信号发生器示波器和数据处理应用软件

第二章信号发生器示波器和数据处理应用软件第一节双踪数字示波器的使用双踪示波器是一种能够直接观察电信号波形变化的电子测量仪器，并且能在同一屏幕上同时显示两个被测波形，是一种通用的测量工具。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器是任何设计、制造或是维修电子设备的必备之物。当今世界瞬时万变，工程师们需要最好的工具，快速而精确地解决测量疑难。在工程师看来，面对当今各种测量挑战，示波器自然是满足要求的关键工具。示波器的用途不仅仅局限于电子领域。它还广泛地应用于国防、科研、学校以及工、农业等各个领域。一、示波器的类型示波器可以分为模拟示波器和数字示波器。对于大多的电子应用，无论模拟示波器，还是数字示波器都是能够胜任的。但是，对于一些特定应用，由于两者具备的不同特性，每种类型都有适合和不适合的地方。（1）模拟示波器在本质上，模拟示波器工作方式是直接测量信号电压，并通过从左到右穿过示波器屏幕的电子束在垂直方向描绘电压。示波器屏幕通常是阴极射线管（CRT）。电子束投到荧幕的某处，屏幕后面总会有明亮的荧光物质。当电子束水平扫过显示器时，信号的电压是电子束发生上下偏转，跟踪波形直接反映到屏幕上。在屏幕同一位置电子束投射的频度越大，显示得也越亮。（2）数字示波器与模拟示波器不同，数字示波器通过模数转换器（ADC）把被测电压转换为数字信息。它捕获的是波形的一系列样值，并对样值进行存储，存储限度是判断累计的样值是否能描绘出波形为止。随后，数字示波器重构波形。数字示波器可以分为数字存储示波器（DSO）、数字荧光示波器（DPO）和采样示波器。二、普通示波器的组成及原理1.普通示波器的组成普通示波器主要由示波管、Y轴偏转系统、X轴偏转系统、扫描及整步系统、电源等五部分组成。图2-1示波器的组成各部分作用名称组成及作用示波管它是示波器的核心。其作用是把所需观测的电信号变换成发光的图形。Y轴偏转系统由衰减器和Y轴放大器组成，其作用是放大被测信号。X轴偏转系统由衰减器和X轴放大器组成，作用是放大锯齿波扫描信号或外加电压信号。扫描及整步系统扫描发生器的作用是产生频率可调的锯齿波电压。整步系统的作用是引入一个幅度可调的电压，来控制扫描电压与被测信号电压保持同步，使屏幕上显示出稳定的波形。电源由变压器、整流及滤波等电路组成，作用是向整个示波器供电。2.原理1）示波管的基本结构图2-2示波管的结构3）示波器的原理Y偏转板加直流电压后使电子束发生偏转图2-3示波管的原理工作原理：在Y轴偏转板上加一被测周期信号，同时，在X轴偏转板上加一幅值随时间线性变化，频率与被测信号频率相同的锯齿波扫描信号，即可在荧光屏上显示出被测信号的波形。4）波形的稳定条件如果锯齿波扫描电压周期是被测电压的周期完全相等，扫描电压每变化一次，荧光屏上就出现一个完整的被测波形。如果锯齿波扫描电压周期是被测信号周期的整数倍，荧光屏上会稳定地显示出若干个被测信号的波形。为达到上述目的，调节扫描电压的频率可以通过调节示波器面板上的“时间因数”旋钮（有的示波器称“扫描范围”）和“扫描微调”旋钮来实现。三、双踪示波器的组成及原理1.双踪示波器的组成双踪示波器主要由垂直系统、水平系统和主机（高、低压电源和显示电路）系统组成。2.双踪示波器的原理双踪示波器具有两路输入端,可同时接入两路电压信号进行显示。双踪示波是在单线示波器的基础上，增设一个专用电子开关，利用电子开关将两个待测的电压信号CH1和CH2周期性的轮流作用在Y偏转板上，使两路信号同时显示在示波管的屏面上。由于视觉滞留效应，能在荧光屏上看到两个完整的波形。图2-4双踪示波器的Y轴偏转系统为了保持荧光屏显示出来的两种信号波形稳定、清晰，则要求被测信号频率、扫描信号频率与电子开关的转换频率三者之间必须满足一定的关系。a)两个被测信号频率与扫描信号频率之间应该是成整数比的关系，也就是要求“同步”。