示波器试验讲义

数字存储示波器的使用示波器是一种常用的电子仪器，主要用于观察和测量各种电信号。配合各种传感器把非电量转换成电量，示波器也可以用来观察各种非电量的变化过程。示波器有多种类型和型号，但它们基本原理是相同的。本实验是用双信号发生器的输出信号在示波器中合成李萨如图形。［实验目的］1．了解示波器的主要结构和显示波形的基本原理。2．学会使用函数信号发生器。3．学会用示波器观察波形以及测量电压、周期和频率等。4、理解李萨如图形合成原理及方法。［实验仪器］DS1052E型数字存储示波器、DG1022双通道函数/任意波形发生器、连接线（2根）【实验仪器功能介绍】（1）熟悉示波器上各旋钮的功能和用法多功能旋钮常用菜单运行控制J(D“畑)Qrl*〕(3[MLNU]MAINo^0*!CfJlo统HORIZONTAL「<|PCBOiaN[>■siA"HUGCEft■AlE>LlVERTICALPCG-i-iOh触发控制水平控制垂直控制设置垂直系sCale（垂CHI、’CH2J(D“畑)Qrl*〕(3[MLNU]MAINo^0*!CfJlo统HORIZONTAL「<|PCBOiaN[>■siA"HUGCEft■AlE>LlVERTICALPCG-i-iOh触发控制水平控制垂直控制设置垂直系sCale（垂CHI、’CH2ICAL(CHH2、MA频率上线、交流、接地|SUVHH1：匚町i2'③数字滤波的合的方式matH为系统的数学运算REF为导入导出已保存、Ref、_off、poLtlSITION（垂直位置）、界面的文件菜单或保存文件储X-Y方式的波形设置水平系统HORIZONTAL.（MENU、.POSITION（水平位置）SCALE（水平范围）" …一宀」〜…「细节②时基偿-T、X-Y（水平轴，但不存MENU①延迟扫描：用来放大一段波形，以"匚上显示通道1电压，垂直轴形上显示通道2电压）Ro11③采样率：显示系统采样率设置触发系统TRIGGER(LEVEL、MENU、50%、FORCE)MENU中的触发模式有边沿触发、脉宽触发、斜率触发、视频触发、交替触发(稳定触发双通道不同步信号，此触发模式下，不能产生X-Y波形，且交替触发菜单中触发类型为视频触发时它的同步分为：所有行、指定行、奇数场、偶数场)。触发方式：自动、普通、单次，如在自动下无法稳定两波形，可选择单次稳定波形。触发设置：灵敏度、触发抑制：设置重新启动触发电路的时间间隔，时间范围为：500ns-1.5s、触发释抑：使触发释抑复位到500ns.设置采样系统(Acquire) 获取方式：普通、平均、峰值检测，其中平均采样方式图像更细，期望减少所显示信号中的随机噪声。如期望观察信号的包络，避免混淆，选用峰值检测方式；采样方式：观察单次信号选用实时采样方式，观察高频周期性信号选用等效采样方式。设置显示系统(Display)显示类型：矢量(采样点之间通过连线的方式显示)、点(直接显示采样点)清除显示：(清除所有先前采集的显示及任何从内部存储区或USB存储设备中调出的轨迹存储和调出(Storage)存储类型：位图存储与CSV存储(适用于外部存储器、波形存储与设置存储(适用于内部存储)，可从存储位置中调出或删除已存文件。出厂设置则设置调出出厂设置操作设置辅助系统(Utility)接口设置、声音、频率计、Language(1/3)通过测试、波形录制、打印设置(2/3)参数设置、自校正(3/3)按Utility-通过测试一规则设置中的Mask可进行设置水平容限范围与垂直容限范围，均为(0.04div-4.00div)按Utility—波形录制一模式一录制可对波形进行录制，最大帧数为1000,各帧之间时间间隔设置为1.00ms-1000s按Utility—波形录制一模式一回放执行RUN/ST0P键停止或继续波形回放功能按Utility—波形录制一模式一存储根据当前设置的帧数存储或调出当前录制的波形按Utility—参数设置可设置屏幕保护、界面方案、键盘密码设置等运行自校正程序以前，请确认示波器已预热或运行达30分钟以上。如果操作温度变化范围达到或超过5°C,必须打开系统功能菜单，执行“自校正”程序。