[综合研究性试验报告] 数字示波器和任意波形信号发生器应用

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1、报告编号： 综合研究性试验报告实验名称：数字示波器和任意波形信号发生器应用操 作 人： 海洋科学专业08级01022008012 黄楚逸实验日期： 2010年3月23日3月30日联系方式: huangchuyi50709126 13808995331中 国 海 洋 大 学 二一年实验名称数字示波器和任意波形信号发生器应用一、 实验目的1.通过测量贡原子的第一激发电位，证明院子内能的量子化原子能级的存在2.了解电子与原子碰撞和能量交换机理及影响该过程的主要物理因素二、 摘要为了研究氩原子的激发电位,对充氩弗兰克-赫兹管在不同的灯丝电压、栅极电压和加速电压下进行了实验,分析了获得的实验曲线;得到使

2、用该弗兰克-赫兹管实验时的最佳参数为灯丝电压3.2 V、栅极电压1.0 V、拒斥电压10.0 V.在该参数下测得氩原子的激发电位为11.61 V,并进行了详细的讨论;表明该值本质上应为氩原子第一亚稳态的激发电位,或两个亚稳态激发电位的一定概率比.三、 关键词第一激发电位 能量量子化效应 亚稳态 氩原子 灯丝电压 加速电压 栅极电压正文：实验仪器及实验原理 示波器包括了如图1所示的几个基本组成部分：示波器（又称阴极射线管，cathode ray tube，简称CRT）、垂直放大电路（Y放大）、水平放大电路（X放大）、扫描信号发生电路（锯齿波发生器）、自检标准信号发生电路（自检信号）、触发同步电路

3、、电源等。1. 示波管的基本结构图1 示波器基本组成框图示波管的基本结构如图2所示。主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成，全都密封在玻璃壳体内，里面抽成高真空。图2 示波管结构图H-灯丝 K-阴极 G1，G2- 控制栅极 A1-第一阳极A2-第二阳极 Y-竖直偏转板 X-水平偏转板（1）电子枪由灯丝、阴极、控制栅极、第一阳极和第二阳极五部分组成。灯丝通电后加热阴极。阴极是一个表面涂有氧化物的金属圆筒，被加热后发射电子。控制栅极是一个顶端有小孔的圆筒，套在阴极外面。它的电位比阴极低，对阴极发射出来的电子起控制作用，只有初速度较大的电子才能穿过栅极顶端的小孔然后在阳极加速下奔向荧光屏。示波器面

4、板上的“辉度”调整就是通过调节电位以控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变了荧光屏上的光斑亮度。阳极电位比阴极电位高很多，电子被它们之间的电场加速形成射线。当控制栅极、第一阳极与第二阳极电位之间电位调节合适时，电子枪内的电场对电子射线有聚焦作用，所以，第一阳极也称聚焦阳极。第二阳极电位更高，又称加速阳极。面板上的“聚焦”调节，就是调第一阳极电位，使荧光屏上的光斑成为明亮、清晰的小圆点。有的示波器还有“辅助聚焦”，实际是调节第二阳极电位。（2）偏转系统：它由两对互相垂直的偏转板组成 ，一对竖直偏转板，一对水平偏转板。在偏转板上加以适当电压，电子束通过时，其运动方向发生偏转，从而使电子束在荧光屏上产

5、生的光斑位置也发生改变。（3）荧光屏：荧光屏上涂有荧光粉，电子打上去它就发光，形成光斑。不同材料的荧光粉发光的颜色不同，发光过程的延续时间（一般称为余辉时间）也不同。荧光屏前有一块透明的、带刻度的坐标板，供测定光点的位置用。在性能较好的示波管中，将刻度线直接刻在荧光屏玻璃内表面上，使之与荧光粉紧贴在一起以消除视差，光点位置可测得更准。2. 波形显示原理（1）仅在垂直偏转板（Y偏转板）加一正弦交变电压：如果仅在Y偏转板加一正弦交变电压，则电子束所产生的亮点随电压的变化在y方向来回运动，如果电压频率较高，由于人眼的视觉暂留现象，则看到的是一条竖直亮线，其长度与正弦信号电压的峰-峰值成正比，如图3所

