普通物理實驗室

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目的


熟悉示波器的使用方法,並學習電壓、頻率、相位,以及Lissajous圖形法的測量。



原理


示波器的產生,源自陰極射線管的發明。公元1897年,Braun製造了陰極射線管,因此也有人稱之為布朗管(Braun tube)。陰極射線管的英文叫做Cathode-Ray Tube,簡稱CRT。CRT的顯像主要利用點、線、面,及視覺暫留的原理而構成的。而CRT結構上大致可分為電子鎗、偏向板及螢光幕等三個主要部分如圖一。

動畫模擬

CRT因為能從它的陰極產生電子,而將此電子射到管上螢光面而得名。當電子不受偏壓會直線射到螢光面產生光點如圖二之(a)。光點如果能夠移動,而且速度大於視覺暫留的時間(電子移動的速度如果大於1/16秒,即無閃爍之感),感覺上就能成線。因此加上垂直偏壓會使光點沿垂直方向移動如圖二之(b),若水平與垂直皆加上偏壓則會沿斜線運動如圖二之(c)。

一部簡單的示波器,如何顯示波形?如圖三中所示,電子鎗射出電子,在垂直偏壓上加上正弦訊號,則在螢幕將會出現上下掃描的垂直線。若在水平板上輸入鋸齒波,則會使電子束在水平方向展開來,於是螢光幕顯示出正弦波來。

本實驗使用的是觸發掃瞄式示波器(trigged-sweep scope),依功能可區分為四部分:垂直、水平、觸發(trigger)及顯示部分(如圖四所示)。以下介紹各部分的功能。


垂直部分:示波器的輸入探針通常都接在示波器的垂直輸入端,此垂直輸入端也常稱為Y輸入。輸入訊號經放大後,被用來垂直(上下)偏移陰極射線管內的電子束。同時本部分具有可用來調整掃瞄電子束在螢幕中的上下位置和輸入訊號的衰減量功能,利用這些功能我們可以調整電子束在在螢幕上所掃瞄出來的軌跡。例如:如果衰減器(volts/div select switches)被設定為每公分一伏特(V/cm),則輸入一伏特的電壓給示波器,那麼電子束在螢幕上就垂直偏移一公分。


水平部分:一般來說,外界訊號並不接到水平輸入端。水平部分的電路通常是用來驅動電子束,使其週期性的依一定速率,水平的掃瞄過螢幕。而此水平掃瞄速率則可由水平時基(time-base)控制加以選擇和設定。水平時基(time-base)可被調整在不同的掃瞄速率,例如:如果水平時基被設定在每公分一毫秒(ms/cm)則電子束將以1cm/ms的速率掃瞄過陰極射線管的螢幕。

觸發部分:

觸發部分有時亦稱為同步部分,為了使螢光幕上波形穩定,示波器必須以一觸發電路來 強迫掃描訊號與待測訊號同步。通常是利用輸入的垂直訊號或外加訊號來觸發掃描訊號,以保證水平輸入所產生的鋸齒波掃描訊號與待測訊號同步。

顯示部分:

顯示部分包含了一些調整顯示出來的軌跡圖形,使其軌跡最適宜觀察的控制功能。這些功能包括有亮度(BRIGHTNESS)、聚焦(FOCUS)、像散(ASTIGMATISM)、格子線照明(GRATICULE LIGHT)、射束旋轉(BEAM ROTATION)等控制。


示波器是用來量測電壓訊號的儀器,而一般我們常聽到的訊號,有所謂的直流(DC)及交流(AC)訊號,簡單的說,直流訊號,就是與時間無相關的訊號,最常見的是一般乾電池所提供的電源,既然與時間無關可以表示成,其中constant在示波器上,就是一條直線。那麼訊號與時間有關,通稱為交流(Alternating-Current)訊號,而訊號因其與時間的關係不同,而有不同種類訊號,正弦(Sinusoidal)訊號是最常用到的,其電壓與時間關係為 其中A為振幅,f為頻率。

:就你所知道測量電壓訊號的儀器還有那些?



實驗儀器


示波器一台(詳見附錄B)、訊號產生器兩台(詳見附錄A)、示波器探針一支、BNC對BNC接線2條。

  

  

動畫模擬

注意事項:

1.示波器面板上各鈕、鍵、檔應依需要及規定使用,不可亂扭、亂按或亂撥。

2.平時減低螢光幕上光跡的亮度,避免螢光幕受損。

3.各輸入端的電壓不可過大,勿超過限制:

Input terminalMax. allowable input voltage
CH1, CH2400V(DC+AC peak)
EXT TRIG100V(DC+AC peak)
Probe600V(DC+AC peak)
Z AXIS50V(DC+AC peak)


實驗步驟


一、實驗前示波器的調整

1.在操作示波器之前必須在未開電源前做好下列之預備步驟

(1)將三個Position的鈕置於中間位置

(2)將LEVEL的鈕置於中間位置

(3)將TRIGGER MODE置於AUTO

(4)檢查電源線使其電壓(110V or 220V)為示波器之工作電壓(檢視示波器後面板所示之電壓值)

