示波器原理使用与声速测量

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示波器的原理和使用及声速测量一．实验目的（1）了解示波器的基本结构及其工作原理，学习并掌握示波器的基本使用方法（2）学习电信号有关参数的基本概念，使用示波器观察波形并进行测量(3)了解声波在空气中传播速度和气体状态参量的关系(4) 了解超声波产生和接受的原理，学习用相位法测量空气中的声速二．实验原理(1)示波器原理框图示波器按显示方式可分为阴极射线示波管和液晶显示两种。

阴极射线示波器一般包括示波管、竖直放大器、水平放大器、扫描发生器、触发同步和直流电源等。

(2)示波器基本结构示波管为示波器的主要部分，包括电子枪、偏转系统和荧光屏三部分，全部密封在真空玻璃外壳内。

电子枪由灯丝、阴极、控制栅极、第一阳极及第二阳极组成。

灯丝加热表面涂有氧化物的阴极，使其发射电子。

因控制栅极电位比阴极低，初速度较大的电子才能通过控制栅极，示波器上的亮度就是通过调整栅极电位来控制的。

阳极电位比阴极电位高很多，电子被阴阳极间的电场加速而形成阴极射线。

当控制栅极、第一阳极及第二阳极的电位调节合适时，射线收到聚焦。

所以第一阳极也称聚焦阳极，而第二阳极电位更高，称为加速阳极。

荧光屏上涂有荧光粉，电子打上去能发出荧光，形成光斑。

性能较好的示波管中，荧光屏玻璃内表面直接刻有坐标刻度，荧光粉紧贴坐标刻度以消除视差。

(3)示波器显示波形的原理竖直偏转板上加交变正弦电压使电子竖直运动，水平偏转板上加锯齿波扫描电压，使电子水平运动。

而电子的运动是竖直方向和水平方向的合成，所以当竖直偏转板电压与水平偏转板电压的周期相等时，在荧光屏上能显示出完整周期的波形图(4)同步触发(5)李萨如图形的基本原理如果示波器的X和Y输入是频率相同或成简单整数比的两个正弦电压，则屏上的光点将呈现特殊形状的轨迹，这种轨迹图称为李萨如图形。

如果做一个限制光点x、y方向变化范围的假想方框，则图形与此框相切时，横边上的切点数nx与竖边上的切点数ny之比恰好等于Y和X输入的两正弦信号的频率之比。

即：fy:fx=nx:ny，若有端点与假想边框相接时，应把一个端点记为1/2个切点。

利用李萨如图形能方便得比较出两个正弦信号的频率。

(6)声速测量（1）理想气体中声波的传播速度为其中，γ为比热容比，Ｍ是气体的摩尔质量，Ｔ是绝对温度，Ｒ＝8.31441J/(mol·K)。

（2）在室温t下，干燥空气中的声速为，其中v0为标准状况下干燥空气声速，为331.5m/s。

（3）但实际中空气并不是干燥的，所以修正的结果为其中，r为相对湿度，ps为饱和蒸汽压，。

三．实验仪器（1)SS-7802双踪示波器实验用SS-7802双踪示波器能够同时测量频率在20MHz范围内的两个电压信号。

借助于电子开关可将两个信号交替加到示波管的Y偏转板上，当电子开关的频率足够高时，在屏上可以同时得到两个信号。

其基本使用方式如下。

1.X方式选择按键(HORIZ DISPLAY)：通常选“A”方式，需要显示李萨如图时选择“Ｘ-Y”，此时CH-1为X输入，CH-2为Y输入。

：通常选“AUTO”方式。

2.触发方式选择按键(SWEEP MODE)3.打开信号通道，如果信号线插在CH1通道，按下“CH1”键，使屏幕左下方显示“1：”，如果信号线插在CH2通道，按下“CH2”键，使屏幕左下方显示“2：”，注意，“2：”前不能出现“+”号，如果出现“+”，请看第10步。

