实验53数字示波器的原理与使用示波器是用于显示信号波形的仪器示波器除了可以直接观测电压随时间变化的波形外，还可以测量频率和相位差等参数，也可以定性观察信号的动态过程，它不仅能测量电学量，还可以通过不同的传感器将各种非电量，如速度、压力、应力、振动、浓度、声、磁、光、热等，变换成电学量来间接地进行观察和测量，数字示波器由于具有模拟示波器所不具备的屏幕截图、数据显示、数学运算、数据及波形存储等功能，并可外接网络、优盘、打印机、计算机，目前已取代模拟示波器在科研及教学中成为主流在本实验中，重点学习DS2072A型数字示波器的使用，着重在理解示波器工作原理的基础上，学习正确使用示波器的方法【实验目的】(1）了解示波器的工作原理，(2）学习用示波器观察各种信号波形（3）用示波器测量信号的电压、频率和相位差【实验原理】1.数字示波器的工作原理数字示波器的原理如图53-1所示，输入数字示波器的待测信号先经过一个电压放大与衰减电路，将待测信号放大（或衰减）到后续电路可以处理的范围内，接着由采样电路按一定的采样频率对连续变化的模拟波形进行采样，然后由模数转换器A/D将采样得到的模拟量转换成数字量，并将这些数字量存放在存储器中，这样，可以随时通过CPU和逻辑控制电路把存放在存储器中的数字波形显示在显示屏上供使用者观察和测量为了能够实时稳定的显示待测输入信号的波形，要做到示波器自身的扫描信号与输入信号同步，让每次显示的扫描波形的起始点都在示波器屏幕的同一位置：示波器内部有一个触发电路，如果选择经过放大与衰减后的待测输入信号作为触发源，则触发电路在检测到待测输入信号达到设定的触发条件（一定的电平和极性）后，会产生一个触发信号，其后的逻辑控制电路接收到这输入采样与显示放大与衰减存储器个触发信号将启动一次数据A/D转换采集、转换和存储器写入过/控制程显示波形时，数字示波器逻辑控→触发电路CPU外触发地址制电路在CPU和逻辑控制电路的参+t与下将数据从存储器中读出输入/输出接口并稳定的显示在显示屏上由于已将模拟信号转换图53-1数字示波器的原理框图
实验 53 数字示波器的原理与使用 示波器是用于显示信号波形的仪器．示波器除了可以直接观测电压随时间变化的波形 外，还可以测量频率和相位差等参数，也可以定性观察信号的动态过程．它不仅能测量电 学量，还可以通过不同的传感器将各种非电量，如速度、压力、应力、振动、浓度、声、 磁、光、热等，变换成电学量来间接地进行观察和测量． 数字示波器由于具有模拟示波器所不具备的屏幕截图、数据显示、数学运算、数据及 波形存储等功能，并可外接网络、优盘、打印机、计算机，目前已取代模拟示波器在科研 及教学中成为主流． 在本实验中，重点学习 DS2072A 型数字示波器的使用，着重在理解示波器工作原理的 基础上，学习正确使用示波器的方法． 【实验目的】 ⑴ 了解示波器的工作原理． ⑵ 学习用示波器观察各种信号波形． ⑶ 用示波器测量信号的电压、频率和相位差． 【实验原理】 1. 数字示波器的工作原理 数字示波器的原理如图 53-1 所示，输入数字示波器的待测信号先经过一个电压放大 与衰减电路，将待测信号放大（或衰减）到后续电路可以处理的范围内，接着由采样电路 按一定的采样频率对连续变化的模拟波形进行采样，然后由模数转换器 A/D 将采样得到 的模拟量转换成数字量，并将这些数字量存放在存储器中．这样，可以随时通过 CPU 和 逻辑控制电路把存放在存储器中的数字波形显示在显示屏上供使用者观察和测量． 为了能够实时稳定的显示待测输入信号的波形，要做到示波器自身的扫描信号与输入 信号同步，让每次显示的扫描波形的起始点都在示波器屏幕的同一位置．