物理实验数字示波器.docx

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物理实验数字示波器

实验13数字存储示波器

实验目的

1．了解示波器的基本工作原理和结构；

2．学习示波器的基本使用方法；

3．学习使用示波器测量正弦波信号的电压和周期；

4．学习使用示波器观察李萨如图形。

实验仪器

GDS2062数字存储示波器、F05A型数字信号发生器等

实验原理

1．数字存储示波器的基本原理

数字存储示波器（简称数字示波器）与模拟示波器的结构完全不同，它是以微处理器系统（CPU）为核心，再配以数据采集系统、显示系统、时基电路、面板控制电路、存储器及外接控制器等组成。

其简单工作原理见图。

图13-1数字示波器的工作原理图

输入的模拟信号首先经垂直增益电路进行放大或衰减变成适于数据采集的模拟信号,随后的数据采集是将连续的模拟信号通过取样保持电路离散化,经A/D变换器变成二进制数码,再将其存入存储器中,采集是在时基电路的控制下进行的,采集的速率可通过“秒/格”旋钮来控制。

采集到的是一串数据流（二进制编码信息）,在CPU的控制下依次写入随机存储器中,这些数据就是数字化的波形数据,CPU再不断地将这些数据以定速依次读出,通过显示电路将其还原成连续的模拟信号,使其在显示器上显示出来,屏幕在显示波形的同时,还通过微处理器对采集到的波形数据进行各种运算和分析,并将结果在显示器的适当位置上数字显示出来。

面板上的按钮和旋钮的功能设置都可直接在显示器上数字显示,数字示波器还有RS-232、GPIB等标准通信接口,可根据需要将波形数据送到计算机作更进一步的处理或送打印机打印记录。

2．GDS2062数字存储示波器基本操作

图13-2GDS2062数字示波器的面板图

打开示波器后面的电源开关，按ON/键，示波器通电自检，按AUTOSET键，示波器自动显示合适的波形。

（1）垂直控制区的操作

通道选择：

按下CH1，黄色指示灯亮，示波器显示黄色线为CH1通道信号，按“AUTOSET”键，示波器自动显示合适的波形。

同样按下CH2，蓝色指示灯亮，示波器显示蓝色线为CH2通道信号。

垂直功能的设置

调节“位置”旋钮，曲线上下移动，调节“垂直档位”旋钮波形在垂直方向发生变化。

（2）水平控制区

水平功能的设置

调节“水平位置”旋钮，曲线左右移动，调节“水平档位”旋钮波形在水平方向发生变化。

水平菜单的设置：

按下“水平菜单”，选择F1，显示水平主时基，选择F5，进入XY显示模式，这时将X、Y两信号作垂直方向叠加。

当两正弦信号频率成整数比时，出现稳定的李萨如图形。

3．F05A型数字信号基本操作

图13-3F05A型数字信号发生器的面板图

（1）基本操作规则：

F05A型数字信号发生器的按键大多数是多功能键。

每个按键的基本功能表示在该按键上，按下即可；第二功能用蓝色表示在该按键上方，按下“shift”键再按下该键即可实现第二功能；最底下一排标有“s/Vpp/N”等单位还可用作输入单位。

