實驗原理

1,、雙蹤示波器的原理：

雙蹤示波器控制電路主要包括：電子開關(guān)、垂直放大電路,、水平放大電路,、掃描發(fā)生器、同步電路,、電源等,。

圖1. 雙蹤示波器原理方框圖

其中，電子開關(guān)使兩個待測電壓信號YCH1和YCH2周期性地輪流作用在Y偏轉(zhuǎn)板,，這樣在熒光屏上忽而顯示YCH1信號波形,，忽而顯示YCH2信號波形。由于熒光屏熒光物質(zhì)的余輝及人眼視覺滯留效應(yīng),，熒光屏上看到的是兩個波形,。

如果正弦波與鋸齒波電壓的周期稍不同，屏上出現(xiàn)的是一移動的不穩(wěn)定圖形,，這是因為掃描信號的周期與被測信號的周期不一致或不呈整數(shù)倍,，以致每次掃描開始時波形曲線上的起點均不一樣所造成的。為了獲得一定數(shù)量的完整周期波形,，示波器上設(shè)有“time/div”調(diào)節(jié)旋鈕,，用來調(diào)節(jié)鋸齒波電壓的周期，使之與被測信號的周期呈合適的關(guān)系,，從而顯示出完整周期的正弦波形,。

當掃描信號的周期與被測信號的周期一致或是整數(shù)倍，屏上一般會顯示出完整周期的正弦波形,，但由于環(huán)境或其他因素的影響,，波形會移動，為此示波器內(nèi)裝有掃描同步電路,，同步電路從垂直放大電路中取出部分待測信號,，輸入到掃描發(fā)生器，迫使鋸齒波與待測信號同步,，此稱為“內(nèi)同步”,。如果同步電路信號從儀器外部輸入，則稱為“外同步”,。操作時,，使用“電平（LEVEL）”旋鈕，改變觸發(fā)電平高度,，當待測電壓達到觸發(fā)電平時,，掃描發(fā)生器開始掃描，直到一個掃描周期結(jié)束,。但如果觸發(fā)電位高度超出所顯示波形zui高點或zui低點的范圍,，則掃描電壓消失,，掃描停止。

2．示波器顯示波形原理：

如果在示波器的YCH1或YCH2端口加上正弦波,，在示波器的X偏轉(zhuǎn)板加上示波器內(nèi)部的鋸齒波,，當鋸齒波電壓的變化周期與正弦電壓的變化周期相等時，則在熒光屏上將顯示出完整周期的正弦波形,，如圖2所示,。如果在示波器的YCH1、YCH2端口同時加上正弦波,，在示波器的X偏轉(zhuǎn)板加上示波器內(nèi)部的鋸齒波,，則在熒光屏上將得到兩個正弦波。

圖2. 示波器顯示正弦波形的原理

3,、數(shù)字存儲示波器的基本原理

數(shù)字存儲示波器的基本原理框圖如圖3所示：

圖3. 數(shù)字存儲示波器的基本原理框圖

數(shù)字示波器是按照采樣原理,，利用A/D變換，將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)變成離散的數(shù)字序列,，然后進行恢復(fù)重建波形,，從而達到測量波形的目的。

輸入緩沖器放大器（AMP)將輸入的信號作緩沖變換,，起到將被測體與示波器隔離的作用,，示波器工作狀態(tài)的變換不會影響輸入信號，同時將信號的幅值切換至適當?shù)碾娖椒秶ㄊ静ㄆ骺梢蕴幚淼姆秶?，也就是說不同幅值的信號在通過輸入緩沖放大器后都會轉(zhuǎn)變成相同電壓范圍內(nèi)的信號,。

A/D單元的作用是將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的數(shù)字序列,，然后按照數(shù)字序列的先后順序重建波形,。所以A/D單元起到一個采樣的作用，它在采樣時鐘的作用下,將采樣脈沖到來時刻的信號幅值的大小轉(zhuǎn)化為數(shù)字表示的數(shù)值,。這個點我們稱為采樣點,。A/D轉(zhuǎn)換器是波形采集的關(guān)鍵部件。

