简介这份文档是南昌大学大学物理实验课程中「数字示波器的使用」实验报告面向正在修读大学物理实验的本科生以及需要参考实验报告写作规范与数据处理格式的学习者。报告完整记录了实验目的、实验原理、仪器、内容步骤、数据记录与处理、结果分析、误差分析和思考题解答属于可直接对照使用的实验文档资料。资源包共1个doc文件约178KB体量轻便便于打印或二次编辑。报告围绕双踪示波器展开讲清了示波管电子枪与XY偏转板的结构、电子开关交替显示CH1与CH2波形的机制、扫描同步与Time/div调节对稳定波形的影响并给出正弦波峰峰值与周期的测量数据例如v/div取5.8V时Vpp为11.6V、t/div取4ms时周期为2.5ms。李萨如图形部分还列出1:1、1:2、1:3等频率比与切点数nx、ny的对应关系。内容兼顾原理梳理、数据表格与误差来源讨论适合课前预习、课后核对与复习归纳使用目前已有419人学习下载。1. 示波器的使用实验报告真正拉开分差的是数据处理链路南昌大学基础实验大楼211室双踪示波器、信号发生器、两根探头两个小时。动手部分照着讲义走基本不会卡真正让人回去熬夜的是那几张表格V/div 该记哪一挡、格数怎么读、Vpp 和有效值差多少、李萨如图形的切点数到底数哪一边。《示波器的使用实验报告》这份文档把目的、原理、仪器、步骤、数据表和五道思考题一次给全本质是一条完整的测量链电子枪激发荧光点偏转板把电压变成位移扫描发生器把时间轴拉开触发电路把波形钉住最后才轮到读数与误差换算。当成填空题抄数据处理一栏必定翻车当成一条链来拆反而是最容易拿分的部分。后面按原理颗粒度、定量读数、李萨如图形、误差留档展开操作给到具体旋钮和参数换算给出能直接跑的脚本。2. 示波管、扫描发生器与触发同步原理要写到什么颗粒度2.1 电子枪、偏转板与荧光屏位移正比于电压这条线性关系示波管是抽成高真空的喇叭形玻璃泡内部电子枪由灯丝、阴极、栅极和阳极组成灯丝加热阴极使其发射电子栅极电压控制电子束强弱阳极负责加速和聚焦。电子束穿过两对互相垂直的偏转板后打在荧光屏上荧光物质发光形成亮点余晖让亮点在电子束移开后的极短时间内仍然可见。偏转板的接法是最容易记反的地方Y 偏转板是水平放置的两块电极加上电压后电子束在垂直方向偏转X 偏转板是垂直放置的两块电极使电子束在水平方向偏转。所以 Y 偏转板上的电压决定光点纵坐标X 偏转板上的电压决定横坐标。偏转电压线性变化时光点位移与电压成正比——这条线性关系就是 V/div 刻度存在的全部理由。写报告时把链条讲全被测电压 → 偏转板间电场 → 电子束偏移 → 荧光屏光点位移 → 纵向格数 × V/div 电压值。少了任何一环为什么格数能直接换算成电压就答不上来。2.2 双踪的电子开关分时复用不是两套电子枪双踪示波器的控制电路包含电子开关、垂直放大、水平放大、扫描发生器、同步电路和电源。电子开关以远高于被测信号频率的速率把 CH1 和 CH2 轮流送到同一对 Y 偏转板上屏上忽而显示 CH1、忽而显示 CH2靠荧光余晖加上人眼视觉暂留看起来就是两条并存的波形。这里的关键在于双踪是分时复用两路共用同一套垂直偏转系统与同一套时基因此两路信号之间的时间关系是可信的。这正是 X-Y 模式下能比较相位、能看李萨如图形的前提。反过来说电子开关频率不够或者被测频率太高时两路波形会亮度不均甚至互相串扰。控制电路模块作用对应面板操作报告里的表述要点电子开关分时切换 CH1/CH2 到 Y 偏转板CH1/CH2 开关、DUAL 模式强调共用一套偏转系统垂直放大把 mV 级信号放大到能驱动偏转板V/div、垂直位移、耦合方式对应纵向刻度的电压标定扫描发生器与水平放大产生锯齿波形成时间轴Time/div、水平位移对应横向刻度的时间标定同步触发电路取部分被测信号强制锯齿波同步触发源、触发方式、LEVEL稳定显示的核心必写电源提供各路工作电压无一般不必展开2.3 稳定波形的三个条件时基、触发源、触发电平扫描电压周期与被测周期一致或成整数倍时每次扫描的起点都落在波形的同一相位屏上得到完整周期的稳定波形周期不一致或不成整数倍时每次起点相位不同波形就横向跑动。