4.如果屏幕正上方有“TV”字符显示，按下“TV”键，将该功能取消。

5. 按下藕合方式开关键(COUPLING)，可能要多次，通常设置为“AC”方式（在屏幕正上方显示字符“AC”）。

”：通常设置为与信号输入相同的通道（如果信6.触发源选择按键“SOURCE号线插在CH1通道，就设置为“CH1”方式，屏幕正上方显示“CH1”字符，如果信号线插在CH2通道，就设置为“CH2”方式，屏幕正上方显示“CH2”字符）。

7. 按下触发极性按键“SLOPE”：通常选上边沿触发方式“+”(屏幕正上方)。

8.若有“MAG”字符显示于屏幕的右下角。

按“MAG×10”键将该功能取消。

9.CH1、CH2通道不能接地（即屏幕下方无“⊥”显示）,若出现“⊥”则按相应通道的“GND”键取消。

10.若有“+”显示于屏幕的左下角，在“2：”前，按“ADD”键将其取消。

11.若有“↓”显示于屏幕的左下角，在“2：”后，按“INV”键将其取消。

12.若有“〉”显示于屏幕的左上角，在“A”后，按压时间调节旋纽（TIME/DIV）将其取消。

13.若有“〉”显示于屏幕的左下角，按压相应通道的幅度调节旋纽（VOLTS/DIV）将其取消。

14.调节旋钮“TRIG LEVEL”，时它左边第二行的灯“TRIG’D”变亮，至于第一行的灯“READY”亮不亮都没关系。

15.旋转输入信号所在通道的幅度调节旋钮“VOLTS/DIV”，把信号波形调节到适合观察的大小。

16.旋转时间扫描速率旋钮“TIME/DIV”, 把信号波形调节到适合观察的疏密程度。

（2）函数信号发生器TFG1005型函数信号发生器，可以输出正弦波、方波、三角波等，其频率连续可调，范围为10Hz-2MHz，信号幅度连续可调，最大可达20V。

详细操作参见实验室资料。

四．实验步骤1．观察波形从自制多波形信号发生器输出正弦波、方波、三角波和尖脉冲四种波形。

分别用示波器测出其正弦波输出幅度的有效值，方波幅度的峰峰值，三角波的周期，尖脉冲的频率。

2. 观察李萨如图形（1）将频率耦合信号发生器的两个正弦信号输入到示波器上，调出fx：fy=1：1和2：1的稳定的李萨如图形。

观察并记录相位差为0，π/4，π/2，3π/4，π时的图形形状。

（2）将自制信号源和函数信号发生器的正弦信号分别输入到示波器的两输入端，调出频率比为1：1的李萨如图，并由此定出自制信号源正弦波信号的频率。

3.测量声速（1）连接电路，将函数信号发生器的输出与超声波发射器的输入端及示波器的通道1连接；将超声波接收器的输出端与示波器的通道2连接。

函数型号发生器置于正弦波输出，其频率范围置于100kHz左右，输出幅度调到10V左右。

（2）用示波器观察加在声波发射器上的电信号与超声波接收器输出的电信号，先将函数信号发生器的频率调节到40kHz左右，然后细条频率，使接收器输出信号最大。

记录下此频率，即为超声波频率。

实验过程中信号频率若有改变，记下最大值、最小值，最后取平均值。

（3）用相位法测波长。

利用李萨如图形找出同相点来求波长。

为了提高精度，可采用逐差法处理数据。

（4）把理论值与实验值进行比较。

在测量开始和结束时，要先后记录室温，以及相对湿度，并查出平均室温对应的饱和蒸气压。

若温度不是整数，按线性内插法求出准确地饱和蒸气压。

然后计算理论值，与实验测得的声速值比较。

4.根据电容充放电原理，研究方波与三角波之间的关系从电容器的充放电波形到三角波。

用函数信号发生器输出方波u，加在由RC 组成的电路上。

用示波器同时观察u和uc。

然后改变R或f,观察并记录变化规律及其变化前后的频率、电阻及电容等参数。

