數(shù)字存儲示波器的原理及使用new

1、 數(shù)字存儲示波器的原理及使用示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器。它能把肉眼看不見的電信號變換成看得見的圖象，便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過程。目前大量使用的示波器有兩種：模擬示波器和數(shù)字示波器。模擬示波器發(fā)展較早，技術(shù)也非常成熟，其優(yōu)點主要是帶寬寬、成本低。但是隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字示波器擁有了許多模擬示波器不具備的優(yōu)點：不僅具有可存儲波形、體積小、功耗低，使用方便等優(yōu)點，而且還具有強大的信號實時處理分析功能；具有輸入輸出功能，可以與計算機或其他外設(shè)相連實現(xiàn)更復(fù)雜的數(shù)據(jù)運算或分析。隨著相關(guān)技術(shù)的進一步發(fā)展，數(shù)字示波器的頻率范圍也越來越高了，其使用范圍將更為廣泛因此，學(xué)習(xí)數(shù)字示波器的使

2、用具有重要的意義。實驗?zāi)康?. 了解數(shù)字示波器的工作原理；2. 掌握數(shù)字示波器的使用方法；3. 會用數(shù)字示波器測量未知信號的參數(shù)。實驗原理數(shù)字存儲示波器與模擬示波器不同在于信號進入示波器后立刻通過高速A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號前端快速采樣，存儲其數(shù)字化信號。并利用數(shù)字信號處理技術(shù)對所存儲的數(shù)據(jù)進行實時快速處理，得到信號的波形及其參數(shù)，并由示波器顯示，從而實現(xiàn)模擬示波器功能。而且測量精度高，還可以存儲和調(diào)用顯示特定時刻信號。一個典型的數(shù)字存儲示波器原理框圖如圖1所示，模擬輸入信號先適當(dāng)?shù)胤糯蠡蛩p，然后再進行數(shù)字化處理。數(shù)字化包括“取樣”和“量化”兩個過程，取樣是獲得模擬輸入信號的離散值，而量化則是

3、使每個取樣的離散值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)字，最后，數(shù)字化的信號在邏輯控制電路的控制下依次寫入到RAM（存儲器）中，CPU從存儲器中依次把數(shù)字信號讀出并在顯示屏上顯示相應(yīng)的信號波形。GPIB為通用接口總線系統(tǒng)，通過它可以程控數(shù)字存儲示波器的工作狀態(tài)，并且使內(nèi)部存儲器和外部存儲器交換數(shù)據(jù)成為可能。由此可見，數(shù)字示波器必須要完成波形的取樣、存儲和波形的顯示，另外為了滿足一般應(yīng)用的需求，幾乎所有微機化的數(shù)字示波器都提供了波形的測量與處理功能。1. 波形的取樣和存儲由于數(shù)字系統(tǒng)只能處理離散信號，所以必須對模擬連續(xù)波形先進行抽樣，再進行A/D轉(zhuǎn)換。根據(jù)Nyquist定理，只有抽樣頻率大于要處理信號頻率的兩

4、倍時，才能在顯示端理想地復(fù)現(xiàn)該信號。由此可見，數(shù)字示波器必須要完成波形的取樣、存儲和波形的顯示，另外為了滿足一般應(yīng)用的需求，幾乎所有微機化的數(shù)字示波器都提供了波形的測量與處理功能。連續(xù)信號離散化通過如圖2所示的取樣方法完成，把模擬波形送到加有反偏的取樣門的點，在點加入等間隔的取樣脈沖，則對應(yīng)時間tn(n=1,2,3,)，取樣脈沖打開取樣門的一瞬間，在點就得到相應(yīng)的模擬量an(n=1,2,3,)，這個模擬量就是離散化了的模擬量，把每一個模擬量進行A/D轉(zhuǎn)換，就可以得到相應(yīng)的數(shù)字量，如a1A/D01H；a2A/D02H；a3A/D03H。如果把這些數(shù)字量按序存放在存儲器中就相當(dāng)于把一幅模擬波形以數(shù)

5、字量存儲起來。CPU控制地址輸入放大與衰減顯示存儲器取樣與A/D轉(zhuǎn)換外觸發(fā)GPIB邏輯控制電路觸發(fā)電路圖1典型數(shù)字存儲示波器原理框圖圖2 連續(xù)模擬波形的離散化 圖3雙蹤顯示的存儲方式2.波形的顯示數(shù)字存儲示波器必須把上面存儲器中的波形顯示出來以便用戶進行觀察、處理和測量。存儲器中每個單元存儲了一個抽樣點的信息，在顯示屏上顯示為一個點，該點Y方向的坐標值決定于數(shù)字信號值的大小、示波器Y方向電壓靈敏度設(shè)定值、Y方向整體偏移量，X方向的坐標值決定于數(shù)字信號值在存儲器中的位置（即地址）、示波器X方向電壓靈敏度的設(shè)定值、X方向的整體偏移量。為了適應(yīng)對不同波形的觀測、智能化的數(shù)字存儲器有多種靈活的顯示方式