为了让一致长时间保持示波器内部用同步电路从垂直放大电路取一部分被测信号送进扫描发生器迫使锯齿波与被测信号同步这叫内同步同步信号来自外部接口则叫外同步。面板上真正决定波形能不能停住的是 LEVEL触发电平。它决定扫描在波形的哪个电压高度启动电平落在波形幅值范围内扫描正常进行电平抬到波峰之上或压到波谷之下触发条件永远不满足扫描消失屏上只剩一个孤零零的光点。很多人张口就说示波器坏了八成是这里被上一次实验的人拧歪了。把三个条件记成一句话Time/div 让屏上显示 2~3 个完整周期触发源选到有信号的那一路触发电平落在波形幅值中间。下面用一段脚本把为什么相位差会导致波形跑动量化出来。import numpy as np fs, fx 200_000, 100 # 内部时基 200 kSa/s被测信号 100 Hz t np.arange(0, 0.05, 1/fs) sig np.sin(2 * np.pi * fx * t) def scan_start_phase(t_scan): 扫描周期为 t_scan 时前 5 帧的起始相位弧度 edges np.arange(t[0], t[-1], t_scan) return [2 * np.pi * fx * e for e in edges[:5]] for ts in (0.0100, 0.0103): phases [p % (2 * np.pi) for p in scan_start_phase(ts)] print(fT_scan{ts*1000:.1f} ms - , .join(f{p:.3f} for p in phases))逻辑说明10.0 ms 恰好等于被测周期 1/100 Hz取模后每帧起始相位完全相同波形在屏上静止10.3 ms 时每帧相位依次偏移约 0.19 rad表现为波形缓慢横向移动这正是没调准 Time/div 时的现象。参数说明fs是模拟采样密度只影响曲线光滑度不影响结论fx是被测频率t_scan是扫描周期对应面板 Time/div 乘以格数。实测调试时判断标准就一条——连续几次扫描的起点是否落在同一相位上。3. V/div 与 T/div 定量读数Vpp、有效值与周期的换算3.1 峰峰值、振幅、有效值的换算关系示波器直接读到的是纵向格数纵向格数乘 V/div 得到峰峰值 Vpp再除以 2 得到振幅正弦信号的有效值等于振幅除以 √2也就是 Vpp/(2√2) 0.3536 Vpp。这个 0.3536 的系数只在正弦波下成立方波、三角波要用各自的波形因数报告里最好注明一句前提。序dy格V/div (V)Vpp dy×V/div (V)振幅 Vpp/2 (V)有效值 (V)15.8211.65.804.1022.3511.55.754.07两组的相对偏差只有 0.87%说明读数在半个格以内——换挡互验是报告里最有说服力的一句话。序dx格T/divT dx×T/divf 1/T14.02.5 ms10 ms100 Hz22.05 ms10 ms100 Hz时间轴同样换挡重测两次都落在 10 ms与信号源设定的 100 Hz 完全吻合。电压和时间各做一次换挡互验比在误差分析里硬写读数不准要强得多。3.2 用脚本把表格数据重算一遍数据抄进 Word 之后最容易出的问题是小数点错位和单位遗漏用脚本重算一次顺便让报告里的数字有出处。from docx import Document import numpy as np doc Document(示波器的使用实验报告.docx) tbl doc.tables[0] # 电压数据表 rows [[c.text.strip() for c in r.cells] for r in tbl.rows] dy np.array([float(rows[1][0]), float(rows[2][0])]) # 格数 vdiv np.array([float(rows[1][1]), float(rows[2][1])]) # V/div vpp dy * vdiv vrms vpp / 2 / np.sqrt(2) for i in range(2): print(f第{i1}组: Vpp{vpp[i]:.1f} V, 有效值{vrms[i]:.2f} V) print(f换挡相对偏差 {abs(vpp[0]-vpp[1])/vpp.mean()*100:.2f}%)逻辑说明doc.tables[0]取文档里的第一张表逐行把单元格文本转成浮点数再用公式复算一遍避免手算时把 div 数和电压值弄反。