华中科技大学示波器实验全解.pptx

LOGO示波器的使用示波器的使用n班班级：n学学生：生：n学号学号：论文内容论文内容n实验目的n仪器介绍n实验原理n实验步骤n数据记录n数据处理n问题讨论实验目的实验目的u掌握数字存储示波器和函数信号发生器基本使用掌握数字存储示波器和函数信号发生器基本使用方法；方法；u研究研究RC和和RLC串联电路的暂态过程，加深对电阻、串联电路的暂态过程，加深对电阻、电容、电感特性的理解，理解阻尼振动的运动规电容、电感特性的理解，理解阻尼振动的运动规律。律。仪器介绍仪器介绍u函数信号发生器函数信号发生器 （ch1、ch2电压输出电压输出u数字储存示波器数字储存示波器 （Autoset 自动设置自动设置 Measure 数据测量数据测量 Cursor 探针探针 Display 显示格式）显示格式）实验原理实验原理数字储存示波器原理数字储存示波器原理一个典型的数字存储示波器原理框图如图所示，模拟输入信号先适当地放大或一个典型的数字存储示波器原理框图如图所示，模拟输入信号先适当地放大或衰减，然后再进行数字化处理。数字化包括衰减，然后再进行数字化处理。数字化包括“取样取样”和和“量化量化”两个过程，取两个过程，取样是获得模拟输入信号的离散值，而量化则是使每个取样的离散值经样是获得模拟输入信号的离散值，而量化则是使每个取样的离散值经A/D转换转换成二进制数字，最后，数字化的信号在逻辑控制电路的控制下依次写入到成二进制数字，最后，数字化的信号在逻辑控制电路的控制下依次写入到RAM（存储器）中，（存储器）中，CPU从存储器中依次把数字信号读出并在显示屏上显示从存储器中依次把数字信号读出并在显示屏上显示相应的信号波形。相应的信号波形。GPIB为通用接口总线系统，通过它可以程控数字存储示波为通用接口总线系统，通过它可以程控数字存储示波器的工作状态，并且使内部存储器和外部存储器交换数据成为可能。器的工作状态，并且使内部存储器和外部存储器交换数据成为可能。由此可由此可见，数字示波器必须要完成波形的取样、存储和波形的显示，另外为了满足一见，数字示波器必须要完成波形的取样、存储和波形的显示，另外为了满足一般应用的需求，几乎所有微机化的数字示波器都提供了波形的测量与处理功能。般应用的需求，几乎所有微机化的数字示波器都提供了波形的测量与处理功能。图图 1 1 数数字存字存储储示波器的示波器的内内部部结结构构实验原理实验原理信号波的基本概念信号波的基本概念 正弦波是波形的基本组成，任正弦波是波形的基本组成，任何非正弦波都可视成是基波和无何非正弦波都可视成是基波和无数不同频率的谐波分量组成。例数不同频率的谐波分量组成。例如：方波是由基波以及如：方波是由基波以及3，5，7，9次谐波分量迭加而成。次谐波分量迭加而成。对于非正弦波，由最小值过渡对于非正弦波，由最小值过渡到最大值的时间越短，所含的谐到最大值的时间越短，所含的谐波分量也就越多，波形所含谐波波分量也就越多，波形所含谐波的频率也越高。对于脉冲波占空的频率也越高。对于脉冲波占空比越小，波形所含谐波就越多，比越小，波形所含谐波就越多，谐波频率分量也越高。在使用数谐波频率分量也越高。在使用数字示波器过程中，测量不同波形字示波器过程中，测量不同波形会得到不同的波参数，波的基本会得到不同的波参数，波的基本参数定义如图参数定义如图 所示。所示。实验原理实验原理RC串联电路的暂态过程串联电路的暂态过程 函数信号发生器输出一定频率的方波周期电压信号如图函数信号发生器输出一定频率的方波周期电压信号如图 所示，电所示，电阻、电容串联电路如图阻、电容串联电路如图 所示。当方波前半个周期处于高电平所示。当方波前半个周期处于高电平E时，时，相当于电源开关相当于电源开关K合向合向“1”，直流电源，直流电源E对电容对电容C充电；当方波后充电；当方波后半个周期处于低电平半个周期处于低电平0 时，相当于在电容时，相当于在电容C充电后，把开关充电后，把开关K 从从“1”合向合向“2”，电容，电容C开始放电过程。开始放电过程。