數(shù)字示波器-太原理工大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)必備

數(shù)字示波器使用"Faster,Higher,Stronger"模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)數(shù)字存儲(chǔ)器數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)顯示電路CRT時(shí)基時(shí)鐘數(shù)字計(jì)算數(shù)字輸出接口鍵盤輸入模擬輸出接口IEEE488或其它母線連接筆記錄儀模擬信號(hào)輸入放大器/衰減器數(shù)字存儲(chǔ)示波器-原理圖1）取樣取樣即連續(xù)波形的離散化。把模擬波形送到加有反偏的取樣門的a點(diǎn)，在c點(diǎn)加入等間隔取樣脈沖，則對(duì)應(yīng)時(shí)間tn(n＝1，2，3，…),

t是常數(shù)，取樣脈沖打開取樣門的瞬間，在b點(diǎn)就得到相應(yīng)的模擬量an(n＝1，2，3，…)，這個(gè)模擬量an

就是取樣后得到的離散化的模擬量。2）A/D轉(zhuǎn)換若把a(bǔ)n中的每一個(gè)離散模擬量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，就可以得到相應(yīng)的數(shù)字量。例如a1→A/D→01H；a2→A/D→02H；a3→A/D→03H；…a7→A/D→07H。如果把這些數(shù)字量按序存放在存儲(chǔ)器中，就相當(dāng)于把一幅模擬波形以數(shù)字量的形式存儲(chǔ)起來(lái)離散模擬波形用于控制A/D轉(zhuǎn)換速率以及存儲(chǔ)器的寫入速度，它由一個(gè)準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性很好的晶體振蕩器、一組分頻器和相應(yīng)的組合電路組成。采樣時(shí)鐘時(shí)基分頻器（掃描(取樣)速度t/div控制器）數(shù)字存儲(chǔ)器

模數(shù)轉(zhuǎn)換器從被測(cè)信號(hào)的特定時(shí)間取出若干個(gè)樣點(diǎn)，由控制電路形成存儲(chǔ)器的寫入地址，并將模數(shù)變換后的數(shù)據(jù)一次存入存儲(chǔ)器中，觸發(fā)信號(hào)用于終止存儲(chǔ)。1）寫地址計(jì)數(shù)器寫地址計(jì)數(shù)器用來(lái)產(chǎn)生寫地址信號(hào)，它由二進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成，計(jì)數(shù)器的位數(shù)由存儲(chǔ)長(zhǎng)度來(lái)決定。寫地址計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率應(yīng)該與控制A/D轉(zhuǎn)換器的取樣時(shí)鐘的頻率相同。2）預(yù)置觸發(fā)功能在數(shù)字存儲(chǔ)示波器中預(yù)置觸發(fā)可以通過(guò)控制存儲(chǔ)器的寫操作過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。在常態(tài)觸發(fā)狀態(tài)下，當(dāng)被測(cè)信號(hào)大于預(yù)置電平時(shí)，觸發(fā)電路便產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，于是存儲(chǔ)器就從零地址開始寫入采集的數(shù)據(jù)，假設(shè)示波器的存儲(chǔ)容量為1024，則當(dāng)寫滿1024個(gè)單元后便停止寫操作。顯示也從零地址開始讀數(shù)據(jù)，則對(duì)應(yīng)示波器屏幕上顯示的信號(hào)便是觸發(fā)點(diǎn)開始后的波形。存儲(chǔ)顯示存儲(chǔ)顯示是數(shù)字存儲(chǔ)示波器最基本的顯示方式。它顯示的波形是觸發(fā)后所存儲(chǔ)的一幀波形信號(hào)，即在一次觸發(fā)所完成的一幀信號(hào)數(shù)據(jù)采集之后，再通過(guò)控制存儲(chǔ)器的地址依次將數(shù)據(jù)讀出，并經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換穩(wěn)定地顯示在CRT上。依照讀出方法的不同，又可分為:CPU控制方式直接控制方式數(shù)字存儲(chǔ)示波器的主要技術(shù)指標(biāo)

1:最大取樣速率fmax

定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)完成的完整A／D轉(zhuǎn)換的最高次數(shù)。最大取樣速率愈高，儀器捕捉信號(hào)的能力愈強(qiáng)。

