示波器在教学实践中的应用.doc

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1、本 科 毕 业 论 文论文题目：示波器在教学实践中的应用院 系： 物理科学与技术学院 专 业： 物理学 姓 名： 学 号： 指导教师： 二 一 三 年 四 月摘 要示波器是物理电子技术中常用的电子仪器之一，是一种用途极为广泛的测量与观测仪器。本文简单介绍了示波器的基本原理，主要在其应用进行了探究，分别对其在中学和大学物理教学实验中的使用以及注意事项等等做了研究，使学生大致上认识、了解、初步学会使用示波器的诸如显示稳定波形、扫描、触发、信号合成等基本功能。关键词：示波器；电磁振荡；电容充放电；晶体管特性曲线AbstractOscilloscope is one of the commonly u

2、sed electronic instrument electronic technology, is a use for measurement and observation instrument widely. This paper briefly introduces the basic principles of the oscilloscope, mainly carries on the inquiry in its application, respectively, for its use in high school and university physics teach

3、ing experiment and attention, to do research, to enable students to roughly understanding, such as display, can learn the basic function of stable waveform, scanning, trigger, signal synthesis using oscilloscope the.Key words：Oscilloscope; electromagnetic oscillation; capacitor charging and discharg

4、ing transistor characteristics curve;引 言（绪 论） 示波器是物理电子技术中常用的电子仪器之一，是一种用途极为广泛的测量与观测仪器示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。目 录引言

5、（绪论） 31 示波器的简介 62 示波器在教学中的应用 62.1 示波器在中学物理实验教学中的应用 62.1.1 电磁振荡实验 62.1.2 电容的充放电实验 72.1.3 进行声音的波形观察 82.2 示波器在大学物理实验教学中的应用 92.2.1 虚拟示波器的相关实验 92.2.1.1 虚拟示波器简介 92.2.1.2 观察显示波形并测量信号频率、幅值等基本信息 102.2.1.3 调节波形运算模块并观察波形合成情况 112.2.1.4 调节信号频率并观察李萨如图像 112.2.2 演示晶体管特性曲线 122.2.2.1 演示测量二极管的伏安特性曲线 122.2.2.2 演示测量二极管的

6、输出特性曲线 13结论 15 参考文献 16 致谢 171. 示波器简介 示波器是利用示波管内电子束在电场或磁场中的偏转，显示随时间变化（波形）的电压信号的一种观测仪器。它不仅可以定性观察电路（或元件）的动态过程，而且还可以定量测量各种电学量，如电压、周期、波形的宽度及上升、下降时间等。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，显示两个相关函数的图像。示波器还可以用作其他显示设备，如晶体管特性曲线、雷达信号等。配上各种传感器，还可用于各种非电量测量，如压力、声学信号、生物体的物理量（心电、脑电、血压）等。自1931年美国研制出第一台示波器至今已有70年，它在各个研究领域都取得了广泛的

7、应用，示波器本身也发展成为多种类型，如慢扫描示波器、各种频率范围的示波器、取样示波器、记忆示波器等，已成为科学研究，实验教学、医药卫生、电工电子和仪器仪表等各个研究领域和行业最常用的仪器。2. 示波器在教学中的应用2.1 示波器在中学物理实验教学中的应用2.1.1 电磁振荡实验 实验器材: 40W日光灯镇流器, 0147F212F电容器若干个,6V直流电源,数字存储示波器 (如国产PDS5022S型25M双踪数字存储示波器),开关和导线。实验电路图如图1a所示。数字存储示波器有多种触发方式,按面板上的触发菜单键,选择触发方式为单次触发,电压挡位选择1V格或2V格,时基选择5ms格。实验开始,开

8、关K拨向a ,对电容器充电。再将开关K拨向b ,则L和C构成回路,电路中产生电磁振荡,示波器作单次扫描捕获,得到电路中的电磁振荡波形如图1b所示。 本实验还可以进一步观察振荡电路中振荡电流的图像,通过和上述振荡电压的图像进行对比,可看到两者存在90的相位差,从而说明振荡过程中电场与磁场能量的转化。具体做法如下:在回路中串入10左右的取样电阻R ,如图2a所示。将该电阻两端的电压信号输入示波器的第二通道 (CH2) ,并选择该通道电压挡位为20mV格,其他设置和操作与前面的相同。这样便能同步采集振荡电压和振荡电流的图像 (图2b)。2.1.2 电容充放电实验 实验器材:电阻(1k10k) ,电容