自动测量(Measure)该示波器提供20种自动测量的波形参数，包括10种电压参数和10种时间参数：峰峰值(Vpp)、最大值(Vmax)、最小值(Vmin)、顶端值(Vtop)、底端值(Vbase)、幅值(Vamp)、平均值(Average)、均方根值(Vrms)、过冲(Overshoot)、预冲(Preshoot)、频率、周期、上升时间(RiseTime)、下降时间(FallTime)、正占空比(+Duty)、负占空比(-Duty)、延迟、正脉宽(+Width、和负脉宽(-Width)。光标测量(Cursor)手动模式：出现水平调整或垂直调整的光标线。追踪模式：水平与垂直光标交叉构成十字光标。自动测量模式：系统会显示对应的电压或时间光标。此方式在未选择任何自动测量参数时无效。使用执行按键(AUTO、RUN/STOP)AUTO(自动设置)：自动设定仪器各项控制值，以产生适宜观察的波形显示。RUN/STOP(运行/停止)：运行和停止波形采样。(2)DG1022型函数/任意波形发生器、视图切换通道切换CH1输出使能电源开关 菜单键波形选择键数字键盘、视图切换通道切换CH1输出使能电源开关 菜单键波形选择键数字键盘CH2输出使能CH1输出端频率计输入端发生器提供了3种界面显示模式：单通道常规模式、单通道图形模式及双通道常规模式。这3种显示模式可通过前面板左侧的View按键切换。用户可通过CH1来切换活动通道，CH2以便设定每通道的参数及观察、比较波形。操作面板左侧下方有一系列带有波形显示的按键，它们分别是：Sine（正弦波）、Squar（方波）、Ramp（锯齿波）、Pulse（脉冲波）、Noise（噪声波）、Arb（任意波）输出设置Output调制/扫描/脉冲串设置Mod（调制）、Sweep（扫描）、Burst（脉冲串）。在本信号发生器中，这三个功能只适用于通道1。使用Mod键，可输出经过调制的波形。并可以通过改变类型、内调制/外调制、深度、频率、调制波等参数，来改变输出波形。DG1022可用AM、FM、FSK或PM调制波形。使用Sweep按键扫描，可调制或扫描正弦波、方波、锯齿波或任意波形（不能调制或扫描脉冲、噪声）在扫描模式中，可在指定的扫描时间内从开始频率到终止频率而变化输出。使用Burst按键，可以产生正弦波、方波、锯齿波、脉冲波或任意波的脉冲串波形输出，噪声只能用于门控脉冲串。存储和调出/辅助系统功能/帮助功能使用Store/Recall按键，存储或调出波形数据和配置信息。使用Utility按键，可以进行设置同步输出开/关、输出参数、通道耦合、通道复制、频率计测量；查看接口设置、系统设置信息；执行仪器自检和校准等操作。使用Help按键，查看帮助信息列表。获得任意键帮助：要获得任何面板按键或菜单按键的上下文帮助信息，按下并按住该键2〜3秒，显示相关帮助信息。用户自定义任意波形按Arb-编辑一创建1•选择点数，设置任意波形的初始化点数，在默认情况下，点1设置为高电平，固定在0秒，点2设置为低电平，设置为指定循环周期的一半。2.设置插值，选择插值开，启用在波形点之间进行线性内插。选择插值关，在波形点之间维持不变的电压电平，并创建一个类似的数字波形。3.编辑波形点。4.存储波形至非易失存储器，波形创建完毕后按保存键进入Store/Recall功能界面,将波形保存到非易失性存储器或外部存储器中。在非易失存储器中，每个波形存储的位置，只能存储一个波形，只能存储一个波形，如果有新波形存储进来，旧的波形将被覆盖。存储完毕后，按View键切换为图形显示模式，可查看所创建的波形。编辑已存储波形按Arb-编辑一已存，按读取将其读入易失存储器中进行编辑，用户可以重新编辑已存波形的频率/周期，幅值/高电平，偏移/低电平，相位参数。调制波形设置使用Mod按键，可输出经过调制的波形。DG1022可输出AM、FM、FSK或PM调制波形。调制波形由载波和调制波形组成，波Sine、Square、Ramp、Arb可进行调制。幅度调制（AM）：按Mod-类型-AM，可调制振幅变化深度（0%-120%）频率调制（FM）：按Mod-类型-FM调制波形的频率（2mHz〜20KHz）,其中设置的频偏必须小于或等于载波频率。