免在波峰和波谷所在处进行比较。
【思考题】
1. 用模拟示波器测量电压有何优缺点？如何估计测量误差？
2. 如何设置，可以用YB4320G型示波器来观测李萨如图形？
3. 通过正确调节，已经在荧光屏上显示了一个稳定且亮度、清晰度、垂直高度、水平周期宽度适中的1000Hz的正弦波。试问，在当前状态下将扫描时间因数调至最大以及调至最小，在荧光屏上分别会观察到什么现象，为什么？
4. 能否用示波器直接测量直流电压的大小？若能，如何测？
【参考文献】
1. 新编基础物理实验. 吕斯骅、段家忯等. 高等教育出版社.
2. 大学物理实验. 熊永红. 华中科技大学出版社. 2
3. 大学物理实验. 王银峰、陶纯匡等. 机械工业出版社. 1扬中科泰电子仪器有限公司
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示波器使用中出现问题解决
　　一、没有光点或波形
　　电源未接通。&
　　辉度旋钮未调节好。&
　　X，Y轴移位旋钮位置调偏。&
　　Y轴平衡电位器调整不当，造成直流放大电路严重失衡。&
　　二、水平方向展不开
　　触发源选择开关置于外档，且无外触发信号输入，则无锯齿波产生。&
　　电平旋钮调节不当。&
　　稳定度电位器没有调整在使扫描电路处于待触发的临界状态。&
　　X轴选择误置于X外接位置，且外接插座上又无信号输入。&
　　两踪示波器如果只使用A通道（B通道无输入信号），而内触发开关置于拉YB位置，则无锯齿波产生。&
　　三、垂直方向无展示
　　输入耦合方式DC-接地-AC开关误置于接地位置。&
　　输入端的高、低电位端与被测电路的高、低电位端接反。&
　　输入信号较小，而V/div误置于低灵敏度档。&
　　四、波形不稳定。
　　稳定度电位器顺时针旋转过度，致使扫描电路处于自激扫描状态（未处于待触发的临界状态）。&
　　触发耦合方式AC、AC（H）、DC开关未能按照不同触发信号频率正确选择相应档级。&
　　选择高频触发状态时，触发源选择开关误置于外档（应置于内档。）&
　　部分示波器扫描处于自动档（连续扫描）时，波形不稳定。&
　　五、垂直线条密集或呈现一矩形
　　t/div开关选择不当，致使f扫描＜＜f信号。
　　六、水平线条密集或呈一条倾斜水平线
　　t/div关选择不当，致使f扫描＞＞f信号。
　　七、垂直方向的电压读数不准
　　未进行垂直方向的偏转灵敏度（v/div）校准。&
　　进行v/div校准时，v/div微调旋钮未置于校正位置（即顺时针方向未旋足）。&
　　进行测试时，v/div微调旋钮调离了校正位置（即调离了顺时针方向旋足的位置）。&
　　使用l0 ：1衰减探头，计算电压时未乘以10倍。&
　　被测信号频率超过示波器的最高使用频率，示波器读数比实际值偏小。&
　　测得的是峰-峰值，正弦有效值需换算求得。&
　　八、水平方向的读数不准
　　未进行水平方向的偏转灵敏度（t/div）校准。&
　　进行t/div校准时，t/div微调旋钮未置于校准位置（即顺时针方向未旋足）。&
　　进行测试时，t/div微调旋钮调离了校正位置（即调离了顺时针方向旋足的位置）。&
　　扫速扩展开关置于拉（×10）位置时，测试未按t/div开关指示值提高灵敏度10倍计算。&
　　九、交直流叠加信号的直流电压值分辨不清
　　Y轴输入耦合选择DC-接地-AC开关误置于AC档（应置于DC档）。&
　　测试前未将DC-接地-AC开关置于接地档进行直流电平参考点校正。&
　　Y轴平衡电位器未调整好。&
　　十、测不出两个信号间的相位差（波形显示法）
　　双踪示波器误把内触发（拉YB）开关置于按（常态）位置应把该开关置于拉YB位置。&
　　双踪示波器没有正确选择显示方式开关的交替和断续档。&
　　单线示波器触发选择开关误置于内档。&
　　单线示波器触发选择开关虽置于外档，但两次外触发未采用同一信号。&拒绝访问 | www.gkstk.com | 百度云加速
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