《大学物理实验》课程教学资源（教案）示波器的使用

大学物理实验教案示波器的使用实验题目实验性质4教师唐琳基本实验实验学时1、了解双通道示波器的基本结构和工作原理，学会正确使用示波器。2、掌握用示波器观察各种电信号波形，测量电压和频率的方法。教学目的3、掌握观察李萨如图形的方法，并能用李萨如图形测量未知正弦信号的频率重点示波器面板控制键的作用和使用方法，测量原理难点双通道示波器的结构和工作原理课前的准备：1.仪器设备的检查。需要对CH1，CH2灵敏度开关和扫描速率转换时间的掌握：留由5分钟机动的时间。开关进行校准。2.实验的预做（采集三组以上数据进行处理）。3.作出数据表格设计的参考。课上教学的设计：一、课上的常规检查（预习报告、数据表格的设计等）。(5分钟)二、讲解的设计(35分钟）教1、引言学示波器是一种用途广泛的电子测量仪器，用它能直接观测电信号过的波形，也能测量电信号的幅度、周期和频率等参数。用双踪示波器程的还可以测量两个信号之间的时间差或相位差。凡是可以转化为电压信设号的电学量和非电学量都可以使用示波器进行观测。示波器是从事电计路设计和电子制作人员必不可少的工具，也是从事科学研究的常用仪器。2、提出本实验的目的与任务，讲授为完成本实验设计思想和设计原则实验原理1.示波器的基本结构示波器的基本组成部分有示波管、X轴放大器、Y轴放大器、扫描发生器（锯齿波发生器）、触发同步和电源等，其结构方框图如图3-10-1所示。为了适应各种测量的要求，示波器的电路组成是多样而复杂的，这里仅就主要部分加以简单介绍

大 学 物 理 实 验 教 案 实验题目 示波器的使用 实验性质 基本实验 实验学时 4 教师 唐琳 教学目的 1、了解双通道示波器的基本结构和工作原理，学会正确使用示波器。 2、掌握用示波器观察各种电信号波形，测量电压和频率的方法。 3、掌握观察李萨如图形的方法，并能用李萨如图形测量未知正弦信号的频率。 重 点 示波器面板控制键的作用和使用方法，测量原理 难 点 双通道示波器的结构和工作原理 教 学 过 程 的 设 计 课前的准备： 1.仪器设备的检查。需要对 CH1，CH2 灵敏度开关和扫描速率转换 开关进行校准。 2.实验的预做（采集三组以上数据进行处理）。 3.作出数据表格设计的参考。 课上教学的设计： 一、课上的常规检查 （预习报告、数据表格的设计等）。 (5 分钟) 二、讲解的设计 (35 分钟) 1、引言 示波器是一种用途广泛的电子测量仪器，用它能直接观测电信号 的波形，也能测量电信号的幅度、周期和频率等参数。用双踪示波器 还可以测量两个信号之间的时间差或相位差。凡是可以转化为电压信 号的电学量和非电学量都可以使用示波器进行观测。示波器是从事电 路设计和电子制作人员必不可少的工具，也是从事科学研究的常用仪 器。 2、提出本实验的目的与任务，讲授为完成本实验设计思想和设计 原则 实验原理 1．示波器的基本结构 示波器的基本组成部分有示波管、X 轴放大器、Y 轴放大器、扫 描发生器（锯齿波发生器）、触发同步和电源等，其结构方框图如图 3-10-1 所示。为了适应各种测量的要求，示波器的电路组成是多样而 复杂的，这里仅就主要部分加以简单介绍。 时间的掌握：留由 5 分 钟机动的时间

