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示波器的原理和使用

信息来源：物理学实验示范中心

发布日期：2016-03-10

示波器的原理和使用

实验目的

1. 了解模拟示波器和数字示波器的主要结构及波形显示基本原理.

2. 掌握数字示波器和函数信号发生器的使用方法.

3. 观察正弦波、方波、三角波、脉冲波等信号的电压波形.

4. 通过示波器观察李萨如图形，加深对互相垂直的振动合成理论的理解.

5. 掌握使用示波器测量交流信号幅度、周期及相位差的方法.

实验仪器

数字示波器，函数信号发生器，电阻，电容，无源电压探头.

仪器图片

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示波器的原理和使用方法 - 知乎

示波器的原理和使用方法 - 知乎切换模式写文章登录/注册示波器的原理和使用方法泰勤科技致力于测试测量领域的综合服务商在数字电路实验中，需要使用若干仪器、仪表观察实验现象和结果。常用的电子测量仪器有万用表、逻辑笔、普通示波器、存储示波器、逻辑分析仪等。万用 表和逻辑笔使用方法比较简单，而逻辑分析仪和存储示波器目前在数字电路教学实验中应用还不十分普遍。示波器是一种使用非常广泛，且使用相对复杂的仪器。本 章从使用的角度介绍一下示波器的原理和使用方法。1、示波器工作原理示波器是利用电子示波管的特性，将人眼无法直接观测的交变电信号转换成图像，显示在荧光屏上以便测量的电子测量仪器。它是观察数字电路实验现象、分析实验中 的问题、测量实验结果必不可少的重要仪器。示波器由示波管和电源系统、同步系统、X轴偏转系统、Y轴偏转系统、延迟扫描系统、标准信号源组成。1.1、示波管阴极射线管(CRT)简称示波管，是示波器的核心。它将电信号转换为光信号。正如图1所示，电子枪、偏转系统和荧光屏三部分密封在一个真空玻璃壳内，构成了一个完整的示波管。图1示波管的内部结构和供电图示1.荧光屏现在的示波管屏面通常是矩形平面，内表面沉积一层磷光材料构成荧光膜。在荧光膜上常又增加一层蒸发铝膜。高速电子穿过铝膜，撞击荧光粉而发光形成亮点。铝膜具有内反射作用，有利于提高亮点的辉度。铝膜还有散热等其他作用。当电子停止轰击后，亮点不能立即消失而要保留一段时间。亮点辉度下降到原始值的10％所经过的时间叫做“余辉时间”。余辉时间短于10μs为极短余 辉，10μs—1ms为短余辉，1ms—0.1s为中余辉，0.1s-1s为长余辉，大于1s为极长余辉。一般的示波器配备中余辉示波管，高频示波器选用 短余辉，低频示波器选用长余辉。由于所用磷光材料不同，荧光屏上能发出不同颜色的光。一般示波器多采用发绿光的示波管，以保护人的眼睛。2.电子枪及聚焦电子枪由灯丝(F)、阴极(K)、栅极(G1)、前加速极(G2)(或称第二栅极)、第一阳极(A1)和第二阳极(A2)组成。它的作用是发射电子并形成很 细的高速电子束。灯丝通电加热阴极，阴极受热发射电子。栅极是一个顶部有小孔的金属园筒，套在阴极外面。由于栅极电位比阴极低，对阴极发射的电子起控制作 用，一般只有运动初速度大的少量电子，在阳极电压的作用下能穿过栅极小孔，奔向荧光屏。初速度小的电子仍返回阴极。如果栅极电位过低，则全部电子返回阴 极，即管子截止。调节电路中的W1电位器，可以改变栅极电位，控制射向荧光屏的电子流密度，从而达到调节亮点的辉度。第一阳极、第二阳极和前加速极都是与 阴极在同一条轴线上的三个金属圆筒。前加速极G2与A2相连，所加电位比A1高。G2的正电位对阴极电子奔向荧光屏起加速作用。电子束从 阴极奔向荧光屏的过程中，经过两次聚焦过程。第一次聚焦由K、G1、G2完成，K、K、G1、G2叫做示波管的第一电子透镜。第二次聚焦发生在G2、 A1、A2区域，调节第二阳极A2的电位，能使电子束正好会聚于荧光屏上的一点，这是第二次聚焦。A1上的电压叫做聚焦电压，A1又被叫做聚焦极。有时调 节A1电压仍不能满足良好聚焦，需微调第二阳极A2的电压，A2又叫做辅助聚焦极。3.偏转系统偏转系统控制电子射线方向，使荧 光屏上的光点随外加信号的变化描绘出被测信号的波形。图8.1中，Y1、Y2和Xl、X2两对互相垂直的偏转板组成偏转系统。Y轴偏转板在前，X轴偏转板 在后，因此Y轴灵敏度高(被测信号经处理后加到Y轴)。两对偏转板分别加上电压，使两对偏转板间各自形成电场，分别控制电子束在垂直方向和水平方向偏转。4.示波管的电源为使示波管正常工作，对电源供给有一定要求。规定第二阳极与偏转板之间电位相近，偏转板的平均电位为零或接近为零。阴极必须工作在负电位上。栅极G1相对阴 极为负电位(—30V~—100V)，而且可调，以实现辉度调节。第一阳极为正电位(约+100V~+600V)，也应可调，用作聚焦调节。第二阳极与前 加速极相连，对阴极为正高压(约+1000V)，相对于地电位的可调范围为±50V。由于示波管各电极电流很小，可以用公共高压经电阻分压器供电。1.2示波器的基本组成从上一小节可以看出，只要控制X轴偏转板和Y轴偏转板上的电压，就能控制示波管显示的图形形状。我们知道，一个电子信号是时间的函数f(t)，它随时间的变 化而变化。因此，只要在示波管的X轴偏转板上加一个与时间变量成正比的电压，在y轴加上被测信号(经过比例放大或者缩小)，示波管屏幕上就会显示出被测信 号随时间变化的图形。电信号中，在一段时间内与时间变量成正比的信号是锯齿波。示波器的基本组成框图如图2所示。它由示波管、Y轴系统、X轴系统、Z轴系统和电源等五部分组成。图2示波器基本组成框图被测信号①接到“Y"输入端，经Y轴衰减器适当衰减后送至Y1放大器(前置放大)，推挽输出信号②和③。经延迟级延迟Г1时间，到Y2放大器。放大后产生足 够大的信号④和⑤，加到示波管的Y轴偏转板上。为了在屏幕上显示出完整的稳定波形，将Y轴的被测信号③引入X轴系统的触发电路，在引入信号的正(或者负) 极性的某一电平值产生触发脉冲⑥，启动锯齿波扫描电路(时基发生器)，产生扫描电压⑦。由于从触发到启动扫描有一时间延迟Г2，为保证Y轴信号到达荧光屏 之前X轴开始扫描，Y轴的延迟时间Г1应稍大于X轴的延迟时间Г2。扫描电压⑦经X轴放大器放大，产生推挽输出⑨和⑩，加到示波管的X轴偏转板上。z轴系 统用于放大扫描电压正程，并且变成正向矩形波，送到示波管栅极。这使得在扫描正程显示的波形有某一固定辉度，而在扫描回程进行抹迹。以上是示波器的基本工作原理。双踪显示则是利用电子开关将Y轴输入的两个不同的被测信号分别显示在荧光屏上。由于人眼的视觉暂留作用，当转换频率高到一定程度后，看到的是两个稳定的、清晰的信号波形。示波器中往往有一个精确稳定的方波信号发生器，供校验示波器用。2、示波器使用本节介绍示波器的使用方法。示波器种类、型号很多，功能也不同。数字电路实验中使用较多的是20MHz或者40MHz的双踪示波器。这些示波器用法大同小异。本节不针对某一型号的示波器，只是从概念上介绍示波器在数字电路实验中的常用功能。2.1荧光屏荧光屏是示波管的显示部分。屏上水平方向和垂直方向各有多条刻度线，指示出信号波形的电压和时间之间的关系。水平方向指示时间，垂直方向指示电压。