9、(220F470F电解电容), 6V直流电源,数字存储示波器,开关和导线。实验电路如图3a所示,将电容器两端的电压输入通道1。数字存储示波器触发方式选择“自动”。适当选择电压挡位,调节时基旋钮选择“500ms格”。输入耦合选择“直流”。按一下“运行停止”按钮启动示波器采集,示波器扫描较缓慢地进行,将开关K在a和b之间来回切换,示波器便会显示电容器充、放电过程(电容器两端电压的变化) 。再按一下“运行停止”按钮停止采集,得到电容器充、放电过程的电压图线,如图3b所示。改变电容和电阻,可比较电容和电阻大小对充放电过程的影响。电路中电阻两端的电压反映电路中的电流情况,所以若将电阻两端的电压输入通道2

10、 ,如图3b的虚线所示,则可同时观察到电容器充、放电过程中电流的变化情况。两者进行对比,可以看到充放电过程中电压和电流不同的变化规律。2.1.3 进行声音的波形观察实验器材:600动圈话筒,数字存储示波器.实验电路如图4所示。数字存储示波器触发方式选择“自动”。调节电压挡位选择5mV格,调节时基旋钮选择110ms格。按一下“运行停止”按钮启动示波器采集,用嘴靠近话筒对其发声(如啊 等),再按一下“运行停止”按钮停止采集。示波器显示发声过程中一小段声音的波形。采集过程中示波器及时地显示波形。在不改变嘴到话筒的距离的情况下,改变声音大小,可方便地从示波器观察到声音大小与示波器显示的波形幅度的关系。

11、 利用示波器的储存功能,还能方便地演示音调高低和声音频率的关系。在采集到一段声音波形后,按“储存”键对其储存;再进行采集、储存,可再次储存波形,可将它们分别储存为波形A、波形B、波形C等等,并可在屏幕上同时显示,便于比较。用数字示波器还可以进行电磁感应、自感现象等演示实验,效果也非常好。2.2 示波器在大学物理实验教学中的应用2.2.1 虚拟示波器的相关实验2.2.1.1 虚拟示波器简介（如图5）1. 水平系统控制模块 水平系统控制模块包括两个旋钮, 其中 Position 子模块下的旋钮是水平位移旋钮, 旋转该旋钮能够使显示波形在水平方向上进行左右平移, 逆时针旋转使显示波形向左平移, 顺时

12、针旋转则使波形向右平移。另一子模块为时基模块( Time Bass) , 其下的调节旋钮分为 3个档位, 用于调节示波器的水平扫描因数, 即用于调节显示窗口时间轴的范围。2. 垂直系统控制模块 垂直系统控制模块与水平系统控制模块类似, 也包含两个旋钮。 在 Position 子模块下的为垂直位移旋钮,通过旋转该旋钮能够使显示波形在垂直方向上进行上下平移, 此外垂直位移旋钮还有个通道选择开关, 在双通道显示时通过此开关能够选择垂直位移旋钮控制的信号通道 B; 另一旋钮分为 3 个档位: 0 5 V/ div,1 V / div, 2 V / div, 该旋钮用于调节示波器的垂直灵敏度, 即在垂直

13、方向上对显示的波形进行放大或缩小。3. 触发控制模块 触发控制模块主要参照模拟示波器相关模块进行模拟, 该模块的旋钮 用于模拟边沿触发模式下触发电平的调节对显示波形的影响。 Source 下的开关主要用于模拟双通道输入时触发源的选择, 即选择内触发还是外触发; Slope 下的开关能够使显示波形倒相。4. 波形运算模块波形运算模块主要用于对双路信号进行加、减、乘、除等基本运算处理。 5. 信号源模块和李萨茹图形显示模块 信号源模块主要用于模拟双路频率、幅值以及相位差可调的正弦信号输出。 通过调节信号源模块两个通道信号的频率和相位差, 能够在李萨茹图形显示模块观察到相应的李萨茹图形。图5 虚拟示

14、波器前面板2.2.1.2 观察显示波形并测量信号频率、幅值等基本信息 首先, 调节信号源模块产生一路频率为 40 H z、幅值为 1 V 的正弦信号, 作为图6模拟真实的信号。 在信号中加入幅值为 0 1 V 的白噪声信号, 最终显示在虚拟示波器上的波形如图6所示。 其中水平扫描因数档位设置为 5 ms/ div, 垂直灵敏度为 0 5 V/ div。 由图6可以看出, 在一个周期内, 信号水平方向长度占了 5格, 因此信号周期为: 5 div 5 ms/ div= 25 ms, 信号频率为 1/ ( 25 10- 3s) = 40 H z; 信号波峰波谷之间的间隔为 4格, 因此信号的峰峰值

