CN117711245A - 示波器的原理及应用实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种示波器的原理及应用实验平台，信号发生器、示波器、电源、驱动器、XYZ三维模组、画板和控制器均设置在底座上；画笔和机械手指固定设置在XYZ三维模组上，画板位于画笔的下方；信号发生器的输出信号分别与示波器的输入端口和控制器的输入端口连接，控制与XYZ三维模组连接，XYZ三维模组与驱动器连接，驱动器控制XYZ三维模组的机械运动。本发明可以将不同频率比的李萨如波形以一种直观且清晰的路径过程展示出来，整个过程实现了物理现象与机械运动的有机结合。

Description

示波器的原理及应用实验平台

技术领域

本发明涉及一种示波器的原理及应用实验平台。属于外骨骼机器人人机交互技术领域。

背景技术

目前教学中涉及到物理示波器原理及应用实验平台(简称示波器实验)主要通过信号发生器生成两路不同幅值、不同频率和不同相位的交流信号，然后生成李萨如波形并在示波器中予以观察。示波器实验既锻炼了学生操作示波器和函数发生器这些基本仪器的能力，也能让学生理解信号的生成与变换会产生具有美感的波形进而提高学习兴趣。但是现有实验平台仍存在一些不足：

1、示波器直接显示了信号合成的结果，对于信号的变换过程没有任何直观体现，容易造成学生知其然不知其所以然。

2、李萨如图实际上是一个质点同时在X轴和Y轴上作简谐运动形成的。但是，李萨如实验只做两个信号的频率比为1：1，2：1，3：1和2：3这几种特殊情况，如果这两个相互垂直的振动的频率不是整数关系，那么它们的合成运动就会比较复杂，而且轨迹是不稳定的。这使得学生无法从不同频率角度做实验，造成学生对变量的连续变化缺少完整认知。

3、实验波形基于时域，而后续专业课会碰到基于频域的傅里叶变换，时域波形变换为频率频谱。造成实验在铺垫与继承方面缺少呈现，学生的学习不能放到系统中去，只能孤立学习。

因此，如果实验平台既能保留传统实验过程，又增加信号合成过程、增加信号频率变比变化过程，增加时域频域变换过程，则能够让学生在掌握示波器原理及应用基础上，从实践性实验变成探究性实验，掌握物理过程变换的实质和规律具有重要的教学意义。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供了一种示波器的原理及应用实验平台。

本发明的目的是这样实现的：

一种示波器的原理及应用实验平台，其特点是：包括信号发生器、示波器、电源、驱动器、XYZ三维模组、画板、画笔、控制器、底座和机械手指，信号发生器、示波器、电源、驱动器、XYZ三维模组、画板和控制器均设置在底座上；画笔和机械手指固定设置在XYZ三维模组上，画板位于画笔的下方；

信号发生器的输出信号分别与示波器的输入端口和控制器的输入端口连接，控制与XYZ三维模组连接，XYZ三维模组与驱动器连接，驱动器控制XYZ三维模组的机械运动。

进一步的，信号发生器和示波器并排设置在底座的中部靠左位置，控制器位于信号发生器的前方，驱动器和电源设置在底座的右上位置；XYZ三维模组位于信号发生器和示波器的后方；。

进一步的，信号发生器额外增加了调节按钮，可以调节输入不同频率比的X/Y信号。

进一步的，XYZ三维模组采用XY-1200型。

一种示波器的原理及应用实验平台的操作步骤如下：

S1、连接线路；

信号发生器的输出信号连接到示波器的输入端口上，连接完成后调整信号发生器的输出频率、幅度参数，以及示波器的垂直灵敏度和时间灵敏度参数，接着将信号发生器与控制器使用线缆直接相连接；

S2、启动电源；

将电源打开；

S3、选择信号输出形式；

选择信号输出形式和所需信号的频率范围；

S4、示波器显示时域波形图像；

等待示波器接收到固定频率比和相位差的信号后，示波器成功接收到并处理了这些信号，显示屏上输出相应的波形图像；

S5、XYZ三维模组的驱动；

控制器接收到来自信号发生器的命令后，通过驱动器控制控制XYZ三维模组的机械运动，在XYZ三维模组移动的同时，画笔也随之移动，并在画板上实时绘制出波形图象的产生路径；