（2）基本操作方法

信号频率输入：

按下“频率/周期”（显示屏已经显示频率则不用按）；接下来有两种方法输入频率值：

用数字键加单位输入频率

按位移键使当前闪烁数字移位到需要调节的数字再旋转调节旋钮调节。

信号电压输入：

按下“幅度/脉宽”（显示屏已经显示电压则不用按）；其他输入方法同上，注意单位Vpp表示峰峰值，Vrms表示有效值。

实验内容与步骤

将信号发生器待测正弦信号从A通道接入到CH1通道，将信号发生器B通道接入到CH2通道。

按示波器的操作方法调节各个旋钮，使其处于测量状态。

1．测量正弦波信号的电压

正弦信号有三种电压值，即有效值u、峰值up和峰峰值up-p。

三者的关系如下：

设置数字信号发生器A通道的电压值。

在示波器上观察CH1通道信号，读出CH1通道的垂直档位和Dy（波峰与波谷之间在y方向的所占的格数）。

根据待测信号的电压峰峰值up-p=Dy×[垂直档位值]，进行计算。

2．测正弦波信号的周期

将数字信号发生器的A通道输出信号，接入示波器的CH1通道，设置A通道的频率值。

调节示波器的“水平档位”至适当的档位，使屏上显示1-2个周期的波形，调节X轴和Y轴“位置”旋钮使波形置于观测屏上适当的位置，测量出一个周期在X方向所占的格数Dx和水平档位值，由T=Dx×[水平档位值]计算出该信号的周期。

改变信号发生器输出的信号频率，分别测出四个不同信号的周期。

3．用李萨如图形测信号频率

数字信号发生器的A通道输出信号作为已知信号，接入示波器的CH1通道，设置A通道的频率和电压值；将信号源B通道输出信号作为待测信号接入示波器CH2通道。

按示波器的“水平菜单”按钮，按显示屏右侧的“F5”键，慢慢调节信号源的输出频率，即改变fx，使得屏上的图形为稳定图形（李萨如图形），在表中记下两方向上切点数之比分别为Nx:

Ny=1:

1、2:

1、3:

1、2:

3和4:

3时的李萨如图形以及CH1通道的频率fx，利用Nx:

Ny=fy:

fx，计算出CH2通道的输入频率fy。

数字信号发生器的A通道频率调为2KHz,B通道频率也调为2KHz，观察李萨如图形，按下数字信号发生器“shift”和“-”键，改变相位，记录下图形。

数据记录与处理

表13-1测量正弦信号电压值

测量值

次数

电压值（V）

CH1灵敏度旋钮档位值

Dy（cm）

up-p（V）

up（V）

u（V）

表13-2测量正弦信号周期

测量值

次数

待测信号频率f（Hz）

扫速开关档位值（TIME/DIV）

Dx（cm）

T（ms）

400

2000

8000

15000

表13-3用李萨如图形测信号频率

李萨如图形

信号源面板读数fx（Hz）

计算fy（Hz）

表13-4观察两个通道相位差不同时的李萨如图形

0°

90°

180°

270°

360°

附录

1．GDS2062数字存储示波器简介

（1）按钮和旋钮的功能

A区：

功能控制，按下各功能按钮，再用按钮F1-F5选择具体功能

ACQUIRE波形获取功能设置

作用

可选择功能

按键

取样模式

普通

峰值检测

平均

取样长度（500à25000）

MEASURE波形测量功能设置

作用

可选择功能

按键

自动测量参数

初始显示峰峰值

自动测量参数

初始显示电压平均值

自动测量参数

初始显示频率值

自动测量参数

初始显示占空率

自动测量参数

初始显示上升时间

连续按两次MEASURE键可选择查看CH1和CH2通道的各项信号参数

PROGRAM

作用

可选择功能

按键

编辑播放

编辑à播放

步骤选择

1à20

项目设置

菜单设置à时间设置à记忆设置

存储

UTILITY功能设置

作用

可选择功能

按键

打印选单

打印功能时可选的系列菜单

接口选单

RS232接口àUSB接口

声音选择

关à短音à长音à混合音

语言选单

中文、英文等

下页

选择后至下页菜单如下

自校验菜单

垂直档位校验

系统信息

显示系统信息

Go-NoGo菜单

上下限编辑à信源选择à

越界处理à开关àRatio

NoGoWhen菜单

停止条件

下页

选择后至下页菜单如下

探棒补偿菜单

信号类型à频率à

占空率à初始频率

设定时间

时间设定

下页

选择后至最初菜单

SAVE/RECALL存取/调出

作用

可选择功能

按键

初始设置

恢复初始状态

参考波形

显示2-4组参考波形

存储设定

可选择存储方式，进行存储

存储波形

可选择存储信源，进行存储

下页

选择后至下页菜单如下

存储画面

将目前画面存储

存储全部

将所有数据、波形原始资料存储

调出设定

选择从内存或者U盘调出数据

调出波形

下页

选择后至最初菜单

CURSOR光标设置

作用

可选择功能

按键

选择通道信号

CH1àCH2àMATH

水平取样线

||à||à||à||

垂直取样线

DISPLAY显示设置

作用

可选择功能

按键

显示类型

向量à点

波形保持

开à关

波形更新

对比度

用多功能旋钮调节

网格

网格à横竖轴à无网格

Hardcopy硬拷贝按钮

启动打印存储操作，需要RS232、等扩展模块

Autoset自动设置按钮

启动自动设置，示波器根据输入信号的大小和频率，自动设置仪器的各项控制值，产生适合于观察的输入信号显示

Run/Stop启动/停止按钮

循环按此钮，启动或停止波形获取

Help帮助按钮

提供帮助

B区：

垂直控制

垂直位置

分别控制CH1、CH2通道信号在显示器垂直方向上位置

Math

选择数学操作功能菜单，再用按钮F1-F5选择具体数学计算功能

CH1、CH2

开启或关闭CH1、CH2通道显示，灯亮表示开启

垂直档位

垂直档位系数表示垂直方向一格对应的电压值，旋动旋钮就分别改变CH1、CH2标尺系数，具体数值显示在屏幕显示区的底部

CH1、CH2

CH1、CH2通道信号输入端

C区：

水平控制

水平位置

控制信号在显示器水平方向上的位置

Horizontal水平菜单

选择水平控制功能菜单，再用按钮F1-F5选择具体功能（F1：

主时基；F2F3：

视窗扩展操作；F4：

滚动模式；F5：

XY模式）

水平档位

水平档位表示水平方向一格对应的时间值，旋动旋钮就改变了标尺系数，具体数值显示在屏幕显示区底部

D：

区触发控制

触发菜单

选择水平控制功能菜单，再用按钮F1-F5选择具体功能（F1：

触发类型；F2：

信源选择；F3：

触发方式；F5：

斜率及耦合设置）

触发电平

调节触发信号的电平，使得波形稳定。

（2）屏幕显示区

数字示波器的显示区与模拟示波器相比有很大的不同，它的右侧从上到下有五个菜单显示框，每个框内显示的功能由对应的按钮F1、F2、F3、F4、F5控制.中间是波形显示区，上下和左侧还显示出许多有关波形和控制设定值的细节。

屏幕上自左往右依次为：

远程控制的连接状态（RS232,USB,GPIB）；日期/记忆

指针；触发状态（自动调整触发

位置、找不到触发状况、停止触发）；取样模式（正常模式、峰值侦测模式、平均模式）。

屏幕下自左往右依次为：

扫描时间档位值、触发类型、信号频率、信号电压等。

2．V-222型模拟示波器面板介绍

图13－5V-222型示波器面板图

V-222型双踪示波器各个旋钮作用

标号

面板标记

旋钮名称

作用

POWER

电源开关

电源开关是自锁按键开关，按进去为电源打开

POWERLAMF

电源指示灯

指示灯在电源接通后亮

FOCUS

聚焦控制

控制示波管第一、二阳极A1,A2电位，调节扫描线最细时为佳

SCALEILLUM

刻度照明控制

用于黑暗的环境中或需照明时调节此旋钮，照明刻度线

TRACEROTAION

基线旋钮

用于调节扫描线和水平刻度线平行，用螺丝刀调节

INTENSITY

辉度控制

控制示波管控制极电位，调节光迹亮度

CAL0.5V

校正0.5v方波输出

输出0.5V,1kHz的方波信号，用作校正信号

CH1INPUT

通道1输入

输入被测信号，当示波器工作在XY方式时，输入到此端的信号变成X轴信号

CH2INPUT

通道2输入

输入被测信号，当示波器工作在XY方式时，输入到此端的信号为y轴信号

AC-GND-DC

输入藕合开关

AC:

藕合交流分量，GND:

放大器输入端接地;DC:

藕合交直流分量

VAR

PULL5GAIN

VOLTS/DIV

微调拉5倍

扩展控制开关

电压灵敏度

"微调"调节放大器放大倍数，使波形幅度变化，"微调"顺时针至满度时处于校准状态，此时VOLTS/DIV与荧光屏上刻度对应，可读出被测信号电压幅度值，当旋钮被拉出时，增益扩展X5倍。

VOLTS/DTV灵敏度，控制衰减值

UNCALL

不校准灯

灯亮表示微调旋钮没有处在校准位置

POSITION

FULL-DCOFFSET

位移

拉-直流偏置

调节垂直方向位移，拉出此旋钮可获得适用的输入波形（通常这个旋钮是按进去的）

POSITIONPULL-INVERT

位移拉-直流偏置

位移功能同上，但当旋钮被拉出时，输入到Y的信号极性被倒相

MODE

工作方式

开关

这个开关用于选择垂直偏转系统的工作方式;CH1，显示X通道的号;CH2显示Y通道的信号ALT，加到X和Y通道的信号能交替显示在荧光上;CHOP，断续;加到X和Y的信号受约250kHz自激振荡电子开关的控制，同时显示在荧光屏上;ADD，加到X和Y上信号的代数和在荧光屏上显示。

DCOFFSET

VOLTOUT

直流电压偏置输出插口

当仪器处于直流偏置（DCOFFSET）方式时，这个插口可配接数字万用表，读出被测量的电压值（除x5扩展不校正外）

DCBAL

直流平衡调节控制

用于直流平衡调节控制

TIME/DIV

扫速选择开关

扫描时间范围从0.2us/DIV分19挡，X-Y位置用于示波器工作在X-Y状态

SWPVAR

扫描微调控制

"微调"在TIME/DIV确定的范围内调节扫速，它可使波形在X轴方向伸缩，当它颇时针旋到底时是校正位置，此时扫描时间由TIME/DIV开关准确读出

SWAPUNCALL

扫描不校正灯

灯亮表示扫描因数不校正

POSITION

FULLX10MAG

X轴扩展

本旋钮控制水平移动扫描线，顺时针旋转，扫描线向右移，逆时针旋转，扫描线左移。

在旋钮被拉出时，扫描扩展10倍，即TIME/DIV开关指出的是实际扫描时间的十分之一

CH1

ALTMAG

交替扩展开关

通道X的输入信号能以X1（常态）和X10（扩展）的两种扫描形式交替显示

SOURCE

触发源选择开关

位于内（INT）:

扫描信号取自X或y通道的被测信号

位于电源（LINE）:

扫描信号取自电源信号

位于外（EXT）:

取自外触发输入瑞（TRIGINPUT）插座引人的信号

INTTRIG

内触发源

选择开关

本开关用于选择不同的内触发信号源:

CH1，取X通道的输入信号为触发信号;CH2，取y通道的输入信号为触发信号;VERT、MODE，组合方式，用于同时观察两个波形，同步触发信号交替取自CH1和CH2

TRIGIN

外触发输入插座

用于外触发信号的输入

TRIGLEVEL

触发电平控制旋钮

用于调节迸人触发电路的触发信号电平，保证波形稳定。

亦能控制触发开关的极性，按进去（常用）是正极性，拉出来是负极性。

TRIGMODE

触发方式

选择开关

位于自动（AUTO）时，为连续扫描方式，用于一般信号的测量，位于常态（NORM）时，只有当触发信号产生时，才获得触发扫描，在没有信号和非同步状态情况下，没有扫描线。

位于电视场（TV一V）时，能观察电视信号中的全场信号波形，位于电视行（V一H）时，能观察电视信号中的行信号波形

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