基础物理实验数字示波器实验报告201903.pdf

数字示波器的使用 实验报告 姓 名： 学 号： 座 位 号： 指 导 教 师： 报 告 箱 号： 实 验 日 期： 年 月 0 日星期 第 节 数字示波器的使用 预习提示：完整地学习使用某一仪器的最好方法一般是对照着用户手册，按照提示一步一步地操作，并观 察记录实验现象和结果，思考自己所完成的仪器操作的作用。但初次接触像示波器这样的通用仪器， 一方面，我们不可能在短时间内学会其所有的操作；另一方面，通用仪器的各种功能之间并不一定有 直接的相互关联，我们可以选择其中的部分功能进行学习，其他功能可以留到以后用到时再参考用户 手册来学习和实践。实验预习时，学生可以粗读用户手册中与实验内容相关的章节（第一章和第二章） ， 知道有关功能/操作大致是哪些步骤、可以得到哪些结果。千万不要尝试去“背诵”用户手册的某个章节 甚至整本用户手册。 实验目的： 预习作业： 1. 示波器是一个什么样的仪器？它有哪些应用？ 2. 本实验所用数字示波器的电压显示范围 Vpp 是_________；若待测量信号的 Vpp 小于此值，则可将信号 直接接到数字示波器的信号输入端（通道 1 或通道 2） ；若待测量信号的 Vpp 大于此值，则需用示波器 10:1 衰减探头，且在探头线___________开关打开的情况下才能将信号接入示波器。 信号接入示波器之后，如果发现信号幅度纵向只占屏幕的很小部分或上下均超出屏幕显示范围，应调 节相应通道的________旋钮；若信号纵向偏离屏幕中心位置，则应调节相应通道的_________旋钮。若 屏幕上显示的信号周期数太少或太多，则应调节该通道的________旋钮。 若屏幕上显示的信号一直在左右移动，很可能是因为_________源/模式选择或________电平设置不当。 （本题可在实验过程中完成）电压档位显示在液晶屏的_________位置，时基档位显示在液晶屏的 _________位置，触发源和触发模式选择显示在液晶屏的________位置。 （本题可在实验过程中完成）屏幕上，信号电压的零点由显示屏________位置的_______符号来指示。 信号以直流耦合方式输入时的指示符号是________；信号以交流耦合方式输入时的指示符号是 ________。 3. 4. 5. 6. 1 实验内容： 提醒：实验开始前请按示波器面板上的【默认设置】键，使示波器恢复出厂设置。 第一部分：认识数字示波器的三个系统：垂直系统、水平系统、触发系统 用两端均为 BNC 端口的导线连接函数信号发生器的 CH1（电压输出）和数字示波器通道 1，导线连接 好后，执行【自动】测量。 （一） 垂直系统： “伏/格”旋钮、 “位置”旋钮的功能观测。 1） 调节电压档位调节旋钮“伏/格”（VOLTS/DIV），观测并记录电压档位及波形的变化情况。注意示波器 操作面板中位置 13 所示电压档位的变化。 请回答下列问题： A） 顺时针旋转“伏/格”旋钮，一个格子（DIV）表示的电压是变大还是变小，变化间距有规律吗？逆时 针呢？“伏/格”旋钮的调节范围是多大？ B） 将“伏/格”旋钮按一下，再进行上述观测，是否有新的发现？ C） 当调节“伏/格”旋钮时，信号波峰到波谷在屏幕上所占格子数是否有变化？在调节过程中信号的峰峰 值有变化吗？如果有，请描述你所看到的现象，并思考原因。 2） 调节垂直系统控制区通道 1 的“位置”旋钮，观测并记录波形的变化情况。 请回答下列问题： A) 当旋转“位置”旋钮时，信号在水平轴上有变化吗？ B) 当旋转“位置”旋钮时，信号在竖直轴上有变化吗？ C) 当调节“位置”旋钮时，信号的峰峰值会变吗？信号的平均值会变吗？ D) 当调节“位置”旋钮时，屏幕左侧通道标识“1 变化吗？ ”在屏幕上的位置有变化吗？在波形上的相对位置有 E) 按一下该旋钮，有什么新的发现？ 2 （二） 水平系统“秒/格”旋钮、 “位置”旋钮的功能观测 1） 调节时基档位调节旋钮“秒/格” （SEC/DIV） ，观测并记录时基档位及波形的变化情况。注意观测示波器 操作面板中位置 11 所示时基档位的变化。 请回答下列问题： A） 当顺时针旋转“秒/格”旋钮时，一个格子（DIV）表示的时间是变大，还是变小？变化间距有规律吗？ 逆时针呢？“秒/格”旋钮的调节范围是多大？ B） 当调节“秒/格”旋钮时，信号一个周期在屏幕上所占格子数是否有变化？在调节过程中信号的频率有 变化吗？如果有，请描述你所看到的现象，并思考其原因。 C） 按一下该旋钮，有什么新发现？ D） 若时间档位和信号频率已知，你能估算出屏幕上信号的周期数吗？ 2） 调节水平系统控制区的“位置”旋钮，观测并记录波形的变化情况。 