2.示波器的校正

(1)將電源接上,打開示波器的POWER大約15秒後,CRT的螢幕上會出現掃瞄亮線,如果沒有任何東西,轉動INTENSITY,使光跡清晰可見為止。

(2)調整FOCUS與INTENSITY使光跡清晰可見。

(3)調整水平與垂直的位署(POSITION)使其達到你想要的位置。

(4)將SWP.VAR鈕往右旋至CAL位置。

(5)將CH1與CH2之垂直衰減器VOLT/DIV的深灰色小旋鈕往右旋至CAL位置。

(6)將示波器探針一端插入CH1與INPUT,將探針前端柄轉至(X10)位置,再將探針勾在示波器最左下角CAL 2V of 1 KHZ的方波輸出端。

(7)將CH1的垂直衰減器VOLT/DIV調至 0.1 V/DIV,將TRIGGER SOURCE置於CH1,調整TIME/DIV,則此時螢幕上會出現一穩定的方形波形,檢查螢幕上顯示之方波的振幅與週期是否為2V of 1 KHZ (因探針前端柄轉至(X10)位置,別忘記將振幅乘上10倍)。

(8)如果此時出現的方形有變形,則旋轉探針前面的螺絲孔,使其為標準之方波,如果示波器之光跡不完全水平,則以螺絲起子調整TRACE ROTATOR,直到水平為止。

(9)將探針移開,且將探針前端調為(X1),則此時示波器可以做任何測試了。

     

二、實驗部分

1.交流電壓與頻率的測量

(1)將CH 1作為單軌跡示波器操作(Single-trace operation)

AC-GND-DC:置於AC

MODE:置於CH 1

TRIGGER MODE:置於AUTO

TRIGGER SOURCE:置於 CH1

(2)由訊號產生器輸入一個約1V/1kHz的正弦波,調整TIME/DIV及VOLTS/DIV旋鈕,使得正弦波可以清楚地顯示在螢幕上。然後藉由這個穩定的正弦波來調整觸發點。(有關觸發的進一步討論請參考補充資料)

①調整水平位移控制鈕(POSITION),將光跡向右移動,使螢幕上可以看到光跡的最左側。

②轉動觸發位準調整鈕(LEVEL),觀察觸發點(也就是螢幕掃描光跡的起點)及波形的變化。當觸發點高於振幅時,能得到穩定的波形嗎?低於振幅呢?

③現在把觸發點調至螢幕中間水平格子線,調整觸發斜率(SLOPE)選擇開關,觀察觸發點及波形的變化。

(3)畫出你所看到的圖形,紀錄VOLT/DIV與TIME/DIV所指示的比率刻度,並計算下列各值:

① 峰值電壓(peak voltage Vp)

②峰值對峰值電壓(peak to peak voltage Vp-p)

③有效電壓(effective voltage Veff)=Vp/

④頻率(週期的倒數)。

            
            

:當波形一直變動無法穩定時,應檢查那些旋鈕的設定?

2.直流電壓的測量

(1)AC-GND-DC 置於GND,螢幕上會出現一直線光跡,此線即為零電位參考線。調整POSITION旋鈕,使得光跡對準螢幕中間水平格子線。

(2)再將AC-GND-DC置於DC,則波形會上移或下移,此時DC電壓=平移的格數X每格所代表的電壓,如果往上移則極性為(+),往下移則極性為(-)。

(3)將電池接於探針兩端,記錄你所見到的情形。

         
         

3.利用李塞爾氏圖形(Lissajous pattern)求未知訊號之頻率與相位差(原理詳見附錄

(1)將TIME/DIV轉至底端X-Y處,則此時CH1變為X軸,而CH2變為Y軸。

(2)將已知頻率的正弦波訊號輸入CH1 ,而未知頻率的正弦波訊號輸入CH2。調整CH1 與CH2之VOLT/DIV放置於同一檔位。

(3)適當調節訊號產生器輸出訊號的頻率直到看出一個清楚及穩定的圖形。

           
           

動畫模擬

4.量度脈波(原理詳見附錄

輸入一高頻率之方波(注意!本實驗若要觀察到如上圖的訊號,必須調整訊號產生器使輸出頻率至少在MHz以上的等級),記錄其圖形並測量上升時間、下降時間與工作週率。

5.觀測由訊號產生器的輸出電壓控制其頻率的關係

(1)AC-GND-DC置於GND,調整Position旋鈕,使得光跡對準螢幕中間水平格子線,之後再轉置於DC。

(2)選擇訊號產生器的輸出頻率範圍為1並調整輸出為最小頻率與最小振幅的方波,使螢幕出現一直線訊號。

(3)"拉起"訊號產生器DC OFFSET旋鈕並順時針旋轉,觀察螢幕上電壓訊號如何改變?逆時針旋轉呢?

(4)將訊號產生器的輸出轉接至第二台訊號產生器的VCF INPUT端,再將第二台訊號產生器的輸出端連接到示波器。觀測當改變第一台訊號產生器的輸出電壓時,示波器上第二台訊號產生器的輸出頻率會有何改變。



參考資料


1. Fundamentals of Physics, Fifth Edition ( by David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker)

2. University Physics, 12th ed (H. D. Young & R. A. Freedman,)

3. http://en.wikipedia.org/wiki/Portal:Physics

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