示波器内部有一 个触发电路，如果选择经过放大与衰减后的待测输入信号作为触发源，则触发电路在检测 到待测输入信号达到设定的触发条件（一定的电平和极性）后，会产生一个触发信号，其 后的逻辑控制电路接收到这 个触发信号将启动一次数据 采集、转换和存储器写入过 程．显示波形时，数字示波器 在 CPU 和逻辑控制电路的参 与下将数据从存储器中读出 并稳定的显示在显示屏上． 由于已将模拟信号转换 图 53-1 数字示波器的原理框图 外触发 输入 放大与衰减 采样与 A/D 转换 逻辑控 制电路 触发电路 输入/输出接口 CPU 存储器 显示 控制 地址
成数字量存放在存储器中，利用数字示波器可对其进行各种数学运算（如两个信号相加、相减、相乘、快速傅里叶变换）以及自动测量等操作，也可以通过输入/输出接口与计算机或其他外设进行数据通信2.李萨如图形示波器默认显示的波形为“Y-T模式”，如图53-2（a）所示，即以同等时间间距将待测信号的电压值采样，并经一系列过程后在屏幕上依次显示。也就是说，所显示波形的横轴是个时间量.可是在很多场合下需要对两个波形的信号进行比较，如观察一个特定信号在经过某电路前后波形及相位的变化或观察一个正弦波经不同倍频电路后波形及相位的变化，用“Y-T模式”读数就很不方便，通常用示波器的“XY模式”在此模式下，实验所用示波器默认将从CHI通道输入的信号作为X轴，将从CH2通道输入的信号作为Y轴进行叠加，我们将互相垂直方向上的两个频率成简单整数比的简谐振动所合成的规则的、稳定的闭合曲线，称为李萨如图形，不同的初始相位及不同的频率比均可形成不同形状的李萨如图形.如图53-2所示：JU.Uri(a）Ua和Uy合成的李萨如图形CU.14Uatn.=n.=2U.(c）Us2和Uy合成的李萨如图形(b）不同频率及相位的X轴及Y轴信号图53-2不同初始相位相同频率比的李萨如图形
成数字量存放在存储器中，利用数字示波器可对其进行各种数学运算（如两个信号相加、 相减、相乘、快速傅里叶变换）以及自动测量等操作，也可以通过输入/输出接口与计算 机或其他外设进行数据通信． 2. 李萨如图形 示波器默认显示的波形为“Y-T 模式”， 如图 53-2（a）所示，即以同等时间间距将 待测信号的电压值采样，并经一系列过程后在屏幕上依次显示．也就是说，所显示波形的 横轴是个时间量． 可是在很多场合下需要对两个波形的信号进行比较，如观察一个特定信号在经过某电 路前后波形及相位的变化或观察一个正弦波经不同倍频电路后波形及相位的变化，用“Y-T 模式”读数就很不方便，通常用示波器的“X-Y 模式”．在此模式下，实验所用示波器默认 将从 CH1 通道输入的信号作为 X 轴，将从 CH2 通道输入的信号作为 Y 轴进行叠加． 我们将互相垂直方向上的两个频率成简单整数比的简谐振动所合成的规则的、稳定的 闭合曲线，称为李萨如图形．不同的初始相位及不同的频率比均可形成不同形状的李萨如 图形．如图 53-2 所示： 图 53-2 不同初始相位相同频率比的李萨如图形 (a) Ux1 和 Uy 合成的李萨如图形 t Ux1 a b c d e f g h i t a b c d e f h i Uy g Uy Ux1 a b c d e f g h i nx = 2 ny = 4 t Ux1 g t a b c d e f h i Uy (b) 不同频率及相位的 X 轴及 Y 轴信号 t Ux2 t (c) Ux2 和 Uy 合成的李萨如图形 Ux2 i a b c d e f g h t t a b c d e f h i Uy g Uy a Ux2 c b d e g f h i nx = 1 ny = 2