请回答下列问题： A） 当旋转“位置”旋钮时，信号在水平方向有变化吗？ B） 当旋转“位置”旋钮时，信号在竖直方向有变化吗？ C） 当调节“位置”旋钮时，信号的周期会变吗？信号的频率会变吗？ D） 当调节“位置”旋钮时，屏幕上方水平触发位置标志“T”在波形上的相对位置有变化吗？ E） 按一下该旋钮，有什么新发现？ （三） 触发系统： “触发电平”旋钮的功能观测 按下【触发菜单】按钮，确认当前的触发设置是：边沿触发、CH1 为触发源、上升沿触发。然后 调节“触发电平”旋钮，观测并记录波形的变化情况。 请回答下列问题： 1） 当旋转“触发电平”旋钮时，信号在水平方向上有变化吗？ 3 2） 当旋转“触发电平”旋钮时，信号在竖直方向上有变化吗？ 3） 示波器操作面板中位置 9 处所示触发电平如何变化？ 4） 屏幕左侧“T ”所示触发电平标志线（白色虚线）与信号交点的电压值有变化吗？当此虚线与信号无 交点时，你看到的波形还是稳定的吗？如果不是，请描述你看到的现象，并思考其原因。将信号换为“方 波”，你看到的信号与“正弦”波形有区别吗？ 5） 按一下该旋钮，有什么新的发现？ 第二部分：学习数字示波器的四种测量方法 待测信号：示波器自带校正信号（方波、1kHz、3V） 将示波器探头上的衰减开关设定到 1X 并将探头与示波器的通道 1 连接（参阅附录[1]和附录[2]所示面 板图示） 。操作时，将探头连接器上的插槽对准通道 1 同轴电缆插接件（BNC）上的凸键，按下后向右旋转 以拧紧探头。探头的接地鳄鱼夹与“探头元件”接地端“ 1. ”相连，探头信号端连接校正信号“ ”。 【自动】功能—利用【自动】按钮进行测量 按下【自动】按钮可得到如表 1 所列各量的自动测量结果，请记录结果。 表 1：自动测量所显示的各个量 参数名称 2. 屏幕显示结果 意义 Vpp 峰峰值。峰位电压与谷位电压的差。 Mean 平均值。整个记录内的测得电压的算术平均值。 Prd 周期。 Freq 频率。 电压档位 垂直轴上每大格所代表的电压大小。 时基档位 M 水平轴上每大格所代表的时间长度。 屏幕估读--利用屏幕刻度进行测量： 示波器屏幕读数要求：估读到最小分度格的下 一位，采用五分之一估读，估读精度为 0.04DIV， 读取的格数应为 0.04 的整数倍。 调节“伏/格”、“秒/格”、水平和垂直两个方向 的“位置”旋钮，使得一个周期的信号尽量占满屏 幕。示意图见图 1。 图 1：方波信号 4 公式：时间=格数×时基档位 电压=格数×电压档位 1) 读取一个高电平段所占时间： 一个高电平段所占格数：______________； 时基档位秒/格的设置：________________；（请勿遗漏单位） 高电平段所占时间：________________。 （请勿遗漏单位，下同。 ） 2) 读取方波的周期，并计算频率： 一个周期所占格数：______________； 时基档位秒/格的设置：________________； 方波信号的周期：________________； 信号的频率：________________。 3) 读取信号的峰峰值： 方波信号从低电平到高电平的格数：________________； 电压档位伏/格的设置：________________； 信号电压的峰峰值 Vpp：________________。 注意上述所得结果的有效位数！ 3. 【光标】功能----利用【光标】功能菜单对波形上的采样点进行坐标读取 按【光标】按钮，显示光标菜单。 按下【光标模式】选择【手动】 ； 按下【信源】选择待测通道； 按下【类型】选择【电压】 。 选中【CurA】 ，旋转【万能旋钮】调节光标 A 至方波波峰所在位置。 选择【CurB】 ，旋转【万能旋钮】调节光标 B 至方波波谷所在位置。 CurA： ，CurB： ，V： 。 按下【类型】选择【时间】 。 选中【CurA】 ，旋转【万能旋钮】调节光标 A 至方波一个周期的左边界所在位置。 选择【CurB】 ，旋转【万能旋钮】调节光标 B 至方波一个周期的右边界所在位置。 CurA： ，CurB： ，T： ，1/T： 信号峰峰值为： ，信号频率为： 。 4. 【测量】功能—利用【测量】功能菜单进行电压测试、时间测试 1）电压参数测量： 按下示波器【自动】按钮，使信号在屏幕上稳定显示。 按下【测量】进入自动测量功能菜单。 按下显示屏右侧任意按钮，进入全部测量菜单。 在【信源】菜单选择信号输入通道（本实验选择 CH1） 。 在【电压测试】菜单选择【开启】， 5 。 此时如表 2 所列的电压参数值会同时显示在屏幕上，请在表中记录结果。 