实验十 示波器的使用

一．实验目的

1．了解示波器的结构及观察稳定波形的原理； 2．掌握示波器、信号发生器的使用方法；

3．学会用示波器观察各种电压波形并在示波器上测量它们的电压和周期；

4．学会用示波器观察李萨如图形和用李萨如图形方法测量正弦波信号的频率。 二．实验原理

示波器线路结构一般如图10—1所示：

图10—1 示波器的原理方框图

⒈ 输入电路：直流讯号直接输入，交流讯号经隔直流电容输入。

⒉ 衰减器：采用R c衰减网络，如图⑴R c分压线路衰减器，当R1：R2?C2：C1时则分压即衰减比与频率无关。

⒊ 增幅器：y 轴交流增幅比x 轴交流增幅大。增幅器采用单端输入双端输出差动放大器，减小零点漂移和电源电压波动对电路的影响，为了增大输入阻抗，在晶体管示波器中常用场效应管源极跟随器作为第一级。另外还采用各种形式的负反馈，以减小讯号放大过程的失真和提高放大器的稳定性。

⒋ 扫描发生器：以双稳态电路作为控制电路的闸门，对电容器进行充放电，产生锯齿波扫描电压，为了锯齿波电压准确，均采用恒流源充电，并使放电时间缩短，在晶体管示波器中还增设了消影脉冲讯号，以消除放电时间（回扫时间）对示波动果的影响。

⒌ 整步及触发增幅器：将外接输入及本机y 轴增幅来的整步或触发信号进行放大，作为对扫描发生器中双稳电路的触发讯号，以整步锯齿波，y 轴增幅来的信号幅度已较大，一般减少用一级放大。

⒍ 标准讯号源：SB-14型采用市电50周讯号，而晶体管SB-05型则设置多谐振荡器产生一个对称方波，讯号均从y 轴增幅前输入。

⒎ 高低压电源：SB-14型采用变压器对市电直接升、降压获得，高压电源部分只经整流、滤波、低压部分则另加稳压；SB-05型的低压电源部分同SB-14型方式，高压部分则采用直流变换的方波，再用变压器升压而得，8示波管。 示波管采用静电聚焦，静电偏转，平面屏的阴极射线管。 示波管的基本结构如图：

图10—2 示波管的结构示意图

电子枪产生具有一定速度与良好聚焦的细子束，经过偏转极上信号电压的作用而在空间发生偏转以后轰击荧光屏，并在其上显示电信号随时变化的形状。

① 电子枪：可分为发射系统与聚焦系统两部分：

发射系统由灯丝、阴极、调制极和第一阳极组成，它们任务是产生强度足够大而且可以调节的电子流。

灯丝加热阴极，使其发射大量的电子，第一阳极的高电位促使电子定向运动，控制极控制电子的数目。

聚焦系统：由控制极一第一阳极的预聚焦透镜和第二。第一阳极的主聚焦透镜组成，每一电子透镜的低压空间是会聚的，高压间是发散的，但由于电子在低压空间的速度较小，偏转效果大，所以总的效果是会聚的。

② 偏转系统：为两对相互垂直的平行极，高速运动的电子进入平行极后，在极的电 场。在超高频示波器中，示波管结构上必须减小偏转板间的电容和电子束通过偏转板的时间，所以把偏精板的尺寸适当减小，特别是减小其长度，或改用行波示波管。

③ 荧光屏：在固体中加入少许激活剂，如用锰作为激活剂的硅酸锌制成的荧光粉涂 在示波管平面屏上，当高速电子轰击这些固体时，固体的原子中外层电子激发到高能态上去，当其回到低能态时便发出光，示波器中一般采用中余辉荧光粉。 ⒏ 示波管的控制电路：

所有电极电压基本上均从分压电阻取得，除控制极电位比阴极低以外：阴极-第一阳极-第二阳级-（第三阳极）电位逐步升高，使电子逐步加速，并且往往使第二阳极电位接近或等于零电位，控制极电压，控制电子束电流的大小，即亮度调节，第一阳极的电压即调节了聚焦。

移位电位器两端有相等的正负电压，滑动其接触点就会在偏转极上加以正或负的附加直流电压使电子束偏转，光点位置改变，为了消除调节聚焦时对亮度的影响，常在控制极和第一阳极间加一个加速极，其电位与第二阳极相同。

三.实验步骤

⒈ 面板上旋钮的作用：

⑴ 辉度：即亮度，调示波管控制极电位，控制电子流的强度。

⑵ 聚焦：即亮点的大小，调节一阳极电位，改变电子透镜的聚焦能力。

⑶ 移位：（x轴， y轴各一个），亮点在屏上的位置，给偏转板一个附加直流电压（可为0），使电子束经偏转板后预先偏转一定量，使亮点出现在屏上的某一需要的位置上。

⑷ 输入（x轴、 y轴交流、y轴直流），外来讯号输入y轴分交直流两种讯号输入端，讯号应为电压讯号，若为电流或其他讯号应予转换后方可输入，如电流讯号可在线路中串一小电阻，取电阻上的电压降作为讯号输入示波器。

⑸ 衰减（x轴、 y轴衰减两旋钮中的1、10、100档），当外讯号过强时为了使示波器能正常工作，而将外来讯号衰减速，1、10、100表示衰减后的讯号为输入讯号的1、1/10、1/100，Y轴衰减速中的“50~”表示机内已从市电中取50周讯号从Y轴输入。 ⑹ 增辐（X轴、 Y轴），外来讯号太小时，予以放大到一定值，使讯号电压增大，另外，由于衰减旋钮只能成10，成100的衰减，而本旋钮则连续可调，所以这两旋钮相互配合可给予外来讯号以适当的放大（或衰减）以满足偏转电压的需要。