15、 Up- p= 4 div 0 5 V / div = 2 V , 信号的幅值 U= Up- p/ 2= 1 V 。 由此可见波形显示窗口观测所得的信号参量和信号源设定的一致。 波形的水平放大和垂直放大是两个重要的概念也是学生容易混淆的地方。故观察了水平扫描因数和垂直灵敏度在不同档位时, 波形显示窗口所显示的波形的变化情况。 通过观察在调节水平扫描因数和垂直灵敏度档位时, 波形显示窗口中波形的变化, 学生能够清晰地认识到水平扫描因数和垂直灵敏度的调节只是对显示的波形在水平或垂直方向进行拉伸或压缩, 波形本身包含的信息如周期、幅值等并未发生任何改变。2.2.1.3 调节波形运算模块并观察波形合成

16、情况 观察两路频率为40Hz、幅值1V、相位差为/ 2 的正弦信号分别作加、减、乘、除4种波形运算后所合成的波形。图7( a) 显示的是两路信号的原始波形, 图7( b) 显示的是两路信号做除法运算后合成的波形。此外还把其中一路信号频率调整到1000Hz 后再通过波形加法运算, 模拟了对信号进行频率调制的情况。图72.2.1.4 调节信号频率并观察李萨茹图形显示李萨茹图形是双踪示波器很重要的功能之一, 在普通物理实验中测量声速、测量音叉的频率等都经常采用李萨茹图形法。 通过信号源模块分别观察了频率之比为1:1, 1:2,1:3 且相位差分别为 0,/ 4, / 2, 3 / 4 和 时两路信号

17、合成的李萨茹图形。图8 图8给出了相位差为 / 4 的两路频率均为40Hz、幅值为1V的信号的波形图和对应的李萨茹图形。2.2.2 演示晶体管特性曲线2.2.2.1 演示测量二极管的伏安特性曲线二极管伏安特性测量电路如图9所示。信号源为正弦波或三角波, 其输出电压可调; 示波器为 X Y 显示方式; 被测晶体二极管D为 IN4001,其最大正向电流为1A, 最大反向电压为50V;W=1k,R=100。 实际测量时所得到的波形、曲线如图10所示。图10(a)分别为晶体二极管两端的电压随时间变化的波形; 电阻R两端的电压随时间变化的波形, 即晶体二极管的电流随时间变化的波形。图10(b)为晶体二极

18、管两端的电压与通过它的电流的关系曲线, 也就是晶体二极管的伏安特性曲线。图10 二极管实测波形曲线2.2.2.2 演示测量三极管的输出特性曲线 三极管输出特性的测量电路如图11所示。待测晶体三极管的型号为 3DG6, 其参数为: =20mA,B=20V ; 信号源为全波整流的正弦波或锯齿波; 示波器为XY显示方式; W=470k,R=58。三极管的基极电流Ib 受可调电阻W 和外加电源E的控制。 实际测量时所得到的波形、曲线分别如图12、图13所示。图12分别为晶体三极管c、e两端的电压随时间变化的波形; 电阻R两端的电压随时间变化的波形,因R两端的电压与通过它的电流是线性关系, 所以它也表示

19、了通过R 的电流随时间变化的波形。图 13为晶体三极管的输出特性曲线, 通过调节W使Ib1=10A ,Ib2=20A ,Ib3 =30A时,分别求得 IC1, IC2, IC3。利用数字示波器的存储功能可将图13各波形叠加后, 演示一簇晶体三极管的输出特性曲线。由图 13 可计算出晶体三极管的电流放大倍数。信号源的频率为f=300Hz。结 论示波器在教学实际中有许多的应用，比如在中学物理实验教学中，数字示波器的主要应用有：电磁振荡实验，电容的充放电实验，进行声音的波形观察等等；在大学物理实验教学中，其主要应用有：演示RLC串联电路的阶跃响应、演示晶体管特性曲线、观测RC串并联网络的选频特性、观

20、察显示波形并测量信号频率、幅值等基本信息、调节波形运算模块并观察波形合成情况、调节信号频率并观察李萨茹图形等等；因此作为理科生就必须要对示波器有着足够的了解。参考文献1 尹学忠, 杨瑞民, 高卫东.数字存储示波器的应用.实验室研究与探索, 2001(3):35 37.2 优利德 U T 2000/ 3000 系列数字存储示波器使用手册 .3 樊宝元, 许国顺, 赵建军.示波器在教学实践中的演示应用内蒙古科技大学 包头师范学院, 内蒙古 包头,2011(6).24 34 吕斯骅.全国中学生物理竞赛实验指导书M.北京:北京大学出版社,2006: 86 88.5 黄品高.电路分析基础实验设计仿真M.成都:电子科技大学出版社, 2008:91 115.6 常向荣,庞大勇.电工原理实验M .天津:天津教育出版社, 1992:103 106.致 谢 历时将近两个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的论文指导老师，他对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最中心的感谢！