图53-2（b）、（c）所示为分别以图53-2（a）中波形Uxl、Uz为X轴，U,为Y轴得到的李萨如图形，由于U和U，信号的频率相同，相位不同，所成李萨如图形的形状也不同，但是与曲线交点数最多的水平线和与曲线交点数最多的垂直线所得到的交点数之比相同，均为1：2，即存在：(53-1)n:n,=f,:f图53-3所示为几种不同频率比的李萨如图形(@Ts(e) (f)图53-3几种频率比的李萨如图形【实验仪器】1.DS2072A型数字示波器图53-4为DS2072A型数字示波器操作面板示意图，待测信号可通过CH1和CH2两个输入通道输入示波器进行观察．表53-1为该示波器的功能简表，在使用过程中如想了解某个按键的详细功能，可以先按“Help”键，再按想了解其功能的按键，示波器屏幕上将显示该键功能的详细介绍快速测量按键功能菜单设置按键多功能旋钮功能控制区运行控制区CLEARAUTOCSINGLE帮助/打印:I参数设置钮水平控制区自波形录制区触发控制区探头补偿端U电源开关USB接口信号输入通道外部触发输入通道垂直控制区图53-4DS2072A型数字示波器操作面板示意图
图 53-2（b）、（c）所示为分别以图 53-2（a）中波形 Ux1、Ux2为 X 轴，Uy 为 Y 轴得到 的李萨如图形，由于 Ux1和 Ux2 信号的频率相同，相位不同，所成李萨如图形的形状也不同， 但是与曲线交点数最多的水平线和与曲线交点数最多的垂直线所得到的交点数之比相同， 均为 1 : 2，即存在： x y y x n : n f : f （53-1） 图 53-3 所示为几种不同频率比的李萨如图形． 【实验仪器】 1. DS2072A 型数字示波器 图 53-4 为 DS2072A 型数字示波器操作面板示意图，待测信号可通过 CH1 和 CH2 两 个输入通道输入示波器进行观察．表 53-1 为该示波器的功能简表．在使用过程中如想了 解某个按键的详细功能，可以先按“Help”键，再按想了解其功能的按键，示波器屏幕上 将显示该键功能的详细介绍． 1 1 x y f f (a) 1 2 x y f f (b) 2 1 x y f f (c) 1 3 x y f f (d) 2 3 x y f f (e) 3 4 x y f f (f) 图 53-3 几种频率比的李萨如图形 帮助/打印 参数设置钮 探头补偿端 图 53-4 DS2072A 型数字示波器操作面板示意图 快速测量按键 功能菜单设置按键 多功能旋钮 功能控制区 运行控制区 图 5-2 DS2072A 型数字示波器操作面板示意图 CH2 CH1 SCALE POSITION FORCE MENU MODE Decode2 Decode1 REF MATH 2 CH 1 CH SCALE POSITION MENU Print Help Utility 电源开关 USB 接口 信号输入通道 垂直控制区 外部触发输入通道 水平控制区 波形录制区 触发控制区 CLEAR AUTO STOP RUN SINGLE Measure Acquire Storage Cursor Display Utility Help Print MENU SCALE POSITION CH 1 CH 2 MATH REF Decode1 Decode2 MODE MENU FORCE POSITION SCALE CH1 CH2
