物理实验 数字存储示波器及瞬态信号测量.docVIP

数字存储示波器与瞬态信号测量 【实验目的】 学会使用数字存储示波器来记录瞬态信号； 掌握利用数字存储示波器进行传输线中脉冲信号传输和反射的测量； 掌握利用超声波来测量不同的物理量的方法。 【实验仪器】 TDS210、TDS1—2、TDS2002数字存储示波器，QW-1型瞬态信号测量实验仪，直探头，斜探头，可变探头，工件，匹配负载，短路负载，三通，导线。 【实验原理】 用数字存储示波器观测单脉冲信号 脉冲波基本特征描绘参数（图1） 脉冲周期T：周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲之间的时间间隔。 脉冲幅度Vm：脉冲电压的最大变化幅度。 脉冲宽度tw：从脉冲前沿上升到0.5Vm起至脉冲后沿下降到0.5Vm为止的一段时间。 上升时间tr：脉冲上升沿从0.1Vm上升到0.9Vm所需要的时间。 下降时间tf：脉冲下降沿从0.9Vm下降到0.1Vm所需要的时间。 示波器捕捉到脉冲信号后，测量信号的精细波型，即可获得脉冲波的各种参数。 数字存储示波器的使用方法 打开电源，用导线将信号源连接到CH1或CH2通道。 调整到合适的电压和时间。 按触发键，调整触发电频以获得稳定的信号 按相应菜单提示，可按MEASURE键自动测量，也可按CURSOR键手动测量电压差或时间差。 单次脉冲信号可按SAVE键存储到A或B中。 超声波测量实验 超声波产生原理 声波是一种弹性波，超声波的频率范围为2×104～1012Hz，且具有方向性好，穿透力强，易产生和接收，探头体积小等特点，能够在所有弹性介质中传播。能将其它形式的能量转换成超声振动能量的方式都可用来发生超声波。目前最普遍的是利用压电效应来产生和接受超声波。如在电极两端施加一脉冲电压，则晶体发生弹性形变，随后发生自由振动，并在厚度方向形成驻波。如果晶片两侧存在其它他性介质，则会向两侧发射弹性波，波的频率与晶片的材料与厚度有关。 超声波在介质中传播的三种形式 纵波：即介质中质点振动方向与超声波传播方向一致。 横波：即介质中质点震动方向与超声波传播方向垂直。 表面波：可以看成是由平行于表面的纵波和垂直于表面的横波合成，振动质点轨迹为一椭圆。 三种超声探头 在超声波分析测试中，利用超声波探头产生脉冲超声波。常用的超声探头有直探头（产生纵波），斜探头（产生横波或表面波）和可变角探头（旋转探头芯可改变探头入射角，得到不同折射角的斜探头，当θ=0时为直探头）。 固体弹性模量的测量 本实验次用脉冲波反射法测量固体弹性模量。脉冲波是由不同频率成分的连续波合成的。而对于各向同性的介质，声波传播速度与频率无关。因此利用脉冲超声波测量声速不会影响测量的准确性。 当超声波探头产生脉冲声波后，通过耦合剂进入介质。如果在传播路径上遇到畸变，如人工反射体、介质界面等，则部分声波会沿原来的路径发射回去，被探头接收。已知探头与人工反射体或介质界面的距离，通过测量测量声波传播的时间，则可测量出介质的声速。 声速计算公式如下： 其中，L是探头到反射体的距离。 超声波速度与传播介质的弹性模量和密度有关，不同的介质有不同的声速，并且当波型不同时，介质弹性形变形式不同，声速也不同。 用E表示杨氏模量，σ表示Poisson系数，ρ为材料密度。则杨氏模量 而Poisson系数 其中，。 传输线中脉冲信号反射波的测量和应用 传输线的等效电路及重要参数 等效电路如图2所示： 其中，R、L、C、G分别为单位长度传输线的电阻、电感、电容和电导。 利用电磁场理论和电路方程分析，并经过繁复的推导得到： 其中， 称为传播常数，实部称衰减常数，虚部称相位常数。 又令 称为传输线的特性阻抗。下面列举两种重要情况： （1）无损耗线： （2）无失真线： 可以证明，以上两种情况在传播过程中即使而引起信号衰减，但能保持信号不产生畸变。对无限长导线，只有沿+z方向的行波，但实际导线都是有限的，下面考虑终端负载对传输信号的影响。可以证明： 其中， 是在负载端电压反射波与入射波振幅之比，称为负载电阻的电压反射系数。对于无损线，若负载也为纯电阻负载，分三种情况讨论： （1）开路 电压反射系数最大，在z=L处，电压最大，是驻波波腹；电流最小，是驻波波节。 （2）短路 电压反射系数为负值，表示反射波反相。电压、电流驻波分布和开路情况相反。 （3）负载匹配 电压反射系数为0。没有反射波。只有沿+z方向的行波。 电缆长度测量原理 负载匹配时，输出端和输入端信号时间延迟量为电信号在电缆中单向传输一次的时间，已知电信号在电缆中传输的速度，即可根据计算出电缆长度L（如图3所示） 短路负载时，输出端无信号输出，而在输入端有信号输出。由于输入端信号在反射时有半波损失，故相邻的两个脉冲波反向，且两波之间的时间差为电信号在电缆中传输一个来回的时间，满足。由此可计算出电缆长度L。（如图4所示）