.archivetemp數(shù)字示波器

1、數(shù)字示波器實(shí)驗(yàn) 示波器是一種用途廣泛的電子儀器，可分為普通模擬示波器（Cathode Ray Tube,CRT）和數(shù)字存儲(chǔ)示波器（Digital Storage oscilloscopes-DSO）。DSO是在ART的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其核心單元為數(shù)字存儲(chǔ)器，以數(shù)字編碼的形式貯存信號(hào)，貯存的數(shù)據(jù)用來(lái)在示波器的屏幕上重建信號(hào)波形。示波器的重要特點(diǎn)是能把本來(lái)抽象的電信號(hào)變化過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢钥吹靡?jiàn)的圖像。例如：示波器可以用來(lái)觀察交流電壓（或電流）的波形、測(cè)量頻率、相位、電壓（或電流）和功率等。此外，許多非電過(guò)程轉(zhuǎn)換為電過(guò)程后，也可以通過(guò)示波器來(lái)觀察和測(cè)量?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求】1熟練掌握雙蹤數(shù)字合成函數(shù)信

2、號(hào)發(fā)生器和雙蹤數(shù)字示波器的操作；2進(jìn)一步學(xué)習(xí)用數(shù)字示波器觀察和測(cè)量信號(hào)波形；3利用數(shù)字示波器捕捉非周期性瞬態(tài)信號(hào)?！緦?shí)驗(yàn)原理】 電子設(shè)備可以劃分為兩類：模擬設(shè)備和數(shù)字設(shè)備。模擬設(shè)備的電壓變化連續(xù)，而數(shù)字設(shè)備處理的是代表電壓采樣的離散二元碼。傳統(tǒng)的電唱機(jī)是模擬設(shè)備，而CD 播放器是屬于數(shù)字設(shè)備。同樣，示波器也分為模擬和數(shù)字類型。模擬和數(shù)字示波器都能夠勝任大多數(shù)的應(yīng)用。但是，對(duì)于一些特定應(yīng)用，由于兩者具備的不同特性，每種類型都有適合和不適合的地方。作進(jìn)一步劃分，數(shù)字示波器可以分為數(shù)字存儲(chǔ)示波器（DSO）、數(shù)字熒光示波器（DPO）和采樣示波器。1.模擬示波器示波器動(dòng)態(tài)顯示物理量隨時(shí)間變化的基本思路是

3、將這些變化量轉(zhuǎn)換成隨時(shí)間變化的電壓，加在電極板上，極板間形成相應(yīng)的變化電場(chǎng)，使得進(jìn)入變化電場(chǎng)的電子運(yùn)動(dòng)情況相應(yīng)地隨時(shí)間變化，最后把電子運(yùn)動(dòng)的軌跡用熒光屏顯示出來(lái)。模擬示波器的基本結(jié)構(gòu)包括兩大部分：示波管和控制示波器的電路。示波管是呈喇叭形的玻璃泡，抽成真空，內(nèi)部裝有電子槍和兩對(duì)相互垂直的偏轉(zhuǎn)板，在喇叭口狀的曲面壁上涂有熒光物質(zhì)，構(gòu)成熒光顯示屏。電子槍的燈絲通電后使陰極受熱而發(fā)射電子。當(dāng)高速電子撞擊在熒光屏上前，要經(jīng)過(guò)相互正交放置的X、Y偏向板。Y偏轉(zhuǎn)板是水平放置的兩塊電極板，加在Y偏轉(zhuǎn)板上的電壓可以控制電子束在鉛直方向上的運(yùn)動(dòng)。X偏轉(zhuǎn)板是豎直放置的兩塊電極，加在X偏轉(zhuǎn)板上的變化電壓可以控制電子