表53-1DS2072A型数字示波器功能简表区域名称功能自动检测有信号输入的通道，自动选择合适量程，自动选择合适周期，自动触AUTO键发，将输入信号以Y-T模式显示出来，运行RUN/STOP键显示即时采样的波形/显示在按停止键之前采样的波形，（即屏幕裁图）控制区域SINGLE键单次触发键，示波器在符合触发条件下触发一次信号，并显示该信号CLEAR键在单次触发的情况下，清除屏幕波形.帮助Help键该键调用帮助系统，先按动该键再按其它按键，可显示各键功能，打印按键Print键将屏幕数据存到优盘或打印CH1键显示/（停止显示）CHI通道的信号及操作菜单CH2键显示/（停止显示）CH2通道的信号及操作菜单，可根据屏幕菜单选择操作键选择的结果显示CH1、CH2通道输入波形分别相加、MATH键垂直相减、相乘以及FFT（快速傅立叶变换）运算的结果控制显示参考信号波形.该参考信号可以临时输入，也可以是过去以REF格式存储的区域REF键波形.POSITION旋将目前正在显示参数的通道的信号波形在屏幕上垂直上下位移，如按动该旋钮，纽可使选中通道的位移变动归零.改变屏幕显示信号的垂直分辨率，使波形高矮发生变化，如按动该旋钮，可进SCALE旋钮行粗调和微调的切换显示水平控制系统的操作菜单，其中“延迟扫描”可将某一部分波形水平扩张，MENU键“时基”可将显示模式在“Y-T”和“X-Y”（将CH1的信号作X，CH2的信号作Y）间选择，如选择“X-Y”模式，则由水平区“SCALE”旋钮控制轨迹延迟时间。水平POSITION旋控制调整波形的水平位置，如按动该旋钮，触发水平位置回到屏幕中心。钮区域调整扫描波形的时基（屏幕上横向每大格对应的时间，即s/div）：如按动该旋SCALE旋钮钮，可在“扫描”和“延迟扫描”间切换，在“x-Y”模式下，控制轨迹延迟时间及采样点的多少，从而改变李萨如图形的完整程度，显示“数据”菜单，可用“多功能旋钮”配合“功能菜单设置键”对波形的全Measure键部参数进行测量，并在屏幕上直接显示结果.显示“采样”菜单。可选择不同的采样方式、采样次数以获得不同波形效果Acquire键显示“存储”菜单，可存储波形、设置、位图、CSV文件以及参数等信息，在该功能Storage键菜单中可以将示波器恢复为默认设置，控制区域显示“光标”菜单，可选择自动、手动、跟踪等模式，屏幕上能自动显示光标Cursor键所在位置对应的数据，可通过“多功能旋钮”改变菜单高亮光标的位置，显示“显示”菜单，可对显示类型、菜单保持时间、屏幕网格、亮度等进行设Display键置.Utlity键显示“辅助”菜单，可对语言、接口、录制波形、打印等参数进行设置，LEVEL旋钮改变触发电平：如按动该旋钮，触发电平复位。MENU键触发在屏幕设置触发菜单，可对触发信号源、触发模式、触发方式等进行改变控制区域MODE键将触发方式在自动、普通、单次间切换，FORCE键强制产生一个触发信号，主要用于触发方式中的“普通”和“单次”模式辅助“功能菜单设置键”，对屏幕菜单及波形设置进行操作.如按动该旋钮，多功能旋钮则对当前设置进行确认，单独使用可调节屏幕明暗
表 53-1 DS2072A 型数字示波器功能简表 区域 名称 功能 运行 控制 区域 AUTO键 自动检测有信号输入的通道，自动选择合适量程，自动选择合适周期，自动触 发，将输入信号以Y-T模式显示出来． RUN/STOP键 显示即时采样的波形/显示在按停止键之前采样的波形．（即屏幕截图） SINGLE键 单次触发键，示波器在符合触发条件下触发一次信号，并显示该信号． CLEAR键 在单次触发的情况下，清除屏幕波形． 