多路選通器（DEMUX）將數(shù)據(jù)按照順序排列,，即將A/D變換的數(shù)據(jù)按照其在模擬波形上的先后順序存入存儲器,，也就是給數(shù)據(jù)安排地址，其地址的順序就是采樣點在波形上的順序,，采樣點相鄰數(shù)據(jù)之間的時間間隔就是采樣間隔,。

數(shù)據(jù)采集存儲器（Acquisition Memory)是將采樣點存儲下來的存儲單元，他將采樣數(shù)據(jù)按照安排好的地址存儲下來,，當采集存儲器內(nèi)的數(shù)據(jù)足夠復(fù)原波形的時候,，再送入后級處理，用于復(fù)原波形并顯示,。

處理器（μP）及顯示內(nèi)存（Display Memory),。處理器用于控制和處理所有的控制信息,并把采樣點復(fù)原為波形點,，存入顯示內(nèi)存區(qū)，并用于顯示,。顯示單元（Display)將顯示內(nèi)存中的波形點顯示出來,，顯示內(nèi)存中的數(shù)據(jù)與LCD顯示面板上的點是一一對應(yīng)的關(guān)系。

4,、李薩如圖形的基本原理

如果在示波器的CH1通道加上一正弦波,，在示波器的CH2通道加上另一正弦波，則當兩正弦波信號的頻率比值為簡單整數(shù)比時,，在熒光屏上將得到李薩如圖形如下圖所示,。這些李薩如圖形是兩個相互垂直的簡諧振動合成的結(jié)果，它們滿足

其中,，fx代表CH1通道上正弦波信號的頻率,，fy代表CH2通道上正弦波信號的頻率，nx代表李薩如圖形與假想水平線的切點數(shù)目,，ny代表李薩如圖形與假想垂直線的切點數(shù)目,。

實驗儀器

GDS-2000型數(shù)字存儲示波器

GDS-2000型數(shù)字存儲示波器面板示意圖

實驗內(nèi)容

1、觀察各種波形并測量正弦波形的電壓,、周期和頻率,。

調(diào)節(jié)信號發(fā)生器，分別觀察三角波,、方波,、正弦波形三種，熟悉信號發(fā)生器和示波器的使用,。選擇三個頻率段正弦波形,，分別測量對應(yīng)波形電壓（峰-峰值）、周期和頻率,。將數(shù)據(jù)填入表格,，并計算誤差。（注：標準值即信號發(fā)生器顯示的值）

2,、利用李薩如圖形測頻率

將兩信號發(fā)生器分別從示波器的CH1輸入端和CH2輸入端輸入,將CH1和CH2輸入端信號置于XY模式,，可保持CH1輸入端信號發(fā)生器的頻率不變（例如f1=100Hz）,調(diào)節(jié)CH2輸入端信號發(fā)生器的頻率,使屏中出現(xiàn)大小適中的圖形，即出現(xiàn)如講義中所示的李莎如圖形,記錄示波器測得CH2輸入端信號的頻率（測量值）,比較計算值和測量值,。

數(shù)據(jù)處理

1,、觀察各種波形并測量正弦波形的電壓、頻率和周期,，計算誤差,。（注：標準值即信號發(fā)生器顯示的值）

2、利用李薩如圖形測頻率

記錄示波器測得（CH2）輸入端信號的頻率（測量值）,比較計算值和測量值,。

思考題

1.若在示波器上看到的波形幅度太小,，應(yīng)調(diào)節(jié)哪個旋鈕,，使波形的大小適中？

2.怎樣用示波器定量地測量交流信號的電壓有效值和頻率,？

3.觀察兩個信號的合成李薩如圖形時,，應(yīng)如何操作示波器？

4.為了使李薩如圖形穩(wěn)定下來,，能否使用示波器上的同步旋鈕,？為什么？

相關(guān)知識

數(shù)字存儲示波器的主要技術(shù)指標：

1．zui大取樣速率定義：單位時間內(nèi)完成的完整 A／D 轉(zhuǎn)換的zui高次數(shù),。zui大取樣速率主要由 A／D轉(zhuǎn)換器的zui高轉(zhuǎn)換速率來決定,。zui大取樣速率愈高，儀器捕捉信號的能力愈強,。

