示波器的調(diào)節(jié)和使用

1、 數(shù)字示波器的調(diào)節(jié)與使用一、實驗?zāi)康?. 了解示波器的結(jié)構(gòu)與示波原理2. 掌握示波器的使用方法，學(xué)會用示波器觀測各種電信號的波形3. 學(xué)會用示波器測正弦交流信號的電壓幅值及頻率4. 學(xué)會用李薩如圖法，測量正弦信號頻率二、實驗儀器RIGOL DS1000E型數(shù)字存儲示波器，函數(shù)波形發(fā)生器三、實驗原理1、雙蹤示波器的原理： 雙蹤示波器控制電路主要包括：電子開關(guān)、垂直放大電路、水平放大電路、掃描發(fā)生器、同步電路、電源等。 YCH1YCH2圖1. 雙蹤示波器原理方框圖其中，電子開關(guān)使兩個待測電壓信號YCH1和YCH2周期性地輪流作用在Y偏轉(zhuǎn)板，這樣在熒光屏上忽而顯示YCH1信號波形，忽而顯示YCH2信

2、號波形。由于熒光屏熒光物質(zhì)的余輝及人眼視覺滯留效應(yīng)，熒光屏上看到的是兩個波形。如果正弦波與鋸齒波電壓的周期稍不同，屏上出現(xiàn)的是一移動的不穩(wěn)定圖形，這是因為掃描信號的周期與被測信號的周期不一致或不呈整數(shù)倍，以致每次掃描開始時波形曲線上的起點均不一樣所造成的。為了獲得一定數(shù)量的完整周期波形，示波器上設(shè)有“time/div”調(diào)節(jié)旋鈕，用來調(diào)節(jié)鋸齒波電壓的周期，使之與被測信號的周期呈合適的關(guān)系，從而顯示出完整周期的正弦波形。當(dāng)掃描信號的周期與被測信號的周期一致或是整數(shù)倍，屏上一般會顯示出完整周期的正弦波形，但由于環(huán)境或其他因素的影響，波形會移動，為此示波器內(nèi)裝有掃描同步電路，同步電路從垂直放大電路中取

3、出部分待測信號，輸入到掃描發(fā)生器，迫使鋸齒波與待測信號同步，此稱為“內(nèi)同步”。如果同步電路信號從儀器外部輸入，則稱為“外同步”。2示波器顯示波形原理：如果在示波器的YCH1或YCH2端口加上正弦波，在示波器的X偏轉(zhuǎn)板加上示波器內(nèi)部的鋸齒波，當(dāng)鋸齒波電壓的變化周期與正弦電壓的變化周期相等時，則在熒光屏上將顯示出完整周期的正弦波形，如圖2所示。如果在示波器的YCH1、YCH2端口同時加上正弦波，在示波器的X偏轉(zhuǎn)板加上示波器內(nèi)部的鋸齒波，則在熒光屏上將得到兩個正弦波。圖2.示波器顯示正弦波形的原理3、數(shù)字存儲示波器的基本原理數(shù)字存儲示波器的基本原理框圖如圖3所示：圖3.數(shù)字存儲示波器的基本原理框圖數(shù)

4、字示波器是按照采樣原理，利用A/D變換，將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)變成離散的數(shù)字序列，然后進(jìn)行恢復(fù)重建波形，從而達(dá)到測量波形的目的。輸入緩沖器放大器（AMP)將輸入的信號作緩沖變換，起到將被測體與示波器隔離的作用，示波器工作狀態(tài)的變換不會影響輸入信號，同時將信號的幅值切換至適當(dāng)?shù)碾娖椒秶ㄊ静ㄆ骺梢蕴幚淼姆秶?，也就是說不同幅值的信號在通過輸入緩沖放大器后都會轉(zhuǎn)變成相同電壓范圍內(nèi)的信號。A/D單元的作用是將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的數(shù)字序列，然后按照數(shù)字序列的先后順序重建波形。所以A/D單元起到一個采樣的作用，它在采樣時鐘的作用下,將采樣脈沖到來時刻的信號幅值的大小轉(zhuǎn)化為數(shù)字表示的數(shù)值。這個點我們稱為