S6、时域波形转换为频域频谱；

时域波形绘制出后，XYZ三维模组上的机械手指接收到指令后旋转示波器的调节按钮将显示的时域波形转化为频域上的频谱分布；接着画板清空时域波形开始绘制频域频谱；

S7、改变信号输出频率比；

调节示波器的信号调节按钮将信号的频率比为1：1变为1：1.5，观察示波器产生的时域波形图象以及XYZ三维模组的运动路径，同时与频率比为1：1的波形图像相对比，体会信号频率变比变化过程；

S8、断开连接，关闭电源。

将电源关闭。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明可以将不同频率比的李萨如波形以一种直观且清晰的路径过程展示出来，整个过程实现了物理现象与机械运动的有机结合。

附图说明

图1是本发明一种示波器的原理及应用实验平台示意图。

图2是本发明一种示波器的原理及应用实验平台实境连接示意图。

图中：

信号发生器1，示波器2，电源3，驱动器4，XYZ三维模组5，画板6，画笔7，控制器8，底座9，机械手指10。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制发明的保护范围。

本发明一种示波器的原理及应用实验平台包括信号发生器1、示波器2、电源3、驱动器4、XYZ三维模组5、画板6、画笔7、控制器8、底座9和机械手指10，信号发生器1、示波器2、电源3、驱动器4、XYZ三维模组5、画板6和控制器8均设置在底座9上；整个组成部分分为四个模块，信号发生器1为信号产生模块，示波器2为波形图像显示模块，控制器8、驱动器4和XYZ三维模组5为电气图像转换为机械操作的机械运动模块，电源3电源模块为整个系统提供电能。

其中，信号发生器1和示波器2并排设置在底座9的中部靠左位置，控制器8位于信号发生器1的前方，驱动器4和电源3设置在底座9的右上位置；XYZ三维模组5位于信号发生器1和示波器2的后方；画笔7和机械手指10固定设置在XYZ三维模组5上，画板6位于画笔7的下方。

信号发生器1的输出信号分别与示波器2的输入端口和控制器8的输入端口连接，控制器8与XYZ三维模组5连接，XYZ三维模组5与驱动器4连接，驱动器4控制XYZ三维模组的机械运动。

其中，示波器2用于显示波形图像，信号发生器1额外增加了调节按钮，可以调节输入不同频率比的X/Y信号，控制器8负责控制XYZ三维模组5的运动；XYZ三维模组5采用的是XY-1200型。控制器8接收到来自信号发生器1的命令后，将此命令转化为XYZ三维模组5可以理解的指令，XYZ三维模组5根据控制器8的指令，计算出电机的目标位置和速度，然后通过驱动器4控制电机的运动从而控制XYZ三维模组5的机械运动。机械手指10可以模拟人类的手指动作，通过旋转示波器2的旋钮来调节显示状态。这使得操作更加直观和便捷，同时也增加了系统的灵活性和可操作性。画笔7则可以将调节后的示波器显示图通过机械运动的方式画出李萨如波形。李萨如波形是一种描述两个频率不同、振幅不同的正弦波叠加而成的波形。通过画笔7的机械运动，可以将这种波形以可视化的形式展现出来，使得波形的运动生成轨迹一目了然。整个过程实现了物理现象与机械运动的有机结合。

具体实施例：

本发明一种示波器的原理及应用实验平台，操作步骤如下：

S1、连接线路；

信号发生器1的输出信号连接到示波器2的输入端口上，连接完成后调整信号发生器1的输出频率、幅度等参数，以及示波器2的垂直灵敏度和时间灵敏度等参数。例如，如果需要观察高频信号，就可能需要增加示波器2的时间灵敏度，以便更好地捕捉和显示信号的细节。同样地，如果信号的幅度较小，可能需要提高示波器2的垂直灵敏度，以确保信号能够在屏幕上清晰可见。接着将信号发生器1与控制器8使用线缆直接相连接。

S2、启动电源；

将电源3打开。

S3、选择信号输出形式；

选择合适的信号输出形式(如方波或正弦波)和所需信号的频率范围，调节信号发生器1额外增加的信号调节按钮，例如设定两个信号的频率比为1：1的李萨如波形；

S4、示波器2显示时域波形图像。等待示波器2接收到固定频率比和相位差的信号后，输出特定图像波形的这个过程可能需要一定的时间，具体时间取决于信号的稳定性和示波器2的处理速度；一旦示波器2成功接收到并处理了这些信号，它就会立即在显示屏上输出相应的波形图像。

