清华大学物理实验报告-数字存储示波器与瞬态信号测量.docxVIP

数字存储示波器与瞬态信号测量一．实验目的1. 了解并学会使用数字存储示波器与QW-1行瞬态信号测量实验仪；2. 了解传输线中脉冲信号反射波的特点并学会用示波器去测量反射波和入射波；3. 了解超声波的原理，学习并体会超声波在检测中的应用。实验仪器1. TDS1002数字存储示波器2. QW-1型瞬态信号测量实验仪（如图1所示）(1). “超声探头”的“发射”和“接收”只准接超声探头，测量前将“发射”和“接收”端用BNC线（同轴电缆线）连接。不许接到示波器。(2). “超声探头”衰减器的示数含义为，若“衰减器Ⅰ” (0～9) 读数为５，“衰减器Ⅱ” (0～9) 读数为2，则衰减倍数为52db，实际衰减倍数约为1052/20≈ 400。利用衰减器可以改变信号的波形、幅度和脉宽等。(3). “信号源”的“射频”可输出正负脉冲电压信号，“检波”输出正向脉冲电压信号，可用示波器检验。(4). “反射信号检测”的“输入端”和“输出端”已内部连接一定长度同轴电缆。相邻两个输出端、输出端已并联。三．实验原理用数字存储示波器观测连续或单脉冲信号这部分内容利用QW-1型瞬态信号测量实验仪的“信号源”进行。其“信号源”可以产生2.4kHz左右的连续或单次脉冲信号，由“触发选择”开关控制。当“触发选择”开关拨到“单次”，就可以由“单次触发”手动按键控制单次信号的产生，按动一次产生一个单次脉冲信号。测量前将“超声探头”的“发射”和“接收”端口用BNC线短路相连，调节“衰减器Ⅰ”和“衰减器Ⅱ”可控制“射频”和“检波”输出脉冲幅度。将“检波”端口与示波器用BNC线相连，调节示波器处于捕捉状态，分别获取“触发选择”处于“连续”和“单次”状态下的波形。传输线中脉冲信号反射波的测量和应用电磁波在同轴电缆的中心导体屏蔽层之间传输，是一封闭电路。由于高频信号的集肤效应电流只在中心导体的表面与屏蔽层的内表面流动，具有良好的屏蔽性。图2 传输线的等效电路用传输线传送瞬态或高频信号时，传输线的长度已可与波长相比拟，甚至大大超过波长，因此在传输线上的电信号存在空间变化，负载不匹配时还有驻波分布。此时传输线的电路参数需用整个长度上的分布参数来表示，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，为沿传输线长度方向的电压、电流信号。令：利用电磁场理论和电路方程分析单元传输线后可得：其中是传播常数，实部α和虚部β分别是线的衰减常数和相位常数。微分方程的解为:这里的正负上标分别表示向+z和-z方向行进的行波。容易证明：表明传输线上任何z处的电压电流之比与z无关。令：Z0称为传输线的特性阻抗，、分别表示单位长度的电阻性负载和电感性负载。传播常数γ决定了传输线中信号的相速和衰减，决定了加上负载后传输线上信号波形的分布。其中：R＝0，G＝0（无耗阻线）（无失真线）以上情况特性阻抗Z0均为纯阻性常数，相位常数β均为ω的线性函数。对于无限长导线只有沿+z方向的行波，实际导线都是有限的，要考虑终端负载对传输信号的影响。长为的传输线，终端接负载，为负载上的电压电流。线上任一点处的式中第一项表示沿z的入射波，第二项表示沿-z的反射波。整理得：其中：是在负载端电压反射波与入射波振幅之比，称为负载ZL的电压反射系数。对于无损线ZO=RO若负载ZL也为纯电阻性负载，分三种情况讨论：①电压反射系数最大，在z=l处电压为最大是驻波波腹，电流为最小是驻波波节。②反射波反向，驻波分布与开路相反。③没有反射波，线路中只有沿+z方向行波。负载不同时，传输线上z=0和z=l处信号波形示意图，如图3所示：a. 输入脉冲，调解衰减器使半高宽最窄（约300ns，2V）b. 输出端断路R=∞，V1 、V2…为一次、二次…多次反射波z=0处波形z=l处波形c. 输出端短路R=0时，z=l处信号为零，z=0出现反相反射波z=0处波形d. 负载为匹配电阻R= RO时波形z=0处波形z=l处波形图3 传输线波形的示意图超声波产生原理简述声波是一种弹性波，超声波频率范围为2×104～1012Hz，能够在所有弹性介质中传播。能将其他形式的能量转换成超声振动能量的方式都可以用来发生超声波。目前普遍使用的是利用压电效应来产生和接受超声波。如果晶体内部质点的振动方向垂直于晶片平面，那么晶片向外发射的就是超声纵波，超声波在介质中传播可以有不同形式，通常有如下三种：（如图4所示）纵波，介质中质点振动方向与超声波传播方向一致，产生于任何固体介质的体积发生交替变化时。横波，介质中质点振动方向与超声波传播方向垂直，当固体介质同时承受体积和切变变形时，剪切力交替作用于固体介质时可产生横波。横波只能在固体介质中传播。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，在距表面1/4波长深处振