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数字示波器实验
示波器是一种用途广泛的电子仪器，可分为普通模拟示波器（Cathode Ray Tube,CRT）和数字存储示波器（Digital Storage oscilloscopes-DSO）。DSO是在ART的基础上发展起来的，其核心单元为数字存储器，以数字编码的形式贮存信号，贮存的数据用来在示波器的屏幕上重建信号波形。示波器的重要特点是能把本来抽象的电信号变化过程转变为可以看得见的图像。例如：示波器可以用来观察交流电压（或电流）的波形、测量频率、相位、电压（或电流）和功率等。此外，许多非电过程转换为电过程后，也可以通过示波器来观察和测量。
【实验目的与要求】

1．熟练掌握双踪数字合成函数信号发生器和双踪数字示波器的操作；
2．进一步学习用数字示波器观察和测量信号波形；
3．利用数字示波器捕捉非周期性瞬态信号。
【实验原理】
电子设备可以划分为两类：模拟设备和数字设备。模拟设备的电压变化连续，而数字设备处理的是代表电压采样的离散二元码。传统的电唱机是模拟设备，而CD 播放器是属于数字设备。同样，示波器也分为模拟和数字类型。模拟和数字示波器都能够胜任大多数的应用。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。作进一步划分，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。
1.模拟示波器
示波器动态显示物理量随时间变化的基本思路是将这些变化量转换成随时间变化的电压，加在电极板上，极板间形成相应的变化电场，使得进入变化电场的电子运动情况相应地随时间变化，最后把电子运动的轨迹用荧光屏显示出来。模拟示波器的基本结构包括两大部分：示波管和控制示波器的电路。
示波管是呈喇叭形的玻璃泡，抽成真空，内部装有电子枪和两对相互垂直的偏转板，在喇叭口状的曲面壁上涂有荧光物质，构成荧光显示屏。电子枪的灯丝通电后使阴极受热而发射电子。当高速电子撞击在荧光屏上前，要经过相互正交放置的X、Y偏向板。Y偏转板是水平放置的两块电极板，加在Y偏转板上的电压可以控制电子束在铅直方向上的运动。X偏转板是竖直放置的两块电极，加在X偏转板上的变化电压可以控制电子束在水平方向的运动。撞击在荧光屏上的电子会使荧光物质发光，在屏上就能看到电子束的轨迹。电子运动随时间而变化的情况，可在荧光屏上显示出来。
示波管结构如图1所示。

图1 示波管的基本结构
如果在Y偏转板上加一个随时间做正弦变化的电压，如下图a所示，我们在荧光屏上仅能看到一条铅直的亮线，而看不到正弦曲线。只有同时在X偏转板上加入一个能与时间成正比的锯齿形电压，如下图b所示，才能在荧光屏上显示出信号电压与时间的关系曲线，其工作原理如下图c所示。这个把加在Y偏转电极上的电压信号展开的过程，称为“扫描”，锯齿形电压也称为扫描电压。在荧光屏上看到的正弦曲线实际上是两个相互垂直的运动的合成轨迹。

图2示波器显示波形原理
从上图的示波器波形显示的原理可以看出，待测信号加到Y偏转电极后，如果要让示波管稳定显示波形，X偏转板上必须加上锯齿波电压，而且锯齿波电压的周期应该保持为待测信号周期的整数倍。
2.数字示波器原理
普通模拟示波器（Cathode Ray Tube, CRT）上的荧光物质的余辉时间小于1ms，当输入信号消失，波形也消失，主要用来观察周期性的重复信号。如果信号在１s内只有几次，甚至于信号只发生一次，使用模拟示波器则几乎不能观察这些信号。CRT 限制着模拟示波器显示的频率范围。在频率非常低的地方，信号呈现出明亮而缓慢移动的点，而很难分辨出波形。在高频处，起局限作用的是CRT的写速度。当信号频率超过CRT的写速度时，显示出来的过于暗淡，难于观察。模拟示波器的极限频率约为1GHz。此外，用户只能进行手动测量，例如对屏幕上显示的波形曲线进行分析、在屏幕上计算格数以求出波形幅度和时间间隔，这对于普通的波形来说是可行的，能获得中等的准确度，对于复杂的波形则困难得多。数字存储示波器（Digital Storage oscilloscopes-DSO）克服了所有这些缺点，它将信号以数字编码的形式贮存在存储器中。如图3所示，当信号进入DSO和到达CRT的偏转电路之前，示波器将按一定的时间间隔对信号电压进行采样，对输入信号进行采样的速度称为采样速率。然后，用一个模/数变换器（ADC）对这些瞬时采样值进行变换，生成代表每一个采样电压的二进制数值，这个过程称为数字化。获得的二进制数值贮存在存储器中,贮存的数据用来在示波器的屏幕上重建信号波形。所以，在示波器屏幕上显示的波形总是由所采集到的数据重建的波形，而不是输入连接端上所加信号的立即的、连续的波形显示。