數(shù)字存儲(chǔ)示波器在某個(gè)測(cè)量時(shí)刻的實(shí)際取樣速率可根據(jù)示波器當(dāng)時(shí)設(shè)定的掃描時(shí)間因數(shù)（t/div）推算。（8.1）式中N——每格的取樣數(shù)；

t/div——掃描時(shí)間因數(shù)，掃描一格所占用的時(shí)間。亦稱掃描速度，例如，若某數(shù)字示波器的掃描時(shí)間因數(shù)設(shè)定為10μs/div，每格取樣數(shù)為100點(diǎn)，則此時(shí)的取樣速率等于10MHz。很顯然，數(shù)字示波器最大取樣速率fmax與示波器最快掃描速度相對(duì)應(yīng)。若該數(shù)字示波器最快掃描速度為100μs/div，則其fmax為1GHz。存儲(chǔ)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(hào)最高頻率分量的2倍，便可重現(xiàn)原信號(hào)波形。實(shí)際上，在數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)中，為保證顯示波形的分辨率，往往要求增加更多的取樣點(diǎn)，一般一個(gè)周期取4～10點(diǎn)。帶寬是決定示波器準(zhǔn)確測(cè)量信號(hào)能力的基本參數(shù)之一。帶寬是示波器最重要的指標(biāo)之一。模擬示波器的帶寬是一個(gè)固定的值，而數(shù)字示波器的帶寬有模擬帶寬和數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬兩種。

2.存儲(chǔ)帶寬

數(shù)字示波器對(duì)重復(fù)信號(hào)采用順序采樣或隨機(jī)采樣技術(shù)所能達(dá)到的最高帶寬為示波器的數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬，數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬與最高數(shù)字化頻率和波形重建技術(shù)因子K相關(guān)（數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬=最高數(shù)字化速率/K），一般并不作為一項(xiàng)指標(biāo)直接給出。從兩種帶寬的定義可以看出，模擬帶寬只適合重復(fù)周期信號(hào)的測(cè)量，而數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬則同時(shí)適合重復(fù)信號(hào)和單次信號(hào)的測(cè)量。廠家聲稱示波器的帶寬能達(dá)到多少兆，實(shí)際上指的是模擬帶寬，數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬是要低于這個(gè)值的。例如說(shuō)TEK公司的TES520B的帶寬為500MHz，實(shí)際上是指其模擬帶寬為500MHz，而最高數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬只能達(dá)到400MHz遠(yuǎn)低于模擬帶寬。所以在測(cè)量單次信號(hào)時(shí)，一定要參考數(shù)字示波器的數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬，否則會(huì)給測(cè)量帶來(lái)意想不到的誤差。

分辨率用于反映存儲(chǔ)信號(hào)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(duì)應(yīng)，常以屏幕每格的分級(jí)數(shù)(級(jí)/div)表示。水平分辨率由存儲(chǔ)器的容量來(lái)決定，常以屏幕每格含多少個(gè)取樣點(diǎn)（點(diǎn)/div）表示。示波管屏幕坐標(biāo)的刻度一般為8×10div。若示波器采用8位A/D轉(zhuǎn)換器(256級(jí))，則其垂直分辨率為32級(jí)/div，用百分?jǐn)?shù)表示為1/256≈0.39％。若采用容量為1KB的存儲(chǔ)器，則水平分辨率為1024/10≈100點(diǎn)/div，或用百分?jǐn)?shù)表示為1/1024≈0.1％。3.分辨率

存儲(chǔ)容量又稱記錄長(zhǎng)度，用記錄一幀波形數(shù)據(jù)占有的存儲(chǔ)容量來(lái)表示，常以字（word）為單位。存儲(chǔ)容量與水平分辨率在數(shù)值上互為倒數(shù)關(guān)系。存儲(chǔ)容量=采樣率

采樣時(shí)間數(shù)字存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量通常采用256B，512B，1KB，4KB等。存儲(chǔ)容量愈大，水平分辨率就愈高。但存儲(chǔ)容量并非越大越好，由于儀器最高取樣速率的限制，若存儲(chǔ)容量選取不恰當(dāng)，往往會(huì)因時(shí)間窗口縮短而失去信號(hào)的重要成分，或者因時(shí)間窗口增大而使水平分辨率降低。4.存儲(chǔ)容量