频移键控（FSK）按Mod—类型—FSK，可进行跳频，内调制时设置跳跃频率范围不超过载波的频率范围。相位调制（PM）Mod-类型-PM，进行相位调制（0°〜360°）。四种调制波形都可以按View键切换为图形显示模式，查看波形参数。设置扫频波形脉冲串按键可为用户提供多种波形函数的脉冲串输出，可持续特定数目的波形循环N循环脉冲串），可使用任何波形函数，但是噪声只能用于门控脉冲串。按View键切换为图形显示模式，查看波形参数。（3）实验原理电子示波器（简称示波器）能够简便地显示各种电信号的波形，一切可以转化为电压的电学量和非电学量及它们随时间作周期性变化的过程都可以用示波器来观测，示波器是一种用途十分广泛的测量仪器。一、示波器的基本结构示波器的主要部分有示波管、带衰减器的Y轴放大器、带衰减器的X轴放大器、扫描发生器（锯齿波发生器）、触发同步和电源等，其结构方框图如图1所示。为了适应各种测量的要求，示波器的电路组成是多样而复杂的，这里仅就主要部分加以介绍。1．示波管如图1所示，示波管主要包括电子枪、偏转系统和荧光屏三部分，全都密封在玻璃外壳内，里面抽成高真空。下面分别说明各部分的作用。

（1）荧光屏：它是示波器的显示部分，当加速聚焦后的电子打到荧光上时，屏上所涂的荧光物质就会发光，从而显示出电子束的位置。当电子停止作用后，荧光剂的发光需经一A、第二阳极A五部分组成。灯丝通电后加热阴极。阴极是一个表面涂有氧化物的金属筒，被加热后发射电子。控制栅极是一个顶端有小孔的圆筒，套在阴极外面。它的电位比阴极低，对阴极发射出来的电子起控制作用，只有初速度较大的电子才能穿过栅极顶端的小孔然后在阳极加速下奔向荧光屏。示波器面板上的“亮度”调整就是通过调节电位以控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变了屏上的光斑亮度。阳极电位比阴极电位高很多，电子被它们之间的电场加速形成射线。当控制栅极、第一阳极、第二阳极之间的电位调节合适时，电子枪内的电场对电子射线有聚焦作用，所以第一阳极也称聚焦阳极。第二阳极电位更高，又称加速阳极。面板上的“聚焦”调节，就是调第一阳极电位，使荧光屏上的光斑成为明亮、清晰的小圆点。有的示波器还有“辅助聚焦”，实际是调节第二阳极电位。放大或衰減1触发同歩放大或衰減1触发同歩1扌m描发生器敢大F轴输入外触发（3）偏转系统：它由两对相互垂直的偏转板组成，一对垂直偏转板Y,—对水平偏转板X。在偏转板上加以适当电压，电子束通过时，其运动方向发生偏转，从而使电子束在荧光屏上的光斑位置也发生改变。2．信号放大器和衰减器示波管本身相当于一个多量程电压表，这一作用是靠信号放大器和衰减器实现的。由于示波管本身的X及Y轴偏转板的灵敏度不高（约0.1—lmm/V）,当加在偏转板的信号过小时，要预先将小的信号电压加以放大后再加到偏转板上。为此设置X轴及Y轴电压放大器。衰减器的作用是使过大的输入信号电压变小以适应放大器的要求，否则放大器不能正常工作，使输入信号发生畸变，甚至使仪器受损。对一般示波器来说，X轴和Y轴都设置有衰减器，以满足各种测量的需要。3．扫描系统扫描系统也称时基电路，用来产生一个随时间作线性变化的扫描电压，这种扫描电压随时间变化的关系如同锯齿，故称锯齿波电压，这个电压经X轴放大器放大后加到示波管的水平偏转板上，使电子束产生水平扫描。这样，屏上的水平坐标变成时间坐标,Y轴输入的被测信号波形就可以在时间轴上展开。扫描系统是示波器显示被测电压波形必需的重要组成部分二、示波器显示波形的原理如果只在竖直偏转板上加一交变的正弦电压，则电子束的亮点将随电压的变化在竖直方向来回运动，如果电压频率较高，则看到的是一条竖直亮线，如图2所示。要能显示波形，必须同时在水平偏转板上加一扫描电压，使电子束的亮点沿水平方向拉开。这种扫描电压的特点是电压随时间成线性关系增加到最大值，最后突然回到最小，此后再重复地变化。这种扫描电压即前面所说的“锯齿波电压”，如图3所示。当只有锯齿波电压加在水平偏转板上时，如果频率足够高，则荧光屏上只显示一条水平亮线。如果在竖直偏转板上（简称Y轴）加正弦电压，同时在水平偏转板上（简称X轴）加锯齿波电压，电子受竖直、水平两个方向的力的作用，电子的运动就是两相互垂直的运动的合成。