数字示波器的使用.pdf

1 4.1 数字示波器的使用数字示波器的使用 实验目的实验目的 一、 了解数字式示波器的基本原理和结构 二、 学习数字式示波器的基本使用方法 三、 掌握使用数字示波器观测信号并运用其数值计算功能对信号分析计算 仪器用具仪器用具 GDS-1072A-U 数字存储示波器、 SG1020E 双路数字信号发生器、 简易信号源、 移相电路 实验原理实验原理 一、示波器结构及工作原理 1．系统组成 如图 4.1-1 所示，与模拟示波器一样，数字示波器第一部分（输入）是垂直放大器在 这一阶段，垂直控制系统调整幅度和位置范围 如图 4.1-2 所示，在水平系统的模数转换器（ADC）部分，信号实时在离散点采样，采 样位置的信号电压转换为数字值，这些数字值称为采样点，该处理过程称为信号数字化 水平系统的采样时钟决定 ADC（模拟-数字转换）采样的频度该速率称为采样速率，表示 为样值/每秒（S/s） 来自 ADC 的采样点存储在捕获存储区内，叫做波形点几个采样点可 以组成一个波形点波形点共同组成一条波形记录创建一条波形记录的波形点的数量称 为记录长度触发系统决定记录的起始和终止点 信号通道中包括微处理器，被测信号在显示之前要通过微处理器处理。

微处理器处理 信号，调整显示运行，管理前面板调节装置信号通过显存，最后显示到示波器屏幕中 在示波器的能力范围之内，采样点会经过补充处理，显示效果得到增强可以增加预触发， 使在触发点之前也能观察到结果 2 图 4.1-1 数字示波器原理方框图 图 4.1-2 信号处理流程 2．数字化采样 如图 4.1-3 所示，样点数每秒（S/s）指数字示波器对信号采样的频率，类似于电影摄 影机中的帧的概念示波器的采样速率越快，所显示的波形的分辨率和清晰度就越高，重 要信息和事件丢失的概率就越小，如果需要观测较长时间范围内的慢变信号，则最小采样 速率就变得较为重要为了在显示的波形记录中保持固定的波形数，需要调整水平控制按 钮，而所显示的采样速率也将随着水平调节按钮的调节而变化 采样计算方法取决于所测量的波形的类型，以及示波器所采用的信号重构方式为了 准确地再现信号并避免混淆，奈奎斯特定理规定，信号的采样速率必须不小于其最高频率 成分的两倍然而，这个定理的前提是基于无限长时间和连续的信号由于没有示波器可 以提供无限时间的记录长度，而且，从定义上看，低频干扰是不连续的，所以，采用两倍 于最高频率成分的采样速率通常是不够的。

实际上，信号的准确再现取决于其采样速率和 信号采样点间隙所采用的插值法一些示波器会为操作者提供以下选择：测量正弦信号的 正弦插值法，以及测量矩形波、脉冲和其他信号类型的线性插值法在使用正弦插值法时， 为了准确再现信号，示波器的采样速率至少需为信号最高频率成分的 2.5 倍使用线性插 值法时， 示波器的采样速率应至少是信号最高频率成分的10 倍 一些采样速率高达 20GS/s， 带宽高达 4GHA 的测量系统用 5 倍于带宽的速率来捕获高速，单脉冲和瞬态事件 3 图 4.1-3 数字化采样原理 二、数字示波器的特点 与模拟示波器相比，数字存储示波器在测量和数值计算方面具有无法比拟的优势大 多数数字示波器提供自动参数测量，信号的各参量自动显示，使测量过程得到简化，省去 了繁琐的按键旋钮操作和人工数值计算的过程，而模拟示波器几乎所有的控件都要人工操 作数字示波器提供高性能处理单脉冲信号和多通道的能力，是低重复率或者单脉冲、高 速、多通道设计应用的完美工具在数字设计实践中，工程师常常同时检查四路甚至更多 的信号，而数字示波器则成为标准的使用设备 三、李萨茹图形 如图 4.1-4 所示， 如果在示波器的 y 轴与 x 轴上输入的都是正弦电压， 这时在荧光屏上 看到的将是两个相互垂直的正弦运动的合成，称为李萨如图形。

