实验53+数字示波器的原理与使用

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

成数字量存放在存储器中，利用数字示波器可对其进行各种数学运算（如两个信号相加、相减、相乘、快速傅里叶变换）以及自动测量等操作，也可以通过输入/输出接口与计算机或其他外设进行数据通信． 2. 李萨如图形

示波器默认显示的波形为“Y-T 模式”， 如图53-2（a ）所示，即以同等时间间距将待测信号的电压值采样，并经一系列过程后在屏幕上依次显示．也就是说，所显示波形的横轴是个时间量．

可是在很多场合下需要对两个波形的信号进行比较，比如观察一个特定信号在经过某电路前后波形及相位的变化或观察一个正弦波经不同倍频电路后波形及相位的变化，这时用“Y-T 模式”读数就很不方便，通常使用示波器的“X-Y 模式”．在此模式下，实验所用示波器默认将从CH1通道输入的信号作为X 轴，将从CH2通道输入的信号作为Y 轴进行叠加．

我们将互相垂直方向上的两个频率成简单整数比的简谐振动所合成的规则的、稳定的闭合曲线，称为李萨如图形．不同的初始相位及不同的频率比均可形成不同形状的李萨如图形．

(a) 不同频率及相位的X 轴及Y 轴信号

(c)

U x 2和U y 合成的李萨如图形

(b) U x 1和U y 合成的李萨如图形

x 1

U x 1

2 x 2

图53-2 不同初始相位相同频率比的李萨如图形

图53-2（b ）、（c ）所示为分别以图53-2（a ）中波形U x 1、U x 2为X 轴，U y 为Y 轴得到的李萨如图形，由于U x 1和U x 2信号的频率相同，相位不同，所成李萨如图形的形状也不同，但是与曲线交点数最多的水平线和与曲线交点数最多的垂直线所得到的交点数之比相同，均为1 : 2，即存在：

n x :n y =f y :f x （53-1）

图53-3所示为几种不同频率比的李萨如图形．

(a)

f y f x

=

1 1

(b) f y f x

=

2 1f y 1 (c) =

f x 2

(d) f y f x

=

3

1

(e) f y f x

=

3 2

(f) f y f x

=

4 3

图53-3 几种频率比的李萨如图形

【实验仪器】

1. DS2072A 型数字示波器

图53-4为DS2072A 型数字示波器操作面板示意图，待测信号可通过CH1和CH2两个输入通道输入示波器进行观察．表53-1为该示波器的功能简表．在使用过程中如想了解某个按键的详细功能，可以先按“Help ”键，再按想了解其功能的按键，示波器屏幕上将显示该键功能的详细介绍．

/打印

电源开关 USB 接口 信号输入通道 垂直控制区 外部触发输入通道

图 53-4 DS2072A 型数字示波器操作面板示意图

表53-1 DS2072A 型数字示波器功能简表

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．

频率显示 幅值显示 扫描宽度 扫描速率

扫描/计数输入

TTL 输出

函数信号输出

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

图53-5 EE1641B1型函数信号发生器/计数器操作面板示意图

表53-2 EE1641B1型函数信号发生器常用功能简表

【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5-4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：

图53-6 示波器测量信号电压和频率

U p -p =h ⨯a （53-2）

公式53-2中U p -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

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：

f =

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

1

（53-4） T

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．

A

B

B

D

D

A

C

C

（a ）半波整流电路 （b ）全波整流电路

(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． 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，如发现波形某一方向的大小不合适则调整示波器垂直控制区域中相应方向的分辨率旋扭“SCALE ”．

(4) 调整函数信号发生器输出信号的频率，使李萨如图形稳定，观察不同频率比的李萨

图53-8 半波整流与全波整流电路

图53-7 数字示波器的数据查询

如图形，选择其中5个，记录图形和相应数据，分别计算实验室提供的未知信号的频率． 5．选择示波器系列实验声速和光速测量实验，进一步熟练掌握示波器的使用．

【数据记录与处理】

(1) 记录未知正弦信号的相关参数，计算其峰峰值电压及频率．

表53-3未知正弦信号峰峰值电压与频率的计算数据表

流信号的波形．

(2) 测量相关参数，自拟表格，画出一个完整周期的正弦信号及其半波整流和全波整(3) 李萨如图形法测量未知正弦信号频率：

(4) 将未知正弦信号与已知函数信号发生器信号分别接入示波器相关通道，改变信号发生器输出的信号的频率，按数据记录表5-4所列的“交点”比，分别找出对应的李萨如图形，记录信号发生器输出信号的频率，计算未知正弦信号频率．

