示波器的原理和应用

课时：3学时

教材：补充讲义

简介：示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象，便于人们研究各种电现象的变化过程。目前大量使用的示波器有两种：模拟示波器和数字示波器。模拟示波器发展较早，技术也非常成熟，其优点主要是带宽宽、成本低。但是随着数字技术的飞速发展，数字示波器拥有了许多模拟示波器不具备的优点：不仅具有可存储波形、体积小、功耗低，使用方便等优点，而且还具有强大的信号实时处理分析功能；具有输入输出功能，可以与计算机或其他外设相连实现更复杂的数据运算或分析。随着相关技术的进一步发展，数字示波器的频率范围也越来越高了，其使用范围将更为广泛因此，学习数字示波器的使用具有重要的意义。

实验重点：

了解示波器的基本结构、工作原理及使用方法。

难点：

1.熟练掌握示波器各主要旋钮的作用和用法。

2.利用李萨如图形测量信号频率。

教学目的：

1. 了解示波器的主要组成部分，扫描和整步的作用原理，加深对振动合成的理解。

2. 熟练使用示波器观察信号特征（正弦波、三角波、方波），利用李萨如图形测量信号频率。

教学方法：

讲授法和演示法

实验要求：

1. 熟练使用信号发生器发射特定信号，掌握设置频率、相位、幅值、波形等特性的方法。

2. 熟练使用示波器观察信号特征，如:波形，频率，最大值等等。

3. 利用李萨如图形测量信号频率。

实验仪器：

波形发生器数字示波器

实验原理：

数字存储示波器与模拟示波器的不同在于信号进入示波器后立刻通过高速A/D转换器将模拟信号前端快速采样，存储其数字化信号。并利用数字信号处理技术对所存储的数据进行实时快速处理，得到信号的波形及其参数，并由示波器显示，从而实现模拟示波器功能。而且测量精度高，还可以存储和调用显示特定时刻信号。

一个典型的数字存储示波器原理框图如图1所示，模拟输入信号先适当地放大或衰减，然后再进行数字化处理。数字化包括“取样”和“量化”两个过程，取样是获得模拟输入信号的离散值，而量化则是使每个取样的离散值经A/D转换成二进制数字，最后，数字化的信号在逻辑控制电路的控制下依次写入到RAM（存储器）中，CPU从存储器中依次把数字信号读出并在显示屏上显示相应的信号波形。GPIB为通用接口总线系统，通过它可以程控数字存储示波器的工作状态，并且使内部存储器和外部存储器交换数据成为可能。

由此可见，数字示波器必须要完成波形的取样、存储和波形的显示，另外为了满足一般应用的需求，几乎所有微机化的数字示波器都提供了波形的测量与处理功能。

1. 波形的取样和存储

由于数字系统只能处理离散信号，所以必须对模拟连续波形先进行抽样，再进行A/D转换。根据Nyquist定理，只有抽样频率大于要处理信号频率的两倍时，才能在显示端理想地复现该信号。

由此可见，数字示波器必须要完成波形的取样、存储和波形的显示，另外为了满足一般应用的需求，几乎所有微机化的数字示波器都提供了波形的测量与处理功能。

连续信号离散化通过如图2所示的取样方法完成，把模拟波形送到加有反偏的取样门的点，在点加入等间隔的取样脉冲，则对应时间tn(n=1,2,3,…)，取样脉冲打开取样门的一瞬间，在点就得到相应的模拟量an(n=1,2,3,…)，这个模拟量就是离散化了的模拟量，把每一个模拟量进行A/D转换，就可以得到相应的数字量，如a1→A/D→01H；a2→A/D→02H；a3→A/D→03H……。如果把这些数字量按序存放在存储器中就相当于把一幅模拟波形以数字量存储起来。

 

 

图1典型数字存储示波器原理框图

 

 

 

 

图2 连续模拟波形的离散化图3双踪显示的存储方式

 

 

2 波形的显示

数字存储示波器必须把上面存储器中的波形显示出来以便用户进行观察、处理和测量。存储器中每个单元存储了一个抽样点的信息，在显示屏上显示为一个点，该点Y方向的坐标值决定于数字信号值的大小、示波器Y方向电压灵敏度设定值、Y方向整体偏移量，X方向的坐标值决定于数字信号值在存储器中的位置（即地址）、示波器X方向电压灵敏度的设定值、X方向的整体偏移量。

