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1、实验二 数字存储示波器的操作一、 实验目的1、 熟悉数字存储示波器的工作原理；2、 掌握数字存储示波器的使用方法；3、 掌握用示波器测量交、直流电压的方法。二、 实验原理1数字存储示波器的组成原理 数字示波器将输入信号数字化（时域取样和幅度量化）后，经由D/A转换器再重建波形。 数字示波器具有记忆、存贮被观察信号功能，又称为数字存贮示波器。当处于存储工作模式时，其工作过程一般分为存储和显示两个阶段。在存储工作阶段将模拟信号转换成数字化信号，在逻辑控制电路的控制下依次写入到RAM中。如图2.1所示。 图2.1 数字存储示波器的组成原理图2数字存储示波器的工作方式 （1）数字存储器的功能 随机存储
2、器RAM包括信号数据存储器、参考波形存储器、测量数据存储器和显示缓冲存储器四种。 （2）触发工作方式 1）常态触发 同模拟示波器基本一样。 2）预置触发 可观测触发点前后不同段落上的波形。 （3）测量与计算工作方式 数字存储示波器对波形参数的测量分为自动测量和手动测量两种。一般参数的测量为自动测量，特殊值的测量使用手动光标进行测量。（4）面板按键操作方式 数字存储示波器的面板按键分为立即执行键和菜单键两种。 3数字存储示波器的显示方式 （1）存储显示 适于一般信号的观测。 （2）抹迹显示 适于观测一长串波形中在一定条件下才会发生的瞬态信号。（3）卷动显示 适于观测缓变信号中随机出现的突发信号。
3、 （4）放大显示 适于观测信号波形细节。 （5）XY显示 图2.2 数字存储示波器的显示方式4. 实时采样和等效时间采样波形数字化方法称为实时采样，这时所有的采样点都是按照一个固定的次序来采集的，这个波形采样的次序和采样点在示波器屏幕上出现的次序是相同的，只要一个触发事件就可以启动全部的采样动作。如图2.3所示。图2.3 实时采样在很多应有场合，实时采样方式所提供的时间分辨率仍然不能满足工作的要求，在这些应用场合中，要观查的信号常常是重复性的，即相同的信号图形按有规则的时间间隔重复的出现。对于这些信号来说，示波器可以从若干个连续信号周期中采集到的多组采样点来构成波形，第一组新的采样点都是由一个
4、新的触发事件来启动采集的。这成为等效时间采样，在这种模式下，一个触发事件到来以后，示波器就采集信号波形的一部分，例如，采集五个采样点并将它们存入存储器，另一个触发事件则用来采集另外五个采样点并将其存贮在同一存储器的不同位置，如此进行下去经过若干次触发事件以后，存储器内存贮足够的采样点，就可以再屏幕上重建一个完整的波形，等效时间采样使得示波器在高时基设置值之下给出很高的时间分离率，这样一来就好像示波器具有了比实际采样速率要高很多的一个虚拟采样速率或称等效时间采样速率。 图2.4 顺序等效时间采样等效时间采样的方法采用从重复性信号的不同的周期取得采样点来重建这个重复性信号的波形，这样就提高了示波器
5、时间的分辨率。5. 峰值检测和平均值检测我们知道，DSO在特定时刻对输入信号进行采样，如开头所述，采样点之间的时间间隔取决于时基设置。如果毛刺的宽度比示波器的示波器分辨率还要小，那么能否捕捉到毛刺就看运气如何了。为了能够捕捉到毛刺，我们的方法就是峰值检测或毛刺捕捉。采用峰值检测的方法时，示波器将对信号波形的幅度连续地进行监测，并由正负峰值检测器将信号的峰值幅度暂时存储起来。当示波器要显示采样点的时候，示波器就将正或负峰值检测器保存的峰值进行数字化，并将该峰值检测器清零。这样在示波器上就用检测到的信号的正，负峰值代替了原来的采样点数值。因此，峰值检测的方法能够帮助我们发现由于使用的采样速率过低而