水平方向 分为10格，垂直方向分为8格，每格又分为5份。垂直方向标有0％，10％，90％，100％等标志，水平方向标有10％，90％标志，供测直流电平、交 流信号幅度、延迟时间等参数使用。根据被测信号在屏幕上占的格数乘以适当的比例常数(V／DIV，TIME／DIV)能得出电压值与时间值。2.2示波管和电源系统1.电源(Power)示波器主电源开关。当此开关按下时，电源指示灯亮，表示电源接通。2.辉度(Intensity)旋转此旋钮能改变光点和扫描线的亮度。观察低频信号时可小些，高频信号时大些。一般不应太亮，以保护荧光屏。3.聚焦(Focus)聚焦旋钮调节电子束截面大小，将扫描线聚焦成最清晰状态。4.标尺亮度(Illuminance)此旋钮调节荧光屏后面的照明灯亮度。正常室内光线下，照明灯暗一些好。室内光线不足的环境中，可适当调亮照明灯。2.3垂直偏转因数和水平偏转因数1.垂直偏转因数选择(VOLTS／DIV)和微调在 单位输入信号作用下，光点在屏幕上偏移的距离称为偏移灵敏度，这一定义对X轴和Y轴都适用。灵敏度的倒数称为偏转因数。垂直灵敏度的单位是为 cm/V，cm／mV或者DIV／mV，DIV／V，垂直偏转因数的单位是V／cm，mV／cm或者V／DIV，mV／DIV。实际上因习惯用法和测量电 压读数的方便，有时也把偏转因数当灵敏度。踪示波器中每个通道各有一个垂直偏转因数选择波段开关。一般按1，2，5方式从5mV／DIV到5V／DIV分为10档。波段开关指示的值代表荧光屏上垂直方向一格的电压值。例如波段开关置于1V／DIV档时，如果屏幕上信号光点移动一格，则代表输入信号电压变化1V。每个波段开关上往往还有一个小旋钮，微调每档垂直偏转因数。将它沿顺时针方向旋到底，处于“校准”位置，此时垂直偏转因数值与波段开关所指示的值一致。逆时 针旋转此旋钮，能够微调垂直偏转因数。垂直偏转因数微调后，会造成与波段开关的指示值不一致，这点应引起注意。许多示波器具有垂直扩展功能，当微调旋钮被 拉出时，垂直灵敏度扩大若干倍(偏转因数缩小若干倍)。例如，如果波段开关指示的偏转因数是1V/DIV，采用×5扩展状态时，垂直偏转因数是 0.2V／DIV。在做数字电路实验时，在屏幕上被测信号的垂直移动距离与+5V信号的垂直移动距离之比常被用于判断被测信号的电压值。2.时基选择(TIME／DIV)和微调时基选择和微调的使用方法与垂直偏转因数选择和微调类似。时基选择也通过一个波段开关实现，按1、2、5方式把时基分为若干档。波段开关的指示值代表光点在水平方向移动一个格的时间值。例如在1μS／DIV档，光点在屏上移动一格代表时间值1μS。“微调”旋钮用于时基校准和微调。沿顺时针方向旋到底处于校准位置时，屏幕上显示的时基值与波段开关所示的标称值一致。逆时针旋转旋钮，则对时基微调。旋钮拔 出后处于扫描扩展状态。通常为×10扩展，即水平灵敏度扩大10倍，时基缩小到1／10。例如在2μS/DIV档，扫描扩展状态下荧光屏上水平一格代表的 时间值等于2μS×(1/10)=0.2μSTDS实验台上有10MHz、1MHz、500kHz、100kHz的时钟信号，由石英晶体振荡器和分频器产生，准确度很高，可用来校准示波器的时基。示波器的标准信号源CAL，专门用于校准示波器的时基和垂直偏转因数。例如COS5041型示波器标准信号源提供一个VP-P=2V,f=1kHz的方波信号。示波器前面板上的位移(Position)旋钮调节信号波形在荧光屏上的位置。旋转水平位移旋钮(标有水平双向箭头)左右移动信号波形，旋转垂直位移旋钮(标有垂直双向箭头)上下移动信号波形。2.4输入通道和输入耦合选择1.输入通道选择输入通道至少有三种选择方式：通道1(CH1)、通道2(CH2)、双通道(DUAL)。选择通道1时，示波器仅显示通道1的信号。选择通道2时，示波器仅 显示通道2的信号。选择双通道时，示波器同时显示通道1信号和通道2信号。测试信号时，首先要将示波器的地与被测电路的地连接在一起。根据输入通道的选 择，将示波器探头插到相应通道插座上，示波器探头上的地与被测电路的地连接在一起，示波器探头接触被测点。示波器探头上有一双位开关。此开关拨到“×1” 位置时，被测信号无衰减送到示波器，从荧光屏上读出的电压值是信号的实际电压值。此开关拨到“×10"位置时，被测信号衰减为1／10，然后送往示波器， 从荧光屏上读出的电压值乘以10才是信号的实际电压值。2.输入耦合方式输入耦合方式有三种选择：交流(AC)、地(GND)、 直流(DC)。当选择“地”时，扫描线显示出“示波器地”在荧光屏上的位置。直流耦合用于测定信号直流绝对值和观测极低频信号。交流耦合用于观测交流和含 有直流成分的交流信号。在数字电路实验中，一般选择“直流”方式，以便观测信号的绝对电压值。2.5触发第一节指出，被测信号从 Y轴输入后，一部分送到示波管的Y轴偏转板上，驱动光点在荧光屏上按比例沿垂直方向移动；另一部分分流到x轴偏转系统产生触发脉冲，触发扫描发生器，产生 重复的锯齿波电压加到示波管的X偏转板上，使光点沿水平方向移动，两者合一，光点在荧光屏上描绘出的图形就是被测信号图形。由此可知，正确的触发方式直接 影响到示波器的有效操作。为了在荧光屏上得到稳定的、清晰的信号波形，掌握基本的触发功能及其操作方法是十分重要的。1.触发源(Source)选择要使屏幕上显示稳定的波形，则需将被测信号本身或者与被测信号有一定时间关系的触发信号加到触发电路。触发源选择确定触发信号由何处供给。通常有三种触发源：内触发(INT)、电源触发(LINE)、外触发EXT)。内触发使用被测信号作为触发信号，是经常使用的一种触发方式。由于触发信号本身是被测信号的一部分，在屏幕上可以显示出非常稳定的波形。双踪示波器中通道1或者通道2都可以选作触发信号。电源触发使用交流电源频率信号作为触发信号。这种方法在测量与交流电源频率有关的信号时是有效的。特别在测量音频电路、闸流管的低电平交流噪音时更为有效。外触发使用外加信号作为触发信号，外加信号从外触发输入端输入。外触发信号与被测信号间应具有周期性的关系。由于被测信号没有用作触发信号，所以何时开始扫描与被测信号无关。正确选择触发信号对波形显示的稳定、清晰有很大关系。例如在数字电路的测量中，对一个简单的周期信号而言，选择内触发可能好一些，而对于一个具有复杂周期的信号，且存在一个与它有周期关系的信号时，选用外触发可能更好。2.触发耦合(Coupling)方式选择触发信号到触发电路的耦合方式有多种，目的是为了触发信号的稳定、可靠。这里介绍常用的几种。AC耦合又称电容耦合。它只允许用触发信号的交流分量触发，触发信号的直流分量被隔断。通常在不考虑DC分量时使用这种耦合方式，以形成稳定触发。但是如果触发信号的频率小于10Hz，会造成触发困难。直流耦合(DC)不隔断触发信号的直流分量。当触发信号的频率较低或者触发信号的占空比很大时，使用直流耦合较好。低 频抑制(LFR)触发时触发信号经过高通滤波器加到触发电路，触发信号的低频成分被抑制；高频抑制(HFR)触发时，触发信号通过低通滤波器加到触发电 路，触发信号的高频成分被抑制。此外还有用于电视维修的电视同步(TV)触发。这些触发耦合方式各有自己的适用范围，需在使用中去体会。3.