五．数据处理1.观测波形(1) 正弦波U=Umsinwt，Um=1/2Upp光标法Upp/V 分度法Upp/V 计算Ueff/V 周期 T/ms 计算f/kHz 正弦波 2.685 2.62 0.949 0.644 1.552方波7.34 7.3 3.67 0.642 1.565三角波 3.88 3.9 2.24 0.644 1.562尖峰波 6.42 6.45 0.642 1.566 所以Ueff==0.949V，f=1/T=1.552kHz(2) 方波U=Um (0<t<T/2)U=-Um (T/2<t<T) Um=1/2UppUeff=Um=1/2Upp=3.67Vf=1/T=1.565kHz(3) 三角波Ueff==2.24Vf=1/T=1.562kHz(4) 尖峰波f=1/T=1.566kHz2.观测李萨如图（1）fx=fy=1000Hz序号i Xi/mm Xi+10/mm Li=Xi+10-Xi/mm1 9.04 96.67 87.632 17.84 105.45 87.613 26.75 114.11 87.364 35.54 122.94 87.405 44.36 132.03 87.676 53.04 140.98 87.947 61.80 149.69 87.898 70.72 158.45 87.739 79.45 166.91 87.4610 88.08 175.64 87.563.自制信号源正弦波频率为 1.596kHz4.测声速测量前温度t1=30.0℃，相对湿度r1=27.0％测量后温度t2=30.1℃，相对湿度r2=27.2％超声波频率f=40068.7Hz考虑不确定度f=（40.069±0.01）kHz10x==87.625mmS10x=0.033505Δ10x==0.0487mm所以x=8.7625±0.049mmV=f*x=351.1m/sΔv==2.1m/s所以v=（351.1±2.1）m/st=30℃，r=27.1%，查表可知Ps=0.424*105Pa理论值v=331.5=349.8m/s相对偏差α==0.36％相对误差很小，所以可以使用相位法测声速六．实验中的问题（1）图形不稳定，此时应选用适当的时间分度TIME/DIV和电压分度VO2Ts/DIV，触发源source选择在稳定的输入信号端(2)打开示波器后发现屏幕上既看不到扫描线又看不到光点，此时应调节亮度旋钮增加光点亮度，将电压档旋钮和垂直水平位置旋钮调节一下，以防止信号输入端信号幅度较大而超出了当前Y轴量不足。

示波器的原理与应用声速测量

实验2示波器的原理与应用仪器使用见课本P35-39页之附录2-A和附录2-B.五．实验数据记录和数据处理见课本P34页【预备问题】1．从CH1通道输入1V、1KHz正弦波，如何操作显示该信号波形？（看P30五个要点口诀）提示：调节亮度、聚焦、↕位置和↔位置旋钮指针垂直居中，按“AUTO”、“A”和“CH1”工作显示方式键，调节CH1通道的Y轴偏转因数“VOLTS/DIY”和水平扫描速率“TIME/DIV”，使波形大小适中（即波形显示2～3个周期、峰峰幅度4～5格)，按“source”键置CH1或VERT触发，旋转“TRIＧLEVER”旋钮使波形触发同步显示稳定。

2．当波形水平游动时，如何调节使波形稳定？提示1：按“source”键置VERT，调节TRIＧLEVER旋钮触发同步使波形稳定。

提示2：（关闭“MAG”X轴放大，消去“TV”所有触发信号，选择“触发耦合COUPLE”为“AC”触发耦合，）根据波形输入通道，选择触发同步的“触发源source”置“VERT”，调节触发电平“TRIG LEVEL”，使其左下指示灯“TRIG’D”亮，则波形稳定。

3．如何测量波形的幅度、周期和频率？（写出间距法的测量公式）提示：（P33）用屏幕上的刻度尺分别测出波形峰峰（峰位到谷位）的垂直距离y和波形一个周期的水平距离x，则峰峰电压U PP= y（cm）×偏转因数k（V/cm），周期T= x (cm) ×扫描速度p（ms/cm），频率f =1/T（Hz）4．调节什么旋纽使李萨如图稳定？提示：示波器在“x-y”工作方式时“触发同步”调节不起作用；李萨如图的稳定性与Y、X两路正弦信号的频率比有关，调节两路信号的频率比为简单的整数比，李萨如图才会稳定。

【思考题】1．当示波器出现下面不良波形时，请选择合适的操作方法，使波形正常。

（1（2（3（4可选填：①调大“偏转因数（VOLTS/DIV）”；②调小“偏转因数”；③调大“扫描速率（TIME/DIV）”；④调小“扫描速率”；⑤水平显示置“A”（常规）方式；⑥水平显示置“X-Y”方式。