5、采樣點。A/D轉(zhuǎn)換器是波形采集的關(guān)鍵部件。多路選通器（DEMUX）將數(shù)據(jù)按照順序排列，即將A/D變換的數(shù)據(jù)按照其在模擬波形上的先后順序存入存儲器，也就是給數(shù)據(jù)安排地址，其地址的順序就是采樣點在波形上的順序，采樣點相鄰數(shù)據(jù)之間的時間間隔就是采樣間隔。數(shù)據(jù)采集存儲器（Acquisition Memory)是將采樣點存儲下來的存儲單元，他將采樣數(shù)據(jù)按照安排好的地址存儲下來，當(dāng)采集存儲器內(nèi)的數(shù)據(jù)足夠復(fù)原波形的時候，再送入后級處理，用于復(fù)原波形并顯示。處理器（P）及顯示內(nèi)存（Display Memory)。處理器用于控制和處理所有的控制信息,并把采樣點復(fù)原為波形點，存入顯示內(nèi)存區(qū)，并用于顯示。顯示單元（

6、Display)將顯示內(nèi)存中的波形點顯示出來，顯示內(nèi)存中的數(shù)據(jù)與LCD顯示面板上的點是一一對應(yīng)的關(guān)系。4、李薩如圖形的基本原理如果在示波器的CH1通道加上一正弦波，在示波器的CH2通道加上另一正弦波，當(dāng)兩正弦波信號的頻率比值為簡單整數(shù)比時，在熒光屏上將得到李薩如圖形，如下圖所示。這些李薩如圖形是兩個相互垂直的簡諧振動合成的結(jié)果，它們滿足其中，fx代表CH1通道上正弦波信號的頻率，fy 代表CH2通道上正弦波信號的頻率，nx代表李薩如圖形與假想水平線的切點數(shù)目，ny代表李薩如圖形與假想垂直線的切點數(shù)目。 四、實驗內(nèi)容與步驟 1、觀察各種波形并測量正弦波形的電壓、周期和頻率。調(diào)節(jié)信號發(fā)生器，分別觀

7、察三角波、方波、正弦波形三種，熟悉信號發(fā)生器和示波器的使用。選擇三個頻率段正弦波形，分別測量對應(yīng)波形電壓（峰-峰值）、周期和頻率。將數(shù)據(jù)填入表格，并計算絕對誤差。（注：標(biāo)準(zhǔn)值即信號發(fā)生器顯示的值）2、利用李薩如圖形測頻率將兩信號發(fā)生器分別從示波器的CH1輸入端和CH2輸入端輸入,將CH1和CH2輸入端信號置于XY模式，可保持CH1輸入端信號發(fā)生器的頻率不變（例如fx=100Hz）,調(diào)節(jié)CH2輸入端信號發(fā)生器的頻率,使屏中出現(xiàn)大小適中的圖形，即出現(xiàn)如講義中所示的李莎如圖形,計算出fy，讀出信號發(fā)生器上CH2輸入端信號的頻率fy,比較fy和fy。1、觀察各種波形正弦波、鋸齒波和三角波，測量3種正弦

8、波形的電壓、頻率和周期，計算相對誤差。（注：標(biāo)準(zhǔn)值即信號發(fā)生器顯示的值）測量值標(biāo)準(zhǔn)值測量值標(biāo)準(zhǔn)值測量值標(biāo)準(zhǔn)值信號1相對誤差信號2相對誤差信號3相對誤差2、利用李薩如圖形測頻率 （拍照片）1：12：13：1fx（CH1）(Hz)100100100李薩如圖形fy(Hz)（計算值）fy(Hz)（測量值）五、思考題 1.若在示波器上看到的波形幅度太小，應(yīng)調(diào)節(jié)哪個旋鈕，使波形的大小適中？2.怎樣用示波器定量地測量交流信號的電壓有效值和頻率？3.觀察兩個信號的合成李薩如圖形時，應(yīng)如何操作示波器？實驗儀器RIGOL DS1000E型數(shù)字存儲示波器探頭補(bǔ)償信號輸出觸發(fā)控制模擬信號輸入菜單操作鍵液晶顯示屏USB