6、丢失的信号或者由于假象而引起失真的信号峰值检测的方法对于捕捉调制信号。为了显示这类信号，必须将示波器的时基设置得和调制信号在频率相配合，而在这种信号中，调制信号的频率通常在音频范围但载波频率通常在455KHz或者更高。在这种情况下，不使用毛刺捕捉功能，就不能正确地采集信号，而是用毛刺捕捉功能就可以看到类似模式示波器所显示的波形。示波器上的峰值检测功能是通过硬件（模拟）峰值检测器的方法或者快速采样的方法来实现的，模拟峰值检测器是一个专门的硬件电路，它以电容上电压的形式存储信号的峰值，这种缺点是速度比较慢，它通常只能存储宽度大于几个微妙且具有相当幅度的毛刺。数字式峰值检测器围绕ADC而构成，这时A
7、DC将以可能的最高采样速率连续对信号进行采样，然后将峰值存储在一个专门的存储器中，当要显示采样点的值时，存储的峰值就作为该时刻的采样值来使用。数字式峰值检测器的优点是其速度和数字化过程的速度一样快，能够在很低的时基速率设置下，如1秒/格，以正确的幅度采集到窄至5ns的毛刺。 平均值检测则是示波器采集几个波形，将他们平均，然后显示最终波形。此模式可减少所显示信号中的随机或无关噪音。6.示波器测量直流电压荧光屏上水平亮线与零电压线之间的垂直距离Y乘以示波器的CH1或CH2通道垂直灵敏度即可得到被测电压Ux的大小，即UxUCHY。7.示波器测量交流电压 利用波形可测量交流信号的峰峰值、幅值、平均值、
8、均方根值。三、 实验设备1 数字存储示波器DS5042A一台2 函数信号发生器 一台3 连接导线 若干4 直流电源 一台四、 实验内容及步骤1、数字存储示波器DS5042的操作（1）熟悉DS5042的前面板和用户界面DS5042向用户提供简单而功能明晰的前面板，以进行基本的操作。面板上包括旋钮和功能按钮。旋钮的功能与其它示波器类似。显示屏右侧的一列5个灰色按钮为菜单操作键（自上而下定义为1号至5号）。通过它们，您可以设置当前菜单的不同选项其它按钮(包括彩色按钮)为功能键，通过它们，您可以进入不同的功能菜单或直接获得特定的功能应用。图2.5 DS5000系列示波器前面板图2.6 DS5000面板
9、操作说明图图2.7 显示界面说明图（2）探头补偿和自动设置1）探头补偿在首次将探头与任一输入通道连接时，进行此项调节，使探头与输入通道相配。未经补偿或补偿偏差的探头会导致测量误差或错误。若调整探头补偿，请按如下步骤：a、将探头菜单衰减系数设定10X，将探头上的开关设定10X，并将示波器探头与通道1连接。将探头端部与探头补偿器的信号输出连接器相连，基准导线夹与探头补偿器的地线连接器相连，打开通道1，然后按AUTO。b、检查所显示波形的形状。补偿过度补偿正确补偿不足图2.8 补偿过度、正确、不足波形图c.如必要，用非金属质地的改锥调整探头上的可变电容，直到屏幕显示的波形如上图“补偿正确”。2）自动
10、设置DS5000系列数字存储示波器具有自动设置的功能。根据输入的信号，可自动调整电压倍率、时基、以及触发方式至最好形态显示。应用自动设置要求被测信号的频率大于或等于50Hz，占空比大于1。具体操作是按界面右上角AOTU按钮。（3）垂直系统在垂直控制区VERTICAL五个按钮和两个旋钮。垂直POSITION旋钮用于调整波形垂直方向上的移动。转动垂直SCALE旋钮改变Volt/div（伏/格）垂直档位，若要细调按一下SCALE旋钮再调。按钮CH1、CH2分别进行通道一、通道二的选择，MATH为数学运算，REF为参考波形，OFF则关闭菜单或关闭当前选择通道。1）通道CH1和CH2功能CH1和CH2各
