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实验十八电子和场实验报告

篇一：实验20电子和场讲义 实验二十电子和场

带电粒子在电场和磁场中运动是在近代科学技术应用的许多领域中都经常遇到的一种物理现象。在下面的实验中，主要研究电子在各种电场和磁场中的运动规律。在这个实验中，把电子看作是遵从牛顿运动定律的经典粒子。因为在下面实验中，电子的运动速度总是远小于光速（3.00×10m/s），所以不必考虑相对论效应，而且由于实验中电子运动的空间范围远比原子的尺度要大，也可不必考虑量子效应。8 【实验目的】

1.了解示波管的构造和工作原理，研究静电场对电子的加速作用。

2.定量分析电子束在横向匀强电场作用下的偏转情况。 3.定量分析电子束在横向磁场作用下的偏转(选作）。 4.定量分析电子束在纵向磁场作用下螺旋运动，测定荷质比。

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【实验仪器】

eF——4s型电子和场实验仪、螺线管、磁场线圈、高压万用表。

【实验原理】

实验中采用的电子示波管型号是8sJ45J，就是示波器中的示波管。通常用在雷达中。它的工作原理与电视显像管非常相似，这种管子又名阴极射线管（cRT）或电子束示波管。它是阴极射线示波器中的主要部件，在近代科学技术许多领域中都要用到，是一种非常有用的电子器件。利用电子示波管来研究电子的运动规律非常方便，我们研究示波管中电子的运动也有助于了解示波器的工作原理。

电子示波管的结构如图20-1所示。包括下面几个部分： 图20-1小型示波管的结构 181

（1）电子枪，它的作用是发射电子，把它加速到一定速度并聚成一细束；

（2）偏转系统，由两对平板电极构成。一对上下放置的Ｙ轴偏转板(或称垂直偏转板)，一对左右放置的Ｘ轴偏转板(或称水平偏转板)；

（3）荧光屏，用以显示电子束打在示波管端面的位置。 以上这几部分都密封在一只玻璃壳之中。玻璃壳内抽成高真空，以免电子穿越整个管长时与气体分子发生碰撞，故

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管内的残余气压不超过10个标准大气压。

电子枪的内部构造如图20-2所示。电子源是阴极，图中用字母K表示。它是一只金属圆柱筒，里面装有加热用的灯丝，两者之间用陶瓷套管绝缘。当灯丝通电时可把阴极加热到很高温度。在圆柱筒端部涂有钡和锶的氧化物，此材料中的电子在加热时较容易逸出表面，并能在阴极周围空间自由运动，这种过程叫热电子发射。与阴极共轴布置着的还有四个圆筒状电极，电极g1离阴极最近，称为控制栅，正常工作时加有相对于阴极K大约-10～-40伏的负电压，它产生的电场是要把阴极发射出来的电子推回到阴极去。改变控制栅极的电势可以改变穿过g1上小孔出去的电子数目，从而可以控制电子束的强度。电极g2与A2联在一起，两者相对于K有约几百伏到1千余伏的正电压。它产生了一个很强的电场使电子沿电子枪轴线方向加速。因此电极A2对K的电压又称加速电压。用V2表示。电极A1为聚焦电极，在正常使用情况下相对于K具有正电压V1，其大小在200伏到400伏之间。由于K与A1、A1与A2之间电势不相等，因此使电子束在电极筒内的纵向速度和横向速度发生改变，适当地调整V1和V2的电压比例，可使电子束聚焦成很细的一束电子流，使打在荧光屏上形成很小的一个光斑。聚焦程度的好坏主要取决于V1和V2的大小与比例。 －6

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图20-2电子枪内部构造

电子束从图20-1中两对偏转电极间穿过。每一对电极加上的电压产生的横向电场分别可使电子束在Ｘ方向或Ｙ方向发生偏转。

在玻璃管壳的内表面还涂有石墨导电层，它有下面几方面的作用：它与极A2是连在一起，182

作为A2的延伸部分，可以对外界杂散电场起屏蔽作用，防止对电子束产生影响；此外，它还起着防止外界照亮荧光屏的内表面引起屏上光斑对比度降低的作用。 1.电子在电场中加速及偏转