Y轴输入Y放大内5717中：外触发复生糖o亮度用助聚焦X放大电源X轴翰入图3-10-1示波器结构示意图2.扫描发生器与波形显示原理如果仅在Y轴上加上一个交变正弦电压信号，则电子束在荧光屏上产生的亮点将随电压的变化在竖直方向来回运动。当电压频率较高时，由于视觉暂留和屏幕余辉作用，则看到的是一条垂直亮线，如图3-10-2所示。同样，如果仅仅在X轴加上一个交变电压信号，则会看电压波形显示图形到一条水平亮线。只加竖直偏转电压的情形图要能显示波形，必须在Y轴上加上一个交变正弦电压信号同时在X轴上加一扫描电压。扫描电压的特点是电压随时间线性地增加到最大值，然后回到最小，再重复地变化。这种扫描电压随时间的变化关系形同锯齿，故称“锯齿波电压”。如果在竖直偏转板上加正弦电压，同时在水平偏转板上加锯齿波电压，则光斑将在竖直方向作简谐振动的同时还沿水平方向作匀速运动。这两个运动的叠加使光斑的轨迹为一正弦曲线。当锯齿波电压和正弦电压周期相同时，在屏幕上将显示出一个完整的所加正弦电压的波形图，如图3-10-4所示。如果锯齿波电压的周期是正弦波电压周期的n（n为整数）倍，荧光屏上将显示n个完整的正弦波形。讲图形叠加法扫描原理图

图 3-10-1 示波器结构示意图 2．扫描发生器与波形显示原理 如果仅在 Y 轴上加上一个交变正弦电压信号，则电子束在荧光屏 上产生的亮点将随电压的变化在竖直方向来回运动。当电压频率较高 时，由于视觉暂留和屏幕余辉作用，则看到的是一条垂直亮线，如图 3-10-2 所示。同样，如果仅仅在 X 轴加上一个交变电压信号，则会看 到一条水平亮线。 只加竖直偏转电压的情形图 要能显示波形，必须在 Y 轴上加上一个交变正弦电压信号同时在 X 轴上加一扫描电压。扫描电压的特点是电压随时间线性地增加到最 大值，然后回到最小，再重复地变化。这种扫描电压随时间的变化关 系形同锯齿，故称“锯齿波电压”。 如果在竖直偏转板上加正弦电压， 同时在水平偏转板上加锯齿波电压，则光斑将在竖直方向作简谐振动 的同时还沿水平方向作匀速运动。这两个运动的叠加使光斑的轨迹为 一正弦曲线。当锯齿波电压和正弦电压周期相同时，在屏幕上将显示 出一个完整的所加正弦电压的波形图，如图 3-10-4 所示。如果锯齿波 电压的周期是正弦波电压周期的 n（n 为整数）倍，荧光屏上将显示 n 个完整的正弦波形。 扫描原理图 讲图形叠加法

3.触发同步电路与同步原理UyI-TyLU-Ix=-ty1图3-10-5T./T,=7/8时显示的波形如果所加正弦电压和锯齿波电压的周期稍有不同，屏幕上出现的是一移动着的不稳定图形，这种情形可用图3-10-5说明。设锯齿波电压的周期Tx比正弦波电压的周期T稍小，比方说Tx/T,=7/8。在第一扫描周期内，屏幕上显示正弦信号0～1间的曲线段，起点在0：在第二周期内，显示1～2之间的曲线段，起点在1处：第三周期内，显示2～3点之间的曲线段，起点在2'处。这样屏幕上每次显示的波形都不重叠，好像波形在向右移动。同理，如果Tx比T，稍大，则波形向左移动。为了获取一定数目的完整波形，示波器上设有“扫描速率"转换开关和“扫描微调旋钮，用来调节锯齿波电压的周期，使之与被测信号的周期成适当的关系，从而在屏幕上得到所需稳定的被测波形。如果输入Y轴的被测信号与示波器内部的扫描电压是完全独立的，由于环境和其它因素（如工作电源电压起伏、电路元件热扰动等）的影响，它们的周期会发生微小的改变。这时，虽可通过调节扫描微调将周期调到整数倍关系，但过一会又变了，波形又移动起来。在观察高频信号时，这个问题尤为突出。为此示波器内设有触发同步电路，从Y轴电压放大器中取出部分待测信号去控制（触发）锯齿波电压发生器，使锯齿波电压的扫描起点自动随着被测信号改变，以保持扫描周期与被测信号周期的整数倍关系，从而使正弦波稳定，面板上的触发“电平”调节旋钮即为此而设，适当调节该旋钮可使波形稳定。为了达到“同步”目的，一般采用三种方式：“内同步”（或称为“内触发")：将待测信号一部分加到扫描发生器，当待测信号频率有微小变化，它将迫使扫描频率追踪其变化，保证波形的完整稳定；“外同步”：从外部电路中取出信号加到扫描发生器，迫使扫描频率f变化，保证波形的完整稳定：“电源同步”：同步信号从电源变压器获得。-

