大连理工大学：《大学物理》课程教学资源（实验讲义）数字示波器的原理与使用.pdf_大学文库

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

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

【实验内容与步骤】1.示波器的设置及其与探头的匹配（1）按动功能控制区中的存储按键“Storage”，如图53-4所示.在屏幕上出现选项菜单之后再按动“默认设置”选项所对应的功能菜单设置键，从而将示波器恢复到默认设置状态.（2）将无源探头的Q9头固定示波器的信号输入通道CH2/CH1，从外部接入一安全信号，按动自动按键“AUTO”，检查无源探头的信号线（探针）及屏蔽线（接地鳄鱼夹）有无故障或接触不良（3）将探头的接地鳄鱼夹与示波器探头补偿端中的下侧金属环（接地环）相接，信号线与探头补偿端中的上侧金属环（3V、1kHz补偿信号输出端）相接，如图53-4所示.按动自动按键“AUTO”，观察屏幕所示方波，如不标准，使用调节棒调节探头的低频补偿调节孔.之后以方波高度（大格div）乘以屏幕纵向每大格（div)所对应电压值（在屏幕左下角），如所得电压值为3V，则说明示波器内部设定与探头匹配，否则：①按动信号输入通道正上方的“CH2”/“CH1”键调出选项菜单②按动菜单中“探头比”对应的设置键，调出探头比匹配选项菜单③转动“多功能旋钮”使探头比匹配选项合适，④按动“多功能旋钮”锁定当前选项2.示波器测量信号的电压及频率将实验室提供的未知信号经探头输入与探+头匹配调整合适的通道CH2/CHI，按动自动键佳“AUTO”或调节信号输入通道上端垂直控制区P域的波段旋钮“SCALE”以及水平控制区域的旋1+钮SCALE”使屏幕上的波形大小、长短合适.（如(AIP/A4果波形不稳定，可以尝试调节触发控制区域的ND主“LEVEL”旋钮.）→I(div) b(ms/div)如图53-6所示，屏幕所显示波形的峰峰值图53-6示波器测量信号电压和频率电压等于波形高度乘以屏幕上单位高度的波形对应的电压值即：Up-p=hxa(53-2)公式53-2中Up-p定义为峰峰值电压，即波形在一个周期内最高点（波峰）至最低点（波谷）间对应的电压值.h为波形高度，单位为大格（div）：a为垂直偏转因数，其数值从屏幕左下角读出，单位V/div同理，波形的周期等于波形在屏幕上一周期对应宽度乘以屏幕显示波形时水平方向单

【实验内容与步骤】 1．示波器的设置及其与探头的匹配 (1) 按动功能控制区中的存储按键“Storage”，如图 53-4 所示．在屏幕上出现选项菜单之后再按动“默认设置”选项所对应的功能菜单设置键，从而将示波器恢复到默认设置状态． (2) 将无源探头的 Q9 头固定示波器的信号输入通道 CH2/CH1，从外部接入一安全信号，按动自动按键“AUTO”，检查无源探头的信号线（探针）及屏蔽线（接地鳄鱼夹）有无故障或接触不良． (3) 将探头的接地鳄鱼夹与示波器探头补偿端中的下侧金属环（接地环）相接，信号线与探头补偿端中的上侧金属环（3V、1kHz 补偿信号输出端）相接，如图 53-4 所示．按动自动按键“AUTO”，观察屏幕所示方波，如不标准，使用调节棒调节探头的低频补偿调节孔．之后以方波高度(大格 div)乘以屏幕纵向每大格(div)所对应电压值（在屏幕左下角），如所得电压值为 3V，则说明示波器内部设定与探头匹配，否则： ① 按动信号输入通道正上方的“CH2”/“CH1”键调出选项菜单． ② 按动菜单中“探头比”对应的设置键，调出探头比匹配选项菜单． ③ 转动“多功能旋钮”使探头比匹配选项合适． ④ 按动“多功能旋钮”锁定当前选项． 2．示波器测量信号的电压及频率将实验室提供的未知信号经探头输入与探头匹配调整合适的通道 CH2/CH1，按动自动键 “AUTO”或调节信号输入通道上端垂直控制区域的波段旋钮“SCALE”以及水平控制区域的旋钮“SCALE”使屏幕上的波形大小、长短合适．（如果波形不稳定，可以尝试调节触发控制区域的 “LEVEL”旋钮．）如图 53-6 所示，屏幕所显示波形的峰峰值电压等于波形高度乘以屏幕上单位高度的波形对应的电压值．即： Up p  h a （53-2）公式 53-2 中 Up p 定义为峰峰值电压，即波形在一个周期内最高点（波峰）至最低点（波谷）间对应的电压值． h 为波形高度，单位为大格(div) ． a 为垂直偏转因数，其数值从屏幕左下角读出，单位 V/div．同理，波形的周期等于波形在屏幕上一周期对应宽度乘以屏幕显示波形时水平方向单图 53-6 示波器测量信号电压和频率 b(ms/div) l (div) h (div) 𝑎 (V/div)

位长度对应的时间．即： T  l b （53-3）公式 53-3 中 l 的单位依旧为 div，b 的单位为 s/div，其数值从屏幕左上角的白色框内读取．频率为： T f 1  （53-4）提示：数字示波器在测量较为规范的信号时提供了对部分数据的直接读取功能，实验中可以将其作为参考．方法、步骤见图 53-7 3．用示波器直接观测半波和全波整流波形 (1) 将实验室提供的未知信号分别接到图 53-8 (a)、(b)中的 AB 端，将 CD 端经探头输入与探头匹配调整合适的通道 CH2/CH1． (2) 按动自动键“AUTO”或调节信号输入通道上端垂直控制区分辨率波段旋钮 “SCALE”以及水平控制区的分辨率旋钮“SCALE”使屏幕上的波形大小、长短合适．（如波形不稳定，调触发控制区域的“LEVEL”旋钮．） (3) 观察未知信号经整流电路后波形发生的变化，记录相关数据．提示：数字示波器在测量半波、全波整流信号波形时，可以使用光标键“Cursor”的追踪模式进行测量。 4．李萨如图形测量信号的频率 (1) 按动水平控制区域的菜单按键“MENU”调出选项菜单，按动时基选项所对应的菜单设置键，通过“多功能调节旋钮”将时基选项中默认的“Y-T”模式改为“X-Y”模式． (2) 转动垂直控制区域中 CH1（水平方向）和 CH2（垂直方向）通道对应的位移旋钮 “POSITION”，使起始光点位于屏幕中心． (3) 将实验室提供的未知信号依旧输入示波器与探头匹配调整合适的通道 CH2/CH1，将函数信号发生器的函数信号输出端接示波器的另一个通道 CH1/CH2，如发现波形某一方（a）半波整流电路（b）全波整流电路图 53-8 半波整流与全波整流电路 D C + - RL A B A B D C + - RL 图 53-7 数字示波器的数据查询水平选项垂直选项周期频率峰峰值 Measure Cursor 统计自动幅度值快速测量按键记录屏幕显示数据观察光标数据对应