为了描述电子的运动，我们选用了一个直角坐标系，其z轴沿示波管管轴，x轴是示波管正面所在平面上的水平线，y轴是示波管正面所在平面上的竖直线。

从阴极发射出来通过电子枪小孔的一个电子，它在从阳极A2射出时在z方向上具有速度vz，vz的值取决于K和A2之间的电位差V2（图20-2）。

电子从K移动到A2，位能降低了eV2；因此，如果电子逸出阴极时的初始动能可以忽略

1不计，那么它从A2射出时的动能mvz2就由下式确定：2

1mvz2=eV2（20-1）2

此后，电子再通过偏转板之间的空间。如果偏转板之间

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没有电位差，那么电子将笔直地通过，最后击打在荧光屏的中心（假定电子枪描准了中心），形成一个小亮点。但是，如果两个垂直偏转板（水平放置的一对）之间加有电位差Vd，使偏转板之间形成一个横向电场ey，那么作用在电子上的电场力使电子获得一个横向速度vy，但却不改变它的轴向速度分量vz，这样，电子在离开偏转板时运动的方向将与z轴成一个夹角?，如图（20-3）所示。而这个?角由下式决定： tg??vy vz（20-2）

图20-3电子在电场中的运动

如果知道了偏转电位差和偏转板的尺寸，那么以上各个量都能计算出来。

设距离为d的两个偏转板之间的电位差Vd，在其中产生一个横向电场ey?Vd/d，从而对电子作用一个大小为Fy?eey?eVd/d的横向力。在电子从偏转板之间通过的时间?t内， 183

这个力使电子得到一个横向动量mvy，而它等于力的冲量。 即

mvy?Fy?t?eVd

于是vy??t（20-3）deVd?t（20-4）md

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然而，这个时间间隔?t，也就是电子以轴向速度vz通过距离l(l等于偏转板的长度）所需要的时间，因此l?vz?t。由这个关系式解出?t，代入式（20-4）： 结果得vy?

这样，偏转角?就由下式给出： tg??vy

vz?eVldmvz2eVdl（20-5）mdvz（20-6） 再把能量关系式（20-1）代入上式，最后得到： tg??Vl（20-7）V22d

这个公式表明，偏转角随偏转电位差Vd的增加而增大，而且，偏转角也随偏转板长度l的增长而增长，偏转角与d成反比，对于给定的总电位差来说，两偏转板之间距离越近，偏转电场就越强。最后，降低加速电位差V2也能增大偏转，这是因为减小了电子的轴向速度，延长了偏转电场对电子的作用时间。此外，对于相同的横向速度，轴向速度越小，得到的偏转角就越大。

电子束离开偏转区域以后便又沿一条直线行进，这条直线是电子离开偏转区域那一点的电子轨迹的切线。这样，荧光屏上的亮点会偏移一个垂直距离y，而这个距离由关系式y=Ltg?确定，这里L是偏转板到荧光屏的距离（忽略荧光屏的微小的曲率），如果更详细地分析电子在两个偏转板之间的运动，我们会看到：这里的L应从偏转板的中心到荧光屏

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的距离。于是我们有 y?LVdl（20-8）V22d

电偏转灵敏度定义为偏转板上加单位电压时，所引起的电子束在荧光屏上的偏移，则示波管的Y轴电偏转灵敏度 sy?

同理，示波管的x轴电偏转灵敏度为lyLyy（20-9）?Vd2dyV2 184

sx?lLx?xx（20-10）Vd2dxV2

为了提高偏转准确度和灵敏度，使电子束不受偏转板出口边缘效应的影响，常采用斜置偏转板，这种情况下电子束的偏转量更接近于真实偏转量，但表达式较复杂，这里不再给出。

2.电子在横向磁场中偏转（选作）

电子束通过磁场时，在洛伦兹力的作用下发生偏转。如图20-4所示，设实线方框内有均匀的磁场，磁感应强度为b，方向与纸面垂直；由纸面指向读者，在方框外b=0。电子以速度vz垂直射入磁场，受洛伦兹力evzb的作用，在磁场区域内作匀速圆周运动，轨道半径为R。电子沿Ac弧穿出磁场区域后变为作匀速直线运动，最后打在荧光屏的p点上，光点的位移为y。

图20-4磁场偏转示意图

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由牛顿第二定律有 vf?evzb?mzR 于是得R?