3. 触发同步电路与同步原理 图 3-10-5 Tx / Ty＝7/8 时显示的波形 如果所加正弦电压和锯齿波电压的周期稍有不同，屏幕上出现的 是一移动着的不稳定图形，这种情形可用图 3-10-5 说明。设锯齿波电 压的周期 Tx 比正弦波电压的周期 Ty 稍小，比方说 Tx / Ty＝7/8。在第 一扫描周期内，屏幕上显示正弦信号 0～1 间的曲线段, 起点在 0’；在 第二周期内，显示 1～2 之间的曲线段，起点在 1’处；第三周期内，显 示 2～3 点之间的曲线段，起点在 2’处。这样屏幕上每次显示的波形 都不重叠，好像波形在向右移动。同理，如果 Tx 比 Ty 稍大，则波形 向左移动。 为了获取一定数目的完整波形，示波器上设有“扫描速率”转换开 关和“扫描微调”旋钮，用来调节锯齿波电压的周期，使之与被测信号 的周期成适当的关系，从而在屏幕上得到所需稳定的被测波形。 如果输入 Y 轴的被测信号与示波器内部的扫描电压是完全独立 的，由于环境和其它因素(如工作电源电压起伏、电路元件热扰动等) 的影响，它们的周期会发生微小的改变。这时，虽可通过调节扫描微 调将周期调到整数倍关系，但过一会又变了，波形又移动起来。在观 察高频信号时，这个问题尤为突出。为此示波器内设有触发同步电路， 从 Y 轴电压放大器中取出部分待测信号去控制（触发）锯齿波电压发 生器，使锯齿波电压的扫描起点自动随着被测信号改变，以保持扫描 周期与被测信号周期的整数倍关系，从而使正弦波稳定，面板上的触 发“电平”调节旋钮即为此而设，适当调节该旋钮可使波形稳定。 为了达到“同步”目的，一般采用三种方式：“内同步”（或称为“内 触发”）：将待测信号一部分加到扫描发生器，当待测信号频率 fy 有微 小变化，它将迫使扫描频率 fx 追踪其变化，保证波形的完整稳定；“外 同步”：从外部电路中取出信号加到扫描发生器，迫使扫描频率 fx 变化， 保证波形的完整稳定；“电源同步”：同步信号从电源变压器获得。一

般在观察信号时，都采用“内同步”。5.李萨育图形的基本原理如果示波器的X轴和Y轴分别输入的是频率相同或成简单整数比的两个正弦电压，则示波屏上的光点将呈现特殊形状的轨迹，这种轨迹图称为李萨育图形。图3-10-6所示为f：f=2：1的李萨育图形。频率比不同时将出现不同的李萨育图形，若两频率不成简单的整数比关系，图形将十分复杂，甚至模糊一片。如图3-10-7所示为频率成简单的整数比关系的几种李萨育图形。从图形中可总结出如下规律：f.f,_1f2(b)a(cJ1f1f2()435_3J_4(e)fiJ213图3-10-65万：k=2:1的李萨育图形图3-10-7JK=nx：ny的李萨育图形如果做一假想方框（图3-10-7中虚线框），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轴和X轴输入的两正弦信号的频率之比，即n_Jn,f.但若出现图（b）或图（）所示的图形，有端点与假想边框相接时，应在竖边、横边各计为1/2个切点。所以利用李萨育图形能方便地得出两个正弦信号的频率比。若已知其中一个信号的频率，数出图上的切点数nx和ny，便可算出另一待测信号的频率

般在观察信号时，都采用“内同步”。 5. 李萨育图形的基本原理 如果示波器的X轴和Y轴分别输入的是频率相同或成简单整数比 的两个正弦电压，则示波屏上的光点将呈现特殊形状的轨迹，这种轨 迹图称为李萨育图形。图 3-10-6 所示为 fy : fx=2 : 1 的李萨育图形。频 率比不同时将出现不同的李萨育图形，若两频率不成简单的整数比关 系，图形将十分复杂，甚至模糊一片。如图 3-10-7 所示为频率成简单 的整数比关系的几种李萨育图形。从图形中可总结出如下规律： 图3-10-6 fy : fx = 2 : 1 的李萨育图形 图3-10-7 fy : fx = nx : ny的李 萨育图形 如果做一假想方框（图 3-10-7 中虚线框），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 轴和 X 轴输 入的两正弦信号的频率之比，即 x y y x n f n f = 但若出现图（b）或图（ f ）所示的图形，有端点与假想边框相接时， 应在竖边、横边各计为 1/2 个切点。所以利用李萨育图形能方便地得 出两个正弦信号的频率比。若已知其中一个信号的频率，数出图上的 切点数 nx和 ny，便可算出另一待测信号的频率