实验原理实验原理RC串联电路的暂态过程串联电路的暂态过程由电路方程可解出，电容由电路方程可解出，电容C两端的电压随时间变化规律为：两端的电压随时间变化规律为：当电容在充放电过程中，其电压当电容在充放电过程中，其电压VC(t)均按指数规律变化。当均按指数规律变化。当电容器被充电时，电压逐渐增大，而放电时则逐渐减小。电容器被充电时，电压逐渐增大，而放电时则逐渐减小。令令 ，其具有时间的量纲，其具有时间的量纲，称为电路的时间常数，是表征称为电路的时间常数，是表征暂态过程进行快慢的一个重要暂态过程进行快慢的一个重要物理量。时间常数越大，充放物理量。时间常数越大，充放电过程越慢，反之亦然。图中显示了时间常数分别取不同值时电过程越慢，反之亦然。图中显示了时间常数分别取不同值时的的VC(t)t曲线。曲线。实验原理实验原理RLC串联电路的暂态过程串联电路的暂态过程由电阻由电阻R、电感、电感L和电容和电容C组成的直流串联电路如图所示。组成的直流串联电路如图所示。令令,称为电路的阻尼系数，随着阻尼系数称为电路的阻尼系数，随着阻尼系数的不同，其电路方程有三种不同的解。的不同，其电路方程有三种不同的解。当方波为高电平时，可得到：当方波为高电平时，可得到：（1）阻尼较小）阻尼较小 ，即，即 ，弱阻尼状态，电容两端电压为：，弱阻尼状态，电容两端电压为：可见，电容电压呈现振荡特性，由于电阻可见，电容电压呈现振荡特性，由于电阻R的作用，使振荡幅度呈指数衰减，的作用，使振荡幅度呈指数衰减，衰减的快慢由时间常数衰减的快慢由时间常数决定。这种情况称为弱阻尼振荡状态。决定。这种情况称为弱阻尼振荡状态。时间常数时间常数 ，振荡角频率，振荡角频率实验原理实验原理RLC串联电路的暂态过程串联电路的暂态过程（2），即，即 ，临界阻尼状态，此时：，临界阻尼状态，此时：上式表明，当电阻值达到一定临界值，使得上式表明，当电阻值达到一定临界值，使得 时，时，,此时电路中各物理量的变化过程不再具有周期性，这便是临界此时电路中各物理量的变化过程不再具有周期性，这便是临界阻尼状态。阻尼状态。（3）即即 ，过阻尼状态，过阻尼状态过阻尼状态下的电容电压变化如图过阻尼状态下的电容电压变化如图 中的虚线所示，它以缓慢单中的虚线所示，它以缓慢单调的变化方式逐渐趋于稳定状态。调的变化方式逐渐趋于稳定状态。实验步骤（一）实验步骤（一）信号参数测量信号参数测量（1）将将信信号号发生器的生器的“ch1电压输入入”与与示波器示波器输入通道入通道1相相连。（2）调节信号发生器，波形为正弦，频率为）调节信号发生器，波形为正弦，频率为500HZ，幅值，幅值5.00V。按下。按下 Autoset，调节水平部分标度旋钮，使示波器上显示，调节水平部分标度旋钮，使示波器上显示5个周期波形，按下个周期波形，按下 Measure，记录信号各数据。，记录信号各数据。（3）调节信号发生器波形为脉冲，占空比为）调节信号发生器波形为脉冲，占空比为40%，频率，频率20HZ，幅值，幅值5.00V，按下按下Autoset 调节水平部分标度旋钮，使示波器上显示调节水平部分标度旋钮，使示波器上显示5个周期波形，按下个周期波形，按下 Measure，记录信号各数据。，记录信号各数据。（4）选取）选取Autoset中仅显示一个正频，记录正频宽为中仅显示一个正频，记录正频宽为19.36ns19.51ns。（5）选取选取Autoset中仅显示一个上升过程，记录上升时间中仅显示一个上升过程，记录上升时间19.50ns20.50ns。实验步骤（二）实验步骤（二）观察李萨如图形观察李萨如图形（1）将信号发生器的）将信号发生器的“ch1电压输出电压输出”与与“ch2电压输出电压输出”分别连接到示波器分别连接到示波器1、2输入通道。设置信号发生器输出的两信号均为正弦波，信号频率输入通道。设置信号发生器输出的两信号均为正弦波，信号频率 为为1HZ,幅值幅值10.00V，相位，相位0。（2）调节）调节Display中格式为中格式为XY，按下，按下Autoset。（3）固定一信号，依次改变另一信号的频率与相位，记录数据。）固定一信号，依次改变另一信号的频率与相位，记录数据。