设偏转角?不很大，近似地有 tan??

由上两式得到磁偏转位移y

y?2mvz（20-11）ebby?RLebLb（20-12）mvz 185

篇二：电子电路综合实验报告 一、设计选

题.............................................................................................................-3-目录设计目

的...................................................................................................-3-性能指标要

求............................................................................................-3- 二、方案比较与论

证...................................................................................................................-3-方案1、应用单片机实

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现...........................................................................-3-方案2、应用数字电路实现........................................................................-4-方案确

定...................................................................................................-5-

三、理论计

算..................................................................................................................................-5-烟雾浓度采集电路.....................................................................................-5-烟雾浓度分级/编码电

路............................................................................-6-输出控制模

块............................................................................................-9-显示电

路...................................................................................................................................-12-风

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扇...........................................................................................................................................-15-蜂鸣器.......................................................................................................................................-15-语音电路...................................................................................................................................-16- 四、测试方法与数

据.................................................................................................................-17-烟雾浓度测

量..........................................................................................-17-设定等级浓度

值.......................................................................................-17-输出控制模块调

测...................................................................................-18-声音报警和风扇启动调

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测........................................................................-18-显示电路调

测..........................................................................................-19-语音报警模块调

测...................................................................................-19- 五、结果及结

论...........................................................................................................................-20-设计任务完成情

况...................................................................................-20-误差分析.................................................................................................-20-故障分析与解决办法..........................(:实验十八电子和场实验报

告).....................................................-21-心得体

会.................................................................................................-21-参考文

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献........................................................................................................................................-21-附录一整体设计电路

图.........................................................................................................-23-附录二元器件清单

表.............................................................................................................-24- 摘要

烟雾浓度报警器具有广泛应用价值。某些特定场合对烟雾浓度有严格的要求与限制，这就需要对烟雾浓度进行实时监测，并显示其浓度等级；一旦超标，相应仪器会进行报警提示，自动开启排风扇以降低烟雾浓度。诸如此类的实际需求就成为了设计烟雾报警器的初衷。

本次实验采用数字电路实现。首先用Qm-n5将烟雾浓度转化为电压信号，使用Lm324搭建四路电压比较器，每个比较器阈值电压不同可将烟雾浓度等级划分为三级。比较器输出的数字信号经过74hc147和非门之后将浓度的等级变为bcD码。再经过74Ls47可驱动数码管显示相应的浓度等级。最后用cD4052bcm将不同等级浓度对应到不同输出模块来控

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制实现具体功能。当烟雾浓度高于二级时，自动开启风扇排风；当烟雾浓度大于最高等级时，蜂鸣器发声并伴随语音提示报警。

该烟雾浓度报警器为初级水平，实时性强，灵敏度高，监测范围广，工作稳定可靠，可简单满足实际需求，如对公共场合因吸烟而导致的烟雾浓度超标情况进行监测和报警提示。

烟雾浓度报警器的设计实现 一、设计选题 设计目的

1，学习烟雾传感器的原理，掌握实际应用方法； 2，掌握模数转换、电压比较和数码显示电路的设计构建方法；

3，掌握电子电路系统设计的基本方法，培养提高综合利用多学科相关知识进

行初步工程设计与实际装调系统电路的能力。 性能指标要求

?能够检测指定环境内烟雾浓度并将烟雾浓度分为三级加以显示；

（0~333ppm为第一等级，333~666ppm为第二等级，>666ppm为第三等级）?当浓度超过第二等级时系统自动开启风扇排风；

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?当浓度超过最高等级时系统发出声音警报； ?当浓度超过最高等级时系统发出语音提示警报。 二、方案比较与论证 方案1、应用单片机实现