4、束在水平方向的運(yùn)動(dòng)。撞擊在熒光屏上的電子會(huì)使熒光物質(zhì)發(fā)光，在屏上就能看到電子束的軌跡。電子運(yùn)動(dòng)隨時(shí)間而變化的情況，可在熒光屏上顯示出來(lái)。示波管結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 示波管的基本結(jié)構(gòu)如果在Y偏轉(zhuǎn)板上加一個(gè)隨時(shí)間做正弦變化的電壓，如下圖a所示，我們?cè)跓晒馄辽蟽H能看到一條鉛直的亮線，而看不到正弦曲線。只有同時(shí)在X偏轉(zhuǎn)板上加入一個(gè)能與時(shí)間成正比的鋸齒形電壓，如下圖b所示，才能在熒光屏上顯示出信號(hào)電壓與時(shí)間的關(guān)系曲線，其工作原理如下圖c所示。這個(gè)把加在Y偏轉(zhuǎn)電極上的電壓信號(hào)展開(kāi)的過(guò)程，稱為“掃描”，鋸齒形電壓也稱為掃描電壓。在熒光屏上看到的正弦曲線實(shí)際上是兩個(gè)相互垂直的運(yùn)動(dòng)的合成軌跡。圖2示波器顯示波形

5、原理從上圖的示波器波形顯示的原理可以看出，待測(cè)信號(hào)加到Y(jié)偏轉(zhuǎn)電極后，如果要讓示波管穩(wěn)定顯示波形，X偏轉(zhuǎn)板上必須加上鋸齒波電壓，而且鋸齒波電壓的周期應(yīng)該保持為待測(cè)信號(hào)周期的整數(shù)倍。2.數(shù)字示波器原理普通模擬示波器（Cathode Ray Tube, CRT）上的熒光物質(zhì)的余輝時(shí)間小于1ms，當(dāng)輸入信號(hào)消失，波形也消失，主要用來(lái)觀察周期性的重復(fù)信號(hào)。如果信號(hào)在s內(nèi)只有幾次，甚至于信號(hào)只發(fā)生一次，使用模擬示波器則幾乎不能觀察這些信號(hào)。CRT 限制著模擬示波器顯示的頻率范圍。在頻率非常低的地方，信號(hào)呈現(xiàn)出明亮而緩慢移動(dòng)的點(diǎn)，而很難分辨出波形。在高頻處，起局限作用的是CRT的寫(xiě)速度。當(dāng)信號(hào)頻率超過(guò)CRT

6、的寫(xiě)速度時(shí)，顯示出來(lái)的過(guò)于暗淡，難于觀察。模擬示波器的極限頻率約為1GHz。此外，用戶只能進(jìn)行手動(dòng)測(cè)量，例如對(duì)屏幕上顯示的波形曲線進(jìn)行分析、在屏幕上計(jì)算格數(shù)以求出波形幅度和時(shí)間間隔，這對(duì)于普通的波形來(lái)說(shuō)是可行的，能獲得中等的準(zhǔn)確度，對(duì)于復(fù)雜的波形則困難得多。數(shù)字存儲(chǔ)示波器（Digital Storage oscilloscopes-DSO）克服了所有這些缺點(diǎn)，它將信號(hào)以數(shù)字編碼的形式貯存在存儲(chǔ)器中。如圖3所示，當(dāng)信號(hào)進(jìn)入DSO和到達(dá)CRT的偏轉(zhuǎn)電路之前，示波器將按一定的時(shí)間間隔對(duì)信號(hào)電壓進(jìn)行采樣，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣的速度稱為采樣速率。然后，用一個(gè)模/數(shù)變換器（ADC）對(duì)這些瞬時(shí)采樣值進(jìn)行變換，