數(shù)字存儲示波器在某個測量時刻的實際取樣速率可根據(jù)示波器當時設(shè)定的掃描時間因數(shù)（t/div）推算,。其推算公式為

式中，N——每格的取樣數(shù),，t/div——掃描時間因數(shù),，掃描一格所占用的時間，亦稱掃描速度,。

2．存儲帶寬：存儲帶寬與取樣速率密切相關(guān),。根據(jù)奈奎斯特取樣定理，如果取樣速率大于或等于信號zui高頻率分量的2倍,，便可重現(xiàn)原信號波形,。實際上，在數(shù)字存儲示波器的設(shè)計中,，為保證顯示波形的分辨率,，往往要求增加更多的取樣點，一般一個周期取4～10點,。帶寬是決定示波器準確測量信號的能力的基本參數(shù)之一,。帶寬是表征示波器能準確測量的頻率范圍。帶寬的定義是指正弦輸入信號衰減至真實幅值的70.7%(-3dB)的頻率點,。沒有足夠的帶寬，示波器就不能觀測到高頻的變化,。幅值將會失真,，信號沿將會變得平緩，細節(jié)將會丟失,。5倍原則：示波器需要的帶寬=測量信號的zui高頻率分量的頻率 X 55倍原則可以提供+/-2%的測量誤差,，對于通常的應(yīng)用已足夠。

3．分辨率：分辨率用于反映存儲信號波形細節(jié)的綜合特性,。分辨率包括垂直分辨率和水平分辨率,。垂直分辨率與 A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率相對應(yīng),，常以屏幕每格的分級數(shù) (級/div) 表示。水平分辨率由存儲器的容量來決定,，常以屏幕每格含多少個取樣點（點/div）表示,。

4．儲容量：存儲容量又稱記錄長度，用記錄一幀波形數(shù)據(jù)占有的存儲容量來表示,，常以字（word）為單位,。存儲容量與水平分辨率在數(shù)值上互為倒數(shù)關(guān)系。數(shù)字存儲器的存儲容量通常采用 256B,，512B,，1KB，4KB 等,。存儲容量愈大,，水平分辨率就愈高。但存儲容量并非越大越好,，由于儀器zui高取樣速率的限制,，若存儲容量選取不恰當，往往會因時間窗口縮短而失去信號的重要成分,，或者因時間窗口增大而使水平分辨率降低,。

5．讀出速度：讀出速度是指將存儲的數(shù)據(jù)從存儲器中讀出的速度，常用(時間)/div表示,。其中,，時間等于屏幕中每格內(nèi)對應(yīng)的存儲容量×讀脈沖周期。使用時,，示波器應(yīng)根據(jù)顯示器,、記錄裝置或打印機等對速度的不同要求，選擇不同的讀出速度,。

注意事項

1,、AC 電源輸入應(yīng)該在100V-240V，47-63Hz ± 10%的選擇電壓范圍以內(nèi),。

2,、*次使用前先確認安裝正確的保險絲值:100 V- 240 VAC 輸入電壓 : T 2A / 250V。

3,、接地警告: 為避免電擊,，電源線的地線必須接地。使用本機時,，為確保使用者的安全及周邊儀器安全,，在與產(chǎn)品的輸入與輸出端子連接之前，確認產(chǎn)品已正確接地。

4,、保險絲的更換,、保險絲規(guī)格及更換方式：請依后面板標示值選用保險絲。更換保險絲的步驟：更換前必須先切斷電源,，并將電源線從電源插座上取下來,，換保險絲前先將儀器電源開關(guān)(POWER)關(guān)閉。保險絲的型號: T2A/250V,。

5,、開機前先確定保險絲已裝設(shè)妥當。