触发电平(Level)和触发极性(Slope)触发电平调节又叫同步调节，它使得扫描与被测信号同步。电平调节旋钮调节触发信号的触发电平。一旦触发信号超过由旋钮设定的触发电平时，扫描即被触发。顺时 针旋转旋钮，触发电平上升；逆时针旋转旋钮，触发电平下降。当电平旋钮调到电平锁定位置时，触发电平自动保持在触发信号的幅度之内，不需要电平调节就能产 生一个稳定的触发。当信号波形复杂，用电平旋钮不能稳定触发时，用释抑(HoldOff)旋钮调节波形的释抑时间(扫描暂停时间)，能使扫描与波形稳定同 步。极性开关用来选择触发信号的极性。拨在“+”位置上时，在信号增加的方向上，当触发信号超过触发电平时就产生触发。拨在“-”位置上时，在信号减少的方向上，当触发信号超过触发电平时就产生触发。触发极性和触发电平共同决定触发信号的触发点。2.6扫描方式(SweepMode)扫描有自动(Auto)、常态(Norm)和单次(Single)三种扫描方式。自动：当无触发信号输入，或者触发信号频率低于50Hz时，扫描为自激方式。常态：当无触发信号输入时，扫描处于准备状态，没有扫描线。触发信号到来后，触发扫描。单次：单次按钮类似复位开关。单次扫描方式下，按单次按钮时扫描电路复位，此时准备好(Ready)灯亮。触发信号到来后产生一次扫描。单次扫描结束后，准备灯灭。单次扫描用于观测非周期信号或者单次瞬变信号，往往需要对波形拍照。上面扼要介绍了示波器的基本功能及操作。示波器还有一些更复杂的功能，如延迟扫描、触发延迟、X-Y工作方式等，这里就不介绍了。示波器入门操作是容易的， 真正熟练则要在应用中掌握。值得指出的是，示波器虽然功能较多，但许多情况下用其他仪器、仪表更好。例如，在数字电路实验中，判断一个脉宽较窄的单脉冲是 否发生时，用逻辑笔就简单的多；测量单脉冲脉宽时，用逻辑分析仪更好一些。数字示波器使用必须注意问题前言数字示波器因具有波形触发、存储、显示、测量、波形数据分析处理等独特优点，其使用日益普及。由于数字示波器与模拟示波器之间存在较大的性能差异，如果使用不当，会产生较大的测量误差，从而影响测试任务。区分模拟带宽和数字实时带宽带宽是最重要的指标之一。模拟示波器的带宽是一个固定的值，而数字示波器的带宽有模拟带宽和数字实时带宽两种。数字示波器对重复信号采用顺序采样或随 机采样技术所能达到的最高带宽为示波器的数字实时带宽，数字实时带宽与最高数字化频率和波形重建技术因子K相关（数字实时带宽=最高数字化速率/K），一 般并不作为一项指标直接给出。从两种带宽的定义可以看出，模拟带宽只适合重复周期信号的测量，而数字实时带宽则同时适合重复信号和单次信号的测量。厂家声 称示波器的带宽能达到多少兆，实际上指的是模拟带宽，数字实时带宽是要低于这个值的。例如说TEK公司的TES520B的带宽为500MHz，实际上是指 其模拟带宽为500MHz，而最高数字实时带宽只能达到400MHz远低于模拟带宽。所以在测量单次信号时，一定要参考数字示波器的数字实时带宽，否则会 给测量带来意想不到的误差。有关采样速率采样速率也称为数字化速率，是指单位时间内，对模拟输入信号的采样次数，常以MS/s表示。采样速率是数字示波器的一项重要指标。1.如果采样速率不够，容易出现混迭现象如果示波器的输人信号为一个100KHz的正弦信号，示波器显示的信号频率却是50KHz，这是怎么回事呢？这是因为示波器的采样速率太慢，产生了混迭现 象。混迭就是屏幕上显示的波形频率低于信号的实际频率，或者即使示波器上的触发指示灯已经亮了，而显示的波形仍不稳定。混迭的产生如图1所示。那么，对于 一个未知频率的波形，如何判断所显示的波形是否已经产生混迭呢？可以通过慢慢改变扫速t/div到较快的时基档，看波形的频率参数是否急剧改变，如果是， 说明波形混迭已经发生；或者晃动的波形在某个较快的时基档稳定下来，也说明波形混迭已经发生。根据奈奎斯特定理，采样速率至少高于信号高频成分的2倍才不 会发生混迭，如一个500MHz的信号，至少需要1GS/s的采样速率。有如下几种方法可以简单地防止混迭发生：·调整扫速；·采用自动设置（Autoset）；·试着将收集方式切换到包络方式或峰值检测方式，因为包络方式是在多个收集记录中寻找极值，而峰值检测方式则是在单个收集记录中寻找最大最小值，这两种方法都能检测到较快的信号变化。·如果示波器有InstaVu采集方式，可以选用，因为这种方式采集波形速度快，用这种方法显示的波形类似于用模拟示波器显示的波形。2.采样速率与t/div的关系每台数字示波器的最大采样速率是一个定值。但是，在任意一个扫描时间t/div，采样速率fs由下式给出：fs=N/(t/div)N为每格采样点当采样点数N为一定值时，fs与t/div成反比，扫速越大，采样速率越低。下面是TDS520B的一组扫速与采样速率的数据：表1扫速与采样速率t/div（ns）1252550100200fs（GS/s）502510210.50.25综上所述，使用数字示波器时，为了避免混迭，扫速档最好置于扫速较快的位置。如果想要捕捉到瞬息即逝的毛刺，扫速档则最好置于主扫速较慢的位置。数字示波器的上升时间在模拟示波器中，上升时间是的一项极其重要的指标。而在数字示波器中，上升时间甚至都不作为指标明确给出。由于数字示波器测量方法的原因，以致于自动 测量出的上升时间不仅与采样点的位置相关，如图2中a表示上升沿恰好落在两采样点中间，这时上升时间为数字化间隔的0.8倍。图2中的b的上升沿的中部有 一采样点，则同样的波形，上升时间为数字化间隔的1.6倍。另外，上升时间还与扫速有关，下面是TDS520B测量同一波形时的一组扫速与上升时间的数 据：表2扫速与上升时间t/div（ms）502010521tr(μs)800320160803216由上面这组数据可以看 出，虽然波形的上升时间是一个定值，而用数字示波器测量出来的结果却因为扫速不同而相差甚远。模拟示波器的上升时间与扫速无关，而数字示波器的上升时间不 仅与扫速有关，还与采样点的位置有关，使用数字示波器时，我们不能象用模拟示波器那样，根据测出的时间来反推出信号的上升时间。广东泰测电子有限公司（简称：广东泰测）成立于2021年，是深圳市泰勤科技有限公司的子公司，公司立身于测试测量仪器行、工业与制造行业，与多家国内外业界著名仪器厂商有着长远而稳固的战略合作关系，公司成立至今，紧跟世界工业与制造业发展趋势，为广大的客户提供了多元化的服务，产品用于研发、生产、测试、检测、高校实验室等，涉及领域有： 5G、人工智能、新基建、智能制造、智慧城市、光伏、新能源、电源、电池、半导体、储能等引领未来科技的新行业，在多个领域提供了具有竞争力的综合性测试服务和解决方案，满足客户各类需求。主营：数字示波器、探头、交直流电源、交直流电子负载、万用表、数据采集器、功率分析仪、信号发生器、热像仪、示波记录仪、安规测试仪等产品代理品牌：RIGOL普源精电,ITECH艾德克斯,CYBERTK知用电子,EEC华仪,FLUKE福禄克,KHC北京科环,Tektronix泰克,KEITHLEY吉时利,KEYSIGHT是德科技,HIOKL日置等品牌厂家编辑于 2022-04-15 14:28数字系统设计数字信号示波器​赞同 13​​添加评论​分享​喜欢​收藏​申请