声速测量实验报告声速测量实验数据

声速测量实验报告声速测量实验数据一、实验目的1、了解声速测量的基本原理和方法。

2、学会使用驻波法和相位比较法测量声速。

3、掌握示波器、信号发生器等仪器的使用方法。

4、培养实验数据处理和误差分析的能力。

二、实验原理1、驻波法声波在空气中传播时，入射波与反射波相互叠加形成驻波。

在驻波系统中，相邻两波节（或波腹）之间的距离为半波长的整数倍。

通过测量相邻两波节（或波腹）之间的距离，就可以计算出声波的波长，再根据声波的频率，即可求得声速。

2、相位比较法发射波和接收波通过示波器显示时，其振动相位存在差异。

当改变接收端的位置，使发射波和接收波的相位差发生变化。

当相位差为 0 或π时，示波器上的图形会出现直线，通过测量两个直线位置之间的距离，即可求出波长，进而得到声速。

三、实验仪器1、信号发生器2、示波器3、声速测量仪（含超声换能器）4、游标卡尺四、实验步骤1、驻波法测量声速（1）按图连接好实验仪器，将超声换能器 S1 和 S2 分别接入信号发生器和示波器。

（2）调节信号发生器的输出频率，使示波器上显示出稳定的正弦波。

（3）缓慢移动S2，观察示波器上的波形变化，当出现振幅最大时，即为波腹位置，记录此时 S2 的位置 x1。

（4）继续移动S2，当示波器上的波形振幅最小时，即为波节位置，记录此时 S2 的位置 x2。

（5）重复上述步骤，测量多组数据，计算相邻波腹（或波节）之间的距离，取平均值作为波长λ。

2、相位比较法测量声速（1）连接好实验仪器，将示波器置于“XY”工作方式。

（2）调节信号发生器的频率，使示波器上显示出李萨如图形。

（3）缓慢移动 S2，观察李萨如图形的变化，当图形由椭圆变为直线时，记录此时 S2 的位置 x3。

（4）继续移动 S2，当图形再次变为直线时，记录此时 S2 的位置x4。

（5）重复上述步骤，测量多组数据，计算 x3 和 x4 之间的距离，取平均值作为波长λ。

五、实验数据1、驻波法测量数据｜测量次数｜波腹位置 x1（mm）｜波节位置 x2（mm）｜相邻波腹（或波节）距离Δx（mm）｜｜｜｜｜｜｜ 1 ｜ 3520 ｜ 6850 ｜ 3330 ｜｜ 2 ｜ 4250 ｜ 7580 ｜ 3330 ｜｜ 3 ｜ 5020 ｜ 8350 ｜ 3330 ｜｜ 4 ｜ 5800 ｜ 9130 ｜ 3330 ｜｜ 5 ｜ 6580 ｜ 9910 ｜ 3330 ｜平均值：Δx ＝ 3330mm2、相位比较法测量数据｜测量次数｜第一次直线位置 x3（mm）｜第二次直线位置 x4（mm）｜波长λ（mm）｜｜｜｜｜｜｜ 1 ｜ 2560 ｜ 5890 ｜ 3330 ｜｜ 2 ｜ 3280 ｜ 6610 ｜ 3330 ｜｜ 3 ｜ 4000 ｜ 7330 ｜ 3330 ｜｜ 4 ｜ 4720 ｜ 8050 ｜ 3330 ｜｜ 5 ｜ 5440 ｜ 8770 ｜ 3330 ｜平均值：λ ＝ 3330mm六、数据处理已知实验中信号发生器的输出频率 f ＝ 3500kHz，根据公式 v ＝fλ，可得声速 v：驻波法：v ＝fΔx ＝ 3500×10³Hz×3330×10⁻³m ＝ 11655m/s相位比较法：v ＝fλ ＝ 3500×10³Hz×3330×10⁻³m ＝ 11655m/s七、误差分析1、仪器误差（1）游标卡尺的精度有限，可能导致测量的距离存在误差。