7、生成代表每一個(gè)采樣電壓的二進(jìn)制數(shù)值，這個(gè)過(guò)程稱為數(shù)字化。獲得的二進(jìn)制數(shù)值貯存在存儲(chǔ)器中,貯存的數(shù)據(jù)用來(lái)在示波器的屏幕上重建信號(hào)波形。所以，在示波器屏幕上顯示的波形總是由所采集到的數(shù)據(jù)重建的波形，而不是輸入連接端上所加信號(hào)的立即的、連續(xù)的波形顯示。圖3 數(shù)字示波器結(jié)構(gòu)示意圖DSO 和CRT相比，具有更多的優(yōu)點(diǎn)和功能，例如它可以顯示大量的預(yù)觸發(fā)信息，波形可以長(zhǎng)期儲(chǔ)存，可以在計(jì)算機(jī)或打印機(jī)上制作硬拷貝，可捕獲單次信號(hào)和非周期信號(hào)，波形信息可用數(shù)學(xué)運(yùn)算方法進(jìn)行處理和顯示，與計(jì)算機(jī)相連后進(jìn)行遙控操作，通過(guò)光標(biāo)和參數(shù)自動(dòng)測(cè)量可實(shí)現(xiàn)對(duì)多項(xiàng)波形參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，通道之間沒(méi)有時(shí)間誤差，可進(jìn)行精確的定時(shí)和相位測(cè)量等等

8、。3.數(shù)字示波器的主要性能指標(biāo)在介紹DSO的主要性能指標(biāo)前，我們先介紹一下關(guān)于信號(hào)波的一些基本概念。正弦波是波形的基本組成，任何非正弦波都可視成是基波和無(wú)數(shù)不同頻率的諧波分量組成。例如：方波是由基波以及3，5，7，9次諧波分量遞加而成。圖4 諧波與方波示意圖對(duì)于非正弦波由最小值過(guò)渡到最大值的時(shí)間越短，所含的諧波分量也就越多，波形所含諧波的頻率也越高。對(duì)于脈沖波占空比越小，波形所含諧波就越多，諧波頻率分量也越高。在使用數(shù)字示波器過(guò)程中，測(cè)量不同波形會(huì)得到不同的波參數(shù)，波的基本參數(shù)定義如下圖所示。（a）（b）圖5 波形的基本參數(shù)定義DSO的主要性能指標(biāo)為帶寬、通道數(shù)、采樣率、存儲(chǔ)深度、波形捕獲率和

9、觸發(fā)功能。示波器的帶寬是指示波器垂直放大器的頻率響應(yīng)，例如，對(duì)于一個(gè)頻率為20MHz的方波信號(hào)，用帶寬200MHz和20MHz的示波器觀察到的波形是不一樣的，如圖2所示。一般的DSO采樣速率從每秒20兆次(20M SAMPLING PER SECOND,20MS/s）到200MS/s，或者更高一些，可以捕捉幾十ns的脈沖、毛刺等非周期形信號(hào)。測(cè)量AC波形的儀表通常有某種最大頻率，超過(guò)它，測(cè)量精度就會(huì)下降，這一頻率就是儀表的帶寬，它由儀器的幅頻特性決定。示波器帶寬指的是正弦輸入信號(hào)衰減到其實(shí)際幅度的70.7% 時(shí)的頻率值。圖6 帶寬的定義信號(hào)進(jìn)入示波器首先是通過(guò)放大器，它是一個(gè)低通濾波器。放大器

10、的帶寬很寬（和基波比較），輸出方波不表現(xiàn)失真。放大器的帶寬變窄，波形中的某些諧波不能通過(guò)，輸出的方波發(fā)生畸變，產(chǎn)生誤差。放大器帶寬很窄，輸出的幾乎完全不像方波，由于缺少主要的諧波分量，波形呈圓弧狀。因此，帶寬不足將導(dǎo)致波形幅度衰減和波形失真。圖7 帶寬在時(shí)域影響波形理想的方波和脈沖波的電壓是有突然變化的波形，陡變有一定時(shí)間這取決于系統(tǒng)帶寬及其他電路參數(shù)。波形從一種電壓變至另一種電壓的時(shí)間稱為上升時(shí)間。上升時(shí)間通常在過(guò)渡的10至90處。圖8 上升時(shí)間的定義測(cè)量?jī)x表的帶寬將影響脈沖和方波的上升時(shí)間。波形從最小值過(guò)渡到最大值越快，所含諧波就越多，波形所含的頻率量也越高。顯然，儀表的上升時(shí)間應(yīng)小于被測(cè)