大学物理-示波器的原理与使用 实验报告 - 百度文库

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大连理工大学 

大 学 物 理 实 验 报 告 

院（系）    材料学院     专业          班级              姓   名          学号        实验台号                 实验时间     年     月   日，第  周，星期    第     节 

实验名称           示波器的原理与使用           

教师评语                                                                                 

实验目的与要求： 

（1） 了解示波器的工作原理 

（2） 学习使用示波器观察各种信号波形 （3） 用示波器测量信号的电压、频率和相位差  

主要仪器设备： 

YB4320G 双踪示波器， EE1641B型函数信号发生器  

实验原理和内容： 1. 示波器基本结构 

示波器主要由示波管、放大和衰减系统、触发扫描系统和电源四部分组成， 其中示波管是核心部分。 

示波管的基本结构如下图所示， 主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三个部分组成， 由外部玻璃外壳密封在真空环境中。 

    电子枪的作用是释放并加速电子束。 其中第一阳极称为聚焦阳极， 第二阳极称为加速阳极。 通

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实验名称           示波器的原理与使用           

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实验目的与要求： 

（1） 了解示波器的工作原理 

（2） 学习使用示波器观察各种信号波形 （3） 用示波器测量信号的电压、频率和相位差  

主要仪器设备： 

YB4320G 双踪示波器， EE1641B型函数信号发生器  

实验原理和内容： 1. 示波器基本结构 

示波器主要由示波管、放大和衰减系统、触发扫描系统和电源四部分组成， 其中示波管是核心部分。 

示波管的基本结构如下图所示， 主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三个部分组成， 由外部玻璃外壳密封在真空环境中。 