6、示。 （2）仅在水平偏转板加一扫描（锯齿）电压：为了能使y方向所加的随时间t变化的信号电压Uy(t)在空间展开，需在水平方向形成一时间轴。这一t轴可通过在水平偏转板加一如图26-4所示的锯齿电压Ux(t)，由于该电压在01时间内电压随时间成线性关系达到最大值，使电子束在荧光屏上产生的亮点随时间线性水平移动，最后到达荧光屏的最右端。在12时间内（最理想情况是该时间为零）Ux(t)突然回到起点（即亮点回到荧光屏的最左端）。如此重复变化，若频率足够高的话，则在荧光屏上形成了一条如图4所示的水平亮线，即t轴。 图3 在垂直偏转板加一正弦交变电压图4 在水平偏转板加一扫描（锯齿）电压常规显示波形：如果在

7、Y偏转板加一正电压（实际上任何所想观察的波形均可）同时在X偏转板加一锯齿电压，电子束受竖直、水平两个方向的力的作用下，电子的运动是两相互垂直运动的合成。当两电压周期具有合适的关系时，在荧光屏上将能显示出所加正弦电压完整周期的波形图。如图5所示。图5 波形显示原理图3同步原理U y xUyxTT87=xTyTt 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 t1 6 9 2 0 5 7 4 8 图6（1）同步的概念：为了显示如图5所示的稳定图形，只有保证正弦波到Iy点时，锯齿波正好到i点，从而亮点扫完了一个周期的正弦曲线。由于锯齿波这时马上复原，所以亮点又回到A点，再次重复这一过程。

8、光点所画的轨迹和第一周期的完全重合，所以在荧光屏上显示出一个稳定的波形，这就是所谓的同步。由此可知同步的一般条件为：Tx = nTy， = 1，2，3 其中Tx为锯齿波周期，Ty为正弦周期。若n = 3，则能在荧光屏上显示出三个完整周期的波形。如果正弦波和锯齿波电压的周期稍微不同，荧光屏上出现的是一移动着的不稳定图形。这情形可用图6说明。设锯齿波形电压的周期Tx比正弦波电压周期Ty稍小，比方说Tx = nTy，n =7/8。在第一扫描周期内，荧光屏上显示正弦信号04点之间的曲线段；在第二周期内，显示48点之间的曲线段，起点在4处；第三周期内，显示811点之间曲线段，起点在8处。这样，荧光屏上显

9、示的波形每次都不重叠，好像波形在向右移动。同理，如果Tx 比Ty稍大，则好像在向左移动。以上描述的情况在示波器使用过程中经常会出现。其原因是扫描电压的周期与被测信号的周期不相等或不成整数倍，以致每次扫描开始时波形曲线上的起点均不一样所造成的。（2）手动同步的调节：为了获得一定数量的稳定波形，示波器设有“扫描周期”、“扫描微调”旋钮，用来调节锯齿波电压的周期Tx（或频率fx），使之与被测信号的周期TY（或频率fY）成整数倍关系，从而，在示波器荧光屏上得到所需数目的完整被测波形。（3）自动触发同步调节：输入Y轴的被测信号与示波器内部的锯齿波电压是相互独立的。由于环境或其它因素的影响，它们的周期（或

10、频率）可能发生微小的改变。这时虽通过调节扫描旋钮使它们之间的周期满足整数倍关系，但过了一会可能又会变，使波形无法稳定下来。这在观察高频信号时就尤其明显。为此，示波器内设有触发同步电路，它从垂直放大电路中取出部分待测信号，输入到扫描发生器，迫使锯齿波与待测信号同步，此称为“内同步”。操作时，首先使示波器水平扫描处于待触发状态，然后使用“电平”（LEVEL）旋钮，改变触发电压大小，当待测信号电压上升到触发电平时，扫描发生器才开始扫描。若同步信号是从仪器外部输入时，则称“外同步”。5. 整流滤波原理abRLC26-图7 桥式整流电路图UL iLU2整流电路的任务是将交流电变换成直流。完成这一任务是靠

11、二极管的单向导电作用，常见的是半波、全波、桥式整流电路。为简单起见，二极管用理想模型来处理，并以桥式整流电路图26-9为例分析，交流电压,是要求支流供电的负载电阻。在电压的正、负半周（设a端为正，b端为负是正半周）内电流通路分别用图26-10中的实线和虚线箭头表示。通过负载的电流以及电压的波形如图26-10所示。显然，它们是单方向的全波脉动波形，单个二极管的导通角为。加一滤波电容，并联的电容在电源供给电压升高时，能把部分能量存储起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比较平滑，即具有平波的作用，降低纹波。（二）实验内容与步骤实验中的图形如下：输出AM幅度调制波（载波5kHz，调制波200Hz，调制度50%）输出脉冲串波形，3个正弦波脉冲串输出正弦波输出方波输出锯齿波波的叠加（1）波的叠加（2）波的叠加（3）波的叠加（4）