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(dāng)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(dāng)待測電壓達(dá)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(dāng)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(jìn)行恢復(fù)重建波形，從而達(dá)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(dāng)?shù)碾娖椒秶ㄊ静ㄆ骺梢蕴幚淼姆秶簿褪钦f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(dāng)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)：

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(qiáng)。

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(dāng)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(zhǔn)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(zhǔn)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(xì)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(xì)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(dāng)，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(jī)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(rèn)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(jī)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(rèn)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(biāo)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(jī)前先確定保險絲已裝設(shè)妥當(dāng)。