如图 4.1-5 所示， 如果我们在某一李萨如图形的边缘上各作一条水平切线和一条垂直切线，分别读出它们与图形相切的切点数，则加在 y 轴上的信号频率yf与加在 x 轴上的信号频率xf之比，等于水平切线的切点数与垂直切线的切点数之比即 012354678012354678012354678UytUxt1个切点2 个 切 点1 2yxff图 4.1-4 李萨茹图形合成原理 图 4.1-5 根据李萨如图判断频率比 4 yxf f水平切线上的切数点 垂直切线上的切数点如果这两个信号频率中有一个是已知的， 则由李萨如图，利用上式即可求出另一未知频率 图 4.1-6 给出了频率比值为简单整数比的几种李萨如图形 李萨如图的形状还与两正弦 信号相位差有关 0 4 2 3 4  1 1yxf f 1 2yxf f 1 3yxf f 2 3yxf f 图 4.1-6 频率比值为简单整数比的几种李萨如图 四、示波器构造和控件介绍 示波器面板控件布置如图 4.1-7 所示 图 4.1-7 面板控件布置 5 表 4.1-1 列出了控件说明。

表 4.1-1 控件说明 6 7 示波器显示介绍如图 4.1-8 所示 图 4.1-8 显示介绍 实验内容实验内容 一、测量示波器自带方波 1．自动测量方式 1）开机、接入测试信号 打开示波器电源开关 power，约 15 秒后结束开机画面将示波器自带的测试信号输出 端 probe 接入 1 通道 CH1按动自动设置键 Autoset，屏幕中出现黄色方波，该方波的频 率约为 1000Hz，峰-峰值电压为 2V（该信号用于示波器自校正之用） 按动蓝色 CH2 按键 （有时需要按两次） ，关闭 2 通道输入此时看到屏幕中蓝色信号消失，且屏幕左下角的 2 号通道字符“2”的背景蓝色圈消失1 通道的开启关闭一样操作 说明：CH1 通道的波形及屏幕左下角的通道号码开断、耦合方式、垂直增益图标均为 黄色，CH2 通道的均为蓝色 8 2）设置菜单排布 按动 Measure 键，此时在屏幕右侧会出现 5 个参量显示，一般为频率、峰峰值、平均 值、周期、均方根值，这些是本实验常用到的 5 个参量如果不是这几个参量，可按动需 要修改的菜单右侧所对应的功能键， 接着按动中间颜色变成灰色的菜单右侧对应的功能键， 此时出现对话框，旋转 VARIABLE 旋钮，将白色三角对准要选的参量英文单词，再次按动 Measure 键，则需要修改的菜单随即出现在改动之处，代替原来的菜单。

数字示波器具有 菜单记忆功能，除非人为修改菜单排布，否则即使关机、重开机，也会重复上次用到的菜 单排布 3）测量 此时显示的就是该状态下的波形的参量数据（从这些数据可以看到基本符合频率约为 1000Hz，峰-峰值电压约为 2V 的信号的参数） 将自动模式下测量的示波器自带方波各参 量记录在“数据处理”表 1 中 以上总结为：开机接入测试信号AutosetMeasure，这种测量方式叫做自动测 试方式 2．手动光标测量方式 通过数字示波器提供的自动测量模式，可以方便地把未知信号波形显示在屏幕上，多 数情况下示波器根据输入信号的幅值和频率，自动设定垂直增益和扫描时间等参数，使得 波形主要成分的幅值和周期在适合的状态下出现在屏幕中但有时待测信号周期不是规律 的，幅值不断变化，有时含有多次谐波，此时自动测量模式就有可能无法显示出正常状态， 另外使用者有时会关心信号某一段细节，此时就需要手动光标测量方式了 1） 周期、频率的测量 首先通过自动方式把 probe 波形初步显示在屏幕上，按动菜单按键区中的 cursor 键， 屏幕中会出现两条黄色水平标线按动屏幕右侧 XY 所对应的功能键，选取出现两条 黄色竖直标线。