11、有自己独立的垂直菜单，可以进行单独的设置。按下CH1或CH2按钮，其操作菜单说明如下表。表1对于表1中的数字滤波还有相应的功能菜单。旋转水平POSITION设置频率上限和下限，选择或滤除设定频率范围。表32）数学运算MATH功能数学运算MATH功能是显示CH1、CH2通道波形相加、相减、相乘、相除以及FFT运算的结果。数学运算的结果同样可以通过栅格或游标进行测量。其功能菜单说明如下表：表4上表中的FFT（快速傅里叶变换）数学运算又有其单独的功能菜单。说明如下：表53）REF功能在实际测试过程中，用DS5042示波器测量观察有关组件的波形，可以把波形和参考波形样板进行比较，从而判断故障原因。此法
12、在具有详尽电路工作点参考波形条件下尤为适用。该按钮的功能菜单说明如下：表6若以X-Y方式存储波形，此存储不适用于参考波形。在参考波形状态下不能调整器水平位置和档位。4）选择和关闭通道DS5042的CH1、CH2为信号输入通道。此外，对于数学运算MATH和REF的显示和操作也是按通道的等同观念处理。因此，在处理MATH和REF时，也可以理解为是在处理相对独立的通道。打开或选择某一通道时，只需按其对应的通道按钮。若关闭一个通道，首先，此通道必须在当前处于选中状态，然后按OFF按钮即可将其关闭。（4）水平系统在水平控制区HORIZONTAL有一个按钮和两个按钮。水平SCALE旋钮改变S/div（秒/
13、格）水平档位设置，旋钮POSITION调整信号在波形窗口内的水平位置。按钮MENU显示TIME菜单。在这个菜单下可以开启/关闭延迟扫描或切换Y-T、X-Y显示模式，也可以设置水平POSITION旋钮的触发位移或触发释抑模式。水平POSITION和水平SCALE旋钮的用法与垂直的相似。水平MENU菜单说明如下表：表7表中Y-T方式下Y轴表示电压量，X轴表示时间量。X-Y方式下X轴表示通道1电压量，Y轴表示通道2电压量。（5）触发系统在触发控制区TRIGGER有一个旋钮和三个按钮。使用LEVEL旋钮改变触发电平设置。在触发耦合为交流或低频抑制时，触发电平以百分比显示。MENU按钮用于调出促发操作菜
14、单，改变触发位置。50%按钮用于设定触发电平在触发信号幅值的垂直中间。FORCE按钮用于强制产生一触发信号，主要应用于触发方式中的普通和单次模式。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，它可以将不稳定的显示转换成有意义的波形。示波器在开始采集数据时，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。触发控制区包括触发电平调整旋钮LEVEL（设定触发点对应的信号电压）；设定触发电平在信号垂直中点的50%；强制触发按键FORCE；触发菜单按键MENU，其功能表如下：表
15、8（6）MENU常用功能键1）采样系统功能在MENU控制区的ACQUIRE为采样系统的功能按键。其功能菜单如下：表92）显示系统功能在MENU控制区的DISPLAY为采样系统的功能按键。其功能菜单如下：表103）存储和调出功能在MENU控制区的STORAGE为存储系统的功能按键。其功能菜单如下：表11按“保存”对应的按钮保存波形，关掉信号源，按“调出”可输出已存储的波形，熟悉各个按钮的使用方法。4）辅助系统功能在MENU控制区的UTILITY为辅助系统功能按键。其功能菜单如下：表12表13接口设置用于设置主机连接的RS-232通讯功能的扩展模块、GPIB通讯功能扩展模块、USB等接口的设置。自