    电子枪的作用是释放并加速电子束。 其中第一阳极称为聚焦阳极， 第二阳极称为加速阳极。 通

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示波器的原理和使用方法 - 知乎切换模式写文章登录/注册示波器的原理和使用方法泰勤科技致力于测试测量领域的综合服务商在数字电路实验中，需要使用若干仪器、仪表观察实验现象和结果。常用的电子测量仪器有万用表、逻辑笔、普通示波器、存储示波器、逻辑分析仪等。万用 表和逻辑笔使用方法比较简单，而逻辑分析仪和存储示波器目前在数字电路教学实验中应用还不十分普遍。示波器是一种使用非常广泛，且使用相对复杂的仪器。本 章从使用的角度介绍一下示波器的原理和使用方法。1、示波器工作原理示波器是利用电子示波管的特性，将人眼无法直接观测的交变电信号转换成图像，显示在荧光屏上以便测量的电子测量仪器。它是观察数字电路实验现象、分析实验中 的问题、测量实验结果必不可少的重要仪器。示波器由示波管和电源系统、同步系统、X轴偏转系统、Y轴偏转系统、延迟扫描系统、标准信号源组成。1.1、示波管阴极射线管(CRT)简称示波管，是示波器的核心。它将电信号转换为光信号。正如图1所示，电子枪、偏转系统和荧光屏三部分密封在一个真空玻璃壳内，构成了一个完整的示波管。图1示波管的内部结构和供电图示1.荧光屏现在的示波管屏面通常是矩形平面，内表面沉积一层磷光材料构成荧光膜。在荧光膜上常又增加一层蒸发铝膜。高速电子穿过铝膜，撞击荧光粉而发光形成亮点。铝膜具有内反射作用，有利于提高亮点的辉度。铝膜还有散热等其他作用。当电子停止轰击后，亮点不能立即消失而要保留一段时间。亮点辉度下降到原始值的10％所经过的时间叫做“余辉时间”。余辉时间短于10μs为极短余 辉，10μs—1ms为短余辉，1ms—0.1s为中余辉，0.1s-1s为长余辉，大于1s为极长余辉。一般的示波器配备中余辉示波管，高频示波器选用 短余辉，低频示波器选用长余辉。由于所用磷光材料不同，荧光屏上能发出不同颜色的光。一般示波器多采用发绿光的示波管，以保护人的眼睛。2.电子枪及聚焦电子枪由灯丝(F)、阴极(K)、栅极(G1)、前加速极(G2)(或称第二栅极)、第一阳极(A1)和第二阳极(A2)组成。它的作用是发射电子并形成很 细的高速电子束。灯丝通电加热阴极，阴极受热发射电子。栅极是一个顶部有小孔的金属园筒，套在阴极外面。由于栅极电位比阴极低，对阴极发射的电子起控制作 用，一般只有运动初速度大的少量电子，在阳极电压的作用下能穿过栅极小孔，奔向荧光屏。初速度小的电子仍返回阴极。如果栅极电位过低，则全部电子返回阴 极，即管子截止。调节电路中的W1电位器，可以改变栅极电位，控制射向荧光屏的电子流密度，从而达到调节亮点的辉度。第一阳极、第二阳极和前加速极都是与 阴极在同一条轴线上的三个金属圆筒。前加速极G2与A2相连，所加电位比A1高。G2的正电位对阴极电子奔向荧光屏起加速作用。电子束从 阴极奔向荧光屏的过程中，经过两次聚焦过程。第一次聚焦由K、G1、G2完成，K、K、G1、G2叫做示波管的第一电子透镜。第二次聚焦发生在G2、 A1、A2区域，调节第二阳极A2的电位，能使电子束正好会聚于荧光屏上的一点，这是第二次聚焦。A1上的电压叫做聚焦电压，A1又被叫做聚焦极。有时调 节A1电压仍不能满足良好聚焦，需微调第二阳极A2的电压，A2又叫做辅助聚焦极。3.偏转系统偏转系统控制电子射线方向，使荧 光屏上的光点随外加信号的变化描绘出被测信号的波形。图8.1中，Y1、Y2和Xl、X2两对互相垂直的偏转板组成偏转系统。Y轴偏转板在前，X轴偏转板 在后，因此Y轴灵敏度高(被测信号经处理后加到Y轴)。两对偏转板分别加上电压，使两对偏转板间各自形成电场，分别控制电子束在垂直方向和水平方向偏转。4.示波管的电源为使示波管正常工作，对电源供给有一定要求。规定第二阳极与偏转板之间电位相近，偏转板的平均电位为零或接近为零。阴极必须工作在负电位上。栅极G1相对阴 极为负电位(—30V~—100V)，而且可调，以实现辉度调节。第一阳极为正电位(约+100V~+600V)，也应可调，用作聚焦调节。第二阳极与前 加速极相连，对阴极为正高压(约+1000V)，相对于地电位的可调范围为±50V。由于示波管各电极电流很小，可以用公共高压经电阻分压器供电。1.2示波器的基本组成从上一小节可以看出，只要控制X轴偏转板和Y轴偏转板上的电压，就能控制示波管显示的图形形状。我们知道，一个电子信号是时间的函数f(t)，它随时间的变 化而变化。因此，只要在示波管的X轴偏转板上加一个与时间变量成正比的电压，在y轴加上被测信号(经过比例放大或者缩小)，示波管屏幕上就会显示出被测信 号随时间变化的图形。电信号中，在一段时间内与时间变量成正比的信号是锯齿波。示波器的基本组成框图如图2所示。它由示波管、Y轴系统、X轴系统、Z轴系统和电源等五部分组成。图2示波器基本组成框图被测信号①接到“Y"输入端，经Y轴衰减器适当衰减后送至Y1放大器(前置放大)，推挽输出信号②和③。经延迟级延迟Г1时间，到Y2放大器。放大后产生足 够大的信号④和⑤，加到示波管的Y轴偏转板上。为了在屏幕上显示出完整的稳定波形，将Y轴的被测信号③引入X轴系统的触发电路，在引入信号的正(或者负) 极性的某一电平值产生触发脉冲⑥，启动锯齿波扫描电路(时基发生器)，产生扫描电压⑦。由于从触发到启动扫描有一时间延迟Г2，为保证Y轴信号到达荧光屏 之前X轴开始扫描，Y轴的延迟时间Г1应稍大于X轴的延迟时间Г2。扫描电压⑦经X轴放大器放大，产生推挽输出⑨和⑩，加到示波管的X轴偏转板上。z轴系 统用于放大扫描电压正程，并且变成正向矩形波，送到示波管栅极。这使得在扫描正程显示的波形有某一固定辉度，而在扫描回程进行抹迹。以上是示波器的基本工作原理。双踪显示则是利用电子开关将Y轴输入的两个不同的被测信号分别显示在荧光屏上。由于人眼的视觉暂留作用，当转换频率高到一定程度后，看到的是两个稳定的、清晰的信号波形。示波器中往往有一个精确稳定的方波信号发生器，供校验示波器用。2、示波器使用本节介绍示波器的使用方法。示波器种类、型号很多，功能也不同。数字电路实验中使用较多的是20MHz或者40MHz的双踪示波器。这些示波器用法大同小异。本节不针对某一型号的示波器，只是从概念上介绍示波器在数字电路实验中的常用功能。2.1荧光屏荧光屏是示波管的显示部分。屏上水平方向和垂直方向各有多条刻度线，指示出信号波形的电压和时间之间的关系。水平方向指示时间，垂直方向指示电压。水平方向 分为10格，垂直方向分为8格，每格又分为5份。垂直方向标有0％，10％，90％，100％等标志，水平方向标有10％，90％标志，供测直流电平、交 流信号幅度、延迟时间等参数使用。根据被测信号在屏幕上占的格数乘以适当的比例常数(V／DIV，TIME／DIV)能得出电压值与时间值。2.2示波管和电源系统1.电源(Power)示波器主电源开关。当此开关按下时，电源指示灯亮，表示电源接通。