为了适应对不同波形的观测、智能化的数字存储器有多种灵活的显示方式：存储显示、双踪显示、插值显示、流动显示等。

存储显示是示波器最基本的显示方式。它显示的波形是由一次触发捕捉到的信号片断，即制下稳定地显示在CRT上。存储显示还有；连续捕捉显示和单次捕捉显示之分，在连续捕捉显示方式下,每满足一次触发条件，屏幕上原来的波形就被新存储的波形更新，而单次捕捉显示只保存并显示一次触发形成的波形。

如果需要显示两个电压波形并保持两个波形在时间上的原有对应关系，可采用交替存储技术以达到双踪显示。这种交替存储技术利用存储器写地址的最低位A0来控制通道开关，使取样和A/D转换轮流对两通道输入信号进行取样和转换，其存储方式如图3所示，当A0为1时，对通道1的信号Y1进行采样和转换，并写入技术存储器单元中，读出时，先读偶数地址，再读奇数地址，Y1和Y2信号便在CRT上交替显示。

图4  波形的插值显示

示波器屏幕显示的波形由一些密集的点构成，当被观察的信号在一周期内采样点数较少时会引起视觉上的混淆现象，如图4左图所示的正弦波形就很难辨认，一般认为当采样频率低于被测信号频率的2.5倍时，点显示就会造成视觉混淆，为了有效地克服视觉的混淆现象，同时又不降低带宽指标，数字滤波器往往采用插值显示，即在波形上两个测试点数据间进行估值。估值方式通常有矢量插值法和正弦插值法两种，矢量插值法是用斜率不同的直线段来连接相邻的点，当被测信号频率为采样频率的1/10以下时，采用矢量插值可以得到满意的效果；正弦插值法是以正弦规律用曲线连接各数据点的显示方式，它能显示频率为采样频率的1/2.5以下的被测波形，其能力已接近奈奎斯特极限频率。

3.信号的触发

为了实时稳定地显示信号波形，示波器必须重复地从存储器中读取数据并显示。为使每次显示的曲线和前一次重合，必须采用触发技术。信号的触发也叫整部或同步，一般的触发方式为：输入信号经衰减放大后分送至A/D转换器的同时也分送至触发电路，触发电路根据一定的触发条件（如信号电压达到某值并处于上升沿）产生触发信号，控制电路一旦接收到来自触发电路的触发信号，就启动一次数据采集与RAM写入循环。

触发决定了示波器何时开始采集数据和显示波形，一旦触发被正确设定，它可以把不稳定的显示或黑屏转换成有意义的波形。示波器在开始收集数据时，先收集足够的数据用来在触发点的左方画出波形。示波器在等待触发条件发生的同时连续地采集数据。当检测到触发后，示波器连续地采集足够的数据以在触发点的右方画出波形。

触发可以从多种信源得到，如输入通道、市电、外部触发等。常见的触发类型有边沿触发和视频触发；常见的触发方式有自动触发、正常触发和单次触发。

实验步骤：

1. 熟悉数字存储示波器及多功能函数信号发生器各旋钮、各按键的功能；

2. 观察多功能函数信号发生器输出的锯齿波、正弦波、方波信号，在显示屏上显示一个正弦波并读出其频率和幅值，并求出相对误差E(r)。

3. 利用李萨如图形测频率。在menu菜单中设置X-Y模式，将DG1022型函数发生器一路主信号输出（MAIN）的正弦波频率调整到约1kHz，作为已知的f_x输入到CH1通道；将其另一路信号作为未知的f_y信号输入到CH2通道。分别利用n_x/n_y=1 ,2,3 ,3/2的李萨如图形，测量计算频率f_y值；

4. 验证f_y/f_x=n_x/n_y关系式的成立。

附注：示波器利用李萨如图形测频率原理：

如果将X轴的锯齿波扫描电压去掉，换接入正弦电压，那么在X、Y两个都是简谐振动的共同作用下，电子束运动所形成的亮点轨迹就是李萨如图形。李萨如图形与Y轴方向和X轴方向的切点数目与f _y和f_x有如下简单的关系：

所以通过数出李萨如图上的n_x、n_y，若f_x已知便可求得f_y，反之亦然。

f_y/f_x=n_x/n_y=2/1李萨如图形形成原理图

实验数据：

1）观察记录波形：正弦波、三角波、方波。画在实验手册上；

2）用函数信号发生器产生一正弦波用示波器观察并记录，计算信号的峰－峰值V_P-P、频率f、周期T；

3）观察教材给出的6个李萨如图形，记录在实验手册上，根据分别计算每一个信号的频率

李萨如 图形
(Hz)
(Hz)

注意事项：

在观察李萨如图形的时候，注意相位差的影响。