参数说明rows[1][0]是表格第 2 行第 1 列跳过表头如果你的表格多了序号列索引整体后移一位np.sqrt(2)对应有效值换算非正弦信号要替换成对应的波形因数。注意python-docx 只能读 .docx。手上这份是 .doc 老格式时先另存为 .docx 或用 LibreOffice 批量转换一次否则会直接抛异常。3.3 格数法与光标法什么时候用哪个数字示波器自带 CURSOR 功能可以直接读出 ΔV 和 ΔT精度比人眼数格子高。但大物实验仍然要求用格数法考的是对 V/div、T/div 含义的理解两种方法各写一段正好覆盖。方法操作主要误差来源适用场景格数法数波形在纵向/横向占的格数乘挡位值荧光线宽、半格内估读教学实验、快速估算光标法调两条光标卡住波峰波谷或相邻同相点垂直分辨率、光标对准精确测量、相位差比较读数时有几个提高一致性的习惯把波形调到屏面中央三分之一区域避开边缘非线性用垂直位移把波谷压在某条格线上当基准Time/div 控制在屏上显示 2~3 个完整周期格数太多时数错的风险成倍上升。3.4 两组数据别硬套标准差只有两组读数时算 A 类不确定度是没有意义的硬写标准差只会让人觉得在凑数。常见做法是改用 B 类估算按仪器说明书标称的垂直增益误差大致 3%~5% 量程加上半格估读误差合成再按方和根取一个整数值。以 11.6 V 为例量程 2 V/div、屏高 8 格即 16 V 满量程5% 就是 0.8 V估读半格换算成电压是 1 V方和根后取一位有效数字约 1 V写进报告就是 11.6 ± 1 V。这个量级比纠结小数点后面第二位诚实得多。4. 双踪模式下的李萨如图形CH2 接入与切点数法4.1 X-Y 模式HORI MENU F5 究竟切了什么日常模式里横轴由内部时基产生的锯齿波驱动切到 X-Y 模式后X 偏转板改由 CH1 的信号驱动CH2 仍然走垂直通道于是两个正弦信号在互相垂直的方向上同时作用于光点形成李萨如图形。面板上写成 HORI MENU F5功能就是把水平通道的信号源从内部时基切到 CH1。操作序列按文档的顺序来CH1 接参考信号 fx比如 100 HzCH2 接待调信号源先各自调出幅度合适、大小相当的波形再按 HORI MENU 进入水平菜单用 F5 把水平源切到 CH1最后只调 CH2 那路信号源的频率观察图形变化。X-Y 模式下 Time/div 和触发电平基本失去作用图形是否稳定只取决于两路频率是否成简单整数比这一步再去拧 LEVEL 是白费力气。注意两路信号的幅度要调到接近满屏的 60%~80%幅度太小图形挤在中间数不清切点太大则超出屏面切点被裁掉。4.2 切点数法从图形反推频率比李萨如图形的判读规则是切点数与频率成反比水平方向的切点数 nx 与垂直方向的切点数 ny 满足 nx : ny fy : fx等价写法是 fx : fy ny : nx。所谓切点是曲线贴到屏幕上下或左右边缘极值点的位置数的时候只数屏面内的完整切点。fx (Hz)fy (Hz)fx : fynxnynx : ny1001001 : 1111 : 11002001 : 2212 : 11003001 : 3313 : 1fy 越高垂直方向振荡越快曲线在水平方向上来回穿越的次数越多屏幕上边缘的切点也就越多这与表格里的数据完全对得上。注意这份文档前文原理图的标注nx/ny 1/2、1/3与后文数据表采用的约定不一致。交报告前把定义统一写清——nx 数上下边缘、ny 数左右边缘否则批改的人容易判成数错。4.3 用 matplotlib 复现图形并自动数切点肉眼看图数切点图形一复杂就容易多数一个用脚本复现一遍可以拿来核对。