b)为了使荧光屏上显示的两个被测信号波形都稳定，除满足上述要求外，还必须合理地选择电子开关的转换频率，使得在示波器上所显示的波形个数合适，以便于观察。3.电子开关（Y工作方式）的五种工作状态当电子开关处于“CH1”状态时，CH1通道开通，屏幕上只能显示CH1通道的波形。当电子开关处于“CH2”状态时，CH2通道开通，屏幕上只能显示CH2通道的波形。当电子开关处于“CH1＋CH2”状态时，电子开关不工作。这时，两路信号同时通过门电路和放大器，屏幕上显示两路信号叠加后形成的波形。在“交替”状态时，电子开关产生一个方波信号，当方波在“1”电平时，门电路只让CH1通道的信号通过；当方波在“0”电平时，门电路只让CH2通道的信号通过。这种工作状态只适用显示频率较高的信号波形。当处于“断续”状态时，电子开关不受扫描信号的控制，产生固定频率为250kHz的方波信号。电子开关即以这个频率进行自动转换，轮流接通两个通道。适合于显示频率较低的信号。注意：上述“交替”和“断续”两种方式都属于“双踪”显示的范围。4.探头在首次将探头与任一输入通道连接时，要进行探头补偿的调节，使探头与输入通道匹配。未经补偿或补偿偏差的探头会导致测量误差或错误。结构等效电路图2-5探头将待测信号正确接入示波器是测试工作的第一步，探头与被测电路连接时需注意：（1）探头与被测电路连接时，探头的接地端务必与被测电路的地线相联。（2）测量建立时间短的脉冲信号和高频信号时，请尽量将探头的接地导线与被测点的位置邻近。接地导线过长，可能会引起振铃或过冲等波形失真。（3）为避免接地导线影响对高频信号的测试，建议使用探头的专用接地附件。（4）为避免测量误差，请务必在测量前对探头进行检验和校准。（5）对于高压测试，要使用专用高压探头，分清楚正负极后，确认连接无误才能通电开始测量。（6）对于两个测试点都不处于接地电位时，要进行“浮动”测量，也称差分测量，要使用专业的差分探头。5.延迟电路采用内触发扫描时，被测信号经过前置放大后，一方面被送往垂直偏转板，另一方面作为触发信号，经变换、放大后触发扫描发生器，使之产生扫描电压，再经过水平放大后才能送到水平偏转板开始扫描，所以开始扫描的时间必然落后于被测信号到达垂直偏转板的时间。当被测信号是变化很快的脉冲信号时，被测信号上升的前沿就不能显示出来，因此必须在垂直通道接入延迟电路，保证被测脉冲信号在荧光屏上全部显示出来。6.触发扫描连续扫描方式：在被测信号的一个周期内用连续不断的扫描电压进行扫描。连续扫描是由一个直线性变化的扫描电压进行扫描，这个扫描电压不需要外界信号控制，由锯齿波发生器产生。触发扫描方式：必须在外界信号触发下才能产生扫描电压。外界信号不断触发，它就产生一系列扫描电压波形，而且扫描电压和被测脉冲信号始终保持同步。自动扫描电路：在无触发信号时，扫描发生器产生自激扫描，当有触发信号输入时，电路自动转换到触发状态，由触发信号启动扫描。7.校准信号发生器校准信号发生器用来产生频率为1kHz、幅度为0.5Vp-p的标准方波电压。标准信号的作用是用来测量被测信号电压的幅度，或者用来校准扫描速度。8.电源灯丝电源：供给示波管用；低压电源：提供示波器各电路工作所需要的直流电压。高压电源：供给示波管所需的聚集电压和第二阳极电压。三、示波器的性能有许多方式可以说明数字示波器的性能，但最重要的是带宽、上升时间、取样速率和记录长度这几个参数。带宽带宽是首先要考虑的参数。带宽是示波器的频率范围，通常以兆赫兹(MHz)为单位。它是指所显示的正弦波幅度衰减到原始信号幅度的70.7%时的频率。当测量高频率或快速上升时间信号时，示波器带宽尤为重要。如果没有足够的带宽，示波器将不能显示并测量高频率变化。通常建议示波器的带宽至少为需要测量的最高频率的5倍。基于此“5倍原则”，可以显示信号的第5个谐波，并确保将带宽引起的测量错误降到最小。5示波器宽带信号的次谐波例如：如果要测量的信号是100MHz那么示波器就需要500MHz的带宽。