以sTc89c51单片机为控制核心。利用Qm-n5将烟雾浓度转化为电压信号，51单片机控制ADc0804将电压信号转化为数字信号。根据数值的大小将烟雾浓度划分为三个等级。单片机驱动数码管显示烟雾浓度等级。当烟雾浓度高于中间级时单片机驱动风扇开始工作；当烟雾浓度大于最高等级时，单片机控制蜂鸣器发出报警提示。 系统框图： 优点：

能适应家庭和工业等场所对可燃性易爆烟雾安全性要求，设计的可燃性烟雾报警仪不仅能在较宽的温度范围工作，而且具有显示可燃烟雾浓度、故障自检、延时报警功能及可接计算机进行现场远距离测量和实时控制等功能。其目标是在传统的烟雾报警仪的基础上，尽量提高准确性，降低成本，缩小体积。该系统以单片机为核心，配合外围电路共同完成信号采集、浓度显示、时间显示、状态显示、声音以及闪烁报警、按键输入、故障自检等功能。报警器用巡检的工作方式，进行两级报警值设定，并发出不同的光、声信号。统一采用高性能的单片机，要求工作稳定、测量精度高、通用性

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强、功耗低，保证报警器的精确性以及可靠性，而且最好体积小，成本低，有利于减少报警器的体积，降低报警器的成本。另外，单片机构成的外围电路所用元器件较少，且电路简单。 缺点：

单片机的管脚多且分布比较密，对焊接的要求高。需要掌握单片机的使用方法，并且具有一定的编程能力，对单片机的要求较高。另一方面，芯片的价格比模拟电路要贵。 方案2、应用数字电路实现

本次实验采用数字电路实现，具体电路分为三个模块——烟雾浓度采集、烟雾浓度分级/编码和输出控制电路。首先用Qm-n5将烟雾浓度转化为电压信号，使用Lm324搭建四路电压比较器，每个比较器阈值电压不同可将烟雾浓度等级划分为三级。比较器输出的数字信号经过74hc147和非门之后将浓度的等级变为bcD码。再经过74Ls47可驱动数码管显示相应的浓度等级。最后用cD4052bcm将不同等级浓度对应到不同输出模块来控制实现具体功能。当烟雾浓度高于中间级时，自动开启风扇排风；当烟雾浓度大于最高等级时，蜂鸣器发声并伴随语音提示报警。语音电路运用IsD1700芯片实现。 系统框图： 优点:

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起点比较低。电路结构清晰明了，原理简单易懂。而且所需的元器件都比较简单常见，价位比较低，适合初学者练习。可以深刻理解数模转化，电压比较和数码显示电路的设计和构架方法。 缺点：

电路所用元器件比较多，连线较为复杂，并且测量的精度不够准确，容易受到周围环境影响,实用能力有限。 方案确定

基于对以上两种方案的综合比较，结合老师所给的元器件以及自己对单片机知识和数电模电知识的掌握程度，最终确定以方案二（即数字电路）实现设计任务。 三、理论计算 烟雾浓度采集电路

为完成该部分电路，我们需要一个测量气体浓度的传感器。根据经验和元器件特性要求，选择Qm-n5型气敏元件，它是半导体气敏元件，当元件接触还原性气体时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。 特点：

?用于可燃性气体（ch4、c4h10、h2等）和烟雾的检测 ?灵敏度高 ?响应速度快 ?输出信号大

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技术指标：

?加热电压(Vh)Ac或Dc5±0.5V ?回路电压(Vc)最大Dc24V ?负载电阻(RL)2KΩ

篇三：信息电子技术中的场与波实验报告2 “信息电子技术中的场与波” 课程实验报告 微波实验 学号姓名 同组同学

实验地点电工电子中心502 日期20XX.12.31 成绩

实验1微波频率与波长测量实验 一、实验目的

1．学会使用选频放大器、功率指示计、信号发生器以及测试框架。

2．掌握基本的测量频率和波导波长的方法。 3．利用3cm波导测试系统，使用吸收式频率计作频率测量电磁波频率；使用测量线来测量波长和频率。 二、实验仪器及设备

Ys1123标准信号发生器，gx2c-1功率计，Ys3892选频

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放大器，bD20A三厘米波导系统，Tc26A三厘米波导测量线，Ts7三厘米波导精密衰减器。 图1