⑺ 整步输入和X轴衰减中的连续和触发：均为整步讯号输入端，X轴衰减中的连续表示采用Y轴输入讯号对机内的扫描锯齿波进行整步，此时整步选择应选“内”，当整步选择选“外”时，应有外讯号从整步输入端输入，当外整步电压辐度不够时，用“整少增幅”予以放大。

⑻ 扫描范围和扫描微调：均是调节扫描锯齿波的频率，（扫描微调连续可调），使扫描锯齿波与Y轴输入的外讯号整步（同步）。 ⒉ 使用实例： ⑴ 检验示波器：

Y轴移位，X轴移位，辉度，聚焦适中，X轴增辐，Y轴增辐（以下略） Y轴衰减-50～；整步选择-内；扫描范围100；

X轴衰减-连续；调扫描微调，使显示稳定， 50周正弦波，说明，示波器主机工作正常。

(2) 观察波形

a.打开信号发生器电源，信号发生器的电压输出于示波器Y轴相连，“AC⊥TC”符号置ＡＣ档。

ｂ．适当调节灵敏度开关、扫描速度开关，以及他们的微调旋钮，调节出发点平ＬＥＶＥＬ旋钮，使屏幕上显示合适大小的稳定正弦波、方波、三角波等波形。

ｃ．考虑信号发生器的信号电压幅度和频率变大变小时，Ｖ／Ｄｉｖ开关、ｔ／Ｄｉｖ开关如何相应改变。 (3) 李萨如图形观察：

Y轴衰减-50～（当采用外正弦波从Y轴交流输入时，用1-100档） 外正弦波讯号从X轴输入，X轴衰减，1-100档。 根据李萨如图形可估计出外来讯号的频率，图形翻滚时 fx?nynx不是整数

nynx?50

式中 ny 为图形与Y轴的切点数 nx为图形与X轴的切点数

四.参考数据 表1 待测信号的波形 V/div档级 H(div) UP-P（V） t/div档级 L（div） 周期T(md) 频率f(Hz) 表2 李萨如图形 0.5V 20.8 2.4 1ms 20.4 4.2 238.1 0.5V 20.2 2.1 1ms 20.4 4.2 238.1 0.5V 20.4 2.2 1ms 20.4 4.2 238.1 2 1 1：2 3 1 1：3 1 2 2：1 nx ny 频率比1 1 1：1 fxny ?fynxfx(Hz) fy(Hz)

50.1 50.0 25.0 50.0 16.6 50.0 100.0 50.0 实验十一 等厚干涉的应用

一.目的

⒈ 了解牛顿环等厚干涉原理和观察方法； ⒉ 理解用牛顿环测量透镜的曲率半径的方法； ⒊ 掌握读数显微镜的使用； ⒋ 学习用逐差法处理数据；

⒌ 理解用劈尖测薄片厚度的方法。 二.原理

1．牛顿环仪是将一块曲率半径较大的平凸玻璃透镜，以其凸面放在一块光学平玻璃片上构成的。平凸透镜的凸面与玻璃片之间的空气厚度从中心接触到边缘逐渐增加，若以平行单色光垂直照射到牛顿环仪上，则经空气层上、下二表面反射的二束光就有一光程差，它们在平凸透镜的凸面相遇后，将发生干涉，当我们用显微镜来观察时，便可以清楚地看到中心是小暗圆斑，而周围是许多明暗相间，间隔逐渐减小的同心圆环，称为等厚干涉条纹，又叫牛顿环。

若已知二条反射光的光程差为

??2e??2

根据光的干涉条件，当光程差为波长的整数倍时，则两束光相互加强而成明条纹；光程差为半波长

?的奇数倍时，相互减弱而成暗条纹，对于球面透镜，干涉条纹是圆环。实2验中考虑干涉条纹中的暗环，则有

r?KR? （K=0、1、2……）

由上式表明，当K越大，相邻两圈的半径差越小，在牛顿环中心接触点O处是暗斑。 实际上我们并不能直接用上式，这是因为第一，当把平玻璃板叠在透镜上时，在接触点引起明显的表面形变，故其附近圆环的直径不能按此式计算；第二，或许因为平玻璃片上有灰尘，“接触点”实际上有间隙，这时就不能确定其环的级数，为了消除这样引起的系统误差，所得的结果将比较准确。

设第m环直径为dm，第n环直径为dn，则

?4mR? 2 dn?4nR?

22 dm?dn?4(m?n)R?

(d?dn)(dm?dn) ??m

4(m?n)R(d?dn)(dm?dn) 或R?m

4(m?n)? dm2式中dm、dn分别为第m环及第n环的直径。

由此可见为计算λ或R，只需知道所数过的圆环数目（m-n）就可以了，m或n的真正数值不必知道，这种消除起始点（本实验为中心暗点）误差的处理数据的方法，称为逐差法，是实验中常用的一种方法。

2．劈尖

如图11-2所示，将待测细丝或薄片放在两块平行平面玻璃板俄一端，在两板间形成一个劈尖形空气薄层。由于劈尖上下表面均为平面，所以干涉图样为一组等间距的直线状等厚干涉条纹。设单色光的波长为?，细丝直径为e，则有公式 e?k厚度为e处所对应的干涉条纹级数）。

?2（k为空气薄膜