帮助 打印 按键 Help键 该键调用帮助系统，先按动该键再按其它按键，可显示各键功能． Print键 将屏幕数据存到优盘或打印 垂直 控制 区域 CH1键 显示/(停止显示)CH1通道的信号及操作菜单． CH2键 显示/(停止显示)CH2通道的信号及操作菜单． MATH键 可根据屏幕菜单选择操作键选择的结果显示CH1、CH2通道输入波形分别相加、 相减、相乘以及FFT（快速傅立叶变换）运算的结果． REF键 显示参考信号波形．该参考信号可以临时输入，也可以是过去以REF格式存储的 波形． POSITION旋 钮 将目前正在显示参数的通道的信号波形在屏幕上垂直上下位移．如按动该旋钮， 可使选中通道的位移变动归零． SCALE旋钮 改变屏幕显示信号的垂直分辨率，使波形高矮发生变化．如按动该旋钮，可进 行粗调和微调的切换． 水平 控制 区域 MENU键 显示水平控制系统的操作菜单．其中“延迟扫描”可将某一部分波形水平扩张， “时基”可将显示模式在“Y-T”和“X-Y”(将CH1的信号作X，CH2的信号作Y) 间选择．如选择“X-Y”模式，则由水平区“SCALE”旋钮控制轨迹延迟时间． POSITION旋 钮 调整波形的水平位置．如按动该旋钮，触发水平位置回到屏幕中心． SCALE旋钮 调整扫描波形的时基（屏幕上横向每大格对应的时间，即s/div）．如按动该旋 钮，可在“扫描”和“延迟扫描”间切换．在“X-Y”模式下，控制轨迹延迟时 间及采样点的多少，从而改变李萨如图形的完整程度． 功能 控制 区域 Measure键 显示“数据”菜单．可用“多功能旋钮”配合“功能菜单设置键”对波形的全 部参数进行测量，并在屏幕上直接显示结果． Acquire键 显示“采样”菜单．可选择不同的采样方式、采样次数以获得不同波形效果． Storage键 显示“存储”菜单．可存储波形、设置、位图、CSV文件以及参数等信息．在该 菜单中可以将示波器恢复为默认设置． Cursor键 显示“光标”菜单．可选择自动、手动、跟踪等模式，屏幕上能自动显示光标 所在位置对应的数据，可通过“多功能旋钮”改变菜单高亮光标的位置． Display键 显示“显示”菜单．可对显示类型、菜单保持时间、屏幕网格、亮度等进行设 置． Utlity键 显示“辅助”菜单．可对语言、接口、录制波形、打印等参数进行设置． 触发 控制 区域 LEVEL旋钮 改变触发电平．如按动该旋钮，触发电平复位． MENU键 在屏幕设置触发菜单．可对触发信号源、触发模式、触发方式等进行改变． MODE键 将触发方式在自动、普通、单次间切换． FORCE键 强制产生一个触发信号．主要用于触发方式中的“普通”和“单次”模式． 多功能旋钮 辅助“功能菜单设置键”，对屏幕菜单及波形设置进行操作．如按动该旋钮， 则对当前设置进行确认．单独使用可调节屏幕明暗．
功能菜单设置键配合其它按键，显示屏幕菜单并测量相关参数快速测量按键显示待测波形的水平及垂直测量菜单的相关参数。提供大约3.0V、1.0kHz的方波信号，配合输入通道上端的CH1/CH2按键及探头补探头补偿蜡口偿调节棒，对输入信号的衰减探头进行调节，并对屏幕菜单选项中的“探头比”进行选择．如使用非衰减探头，则屏幕菜单的“探头比”选项必须选择1X.波形录制区可以录制及回放波形参数设置旋钮配合多功能旋钮对较大范围变动的参数进行调节。EE1641B1型函数信号发生器2.图53-5是EE1641B1函数信号发生器的面板配置图，它可以产生频率从0.2Hz到2MHz的多种波形信号，输出电压为10mV～10V，最大衰减达60dB.下面介绍实验中常用按键和旋钮的功能.频率显示幅值显示扫描宽度扫描速率OktDor.OOCECO扫描/计数输入质数价号物顺车调节(Hz)ONTLOG1588OaQ:INTLREAROO?TTL输出OFFEXTSWEEFou-CETCON60口?