數(shù)字示波器優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)1.能長(zhǎng)期貯存波形，并能對(duì)波形進(jìn)行放大等多種操作與分析。2.特別適合測(cè)量單次和低頻信號(hào)（無(wú)閃爍現(xiàn)象）3.靈活的觸發(fā)方式（預(yù)觸發(fā)，邏輯觸發(fā)、脈沖寬度觸發(fā)等）4.與計(jì)算機(jī)等硬件設(shè)備連接進(jìn)行交互操作。5.強(qiáng)大的波形處理能力，能自動(dòng)測(cè)量頻率、上升時(shí)間、脈沖寬度等很多參數(shù)。缺點(diǎn)1.高頻信號(hào)失真比較大。2.測(cè)量復(fù)雜信號(hào)能力差。3.取樣率不高而低于信號(hào)頻率，可能出現(xiàn)假象和混淆波形。4.價(jià)格昂貴??！面板介紹電源開關(guān)

標(biāo)簽區(qū)軟件操作鍵模擬通道輸入外觸發(fā)輸入探頭校準(zhǔn)信號(hào)軟件菜單區(qū)運(yùn)行控制區(qū)通道總控區(qū)控制垂直區(qū)水平控制區(qū)觸發(fā)控制區(qū)測(cè)量應(yīng)用存儲(chǔ)

液晶顯示區(qū)使用自校正可使示波器自動(dòng)更改系統(tǒng)內(nèi)部的校正系數(shù)，而保證測(cè)量值滿足精度要求。系統(tǒng)信息：顯示示波器系統(tǒng)信息屏幕測(cè)試：運(yùn)行屏幕測(cè)試程序鍵盤測(cè)試：運(yùn)行鍵盤測(cè)試程序

輔助系統(tǒng)自校正、自測(cè)試自動(dòng)普通單次

直流

交流

高頻抑制

低頻抑制

自動(dòng)測(cè)量示意圖

探頭補(bǔ)償在首次將探頭與任一輸入通道連接時(shí)，進(jìn)行此項(xiàng)調(diào)節(jié)，使探頭與輸入通道相配。未經(jīng)補(bǔ)償或補(bǔ)償偏差的探頭會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差或錯(cuò)誤。

探頭補(bǔ)償改為10X將探頭菜單衰減系數(shù)設(shè)定為10X，將探頭上的開關(guān)設(shè)定為10X，并將示波器探頭與通道1連接。如使用探頭鉤形頭，應(yīng)確保與探頭接觸緊密。將探頭端部與探頭補(bǔ)償器的信號(hào)輸出連接器相連，基準(zhǔn)導(dǎo)線夾與探頭補(bǔ)償器的地線連接器相連，打開通道1，然后按AUTO

探頭補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1-準(zhǔn)備將信號(hào)電纜接到標(biāo)準(zhǔn)方波，檢查示波器狀態(tài)。2-正弦波電壓：Measure>>電壓測(cè)量>>峰峰值>>Vpp(1)=···V,記錄。頻率：Measure>>時(shí)間測(cè)量>>頻率>>Freq(1)=···kHz,記錄。全部：Measure>>全部測(cè)量>>打開，對(duì)比。3-光標(biāo)測(cè)量1信號(hào)：噪聲方波。峰峰值：

1)cursor>>信源選擇>>CH1；

2)光標(biāo)類型>>電壓；

3)水平旋鈕>>光標(biāo)線對(duì)準(zhǔn)第一，二尖峰；

4)紀(jì)錄：curA=···mV; curB=···mV;

Δy=···mV;3-光標(biāo)測(cè)量2信號(hào)：噪聲方波。頻率：

1)cursor>>信源選擇>>CH1；

2)光標(biāo)類型>>時(shí)間；

3)水平旋鈕>>光標(biāo)線對(duì)準(zhǔn)第一，二尖峰；

4)紀(jì)錄：curA=···ns; curB=···ns;

Δx=···ns;1/Δx=···MHz4-