实验步骤（三）实验步骤（三）测量测量RC串联电路的暂态过程串联电路的暂态过程（1）在电路板上选择）在电路板上选择R=1k的电阻串联，将其两端分别连的电阻串联，将其两端分别连 接至信号发生器的接至信号发生器的“ch1电压输出电压输出”及示波器。及示波器。（2）调节）调节ch1输出电压，波形为方波，未能在示波器上观察输出电压，波形为方波，未能在示波器上观察 到期望中的波形，检查实验装置，初步判断为示波器到期望中的波形，检查实验装置，初步判断为示波器1 号输入通道所连接电压不应为电路两端电压，而应是电号输入通道所连接电压不应为电路两端电压，而应是电 容两端电压。容两端电压。（3）重新连接电路，调节方波频率为）重新连接电路，调节方波频率为2kHZ，调节探针测量，调节探针测量 电路半衰期，记录探针数据。电路半衰期，记录探针数据。（4）将电阻换为）将电阻换为10k，调节方波频率为，调节方波频率为200HZ，重复试，重复试 验，记录探针数据。验，记录探针数据。实验步骤（四）实验步骤（四）RLC串联电路的暂态过程串联电路的暂态过程（1）将）将10电阻，电阻，330H电感线圈，电感线圈，0.047R电容串联电容串联 ，电路两端与，电路两端与“ch1电压输出电压输出”相连，电压输出为相连，电压输出为1kHZ 方波方波,电容两端与输入通道电容两端与输入通道1相连。相连。（2）示波器显示为临界阻尼振荡图像，检查实验装置，判断）示波器显示为临界阻尼振荡图像，检查实验装置，判断 为电压输出线中红黑接线柱接反，重新连接电路开始试为电压输出线中红黑接线柱接反，重新连接电路开始试 验。验。（3）调节）调节ch1输出电压频率为输出电压频率为5kHZ，得到周期变换函数如，得到周期变换函数如 图中红线，使用探针记录阻尼振荡周期数据。图中红线，使用探针记录阻尼振荡周期数据。（4）电阻换为）电阻换为10k，电压频率为，电压频率为100HZ，得到虚线图像，得到虚线图像数据记录数据记录实验（实验（1）波形波形频率（频率（HZ）周期（周期（ms）平均值（平均值（mv）峰值（峰值（v）最小值（最小值（v）最大值（最大值（v）正弦波500.02.000424.942.422.52方波20.0050.025005.042.502.54波形波形上升时间（上升时间（s）下降时间（下降时间（s）正频宽（正频宽（ms）负频宽（负频宽（ms）占空比（占空比（%）正弦波572.0574.01.010992.050.4方波19.4030.6039.0（以上数据均为平均值）（以上数据均为平均值）数据记录数据记录实验（实验（2）数据记录数据记录实验（实验（3）次数次数123456探针1电压000000探针2电压188188192194190188t31.0031.0031.0031.0030.0031.00R=1k（mv）（s）R=10k（mv）（s）次数次数123456探针1电压000000探针2电压180180188186190186t340.0330.0320.0330.0330.0330.0数据记录数据记录实验（实验（4）次数次数1234567t（s）26.4026.8026.4026.8027.6026.4026.40（数据（数据5偏差过大，处理数据时舍去）偏差过大，处理数据时舍去）数据处理数据处理实验（实验（3）当当R=1k半衰期平均值半衰期平均值 t1=185.00/6=30.833s时间常数时间常数 1=t1/2=44.483s当当R=10k半衰期平均值半衰期平均值 t2=1980.0/6=330.00s时间常数时间常数 2=t2/2=476.09s结论结论实验（实验（3）当当R=1k时间常数理论值时间常数理论值 t1=RC=47s相对误差相对误差=（1-t1）/t1=-5.36%当当R=10k时间常数理论值时间常数理论值 t2=RC=470s相对误差相对误差=（2-t2）/t2=1.30%数据处理数据处理实验（实验（4）振荡周期平均值振荡周期平均值 t=159.2/6=26.53结论结论实验（实验（4）振荡周期理论值计算振荡周期理论值计算 T=2/w T=24.8s 相对误差相对误差=（t-T）/T=6.98%谢谢！