口口酒函数信号输出0x1M验出意减amitu频段选择频率调节波形选择波形对称直流偏移电源开关输出幅度图53-5EE1641B1型函数信号发生器/计数器操作面板示意图表53-2EE1641B1型函数信号发生器常用功能简表名称区域功能频率频段选择键每按一次递增一个频段，开机默认x1k频段，调节区域频率调节旋钮在当前频段的0.2~4倍范围内改变输出信号的频率扫描/计数选择键可选择多种扫描及外测频方式，开机默认函数信号输出，波形选择键可选择输出波形简谐波、三角波、方波，开机默认输出简谐波，波形对称旋钮使函数信号输出端口输出的波形左右发生畸变，逆时针旋到底关闭畸变，函数直流偏移旋钮使函数信号输出端口输出的波形上下发生畸变，逆时针旋到底关闭畸变，信号输出输出幅度旋钮改变函数信号输出端口输出的波形的幅值，区域函数信号输出输出一内部负载电阻为509的函数信号，端口输出衰减键可选择函数信号输出衰减倍率为不衰减、20dB、40dB、60dBTTL输出端口输出一频率可调的方波信号
功能菜单设置键 配合其它按键，显示屏幕菜单并测量相关参数． 快速测量按键 显示待测波形的水平及垂直测量菜单的相关参数． 探头补偿端口 提供大约3.0V、1.0kHz的方波信号，配合输入通道上端的CH1/CH2按键及探头补 偿调节棒，对输入信号的衰减探头进行调节，并对屏幕菜单选项中的“探头比” 进行选择．如使用非衰减探头，则屏幕菜单的“探头比”选项必须选择1X． 波形录制区 可以录制及回放波形． 参数设置旋钮 配合多功能旋钮对较大范围变动的参数进行调节． 2. EE1641B1 型函数信号发生器 图 53-5 是 EE1641B1 函数信号发生器的面板配置图，它可以产生频率从 0.2Hz 到 2MHz 的多种波形信号，输出电压为 10mV～10V，最大衰减达 60dB．下面介绍实验中常用按键 和旋钮的功能． 表 53-2 EE1641B1 型函数信号发生器常用功能简表 区域 名称 功能 频率 调节 区域 频段选择键 每按一次递增一个频段，开机默认X1k频段． 频率调节旋钮 在当前频段的0.2~4倍范围内改变输出信号的频率． 扫描/计数选择键 可选择多种扫描及外测频方式，开机默认函数信号输出． 函数 信号 输出 区域 波形选择键 可选择输出波形简谐波、三角波、方波，开机默认输出简谐波． 波形对称旋钮 使函数信号输出端口输出的波形左右发生畸变，逆时针旋到底关闭畸变． 直流偏移旋钮 使函数信号输出端口输出的波形上下发生畸变，逆时针旋到底关闭畸变． 输出幅度旋钮 改变函数信号输出端口输出的波形的幅值． 函数信号输出 端口 输出一内部负载电阻为50Ω的函数信号． 输出衰减键 可选择函数信号输出衰减倍率为不衰减、20dB、40dB、60dB． TTL输出端口 输出一频率可调的方波信号． 图 53-5 EE1641B1 型函数信号发生器/计数器操作面板示意图 0.2 4 20dB````````40dB 2 50Ω TTL OUT WIDTH RATE INPUT SYM OFFSET APML kHz Hz Vp-p mVp-p CATE INT LOG INT LINEAR EXT SWEEP EXT COUNT OFF ON X 1 X 10 X 100 X 1k X 10k X 100k X 1M ON ATT TTL OUT 扫描/计数 输出衰减 电源开关 频段选择 频率调节 波形选择 波形对称 直流偏移 输出幅度 扫描/计数输入 TTL 输出 函数信号输出 频率显示 幅值显示 扫描宽度 扫描速率 频率调节(Hz) 函数信号输出 扫描/计数