9、接口外觸發(fā)輸入常用菜單運行控制水平控制垂直控制多功能旋鈕當(dāng)前窗口位置內(nèi)存中觸發(fā)位置觸發(fā)位置垂直檔位狀態(tài)通道標(biāo)志操作菜單水平時基檔位狀態(tài)觸發(fā)位移顯示波形顯示窗口耦合方式 運行狀態(tài)邊沿觸發(fā)脈寬觸發(fā)斜率觸發(fā)視頻觸發(fā)碼型觸發(fā) 持續(xù)時間觸發(fā) 觸發(fā)模式觸發(fā)中狀態(tài) 觸發(fā)狀態(tài)待觸發(fā)狀態(tài)波形停止?fàn)顟B(tài)相關(guān)知識 儲示波器的主要技術(shù)指標(biāo)：1最大取樣速率定義：單位時間內(nèi)完成的完整 AD 轉(zhuǎn)換的最高次數(shù)。最大取樣速率主要由 AD轉(zhuǎn)換器的最高轉(zhuǎn)換速率來決定。最大取樣速率愈高，儀器捕捉信號的能力愈強(qiáng)。數(shù)字存儲示波器在某個測量時刻的實際取樣速率可根據(jù)示波器當(dāng)時設(shè)定的掃描時間因數(shù)（t/div）推算。其推算公式為式中，N每格的取樣

10、數(shù)，t/div掃描時間因數(shù)，掃描一格所占用的時間，亦稱掃描速度。2存儲帶寬：存儲帶寬與取樣速率密切相關(guān)。根據(jù)奈奎斯特取樣定理，如果取樣速率大于或等于信號最高頻率分量的2倍，便可重現(xiàn)原信號波形。實際上，在數(shù)字存儲示波器的設(shè)計中，為保證顯示波形的分辨率，往往要求增加更多的取樣點，一般一個周期取410點。帶寬是決定示波器準(zhǔn)確測量信號的能力的基本參數(shù)之一。帶寬是表征示波器能準(zhǔn)確測量的頻率范圍。帶寬的定義是指正弦輸入信號衰減至真實幅值的70.7%(-3dB)的頻率點。沒有足夠的帶寬，示波器就不能觀測到高頻的變化。幅值將會失真，信號沿將會變得平緩，細(xì)節(jié)將會丟失。5倍原則：示波器需要的帶寬=測量信號的最高頻

11、率分量的頻率 X 55倍原則可以提供+/-2%的測量誤差，對于通常的應(yīng)用已足夠。3分辨率：分辨率用于反映存儲信號波形細(xì)節(jié)的綜合特性。分辨率包括垂直分辨率和水平分辨率。垂直分辨率與 A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率相對應(yīng)，常以屏幕每格的分級數(shù) (級/div) 表示。水平分辨率由存儲器的容量來決定，常以屏幕每格含多少個取樣點（點/div）表示。4儲容量：存儲容量又稱記錄長度，用記錄一幀波形數(shù)據(jù)占有的存儲容量來表示，常以字（word）為單位。存儲容量與水平分辨率在數(shù)值上互為倒數(shù)關(guān)系。數(shù)字存儲器的存儲容量通常采用 256B，512B，1KB，4KB 等。存儲容量愈大，水平分辨率就愈高。但存儲容量并非越大越好，由

12、于儀器最高取樣速率的限制，若存儲容量選取不恰當(dāng)，往往會因時間窗口縮短而失去信號的重要成分，或者因時間窗口增大而使水平分辨率降低。5讀出速度：讀出速度是指將存儲的數(shù)據(jù)從存儲器中讀出的速度，常用(時間)/div表示。其中，時間等于屏幕中每格內(nèi)對應(yīng)的存儲容量讀脈沖周期。使用時，示波器應(yīng)根據(jù)顯示器、記錄裝置或打印機(jī)等對速度的不同要求，選擇不同的讀出速度。注意事項 1、AC 電源輸入應(yīng)該在100V-240V，47-63Hz 10%的選擇電壓范圍以內(nèi)。2、第一次使用前先確認(rèn)安裝正確的保險絲值:100 V- 240 VAC 輸入電壓 : T 2A / 250V。3、接地警告: 為避免電擊，電源線的地線必須接地。使用本機(jī)時，為確保使用者的安全及周邊儀器