16、校正程序可迅速地使示波器达到最佳状态，以取得最精确的测量值。通过测试功能通过判断输入信号是否在创建规则范围内，以输出通过或失败波形，用以检测信号变化状况。波形录制不仅可以录制CH1和CH2输入的波形，还可以录制通过/失败检测输出的波形。自测试下有系统信息、屏幕测试、键盘测试三个功能菜单。5）自动测量在MENU控制区的MEASURE为自动测量功能按键，显示系统自动测量操作菜单。该示波器具有20种自动测量功能。包括峰峰值、最大值、最小值、顶端值、底端值、幅值、平均值、均方根值、过冲、预冲、频率、周期、上升时间、下降时间、正占空比、负占空比、延迟12、延迟12、正脉宽、负脉宽的测量，共10种电压测量
17、和10种时间测量。6）光标测量在MENU控制区的CURSOR为光标测量功能按键。光标模式允许用户通过移动光标进行测量。光标测量分为3种模式：手动方式、追踪方式、自动测量方式。（7）执行按钮执行按键包括AUTO（自动设置）和RUN/STOP（运行/停止）。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。按AUTO（自动设置）钮，快速设置和测量信号。2用示波器测量直流电压 1)定零电压线：将示波器的输入耦合开关置于GND：档，调节垂直位移旋钮，将荧光屏上的水平线(时基线)向与其极性相反的方向移动，置于荧光屏的最顶端或最底端的坐标线上，即被测电压为正极性，就将时基线移至最底端的
18、坐标线上，反之则将时基线移至最顶端的坐标线上，此时基线所在位置即为零电压所在位置，在此后的测量中不能再移动零电压线。即不能再调节垂直位移旋钮。2)将待测信号送至示波器的垂直输入端(CH1或CH2)。 3)将示波器的输入耦合开关置于DC档，调整垂直灵敏度开关于适当档位，读出此时荧光屏上水平亮线与零电压线之间的垂直距离Y，将Y乘以示波器的垂直灵敏度即可得到被测电压Ux的大小。用示波器和万用表分别测量下表所列稳压电源的输出电压值，测量结果填入表中。并比较测量结果，分析影响示波器测量直流电压的误差主要因素是什么？ 表 示波器和万用表对直流电压测量结果的比较直流稳压电源输出电压0.5V1V2.5V5V1
19、0V15V用万用表测量的电压值（V）0.49412.454.979.8214.77用示波器测量的电压值（V）0.4750.9992.434.899.914.9两者的差值（V） 3用示波器测量交流电压1）通道选择开关置AC位置，用Y轴位移把时基线调到屏幕中央。2）X轴量程开关置0.5mS/Div档。3）函数信号发生器产生1KHz的正弦信号4）信号发生器输出电缆接示波器CH1或CH2输入端，调节触发电平旋钮（Trigger）或按AUTO，使示波器显示波形稳定。5）用示波器和晶体管毫伏表分别测量下表所列信号幅度的函数信号发生器的输出电压幅度，并比较测量结果。说明影响示波器测量结果误差的主要因素是什么
20、？6）注意示波器Y轴量程开关必须和输入信号幅度相当，尽量让波形占4-6格。表 ： 示波器和晶体管毫伏表对交流电压测量结果的比较信号发生器输出电压有效值50mV100mV500mV1V用毫伏表测量的电压有效值换算毫伏表测量的峰-峰值用示波器测量的电压峰-峰值781507601490两者的差值7）调节信号源频率分别为8Hz 、50Hz、200Hz、1000Hz正弦波（有效值均调至2V）。用示波器自动测量，并将测量数据填入下表中。频率（Hz）8502001000测量峰峰值（V）5.25.845.885.88幅值（V）5.25.845.885.88电压均方根值（V）1.92.052.102.06平均值（V）0.0197-0.0199-0.0680.0192五、实验报告及总结l、讨论各种测量方法的优缺点及注意事项。2、分析各种测量方法的误差来源。3、总结利用示波器进行测量的体会。