S5、XYZ三维模组的驱动；

控制器8接收到来自信号发生器1的命令后，通过驱动器4控制控制XYZ三维模组5的机械运动，在XYZ三维模组5移动的同时，画笔7也随之移动，并在画板6上实时绘制出波形图象的产生路径；这样，我们就可以通过观察画板6上的图象来了解信号发生器1输出的信号波形以及XYZ三维模组5的运动状态。

S6、时域波形转换为频域频谱；

时域波形绘制出后，XYZ三维模组5上的机械手指10接收到指令后旋转示波器2的调节按钮将显示的时域波形转化为频域上的频谱分布；接着画板6清空时域波形开始绘制频域频谱。

S7、改变信号输出频率比；

调节示波器2的信号调节按钮将信号的频率比为1：1变为1：1.5，观察示波器2产生的时域波形图象以及XYZ三维模组5的运动路径，同时与频率比为1：1的波形图像相对比，体会信号频率变比变化过程。

S8、断开连接，关闭电源。

将电源3关闭。

本发明可以将不同频率比的李萨如波形以一种直观且清晰的路径过程展示出来，整个过程实现了物理现象与机械运动的有机结合。

在上述实施例中，仅对本发明进行示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。

Claims (5)

1.一种示波器的原理及应用实验平台，其特征在于：包括信号发生器、示波器、电源、驱动器、XYZ三维模组、画板、画笔、控制器、底座和机械手指，信号发生器、示波器、电源、驱动器、XYZ三维模组、画板和控制器均设置在底座上；画笔和机械手指固定设置在XYZ三维模组上，画板位于画笔的下方；

信号发生器的输出信号分别与示波器的输入端口和控制器的输入端口连接，控制与XYZ三维模组连接，XYZ三维模组与驱动器连接，驱动器控制XYZ三维模组的机械运动。

2.根据权利要求1所述的一种示波器的原理及应用实验平台，其特征在于：信号发生器和示波器并排设置在底座的中部靠左位置，控制器位于信号发生器的前方，驱动器和电源设置在底座的右上位置；XYZ三维模组位于信号发生器和示波器的后方；。

3.根据权利要求1所述的一种示波器的原理及应用实验平台，其特征在于：信号发生器额外增加了调节按钮，可以调节输入不同频率比的X/Y信号。

4.根据权利要求1所述的一种示波器的原理及应用实验平台，其特征在于：XYZ三维模组采用XY-1200型。

5.一种示波器的原理及应用实验平台，其特征在于：示波器的原理及应用实验平台操作步骤如下：

S1、连接线路；

信号发生器的输出信号连接到示波器的输入端口上，连接完成后调整信号发生器的输出频率、幅度参数，以及示波器的垂直灵敏度和时间灵敏度参数，接着将信号发生器与控制器使用线缆直接相连接；

S2、启动电源；

将电源打开；

S3、选择信号输出形式；

选择信号输出形式和所需信号的频率范围；

S4、示波器显示时域波形图像；

等待示波器接收到固定频率比和相位差的信号后，示波器成功接收到并处理了这些信号，显示屏上输出相应的波形图像；

S5、XYZ三维模组的驱动；

控制器接收到来自信号发生器的命令后，通过驱动器控制控制XYZ三维模组的机械运动，在XYZ三维模组移动的同时，画笔也随之移动，并在画板上实时绘制出波形图象的产生路径；

S6、时域波形转换为频域频谱；

时域波形绘制出后，XYZ三维模组上的机械手指接收到指令后旋转示波器的调节按钮将显示的时域波形转化为频域上的频谱分布；接着画板清空时域波形开始绘制频域频谱；

S7、改变信号输出频率比；

调节示波器的信号调节按钮将信号的频率比为1：1变为1：1.5，观察示波器产生的时域波形图象以及XYZ三维模组的运动路径，同时与频率比为1：1的波形图像相对比，体会信号频率变比变化过程；

S8、断开连接，关闭电源。

将电源关闭。