上升时间数字信号的边沿速度（上升时间）所含的高频分量可能比其重复速率所暗含的要多。示波器和探头必须有足够的快速上升时间，以捕获更高频率分量，从而精确显示信号跃迁。上升时间是指某一步长或脉冲从幅度电平的10%上升到90%所用的时间。这里仍然适用“5倍原则”，建议示波器的上升时间至少要比需要测量的信号的上升时间快5倍。5信号的上升时间示波器的上升时间例如：如果要测量的信号的上升时间是5μs，那么示波器的上升时间应该快于1μs。取样速率数字示波器取样输入信号的频率称为取样速率，以取样数/秒(S/s)为单位。为了正确重建信号，奈奎斯特取样要求：取样速率至少是所测量的最高频率的两倍。这是理论上的最小值。实际上，通常需要取样速率至少为5倍。5f最高取样速率例如：对于450MHz的信号，正确取样速率为≥2.25GS/s。记录长度数字示波器为每个采集的波形捕获特定数量的取样或数据点，该特定数量即称为记录长度。记录长度为点数或取样数，除以取样速率（取样数/秒）得到采集的总时间（秒）。=记录长度采集时间取样速率例如：记录长度为1M点，取样速率为250MS/s时，示波器将会捕获长度为4ms的信号。四、双踪示波器的使用方法（一）DS1102C型双踪示波器图2-6DS1102C型双踪示波器（二）测量前的准备工作：1.显示扫描线：将电源线插头插入电源插座之前，按下表设置仪器的开关旋钮及控制开关。表2-1开关介绍开关名称位置设置开关名称位置设置电源开关断开触发源CH1辉度相当于时钟“3”点位置耦合选择ACY轴工作方式CH1电平锁定（逆时针旋到底）垂直位移中间位置，推进去释抑常态（逆时针旋到底）V／Div10mV／DivT／Div0.5ms／Div垂直微调校准（顺时针旋到底），推入水平微调校准（顺时针旋到底），推入AC―⊥―DC接地⊥水平位移中间位置2.打开电源：调节辉度和聚焦旋钮，使扫描基线清晰度较好。3.一般情况下，将垂直微调和扫描微调旋钮处于“校准”位置。4.调节CH1垂直移位：使扫描基线设定在屏幕的中间，若此光迹在水平方向略微倾斜，调节光迹旋转旋钮可使光迹与水平刻度线相平行。5.校准探头：由探头输入方波校准信号到CH1输入端，将0.5VP－P校准信号加到探头上。将“AC－⊥－DC”开关置于“AC”位置，校准波形将显示在屏幕上。（三）测量信号的步骤1.将被测信号输入到示波器通道输入端。注意输入电压不可超过400V（DC+ACP-P）。使用探头测量大信号时，必须将探头衰减开关拨到×10档，此时输入信号缩小到原值的1/10，实际的V／Div值为显示值的10倍。2.如果V／Div置于0.5V／Div，那么实际值应等于0.5V／Div×10＝5V／Div。测量低频小信号时，可将探头衰减开关拨到×1档。3.选择各旋钮的位置，使信号正常显示在荧光屏上，记录测量的读数或波形。测量时必须注意将Y轴增益微调和X轴增益微调旋钮旋至“校准”位置。4.根据记下的读数进行分析、运算、处理，得到测量结果。（四）使用注意事项1.该示波器使用的电源为单相三线制，使用前必须检查电网电压是否与示波器要求的电源电压相一致。2.通电后预热15min后再调整各旋钮，必须注意亮度不可开得过大，且亮点不可长期停留在一个位置上，以免影响示波管的使用寿命。仪器暂时不用时可将亮度关小，不必切断电源。3.通常信号引入线都需使用屏蔽电缆。示波器的探头有的带有衰减器，读数时需加以注意。【实验内容与步骤】1.按示波器说明书要求（参阅有关示波器的使用说明）认清示波器各控制旋钮的位置和作用。开启电源，调节辉度、聚焦、水平和垂直移位，将同步极性开关、扫描（电压）和电平、稳定度等旋钮置于适当位置，使荧光屏上呈现一条清晰的水平线。反复练习上述操作，以求熟练。2.电压测量（1）测量前校准。校准要求和方法因使用不同的示波器而各不相同，具体步骤请参阅有关说明。（2）交流电压Vp－p测量用示波器观察正弦波波形，如果荧光屏上波形的峰-峰值为Ddiv(设D=3)，Y轴灵敏度为0.02V/div,则测