表53-4用李萨如图形法测量未知正弦信号频率数据记录和处理表

【思考题】

(1) 示波器可以显示扫描波形图和李萨如图形，在原理上它们的共同点是：都是两个电信号在相互垂直的方向上合成的结果．那么，它们的不同点是什么？

(2) 频率比为1:1李萨如图形何时为椭圆，何时为圆？

(3) 如果Y 轴信号的频率f y 比X 轴信号的频率f x 大很多，示波器上看到什么情形？如果Y 轴信号的频率f y 比X 轴信号的频率f x 小很多，示波器上又会看到什么情形？

【参考文献】

1. 余虹. 大学物理实验. 北京：科学出版社, 2015 2. 王植恒. 大学物理实验. 北京：高等教育出版社，2008 3. 吴平. 大学物理实验教程. 北京：机械工业出版社，2015 4. 王素红. 大学物理实验. 北京：国防工业出版社, 2011

【附录】

YB4320G 双踪示波器的使用

图53-9为YB4320G 二踪示波器操作面板示意图，二踪示波器可以通过通道1输入端(13)和通道2输入端(17) 输入两个信号进行观察，下面介绍实验中常用按纽和旋钮的功能．

图53-9 YB4320G 二踪示波器 操作面板示意图

电源开关(9)：按下电源开关键，接通电源，指示灯亮(8)．

辉度旋钮(2)：控制光点和扫描线的亮度，顺时针方向旋转旋钮，亮度增强． 聚焦旋钮(4)：调节聚焦控制钮直至光迹达到最清晰的程度．

水平工作方式选择(41)：按下主扫描(A)键，主扫描A 单独工作，用于一般波形观察； 水平移位(35)：用于调节光迹在水平方向移动．

主扫描时间系数选择开关(TIME／DIV) (20)：即水平偏转系数旋钮，共20挡，用来调节锯齿波电压的周期，使示波器屏上显示的波形数目比较合适．

扫描非校准状态开关键(21)：此键弹起，处于扫描校准状态，此时调节扫描微调无效，由仪器内部自行校准；按下此键，扫描时即进入非校准调节状态，此时调节扫描微调有效．

扫描微调控制键 (VARIABLE) (24)：此旋钮可以连续调节锯齿波电压的周期，使示波器屏上显示的波形数目连续变化，当顺时针方向旋到底时，处于校准状态．

垂直方式工作开关(42)：选择“CH1”屏幕上仅显示“通道l ”输入的信号；选择“CH2”屏幕上仅显示“通道2”输入的信号；选择“双踪”屏幕上同时显示CH1和CH2上的信号．

衰减器开关(10)／(15)：即垂直偏转因数旋钮，共12挡，调整Y 方向信号的幅度．垂直微调旋钮(14)／(19)：此旋钮可以连续调整Y 方向信号的幅度，通常当顺时针方向旋到底时，处于校准状态．此时，可根据偏转因数旋钮对应的值和波形的高度确定输入信号的电压值．

触发源选择开关(29)：选择CH1触发，使CH1通道信号稳定，当工作方式在X-Y 方式

时，拨动开关应设置于此挡；选择CH2触发，使CH2通道的信号稳定．

交替触发(27) ：按下此键，在双踪交替显示时，保证两个通道的信号均稳定，通常按下此键．

电平锁定(LOCK) (32)：按下此键，无论信号如何变化，触发电平自动保持在最佳位置，不需人工调节电平．

自动(AUTO)：在“自动”扫描方式时（按下此键），扫描电路自动进行扫描．在没有信号输入或输入信号没有被触发同步时，屏幕上仍然可以显示扫描基线，平时，观测扫描波形时，该键必须按下．

X —Y 控制键(30)：按下此键，垂直偏转信号接入CH2输入端，水平偏转信号接入CH1输入端．当两个通道均输入正弦信号时，用于观察李萨如图形．此时，要求开关(42) (垂直方式选择) 拨到CH2，触发源(29)选择CH1或CH2．

释抑(34) ：当信号波形复杂，用电平旋钮不能稳定触发时，可用“释抑”旋钮使波形稳定同步．

(王茂仁 秦颖)