2.辉度(Intensity)旋转此旋钮能改变光点和扫描线的亮度。观察低频信号时可小些，高频信号时大些。一般不应太亮，以保护荧光屏。3.聚焦(Focus)聚焦旋钮调节电子束截面大小，将扫描线聚焦成最清晰状态。4.标尺亮度(Illuminance)此旋钮调节荧光屏后面的照明灯亮度。正常室内光线下，照明灯暗一些好。室内光线不足的环境中，可适当调亮照明灯。2.3垂直偏转因数和水平偏转因数1.垂直偏转因数选择(VOLTS／DIV)和微调在 单位输入信号作用下，光点在屏幕上偏移的距离称为偏移灵敏度，这一定义对X轴和Y轴都适用。灵敏度的倒数称为偏转因数。垂直灵敏度的单位是为 cm/V，cm／mV或者DIV／mV，DIV／V，垂直偏转因数的单位是V／cm，mV／cm或者V／DIV，mV／DIV。实际上因习惯用法和测量电 压读数的方便，有时也把偏转因数当灵敏度。踪示波器中每个通道各有一个垂直偏转因数选择波段开关。一般按1，2，5方式从5mV／DIV到5V／DIV分为10档。波段开关指示的值代表荧光屏上垂直方向一格的电压值。例如波段开关置于1V／DIV档时，如果屏幕上信号光点移动一格，则代表输入信号电压变化1V。每个波段开关上往往还有一个小旋钮，微调每档垂直偏转因数。将它沿顺时针方向旋到底，处于“校准”位置，此时垂直偏转因数值与波段开关所指示的值一致。逆时 针旋转此旋钮，能够微调垂直偏转因数。垂直偏转因数微调后，会造成与波段开关的指示值不一致，这点应引起注意。许多示波器具有垂直扩展功能，当微调旋钮被 拉出时，垂直灵敏度扩大若干倍(偏转因数缩小若干倍)。例如，如果波段开关指示的偏转因数是1V/DIV，采用×5扩展状态时，垂直偏转因数是 0.2V／DIV。在做数字电路实验时，在屏幕上被测信号的垂直移动距离与+5V信号的垂直移动距离之比常被用于判断被测信号的电压值。2.时基选择(TIME／DIV)和微调时基选择和微调的使用方法与垂直偏转因数选择和微调类似。时基选择也通过一个波段开关实现，按1、2、5方式把时基分为若干档。波段开关的指示值代表光点在水平方向移动一个格的时间值。例如在1μS／DIV档，光点在屏上移动一格代表时间值1μS。“微调”旋钮用于时基校准和微调。沿顺时针方向旋到底处于校准位置时，屏幕上显示的时基值与波段开关所示的标称值一致。逆时针旋转旋钮，则对时基微调。旋钮拔 出后处于扫描扩展状态。通常为×10扩展，即水平灵敏度扩大10倍，时基缩小到1／10。例如在2μS/DIV档，扫描扩展状态下荧光屏上水平一格代表的 时间值等于2μS×(1/10)=0.2μSTDS实验台上有10MHz、1MHz、500kHz、100kHz的时钟信号，由石英晶体振荡器和分频器产生，准确度很高，可用来校准示波器的时基。示波器的标准信号源CAL，专门用于校准示波器的时基和垂直偏转因数。例如COS5041型示波器标准信号源提供一个VP-P=2V,f=1kHz的方波信号。示波器前面板上的位移(Position)旋钮调节信号波形在荧光屏上的位置。旋转水平位移旋钮(标有水平双向箭头)左右移动信号波形，旋转垂直位移旋钮(标有垂直双向箭头)上下移动信号波形。2.4输入通道和输入耦合选择1.输入通道选择输入通道至少有三种选择方式：通道1(CH1)、通道2(CH2)、双通道(DUAL)。选择通道1时，示波器仅显示通道1的信号。选择通道2时，示波器仅 显示通道2的信号。选择双通道时，示波器同时显示通道1信号和通道2信号。测试信号时，首先要将示波器的地与被测电路的地连接在一起。根据输入通道的选 择，将示波器探头插到相应通道插座上，示波器探头上的地与被测电路的地连接在一起，示波器探头接触被测点。示波器探头上有一双位开关。此开关拨到“×1” 位置时，被测信号无衰减送到示波器，从荧光屏上读出的电压值是信号的实际电压值。此开关拨到“×10"位置时，被测信号衰减为1／10，然后送往示波器， 从荧光屏上读出的电压值乘以10才是信号的实际电压值。2.输入耦合方式输入耦合方式有三种选择：交流(AC)、地(GND)、 直流(DC)。当选择“地”时，扫描线显示出“示波器地”在荧光屏上的位置。直流耦合用于测定信号直流绝对值和观测极低频信号。交流耦合用于观测交流和含 有直流成分的交流信号。在数字电路实验中，一般选择“直流”方式，以便观测信号的绝对电压值。2.5触发第一节指出，被测信号从 Y轴输入后，一部分送到示波管的Y轴偏转板上，驱动光点在荧光屏上按比例沿垂直方向移动；另一部分分流到x轴偏转系统产生触发脉冲，触发扫描发生器，产生 重复的锯齿波电压加到示波管的X偏转板上，使光点沿水平方向移动，两者合一，光点在荧光屏上描绘出的图形就是被测信号图形。由此可知，正确的触发方式直接 影响到示波器的有效操作。为了在荧光屏上得到稳定的、清晰的信号波形，掌握基本的触发功能及其操作方法是十分重要的。1.触发源(Source)选择要使屏幕上显示稳定的波形，则需将被测信号本身或者与被测信号有一定时间关系的触发信号加到触发电路。触发源选择确定触发信号由何处供给。通常有三种触发源：内触发(INT)、电源触发(LINE)、外触发EXT)。内触发使用被测信号作为触发信号，是经常使用的一种触发方式。由于触发信号本身是被测信号的一部分，在屏幕上可以显示出非常稳定的波形。双踪示波器中通道1或者通道2都可以选作触发信号。电源触发使用交流电源频率信号作为触发信号。这种方法在测量与交流电源频率有关的信号时是有效的。特别在测量音频电路、闸流管的低电平交流噪音时更为有效。外触发使用外加信号作为触发信号，外加信号从外触发输入端输入。外触发信号与被测信号间应具有周期性的关系。由于被测信号没有用作触发信号，所以何时开始扫描与被测信号无关。正确选择触发信号对波形显示的稳定、清晰有很大关系。例如在数字电路的测量中，对一个简单的周期信号而言，选择内触发可能好一些，而对于一个具有复杂周期的信号，且存在一个与它有周期关系的信号时，选用外触发可能更好。2.触发耦合(Coupling)方式选择触发信号到触发电路的耦合方式有多种，目的是为了触发信号的稳定、可靠。这里介绍常用的几种。AC耦合又称电容耦合。它只允许用触发信号的交流分量触发，触发信号的直流分量被隔断。通常在不考虑DC分量时使用这种耦合方式，以形成稳定触发。但是如果触发信号的频率小于10Hz，会造成触发困难。直流耦合(DC)不隔断触发信号的直流分量。当触发信号的频率较低或者触发信号的占空比很大时，使用直流耦合较好。低 频抑制(LFR)触发时触发信号经过高通滤波器加到触发电路，触发信号的低频成分被抑制；高频抑制(HFR)触发时，触发信号通过低通滤波器加到触发电 路，触发信号的高频成分被抑制。此外还有用于电视维修的电视同步(TV)触发。这些触发耦合方式各有自己的适用范围，需在使用中去体会。3.触发电平(Level)和触发极性(Slope)触发电平调节又叫同步调节，它使得扫描与被测信号同步。电平调节旋钮调节触发信号的触发电平。一旦触发信号超过由旋钮设定的触发电平时，扫描即被触发。