import numpy as np def lissajous(fx, fy, n8000): t np.linspace(0, 1/fx, n) # 观察窗取 x 方向一个周期 return np.sin(2*np.pi*fx*t), np.sin(2*np.pi*fy*t) def count_tangents(sig, ratio0.9): 统计极大值个数即图形贴到上边缘的切点数 idx np.where((sig[1:-1] sig[:-2]) (sig[1:-1] sig[2:]))[0] 1 return len([i for i in idx if sig[i] ratio * sig.max()]) for fx, fy in [(100, 100), (100, 200), (100, 300)]: x, y lissajous(fx, fy) print(ffx:fy{fx}:{fy} - 上边缘切点 {count_tangents(y)}, f右边缘切点 {count_tangents(x)})逻辑说明观察窗取 X 方向的一个完整周期因此 x 只有一个极大值右边缘 1 个切点y 在该窗口内振荡 fy/fx 次极大值个数就是上边缘切点数。输出与实验表格中的 nx、ny 一一对应。参数说明n是采样点数取大一些可以避免极值点被漏采但不要大到影响显示ratio0.9是峰值筛选阈值用来滤掉数值噪声造成的伪峰信号幅度不足时可以调低到 0.7。4.4 同步旋钮为什么救不了李萨如图形同步旋钮控制的是内部时基锯齿波与被测信号的相位锁定关系作用对象是 X 通道的扫描信号。X-Y 模式下 X 偏转板已经改由外部 CH1 驱动时基不参与作图调同步旋钮自然没有效果。图形缓慢旋转的真实原因是两路信号源各自的频率漂移或者是两个信号发生器没有共用参考时基。稳定的做法是把 fy 调到与 fx 严格成整数比再微调最后一两位如果图形以每几秒一圈的速度缓慢转动说明频率差在几十毫赫兹量级多数台式信号发生器的频率分辨率足够调到图形停住。5. 误差预算与原始数据留档让读数可复现误差分析写仪器误差四个字是拿不到分的得指明是哪一环引入了多少量级的不确定度。下面这张表来自实际做实验时的观察顺序可以按它逐条排查。现象可能原因改善方法波形左右缓慢跑动扫描周期与被测周期不成整数倍细调 Time/div必要时用触发微调波形上下跳动触发电平漂在边沿附近把 LEVEL 调到波形幅值中间偏上两次换挡结果差得多荧光线宽大、读数位置随手固定用某条格线作基准读波谷到波峰切点数看不准幅度太小或图形偏出屏面两路幅度调到满屏 60%~80% 并对中图形整体旋转两路信号源频率漂移微调 fy 末位尽量共用同一台信号源有个细节值得单独拎出来文档思考题第 5 题给出周期 0.2 ms 的正弦电压、屏上显示 3 个完整稳定波形扫描电压周期应当是两个量相乘0.2 × 3 0.6 ms。原文档写成 0.06 ms小数点错位了一档照抄会直接丢分。原理上讲屏上出现 3 个完整波形意味着扫描周期是被测周期的 3 倍不是一个周期的三分之一方向别搞反。原始数据的留档同样影响复核效率。做完实验当场截的图文件名通常是 IMG_0001 这种一周后根本分不清哪张对应哪个挡位用一条命令按日期归拢比事后凭记忆补写可靠得多。# 原始数据归档按修改日期加前缀统一放进 raw_data 目录 mkdir -p raw_data for f in IMG_*.png; do ts$(date -r $f %Y%m%d) mv $f raw_data/${ts}_$(basename $f) done ls -l raw_data | head逻辑说明date -r读取文件修改时间basename保留原文件名重命名后同一批截图按日期排在一起写报告时按时间线对齐挡位记录。参数说明%Y%m%d是日期格式想精确到时分可以改成%Y%m%d_%H%M如果截图存放在子目录把IMG_*.png换成对应路径并把mv改为带-i交互确认避免同名覆盖。交报告前把 raw_data 目录和文档一起打包每一组读数都能顺着文件名找到对应挡位返工率会低很多。本文还有配套的精品资源点击获取