11、量信號(hào)波形的上升時(shí)間。在確定示波器的帶寬后，還要選擇足夠的采樣率來(lái)與之相配合，這樣才能獲得適合于實(shí)際測(cè)量中的實(shí)時(shí)帶寬，從而獲得滿意的測(cè)量結(jié)果。模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)經(jīng)變換后最終恢復(fù)成模擬波形顯示在示波器上，通俗地說(shuō)，采樣實(shí)際上是在用點(diǎn)來(lái)描繪進(jìn)入示波器的模擬信號(hào)。采樣是等間隔地進(jìn)行，采樣率以 “點(diǎn)/秒”來(lái)表示。圖9 采樣原理圖10 采樣過(guò)程單次采樣帶寬也就是我們常說(shuō)的實(shí)時(shí)帶寬，它是由模擬帶寬、采樣率以及波形重建的方法共同決定，因此它決定了所構(gòu)建的單次波形的完整性 。對(duì)于單次事件，示波器必須具有足夠的采樣速率用以恢復(fù)單次捕捉所獲得的波形。奈奎斯特抽樣定律中指出采樣率至少為信號(hào)最高頻率帶寬的2倍從而

12、保證信號(hào)在恢復(fù)時(shí)不發(fā)生混迭現(xiàn)象。示波器采樣率高低對(duì)波形構(gòu)建的真實(shí)性有直接影響（采樣率高的好處）。示波器帶寬選定后，采樣率決定單次帶寬。單次帶寬決定示波器對(duì)階躍、單次信號(hào)中的快沿的捕獲和復(fù)現(xiàn)能力，也決定了示波器對(duì)檢測(cè)，低重復(fù)率信號(hào)的上升和下降沿捕獲能力。波形失真是由于某些原因?qū)е率静ㄆ鞑蓸语@示的波形與實(shí)際信號(hào)存在較大的差異。圖11 波形失真波形混淆是指由于采樣率低于實(shí)際信號(hào)頻率的2倍（奈奎斯特頻率）時(shí)，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行重新構(gòu)建時(shí)出現(xiàn)的波形的頻率小于實(shí)際信號(hào)頻率的一種現(xiàn)象。圖12 波形混淆波形漏失是指由于采樣率低而造成的沒(méi)有反映全部實(shí)際信號(hào)的一種現(xiàn)象。圖13 波形漏失存儲(chǔ)深度：指在波形存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)波

13、形樣本的數(shù)量。波形存儲(chǔ)時(shí)間存儲(chǔ)深度/采樣率示波器的存儲(chǔ)深度將決定能采集信號(hào)的時(shí)間以及能用到的最大采樣速率。圖14 存儲(chǔ)深度波形刷新率（波形捕獲速率）是指1秒內(nèi)示波器捕獲波形的次數(shù)，表示為波形數(shù)每秒（wfms/s）。采樣速率表示的是示波器在一個(gè)波形或周期內(nèi)，采樣輸入信號(hào)的頻率，波形捕獲速率則是指示波器采集波形的速度。刷新率的高低直接影響波形捕獲偶然事件發(fā)生的概率。對(duì)于示波器來(lái)說(shuō)，波形刷新率高，就能夠組織更大數(shù)據(jù)量的波形質(zhì)量信息，尤其是在動(dòng)態(tài)復(fù)雜信號(hào)和隱藏在正常信號(hào)下的異常波形的捕獲方面，有著特別的作用。數(shù)字存儲(chǔ)示波器（DSO）使用串行處理機(jī)制，每秒鐘可以捕獲10到5000個(gè)波形。圖15 波形刷新