表 2：电压测试显示结果 图 2：电压测量时各物理量相应图示 2）时间参数测量：（选做） 类似上述操作，在【时间测试】菜单选择【开启】 ，此时所有的时间参数值会同时显示在屏幕上，请在 表中记录结果。 表 3：时间测试显示结果 名称 测量结果 物理意义 信号源： Prd 周期 Freq 频率 +Wid 正脉宽 -Wid 负脉宽 Rise 上升时间 Fall 下降时间 BWid 脉宽 +Dut 正占空比 -Dut 负占空比 图 3：时间测量时各物理量相应图示 5. 比较上述四种测量方法的优缺点。 6 第三部分：综合练习 1. 李萨如图形观测及相位差测量 用两条 BNC 同轴电缆将函数信号发生器的两个“电压输出”端口分别与示波器的信号输入端“通道 1”和 “通道 2”连接起来。信号发生器的两路输出信号分别设为：50Hz、4V、相位“0°”；50Hz、4V、相位“90°” 的两正弦信号。 1）李萨如图形测绘。 首先分别测出两信号的峰峰值和频率填入表 4，然后再： 按下【自动】使得信号在屏幕上稳定显示。 按【显示】进入显示系统功能菜单。 按【下一页】进入 Page2/3。 按【格式】选择【XY】模式，屏幕上显示两信号合成后形成的李萨如图。 通过通道 1 的【伏/格】和垂直【位置】设置图形的水平刻度和位置。 通过通道 2 的【伏/格】和垂直【位置】设置图形的垂直刻度和位置。 表 4：李萨如图形观测的数据记录表（注意单位） 信源 峰峰值 频率 李萨如图形 CH1 CH2 同学可自行尝试改变两路输出信号的参数（频率、峰峰值、相位） ，记录不同条件下的李萨如图形。 2）相位差测量。 实验原理： 两个频率相同周期为 T 的交流信号相位的差叫 做相位差，或者叫做相差。示意图如图 3 所示。 实验中通过测量两信号达到同一相位（比如图 例的峰值点 A 和 B）的时间差 ΔT，即可测得 两信号的相位差 Δθ。  = T  3600 T 实验步骤： 图 4：频率相同的两正弦信号 按【显示】按钮，在【格式】菜单选择【YT】模式。 按【光标】按钮，显示光标菜单。（参阅上面的“光标”的具体操作步骤） 将光标 A 和光标 B 移动至合适位置，记录测量结果，并计算两路信号的相位差。 CurA： ，CurB： ，T： ，CurA’ ： 相位差计算： 7 ，T： 。 2. 交直流混合信号测量 选用外接信号：用两端均为 BNC 端口的导线连接函数信号发生器的 CH1（电压输出）和数字示波器通 道 1。设置函数信号发生器的输出信号为：1kHz、4V、偏置为 1V 的正弦交流信号。 按下【自动】波形稳定显示在屏幕上。 按【CH1】选择【耦合】为【直流】 。 测量直流耦合状态下信号的“峰峰值”和“平均值”。 选择【耦合】为【交流】或【接地】 。 此时需利用“测量”功能测量相应电压参数。 （参见上面 “测量”的具体操作步骤） 注意示波器操作面板中位置 14 所示耦合标志的变化。将测量结果填入表 5。 表 5：交直流混合信号测量结果记录表 3. 周围空间电磁信号测量（选做） 同轴电缆一端连接示波器信号输入端通道 1，另一端放置在周围空间中。 按【自动】得到自动测量结果。 1） 请描述你看到的现象，记录示波器参数设置（特别是触发相关的设置）、屏幕显示的测量结果。和 同学讨论观察到的信号有什么特点？可能的来源是什么？ 2） 交流电源触发： 按【触发菜单】进入触发菜单。 按【信源】选择【AC Line】交流电源线。 描述你看到信号的特点，并解释信号来源。 8 4. 数据和图像的存储： （选做） 数据保存： 把 U 盘插入示波器前面板上的 USB 接口，等待示波器完成对 U 盘初始化，并提示“USB 存储设备连接 成功”。 按【存储/调出】进入存储系统功能菜单； 按【类型】选择【CSV】 ； 按【数据长度】选择【内存】 ； 按【参数保存】选择【开启】 ； 按【储存】选择【新建文件】 ； 输入文件名后，按【确定】 。 说明：CSV 格式的文件将数据以文本的方式保存，可用 EXCEL 或 Origin 等软件打开并进行后续处理。 图像保存： 类似于上述保存数据的操作，在【类型】选择时选【图像储存】；可将波形以图片格式保存在 U 盘中。 快捷键——示波器前面板“PRINT”键。 说明：示波器将整个屏幕上显示的波形和有关设置转换为“.jpg”格式的图形文件保存到 U 盘或内存（由用户 选择决定） 。 建议：同学可尝试用自己的电脑读取保存下来的数据和图像文件，学习用电脑进行数据处理，如画图、函 数拟合等。 （选做） 参考资料： [1] SDS1000CFL 系列数字存储示波器用户手册，深圳市鼎阳科技有限公司。——实验中心网页 [2] 20M 系列双路直接数字合成信号发生器操作指南，江苏瑞特电子设备有限公司。——实验中心网页 9