图3 数字示波器结构示意图

DSO 和CRT相比，具有更多的优点和功能，例如它可以显示大量的预触发信息，波形可以长期储存，可以在计算机或打印机上制作硬拷贝，可捕获单次信号和非周期信号，波形信息可用数学运算方法进行处理和显示，与计算机相连后进行遥控操作，通过光标和参数自动测量可实现对多项波形参数进行测量，通道之间没有时间误差，可进行精确的定时和相位测量等等。

3.数字示波器的主要性能指标
在介绍DSO的主要性能指标前，我们先介绍一下关于信号波的一些基本概念。正弦波是波形的基本组成，任何非正弦波都可视成是基波和无数不同频率的谐波分量组成。例如：方波是由基波以及3，5，7，9……次谐波分量递加而成。

图4 谐波与方波示意图
对于非正弦波由最小值过渡到最大值的时间越短，所含的谐波分量也就越多，波形所含谐波的频率也越高。对于脉冲波占空比越小，波形所含谐波就越多，谐波频率分量也越高。
在使用数字示波器过程中，测量不同波形会得到不同的波参数，波的基本参数定义如下图所示。

（a）

（b）
图5 波形的基本参数定义
DSO的主要性能指标为带宽、通道数、采样率、存储深度、波形捕获率和触发功能。示波器的带宽是指示波器垂直放大器的频率响应，例如，对于一个频率为20MHz的方波信号，用带宽200MHz和20MHz的示波器观察到的波形是不一样的，如图2所示。一般的DSO采样速率从每秒20兆次(20M SAMPLING PER SECOND,20MS/s）到200MS/s，或者更高一些，可以捕捉几十ns的脉冲、毛刺等非周期形信号。
测量AC波形的仪表通常有某种最大频率，超过它，测量精度就会下降，这一频率就是仪表的带宽，它由仪器的幅频特性决定。示波器带宽指的是正弦输入信号衰减到其实际幅度的70.7% 时的频率值。

图6 带宽的定义
信号进入示波器首先是通过放大器，它是一个低通滤波器。放大器的带宽很宽（和基波比较），输出方波不表现失真。放大器的带宽变窄，波形中的某些谐波不能通过，输出的方波发生畸变，产生误差。放大器带宽很窄，输出的几乎完全不像方波，由于缺少主要的谐波分量，波形呈圆弧状。因此，带宽不足将导致波形幅度衰减和波形失真。

图7 带宽在时域影响波形
理想的方波和脉冲波的电压是有突然变化的波形，陡变有一定时间这取决于系统带宽及其他电路参数。波形从一种电压变至另一种电压的时间称为上升时间。上升时间通常在过渡的10％至90％处。

图8 上升时间的定义
测量仪表的带宽将影响脉冲和方波的上升时间。波形从最小值过渡到最大值越快，所含谐波就越多，波形所含的频率量也越高。显然，仪表的上升时间应小于被测量信号波形的上升时间。
在确定示波器的带宽后，还要选择足够的采样率来与之相配合，这样才能获得适合于实际测量中的实时带宽，从而获得满意的测量结果。模拟信号转化为数字信号经变换后最终恢复成模拟波形显示在示波器上，通俗地说，采样实际上是在用点来描绘进入示波器的模拟信号。采样是等间隔地进行，采样率以 “点/秒”来表示。

图9 采样原理

图10 采样过程
单次采样带宽也就是我们常说的实时带宽，它是由模拟带宽、采样率以及波形重建的方法共同决定，因此它决定了所构建的单次波形的完整性 。对于单次事件，示波器必须具有足够的采样速率用以恢复单次捕捉所获得的波形。奈奎斯特抽样定律中指出采样率至少为信号最高频率带宽的2倍从而保证信号在恢复时不发生混迭现象。示波器采样率高低对波形构建的真实性有直接影响（采样率高的好处）。示波器带宽选定后，采样率决定单次带宽。单次带宽决定示波器对阶跃、单次信号中的快沿的捕获和复现能力，也决定了示波器对检测，低重复率信号的上升和下降沿捕获能力。
波形失真是由于某些原因导致示波器采样显示的波形与实际信号存在较大的差异。