按动 X1 所对应的功能键，X1 显示块由蓝色变为浅灰色，表示选定有效， 此时表明选定 X1 为移动目标旋转 VARIABLE 旋钮，可以左右移动 X1 实线，将该实线 对齐方波的上升沿；同样，按动 X2 所对应的功能键，旋转 VARIABLE 旋钮，将 X2 实线 对齐方波一个周期后的上升沿至此，水平方向的光标移动完毕，接下来读取 X1X2 显示 块下的△和 f 对应的数据，其中△显示的是所标定的两条光标之间的时间间隔，f 代表以 该时间间隔为一个周期所对应的波形的频率将△、f 值记录到“数据处理”表 2 中 光标测量频率是否准确， 取决于操作者是否准确地将两个标线放在该信号的一个周期 上 2）峰-峰值电压的测量 峰-峰值电压的测量方法与周期测量方法类似，只不过标线调节是沿竖直方向调节，具 体如下： 按动 cursor 键，按动 XY 所对应的按键，使两条黄色标线水平放置按动 Y1 所对 应的按键，旋转 VARIABLE 旋钮，上下移动 Y1 标线，使之与方波最高峰值处对齐同样， 按动 Y2 所对应的按键，旋转 VARIABLE 旋钮，上下移动 Y2 标线，使之与方波最低值处 对齐。

此时完成光标调节，直接在菜单 Y1Y2 处读取峰-峰值电压，记录数据 9 注意以上只是手动测量的 1 通道模式， 如果是双通道测量， 则需要按动蓝色 CH2 按钮， 剩余操作方式与 1 通道方式相同，只是屏幕中的波形、标线等均为浅蓝色而已即黄色为 1 通道显示，浅蓝色为 2 通道显示 二、未知信号的测量 根据以上掌握的自动测量和手动光标测量的方法，分别测量“简易信号源”的方波、 正弦波的电参数，在“数据处理”表 3 中记录数据 测量时注意：手动光标测量中要求调节出“幅值最大，周期个数最少”的波形进行测 量，以减小相对误差 “幅值最大”指的是：调节垂直增益和垂直位置旋钮，使得纵向波形 幅值最大，但是波形最高和最低点不能超出屏幕； “周期个数最少”指的是调节扫描时间旋 钮使得水平方向的周期个数最少，但是要看到一个完整的周期 三、李萨如图形测量 根据李萨如图形原理，将数字信号发生器正弦波（已知信号，频率xf）输入 1 通道，简易信号源正弦波（待测信号，频率yf）输入 2 通道，改变 1 通道信号频率，使得屏幕中出现相对稳定的一个圆，此时我们知道两个通道输入的信号频率基本相等 具体步骤如下： 接好线路后，打开数字信号发生器和简易信号源，按动 Autoset 键，此时画面出现两 个正弦波，黄色为 1 通道（信号发生器）的信号，蓝色为 2 通道(简易信号源)的信号。

按 动菜单键 MENU，再按动屏幕菜单最下边的 XY 所对应的按键，此时进入 XY 工作模式 按动 Measure 键，屏幕中的菜单可显示两个正弦波的频率改变 1 通道输入的频率， 即改变数字信号发生器的输出频率（可观察频率菜单中的两个通道的频率，把两个频率调 节成相近频率） ，同时观查屏幕中的图形，直到得到变化速度最慢的圆，此时信号发生器显 示的频率约等于待测信号（简易信号源）频率同时在频率菜单中显示了两个通道的信号 频率（按动 Measure） 分别调整出32 31 21 1112、、、ff四种情形的李萨如图，记录1f、2f，并画出相应的李萨如图形可通过多次按动 Run/Stop 键，选取Φ=0 的状态画图 数字信号发生器频率的调节：按数字键按出你所需要的频率，在“12 菜单软件”中显 示出单位（如 Hz、KHz 等） ，选择需要的单位即可用“8 方向键”移动左右箭头选择数 位，转动“7 旋钮”即可连续改变频率数值 四、相位差的测量 如图 4.1-9 所示， 用电容C、 电阻R组成串联电路构成移相器， 输入端输入kHzf1，VVPP2的正弦信号，两输出端输出周期相同、有一定相位差的两正弦信号。

用示波器的10 “FFF 延迟”读取两正弦波相位移时间X，则相位差 o TX360  其中T为输入信号iU与输出信号oU的周期，两周期相等 “FFF 延迟”菜单调节可。