14、率示波器接入電路后并不能看到波形，我們需要根據(jù)已知信號(hào)的特征進(jìn)行對(duì)示波器調(diào)整和觸發(fā)條件的設(shè)定，才能捕獲得到穩(wěn)定顯示的波形。數(shù)字存儲(chǔ)示波器（DSO）針對(duì)不同的波形具有豐富的觸發(fā)功能：邊沿、脈寬、視頻、斜率、交替、碼型、持續(xù)時(shí)間等觸發(fā)方式?！緝x器】 DG10 22 數(shù)字合成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器， UTD -21 02CEX 數(shù)字示波器【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟】1、 熟悉信號(hào)發(fā)生器與數(shù)字示波器的相關(guān)旋鈕和使用方法；2、 連接信號(hào)發(fā)生器與示波器，觀察相關(guān)波形和測(cè)量相關(guān)參數(shù)；（1） 調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器相關(guān)旋鈕，分別設(shè)置信號(hào)為方波、正弦波和三角波，60Hz,5.000Vpp,偏移-2.500VDC,占空比40%，相位0.0

15、°.（2） 按下信號(hào)發(fā)生器面板上輸出按鈕“output”,信號(hào)經(jīng)信號(hào)線輸出，設(shè)置BNC電纜放大倍率為×1；（3） 電纜和示波器的輸入通道1（CH1）相連后，按下示波器面板上自動(dòng)設(shè)置按鈕”auto”,在示波器上顯示出穩(wěn)定的波形，并調(diào)節(jié)垂直方向的靈敏度（Vertical）和水平方向（Horizontal）的掃描旋鈕，使波形大小適中， 56個(gè)波數(shù)；（4） 測(cè)量波形的電壓和時(shí)間參數(shù)：按“measure”, 測(cè)量頻率、Vpp、周期、正脈寬、正占空比、上升時(shí)間，并與信號(hào)發(fā)生器面板上指示的相關(guān)參數(shù)比較；3、 觀察李薩如圖形（1） 調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器相關(guān)旋鈕，設(shè)置兩個(gè)信號(hào)為正弦波；（2） 按下

16、信號(hào)發(fā)生器面板上兩個(gè)輸出按鈕“output”,信號(hào)經(jīng)信號(hào)線輸出，設(shè)置BNC電纜放大倍率為×1；（3） 電纜和示波器的輸入通道1（CH1）和輸入通道1（CH1）相連后，按下示波器面板上自動(dòng)設(shè)置按鈕”auto”,在示波器上顯示出穩(wěn)定的波形，示波器顯示的時(shí)基按鈕選擇“X-Y”，示波器以李薩如模式顯示；（4）改變信號(hào)發(fā)生器的某一通道的頻率，觀察李薩如圖形；根據(jù)李薩如圖形的特點(diǎn)測(cè)出信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，并與信號(hào)發(fā)生器面板上指示的輸出頻率比較；4、 觀察、繪制半波、全波整流、濾波波形圖16 觀察半波、全波整流、濾波波形電路（1） S向下閉合，S1、S2打開(kāi)，可觀察半波整流波形；（2） S向上閉合

17、，S1、S2打開(kāi)，可觀察全波整流波形；（3） S向上閉合，S1閉合，S2打開(kāi)，可觀察全波整流、電容濾波波形；（4） S向上閉合，S1、S2均閉合，可觀察全波整流、濾波（兩個(gè)電容C1、C2和一個(gè)電阻RL構(gòu)成）波形；（5） 繪出所觀察到的上述四種波形示意圖。5、 利用DOS觀察脈搏信號(hào)。利用實(shí)驗(yàn)室提供的壓電傳感裝置，連接示波器并適當(dāng)選擇調(diào)制示波器的相關(guān)旋鈕。把壓電傳感裝置緊貼個(gè)人脈搏跳動(dòng)明顯處，觀察示波器的相關(guān)脈搏信號(hào)，測(cè)量脈搏周期和個(gè)人心率。圖17 示波器顯示的實(shí)驗(yàn)室某教師的脈搏信號(hào)【數(shù)據(jù)處理與分析】1、 連接信號(hào)發(fā)生器與示波器，觀察相關(guān)波形和測(cè)量相關(guān)參數(shù)；要求記錄所觀察波形的相關(guān)主要參數(shù)；2、 觀察李薩如圖形，并完成相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)量與記錄；3、觀察、繪制半波、全波整流、濾波波形