顺时 针旋转旋钮，触发电平上升；逆时针旋转旋钮，触发电平下降。当电平旋钮调到电平锁定位置时，触发电平自动保持在触发信号的幅度之内，不需要电平调节就能产 生一个稳定的触发。当信号波形复杂，用电平旋钮不能稳定触发时，用释抑(HoldOff)旋钮调节波形的释抑时间(扫描暂停时间)，能使扫描与波形稳定同 步。极性开关用来选择触发信号的极性。拨在“+”位置上时，在信号增加的方向上，当触发信号超过触发电平时就产生触发。拨在“-”位置上时，在信号减少的方向上，当触发信号超过触发电平时就产生触发。触发极性和触发电平共同决定触发信号的触发点。2.6扫描方式(SweepMode)扫描有自动(Auto)、常态(Norm)和单次(Single)三种扫描方式。自动：当无触发信号输入，或者触发信号频率低于50Hz时，扫描为自激方式。常态：当无触发信号输入时，扫描处于准备状态，没有扫描线。触发信号到来后，触发扫描。单次：单次按钮类似复位开关。单次扫描方式下，按单次按钮时扫描电路复位，此时准备好(Ready)灯亮。触发信号到来后产生一次扫描。单次扫描结束后，准备灯灭。单次扫描用于观测非周期信号或者单次瞬变信号，往往需要对波形拍照。上面扼要介绍了示波器的基本功能及操作。示波器还有一些更复杂的功能，如延迟扫描、触发延迟、X-Y工作方式等，这里就不介绍了。示波器入门操作是容易的， 真正熟练则要在应用中掌握。值得指出的是，示波器虽然功能较多，但许多情况下用其他仪器、仪表更好。例如，在数字电路实验中，判断一个脉宽较窄的单脉冲是 否发生时，用逻辑笔就简单的多；测量单脉冲脉宽时，用逻辑分析仪更好一些。数字示波器使用必须注意问题前言数字示波器因具有波形触发、存储、显示、测量、波形数据分析处理等独特优点，其使用日益普及。由于数字示波器与模拟示波器之间存在较大的性能差异，如果使用不当，会产生较大的测量误差，从而影响测试任务。区分模拟带宽和数字实时带宽带宽是最重要的指标之一。模拟示波器的带宽是一个固定的值，而数字示波器的带宽有模拟带宽和数字实时带宽两种。数字示波器对重复信号采用顺序采样或随 机采样技术所能达到的最高带宽为示波器的数字实时带宽，数字实时带宽与最高数字化频率和波形重建技术因子K相关（数字实时带宽=最高数字化速率/K），一 般并不作为一项指标直接给出。从两种带宽的定义可以看出，模拟带宽只适合重复周期信号的测量，而数字实时带宽则同时适合重复信号和单次信号的测量。厂家声 称示波器的带宽能达到多少兆，实际上指的是模拟带宽，数字实时带宽是要低于这个值的。例如说TEK公司的TES520B的带宽为500MHz，实际上是指 其模拟带宽为500MHz，而最高数字实时带宽只能达到400MHz远低于模拟带宽。所以在测量单次信号时，一定要参考数字示波器的数字实时带宽，否则会 给测量带来意想不到的误差。有关采样速率采样速率也称为数字化速率，是指单位时间内，对模拟输入信号的采样次数，常以MS/s表示。采样速率是数字示波器的一项重要指标。1.如果采样速率不够，容易出现混迭现象如果示波器的输人信号为一个100KHz的正弦信号，示波器显示的信号频率却是50KHz，这是怎么回事呢？这是因为示波器的采样速率太慢，产生了混迭现 象。混迭就是屏幕上显示的波形频率低于信号的实际频率，或者即使示波器上的触发指示灯已经亮了，而显示的波形仍不稳定。混迭的产生如图1所示。那么，对于 一个未知频率的波形，如何判断所显示的波形是否已经产生混迭呢？可以通过慢慢改变扫速t/div到较快的时基档，看波形的频率参数是否急剧改变，如果是， 说明波形混迭已经发生；或者晃动的波形在某个较快的时基档稳定下来，也说明波形混迭已经发生。根据奈奎斯特定理，采样速率至少高于信号高频成分的2倍才不 会发生混迭，如一个500MHz的信号，至少需要1GS/s的采样速率。有如下几种方法可以简单地防止混迭发生：·调整扫速；·采用自动设置（Autoset）；·试着将收集方式切换到包络方式或峰值检测方式，因为包络方式是在多个收集记录中寻找极值，而峰值检测方式则是在单个收集记录中寻找最大最小值，这两种方法都能检测到较快的信号变化。·如果示波器有InstaVu采集方式，可以选用，因为这种方式采集波形速度快，用这种方法显示的波形类似于用模拟示波器显示的波形。2.采样速率与t/div的关系每台数字示波器的最大采样速率是一个定值。但是，在任意一个扫描时间t/div，采样速率fs由下式给出：fs=N/(t/div)N为每格采样点当采样点数N为一定值时，fs与t/div成反比，扫速越大，采样速率越低。下面是TDS520B的一组扫速与采样速率的数据：表1扫速与采样速率t/div（ns）1252550100200fs（GS/s）502510210.50.25综上所述，使用数字示波器时，为了避免混迭，扫速档最好置于扫速较快的位置。如果想要捕捉到瞬息即逝的毛刺，扫速档则最好置于主扫速较慢的位置。数字示波器的上升时间在模拟示波器中，上升时间是的一项极其重要的指标。而在数字示波器中，上升时间甚至都不作为指标明确给出。由于数字示波器测量方法的原因，以致于自动 测量出的上升时间不仅与采样点的位置相关，如图2中a表示上升沿恰好落在两采样点中间，这时上升时间为数字化间隔的0.8倍。图2中的b的上升沿的中部有 一采样点，则同样的波形，上升时间为数字化间隔的1.6倍。另外，上升时间还与扫速有关，下面是TDS520B测量同一波形时的一组扫速与上升时间的数 据：表2扫速与上升时间t/div（ms）502010521tr(μs)800320160803216由上面这组数据可以看 出，虽然波形的上升时间是一个定值，而用数字示波器测量出来的结果却因为扫速不同而相差甚远。模拟示波器的上升时间与扫速无关，而数字示波器的上升时间不 仅与扫速有关，还与采样点的位置有关，使用数字示波器时，我们不能象用模拟示波器那样，根据测出的时间来反推出信号的上升时间。广东泰测电子有限公司（简称：广东泰测）成立于2021年，是深圳市泰勤科技有限公司的子公司，公司立身于测试测量仪器行、工业与制造行业，与多家国内外业界著名仪器厂商有着长远而稳固的战略合作关系，公司成立至今，紧跟世界工业与制造业发展趋势，为广大的客户提供了多元化的服务，产品用于研发、生产、测试、检测、高校实验室等，涉及领域有： 5G、人工智能、新基建、智能制造、智慧城市、光伏、新能源、电源、电池、半导体、储能等引领未来科技的新行业，在多个领域提供了具有竞争力的综合性测试服务和解决方案，满足客户各类需求。主营：数字示波器、探头、交直流电源、交直流电子负载、万用表、数据采集器、功率分析仪、信号发生器、热像仪、示波记录仪、安规测试仪等产品代理品牌：RIGOL普源精电,ITECH艾德克斯,CYBERTK知用电子,EEC华仪,FLUKE福禄克,KHC北京科环,Tektronix泰克,KEITHLEY吉时利,KEYSIGHT是德科技,HIOKL日置等品牌厂家编辑于 2022-04-15 14:28数字系统设计数字信号示波器​赞同 13​​添加评论​分享​喜欢​收藏​申请