三、实验原理 3.1测量信号源频率

频率测量系统的实验连接图如图2。 图2频率测量系统

系统中的px16频率计为吸收式频率计。当传输线中相当一部分功率进入频率计谐振腔内，而另一部分从耦合元件处反射回去，在谐振时，腔中场很强，反射回去也强。使之频率计的输出在谐振时明显减小，如下图所示。 图3

也就是说，当频率计转动到输出幅度明显降低，在降低到最低的频率时，就是所测信号源的频率。 3.2测量波长和频率 实验连接如图4所示，

图4测量波长和频率实验连接图

输出的波形如图5所示，由此可知，需知晓驻波最小点D1、D2的位置，两个最小点之间的距离即为半个导波长。导波长?g?2D1?D2。 图5波形图

通过测量出的波导波长，也就可计算出频率和波长，如

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下式。

波导波长和频率与波长之间有一一对应的关系，如图6。 图6波导由频率换算到波长 四、实验内容 4.1测量信号源频率

1.打开信号源选择模式为内方波，方波重复频率为1000hz。

2.将吸收式频率计旋离10ghz大约到9ghz或者11ghz左右（以备在之后调节方便），然后开始调节e、h阻抗调配器的两个旋钮，直到达到匹配为行波状态即选频器的示数达到最大即可。

3.保持调节好的e、h阻抗调配器不变，然后选择合适的选频器放大倍数，慢慢旋转频率计，当输出幅度明显降低直到降到最低时，为电压示数最小即为所测信号源的频率。 4.最后读出频率计的示数，即读出两条红线与竖直红线相交的平行两红线之间的示数。 4.2测量波长与频率（2种方法）

1.打开信号源选择模式为内方波，方波重复频率为1000hz，并且将选频放大器调至合适放大倍数，不能满偏。 2.方法一：

缓慢移动测量线探针直接找到两个相邻的最小点的位置，记下标尺读数D1与D2即可求得波导波长λg。

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方法二：

′缓慢旋转可变短路器同样直接找到两个相邻的最小点的位置，记下标尺读数D1与D′2即 可求得波导波长λ′g。

3.测得相邻最小点的位置，那么相邻两个最小点的距离即为半个波导波长，因此：?g?2D1?D2根据公式计算实验结果。

五、实验数据记录及处理 5.1测量信号源频率

实验测得的被测信号源的频率为9.975ghz，可以看出与10ghz理论值很接近。 5.2测量波长与频率

方法一：d1=119.1mm，d2=125.4mm，d3=140.2mm，d4=144.5mm

D1=122.25mm，D2=142.35mm λg=2D1?D2=40.2mm 方法二：

′D1=27.587mm，D′2=47.794mm ′λ′g=2D1?D′2=40.414mm 六、结果讨论

测得信号频率为10ghz左右，那么根据f??V可以求得λ的值为30mm，利用下式：

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?g??

其中a取22.86mm，求得λg理论值为39.735mm， 与我们利用两种方法测得的结果相比较可以看到，方法一的误差为误差为1.17%，而方法二的误差为1.69%，结果都相对较准确。

但同时，通过实验结果可以看出方法二即利用可变短路器测量的结果精确度更高，精确到0.001mm，而方法一利用测量线测量的结果只精确到0.1mm。

误差可能是在测量信号源频率时就产生的，另外在旋转可变短路器时由于来回旋转产生机械旋转误差。 实验2电压驻波比与相位常数测量实验 一、实验目的

1.了解驻波导测量系统，熟悉基本微波原件的作用； 2.掌握驻波测量线的正确使用方法； 3.掌握中电压驻波系数的测量原理和方法。 二、实验仪器及设备

Ys1123标准信号发生器，Ys3892选频放大器，bD20A三厘米波导系统，Tc26A三厘米波导测量线，Ts7三厘米波导精密衰减器。具体实验系统如下图所示： 图1驻波比测量实验图 三、实验原理

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