《电子测量技术》实验一

实验一 数字存储示波器的使用

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。 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。

在显示工作阶段，将数字信号从存储器中读出转换成模拟信号，经垂直放大器放大加到CRT的Y偏转板。同时，CPU的读地址计数脉冲加至D/A转换器，得到一个阶梯波扫描电压，驱动CRT的X偏转板，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

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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。 （4）放大显示

——适于观测信号波形细节。 （5）X—Y显示

(a) 卷动显示图2.2 数字存储示波器的显示方式

新波形到来移出，消逝输入波形放大显示波形(b) 放大显示（6）显示的内插

插入技术可以解决点显示中视觉错误的问题。 主要有线性插入和曲线插入两种方式。 4. 实时采样和等效时间采样

在现在为止我们所介绍的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。

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输入信号12345678采样时刻

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，就可以在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。

123456789 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时间的分辨率。 5. 峰值检测和平均值检测

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我们知道，DSO在特定时刻对输入信号进行采样，如本章开头所述，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，也是非常有用的。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，而使用毛刺捕捉功能就可以看到类似模拟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秒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ADC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，示波器PM3394A就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。 三、 实验设备

1． 数字存储示波器DS5022ME 一台 2． 函数信号发生器DG1022 一台 3． 连接导线 若干 四、 实验步骤

1．自校正 按下示波器电源开关按钮，将所有探头或导线与输入连接器断开。然后按“UTILITY”按钮，选择“自校正”，此时屏幕会显示自校正菜单。示波器进入自校正状态。 注意示波器内部继电器的“滴答”声，表明示波器正在进行“自动调整”状态。

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2．使用默认设置

示波器在出厂前被设置为用于常规操作，即默认设置。“DEFAULT SETUP”按钮为默认设置的功能按钮，按下“DEFAULT SETUP”按钮调出厂家多数的选项和控制设置，有的设置不会改变。 3．使用自动设置

将示波器探头设置为×10，示波器探头接到示波器的输入端口（两各通道均接入）。两探头均挂入示波器的测试点上，按下“AUTO”按钮。通道1和2应显示方波。如图2.5所示。 4．观测示波器的屏幕显示区域

图2.5 屏幕显示区域 屏幕显示区域中数字标注说明： 1) 显示图标表示采集模式

采样模式 峰值检测模式 平均值模式 2) 触发状态

已配备。示波器正在采集预触发数据，在此状态下忽略所有触发。 准备就绪。示波器已采集所有预触发数据并准备接受触发。 已触发。示波器已发现一个触发并正在采集触发后的数据。 停止。示波器已停止采集波形数据。

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采集完成。示波器已完成一个“单次序列”采集。 自动。示波器处于自动模式并在无触发状态下采集波形。 扫描。在扫描模式下示波器连续采集并显示波形。

3) 使用标记显示水平触发位置。旋转水平“POSITION”旋钮调整标记位置。 4) 用读数显示中心刻度线的时间。

5) 使用标记显示“边沿”脉冲宽度触发电平，或选定的视频线或场。 6) 使用屏幕标记表明显示波形的接地参考点。若没有标记，不会显示通道。 7) 以读数显示通道的垂直刻度系数。 8) B图标表示通道是带宽限制的。 9) 以读数显示主时基设置。

10) 若使用窗口时基，以读数显示窗口时基设置。 11) 以读数显示触发使用的触发源。 12) 采用图标显示选定的触发类型。 13) 用读数表示“边沿”脉冲宽度触发电平。 14) 以读数显示触发频率。 5.示波器面板操作指南

图2.6 示波器面板图

面板控制区分为：菜单操作键(5个)，水平控制区，垂直控制区，触发控制区，常用功能键区(7个功能键)，运行控制区，自动测试按钮及万能旋钮等组成。

1）示波器探头CH1接入函数信号发生器输出，调节垂直、水平及触发相应按钮，使屏

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幕上稳定的显示一至两个正弦波；

2）调节信号源频率分别8Hz 、50Hz、200Hz正弦波（峰峰值均调至2V）。用示波器自动测量，并将测量数据填入下表中。

频率（Hz） 测量峰峰值（V） 电压均方根值（V） 周期（ms） 测量频率（Hz） 相对误差（%）

3）调节信号源频率分别8Hz 、50Hz、200Hz三角波（峰峰值均调至2V）。用示波器自动测量，并将测量数据填入下表中。

频率（Hz） 测量峰峰值（V） 电压均方根值（V） 周期（ms） 测量频率（Hz） 相对误差（%） 6.信号获取系统设置

将信号输入调节到一个较高频率范围（例如：8KHz），使波形稳定显示在屏幕上。按下按键ACQUIRE，选择峰值检测和平均值检测菜单，观察显示波形的变化。改变采样方式按钮，切换实时采样/等效采样模式，观察波形现象。 7.显示系统

信号源保持不变，按下按键DISPLAY，选择类型键，切换矢量/点，观察波形并将两种波形绘制下来。通过调节对比度+、-按钮，使波形在面板上清晰显示。按下“下一页”按钮，自行调节格式、屏幕、网格按钮，观察面板波形变化（最终设置在YT格式，蓝底黑屏、网格布满状态）。 8.光标测量

信号源频率调到1KHz，峰峰值为2V的方波信号，使波形稳定显示在屏幕上。按下按键

8 50 200 8 50 200 - 7 -

CURSORS，设置好信源。按下按键RUN/STOP，使波形固定。

先选择类型中的“电压”，再选择CurA和CurB，用万能旋钮“POSITION”分别调节光标线位置，测量峰峰值电压并记录于下表中。

再选择类型中的“时间”，再选择CurA和CurB，用万能旋钮“POSITION”分别调节光标线位置，测量周期和频率并记录于下表中。

信号源：频率1KHz 峰峰值2V

电压（V） 时间（单位） 9.存储系统

Cur1 Cur2 △T 1/△T —— 按下按键STORAGE，将“类型”菜单设置为波形存储，将波形菜单选择No.1，按“保存”按钮保存波形，关掉信号源，调出已存储的波形，熟悉各个按钮的使用方法。 五、实验报告及总结

1.整理测量数据，计算出相对误差。记录下相应波形；

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