6、：存儲顯示、雙蹤顯示、插值顯示、流動顯示等。存儲顯示是示波器最基本的顯示方式。它顯示的波形是由一次觸發(fā)捕捉到的信號片斷，即制下穩(wěn)定地顯示在CRT上。存儲顯示還有；連續(xù)捕捉顯示和單次捕捉顯示之分，在連續(xù)捕捉顯示方式下,每滿足一次觸發(fā)條件，屏幕上原來的波形就被新存儲的波形更新，而單次捕捉顯示只保存并顯示一次觸發(fā)形成的波形。如果需要顯示兩個電壓波形并保持兩個波形在時間上的原有對應(yīng)關(guān)系，可采用交替存儲技術(shù)以達到雙蹤顯示。這種交替存儲技術(shù)利用存儲器寫地址的最低位A0來控制通道開關(guān)，使取樣和A/D轉(zhuǎn)換輪流對兩通道輸入信號進行取樣和轉(zhuǎn)換，其存儲方式如圖3所示，當(dāng)A0為1時，對通道1的信號Y1進行采樣和轉(zhuǎn)換，

7、并寫入技術(shù)存儲器單元中，讀出時，先讀偶數(shù)地址，再讀奇數(shù)地址，Y1和Y2信號便在CRT上交替顯示。示波器屏幕顯示的波形由一些密集的點構(gòu)成，當(dāng)被觀察的信號在一周期內(nèi)采樣點數(shù)較少時會引起視覺上的混淆現(xiàn)象，如圖4左圖所示的正弦波形就很難辨認，一般認為當(dāng)采樣頻率低于被測信號頻率的2.5倍時，點顯示就會造成視覺混淆，為了有效地克服視覺的混淆現(xiàn)象，同時又不降低帶寬指標，數(shù)字濾波器往往采用插值顯示，即在波形上兩個測試點數(shù)據(jù)間進行估值。估值方式通常有矢量插值法和正弦插值法兩種，矢量插值法是用斜率不同的直線段來連接相鄰的點，當(dāng)被測信號頻率為采樣頻率的1/10以下時，采用矢量插值可以得到滿意的效果；正弦插值法是以正

8、弦規(guī)律用曲線連接各數(shù)據(jù)點的顯示方式，它能顯示頻率為采樣頻率的1/2.5以下的被測波形，其能力已接近奈奎斯特極限頻率。圖4 波形的插值顯示3. 信號的觸發(fā)為了實時穩(wěn)定地顯示信號波形，示波器必須重復(fù)地從存儲器中讀取數(shù)據(jù)并顯示。為使每次顯示的曲線和前一次重合，必須采用觸發(fā)技術(shù)。信號的觸發(fā)也叫整部或同步，一般的觸發(fā)方式為：輸入信號經(jīng)衰減放大后分送至A/D轉(zhuǎn)換器的同時也分送至觸發(fā)電路，觸發(fā)電路根據(jù)一定的觸發(fā)條件（如信號電壓達到某值并處于上升沿）產(chǎn)生觸發(fā)信號，控制電路一旦接收到來自觸發(fā)電路的觸發(fā)信號，就啟動一次數(shù)據(jù)采集與RAM寫入循環(huán)。觸發(fā)決定了示波器何時開始采集數(shù)據(jù)和顯示波形，一旦觸發(fā)被正確設(shè)定，它可以

9、把不穩(wěn)定的顯示或黑屏轉(zhuǎn)換成有意義的波形。示波器在開始收集數(shù)據(jù)時，先收集足夠的數(shù)據(jù)用來在觸發(fā)點的左方畫出波形。示波器在等待觸發(fā)條件發(fā)生的同時連續(xù)地采集數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測到觸發(fā)后， 示波器連續(xù)地采集足夠的數(shù)據(jù)以在觸發(fā)點的右方畫出波形。觸發(fā)可以從多種信源得到，如輸入通道、市電、外部觸發(fā)等。常見的觸發(fā)類型有邊沿觸發(fā)和視頻觸發(fā)；常見的觸發(fā)方式有自動觸發(fā)、正常觸發(fā)和單次觸發(fā)。實驗內(nèi)容1. 熟悉數(shù)字存儲示波器及多功能函數(shù)信號發(fā)生器各旋鈕、各按鍵的功能；2. 觀察多功能函數(shù)信號發(fā)生器輸出的鋸齒波、正弦波、方波信號，在顯示屏上顯示一個正弦波并讀出其頻率和幅值，并求出相對誤差E(r)。3. 利用李薩如圖形測頻率。在menu菜單中設(shè)置X-Y模式，將DG1022型函數(shù)發(fā)生器一路主信號輸出（MAIN）的正弦波頻率調(diào)整到約1kHz，作為已知的fx輸入到CH1通道；將其另一路信號作為未知的fy信號輸入到CH2通道。分別利用nx/ny=1 ，2 ，3 ，3/2的李薩如圖形，測量計算頻率fy 值；4. 驗證fy/fx=nx/ny關(guān)系式的成立。附注：示波器利用李薩如圖形測頻率原理：如果將X軸的鋸齒波掃描