图11 波形失真
波形混淆是指由于采样率低于实际信号频率的2倍（奈奎斯特频率）时，对采样数据进行重新构建时出现的波形的频率小于实际信号频率的一种现象。

图12 波形混淆

波形漏失是指由于采样率低而造成的没有反映全部实际信号的一种现象。

图13 波形漏失

存储深度：指在波形存储器中存储波形样本的数量。波形存储时间＝存储深度/采样率示波器的存储深度将决定能采集信号的时间以及能用到的最大采样速率。

图14 存储深度
波形刷新率（波形捕获速率）是指1秒内示波器捕获波形的次数，表示为波形数每秒（wfms/s）。采样速率表示的是示波器在一个波形或周期内，采样输入信号的频率，波形捕获速率则是指示波器采集波形的速度。刷新率的高低直接影响波形捕获偶然事件发生的概率。对于示波器来说，波形刷新率高，就能够组织更大数据量的波形质量信息，尤其是在动态复杂信号和隐藏在正常信号下的异常波形的捕获方面，有着特别的作用。数字存储示波器（DSO）使用串行处理机制，每秒钟可以捕获10到5000个波形。

图15 波形刷新率

示波器接入电路后并不能看到波形，我们需要根据已知信号的特征进行对示波器调整和触发条件的设定，才能捕获得到稳定显示的波形。数字存储示波器（DSO）针对不同的波形具有丰富的触发功能：边沿、脉宽、视频、斜率、交替、码型、持续时间等触发方式。

【仪器】
DG10 22 数字合成函数信号发生器， UTD -21 02CEX 数字示波器

【实验内容与步骤】
1、 熟悉信号发生器与数字示波器的相关旋钮和使用方法；
2、 连接信号发生器与示波器，观察相关波形和测量相关参数；
（1） 调节信号发生器相关旋钮，分别设置信号为方波、正弦波和三角波，60Hz,5.000Vpp,偏移-2.500VDC,占空比40%，相位0.0°.
（2） 按下信号发生器面板上输出按钮“output”,信号经信号线输出，设置BNC电缆放大倍率为×1；
（3） 电缆和示波器的输入通道1（CH1）相连后，按下示波器面板上自动设置按钮”auto”,在示波器上显示出稳定的波形，并调节垂直方向的灵敏度（Vertical）和水平方向（Horizontal）的扫描旋钮，使波形大小适中， 5~6个波数；
（4） 测量波形的电压和时间参数：按“measure”, 测量频率、Vpp、周期、正脉宽、正占空比、上升时间，并与信号发生器面板上指示的相关参数比较；
3、 观察李萨如图形
（1） 调节信号发生器相关旋钮，设置两个信号为正弦波；
（2） 按下信号发生器面板上两个输出按钮“output”,信号经信号线输出，设置BNC电缆放大倍率为×1；
（3） 电缆和示波器的输入通道1（CH1）和输入通道1（CH1）相连后，按下示波器面板上自动设置按钮”auto”,在示波器上显示出稳定的波形，示波器显示的时基按钮选择“X-Y”，示波器以李萨如模式显示；
（4）改变信号发生器的某一通道的频率，观察李萨如图形；根据李萨如图形的特点测出信号发生器的输出频率，并与信号发生器面板上指示的输出频率比较；
4、 观察、绘制半波、全波整流、滤波波形

图16 观察半波、全波整流、滤波波形电路
（1） S向下闭合，S1、S2打开，可观察半波整流波形；
（2） S向上闭合，S1、S2打开，可观察全波整流波形；
（3） S向上闭合，S1闭合，S2打开，可观察全波整流、电容滤波波形；
（4） S向上闭合，S1、S2均闭合，可观察全波整流、π滤波（两个电容C1、C2和一个电阻RL构成）波形；
（5） 绘出所观察到的上述四种波形示意图。
5、 利用DOS观察脉搏信号。
利用实验室提供的压电传感装置，连接示波器并适当选择调制示波器的相关旋钮。把压电传感装置紧贴个人脉搏跳动明显处，观察示波器的相关脉搏信号，测量脉搏周期和个人心率。

图17 示波器显示的实验室某教师的脉搏信号

【数据处理与分析】
1、 连接信号发生器与示波器，观察相关波形和测量相关参数；要求记录所观察波形的相关主要参数；
2、 观察李萨如图形，并完成相关数据测量与记录；
3、观察、绘制半波、全波整流、滤波波形；
4、利用DOS观察脉搏信号。
【注意事项】
1、 必须先了解示波器、信号发生器面板上各个主要旋钮的作用后，再开始实验。
2、 示波器上所有开关与旋钮都有一定的强度与调节角度，使用时应轻轻地缓慢旋转，不能用力过猛或者乱旋。
【预习思考题】
1、相对于阴极射线(模拟)示波器，数字示波器有哪些优点？
2、请记录你所使用仪器的带宽和采样率。带宽和采样率的高低分别意味着什么？
3、在实验室所用的数字示波器中输入一个信号（如正弦波或三角波），如何把该信号的所有相关参数（如周期、频率、上升时间等参数）显示出来？
4、你如何利用实验室的数字示波器观测李萨如图形？

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