3、实验的拓展：（由本实验的完成深化和延伸所学的知识，启发学生利用现有的设备拓展出新的实验内容，培养学生的创新思维和创新能力。）1)、利用示波器观察拍现象并测拍频。2)、利用示波器显示二极管伏安特性曲线。3）、混沌现象的观察。4)、测量转速4.数据的测量与处理要求列表处理数据5.介绍主要仪器设备与使用6.强调实验中要注意的问题1.测量信号电压和周期时，一定要将电压衰减旋钮的微调和扫描速率的微调顺时针旋到底。2.示波器输入信号的电压请勿超过规定的最大值。3.为延长荧光屏使用寿命，波形显示的亮度要适中。4.处于X一Y方式时，不要使用×10MAG功能，以避免波形中有干扰信号产生。5.示波器暂时不用时，不必关机，只须将“辉度”调暗一些。6.示波器上所有开关和旋钮都有一定的调节范围，调节时不可用力过猛。三、学生的实验开始(120分钟）四、指导实验实验前30分钟不解答问题，给学生自己理解消化的时间，30分钟后边指导边提出一些问题启发学生解答.重点辅导：五、检查实验的结果，签字六、实验小结（实验结束前的10分钟）1、实验中如何减小测量误差？2、拓展题目完成的意义。课1.为什么波形能稳定而李萨育图形总稳定不下来？后2.李萨育图形法测量两同频率信号的相位差如何保证图形中心轴对称思3.如果打开示波器电源后，看不到扫描线也看不到光点，可能有那些原因？考题

3、实验的拓展：(由本实验的完成深化和延伸所学的知识，启发学 生利用现有的设备拓展出新的实验内容,培养学生的创新思维和创新 能力。) 1）、利用示波器观察拍现象并测拍频。 2）、利用示波器显示二极管伏安特性曲线。 3）、混沌现象的观察。 4）、测量转速 4.数据的测量与处理 要求列表处理数据. 5．介绍主要仪器设备与使用 6．强调实验中要注意的问题 1.测量信号电压和周期时，一定要将电压衰减旋钮的微调和扫描 速率的微调顺时针旋到底。 2. 示波器输入信号的电压请勿超过规定的最大值。 3. 为延长荧光屏使用寿命，波形显示的亮度要适中。 4. 处于 X－Y 方式时，不要使用×10MAG 功能，以避免波形中 有干扰信号产生。 5. 示波器暂时不用时，不必关机，只须将“辉度”调暗一些。 6. 示波器上所有开关和旋钮都有一定的调节范围，调节时不可用 力过猛。 三、学生的实验开始 (120 分钟) 四、指导实验 实验前 30 分钟不解答问题,给学生自己理解消化的时间,30 分钟 后边指导边提出一些问题启发学生解答.重点辅导: 五、检查实验的结果,签字 六、实验小结 （实验结束前的 10 分钟） 1、实验中如何减小测量误差？ 2、拓展题目完成的意义。 课 后 思 考 题 1. 为什么波形能稳定而李萨育图形总稳定不下来？ 2. 李萨育图形法测量两同频率信号的相位差如何保证图形中心轴对称？ 3. 如果打开示波器电源后，看不到扫描线也看不到光点，可能有那些原因?

参考文献1.《大学物理实验》，赵黎、王丰等编，复旦大学出版社，出版时间2012年5月《物理实验》教案(示波器的使用）唐琳武汉理工大学一一理学院物理实验中心

参 考 文 献 1.《大学物理实验》， 赵黎、王丰等编， 复旦大学出版社，出版时间 2012 年 5 月 《物理实验》教案 （示波器的使用） 唐 琳 武汉理工大学——理学院物理实验中心