当锯齿波电压比正弦电压变化周期稍大时，在荧光屏上将能显示出完整周期的所加正弦电压的波形图。如图4所示。三、同步的概念如果正弦波和锯齿波电压的周期稍微不同，屏上出现的是一移动着的不稳定图形。这种情形可用图5说明。设锯齿波电压的周期Tx比正弦波电压周期Ty稍小，比方说Tx/Ty=7/8。在第一扫描周期内，屏上显示正弦信号0—4点之间的曲线段；在第二周期内，显示4—8点之间的曲线段，起点在4处；第三周期内，显示8—11点之间的曲线段，起点在8处。这样，屏上显示的波形每次都不重叠，好象波形在向右移动。同理，如果T比T稍大，则好xy象在向左移动。以上描述的情况在示波器使用过程中经常会出现。其原因是扫描电压的周期图5与被测信号的周期不相等或不成整数倍，以致每次扫描开始时波形曲线上的起点均不一样所造成的。为了使屏上的图形稳定，必须使T/T=n（n=l,2,3,…），n是屏上显示完整波xy形的个数。为了获得一定数量的波形，示波器上设有“扫描时间”（或“扫描范围”）、“扫描微调”旋钮，用来调节锯齿波电压的周期T（或频率f）,使之与被测信号的周期T（或xxy频率f）成合适的关系，从而在示波器屏上得到所需数目的完整的被测波形。输入Y轴的被y测信号与示波器内部的锯齿波电压是互相独立的。由于环境或其它因素的影响，它们的周期（或频率）可能发生微小的改变。这时，虽然可通过调节扫描旋钮将周期调到整数倍的关系，但过一会儿又变了，波形又移动起来。在观察高频信号时这种问题尤为突出。为此示波器内装有扫描同步装置，让锯齿波电压的扫描起点自动跟着被测信号改变，这就称为整步（或同步）。有的示波器中，需要让扫描电压与外部某一信号同步，因此设有“触发选择”键，可选择外触发工作状态，相应设有“外触发”信号输入端。4）实验操作步骤1．观察信号发生器波形（1）将两探头上的衰减系数调为10X档，使探勾连接到示波器右下角的接头上，探头上的夹子接地，调节探头上的十字接口分别对CH1和CH2进行补偿，直到波形为补偿正确图示。（2）拔出探头，将信号发生器的输出端CH1或CH2接到示波器对应的CH1和CH2通道补偿过度 补偿正确 补偿不足

输入端上，开启信号发生器，按下发生器的Output按钮，启动AuTo键。调节示波器(注意信号发生器频率与扫描频率)，观察波形，并使其稳定。2．测量周期、频率、电压在示波器上调节出大小适中、稳定的波形，选择按下正弦波、方波、锯齿波、脉冲波、噪声波、任意波中其中一个，按下Measure键打开全部测量，从表中读出周期Prd、频率Freq、电压值U，正弦波电压峰峰值=UX(探头衰减率)pp PP理论上波形发生器的幅值=正弦波电压峰峰值也可以选择Cursor光标键进行手动或追踪测量。注意：每换一种波形，示波器屏幕上的波形如不自动转换，可按RUN/STOP键转换对应选择的波形。3．李萨如图形合成如果，示波器的X、Y偏转板都加上随时间变化的正弦信号，电子束在荧光屏上形成的轨迹是两个互相垂直的振动的合成。当两个正弦信号或一个正弦信号与一个锯齿波信号合成，二者频率简单整数比利时，亮点轨迹为一稳定的闭合曲线——李萨如图形。接上示波器CHI、CH2通道探头。并按下CH1和CH2将衰减系数设定为10X(与补偿值一致)打开两台函数信号发生器，保持两台信号发生器的频率基本相同。将CH1、CH2通道探头各自与信号发生器相连。并按下CH1和CH2的Output键。若通道未被显示，则按下CH1和CH2菜单按钮。按下AUTO(自动设置)按钮。如图形不稳定按下触发设置TRIGGER中的MENU键中选择触发方式自动选为单次。调整垂直SCALE旋钮使两路信号显示的幅值大约相等。按下水平控制区域HORIZONTAL的MENU菜单按钮以调出水平控制菜单。按下水平控制区域的MENU按钮选择时基中的X-Y模式。调整垂直SCALE、垂直POSITION和水平SCALE旋钮使波形达到最佳效果。用发生器中的旋钮改变CH1或CH2的频率，会得到一系列的李萨如图形，CH1和CH2通道输入成倍数关系的频率信号，测试如下倍数的李萨如图形(CH1：CH2)：1：1、1：2、1：3、2：3。令fx、fy分别代表Y轴和X轴电