大学物理-示波器的原理与使用 实验报告 - 百度文库

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大连理工大学 

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院（系）    材料学院     专业          班级              姓   名          学号        实验台号                 实验时间     年     月   日，第  周，星期    第     节 

实验名称           示波器的原理与使用           

教师评语                                                                                 

实验目的与要求： 

（1） 了解示波器的工作原理 

（2） 学习使用示波器观察各种信号波形 （3） 用示波器测量信号的电压、频率和相位差  

主要仪器设备： 

YB4320G 双踪示波器， EE1641B型函数信号发生器  

实验原理和内容： 1. 示波器基本结构 

示波器主要由示波管、放大和衰减系统、触发扫描系统和电源四部分组成， 其中示波管是核心部分。 

示波管的基本结构如下图所示， 主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三个部分组成， 由外部玻璃外壳密封在真空环境中。 

    电子枪的作用是释放并加速电子束。 其中第一阳极称为聚焦阳极， 第二阳极称为加速阳极。 通

成    绩 

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大学物理实验-仿真实验-示波器的原理_用两台信号发生器(一台为本组,一台为待测)-CSDN博客

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大学物理实验-仿真实验-示波器的原理

最新推荐文章于 2024-03-10 20:46:01 发布

zombo_tany

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版权声明：本文为博主原创文章，遵循 CC 4.0 BY-SA 版权协议，转载请附上原文出处链接和本声明。

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版权

仿真实验-示波器的原理

目录

一.实验目的二．实验器材三．实验原理1.示波器的结构（1）示波管（2）控制电路的组成及其作用

2.示波器的示波原理3.李萨如图形的基本原理

四．实验内容步骤1.用

x

x

x轴的时基测信号的时间参数。2.观察李萨如图形并测频率。

五、实验数据记录与处理.(1)方波信号频率(2)信号发生器频率与示波器测量频率的关系(3)观察非对称方波(4)观察三角信号

六、实验误差分析七、心得体会

一.实验目的

1.了解示波器的基本结构与工作原理。 2.初步掌握示波器的使用方法。 3.使用示波器观察电信号的波形，测量电压、频率等数据。 4.观察李萨如图形，测量信号频率与相位差。

二．实验器材

1.通用示波器 2.信号发生器/计数器 3.信号源 4.科大奥锐虚拟仿真实验平台

三．实验原理

1.示波器的结构

如图1所示：示波器基本结构和原理相同，主要由示波管、控制电路和电源等组成。 图 1 示波器结构 图 2 示波管

（1）示波管

如图2所示，示波管由高度真空的玻璃壳、电子枪、偏转系统及荧光屏等组成。 电子枪由灯丝、阴极、控制栅极、第一阳极、第二阳极组成。当有电流通过灯丝时，阴极被加热，沿轴向发射电子，经由控制栅极、第一阳极、第二阳极提供的电场力的作用，轰击荧光屏，形成亮斑。 示波管的偏转系统由两对相互垂直的平行金属板组成，分别称为水平偏转板和垂直偏转板。分别控制电子束在水平方向和垂直方向的运动。当电子在偏转板之间运动时，如果偏转板上没有加电压，偏转板之间无电场，离开第二阳极后进入偏转系统的电子将沿轴向运动，射向屏幕的中心。如果偏转板上有电压，偏转板之间则有电场，进入偏转系统的电子会在偏转电场的作用下射向荧光屏的指定位置。 荧光屏位于示波管的终端，它的作用是将偏转后的电子束显示出来。示波器大头端内壁涂有一层荧光物质形成荧光屏。

（2）控制电路的组成及其作用

示波器内部主要由扫描电路，同步电路，水平轴、垂直轴放大器，电源电路等组成。 水平轴、垂直轴放大衰减电路，将小信号放大，大信号衰减，以便在荧光屏上观测。 扫描电路是一个锯齿波发生器，产生周期性的变化电压（锯齿波电压），扫描

y

y

y轴输入的信号，显示出

y

y

y轴信号的真实波形。同步控制电路是为了观察稳定波形，每次扫描起点相位等于上次扫描终点的相位。 电源电路包括低压电源电路和高压电源电路。低压电源供给工作电路电压，高压电源供给示波管阳极电压。 标准信号电路是指水平时基扫描系统电路。经水平放大器放大校准后的扫描电压作为时基信号加于示波管的

x

x

x偏转板，使加于垂直偏转板间的被测信号按时基变化的波形图像在屏上显示出来，便于观察。

2.示波器的示波原理

为利用示波器观察

y

y

y轴输入的周期性信号电压的波形，必须使一个（或几个）周期内随时间变化的波形稳定出现在荧光屏上。 在

y

y

y轴上添加待测电压，在

x

x

x轴偏转板上添加扫描电压（锯齿波电压），则荧光屏上亮点将同时进行方向互相垂直的两种位移，将看到亮点的合成位移。如果

y

y

y轴待测电压周期与扫描电压周期完全相同，则荧光屏上将显示一个完整的正弦波。 因此，想观察

y

y

y轴偏转板上电压

U

y

U_y

Uy​的变化规律，必须在

x

x

x轴偏转板上加锯齿波电压，将

U

y

U_y

Uy​产生的竖直亮线展开，这个展开过程为“扫描”。 当

U

y

U_y

Uy​和

U

x

U_x

Ux​的频率成整数倍关系，即

f

y

f

x

=

n

(

n

=

1

,

2

,

3...

)

\frac{f_y}{f_x}=n(n=1,2,3...)

fx​fy​​=n(n=1,2,3...)，亮点扫完整个

y

y

y轴曲线后迅速返回原来开始的位置，于是又描出一条与前一条完全相同的正弦曲线，如此重复。荧光屏显示的图形才会清晰稳定。调节扫描电压频率使得

f

y

f

x

=

n

\frac{f_y}{f_x}=n

fx​fy​​=n的过程，称为“整步”。

3.李萨如图形的基本原理

在示波器的

x

x

x轴和

y

y

y轴上同时输入正弦电压信号，荧光屏上看到的光点运动轨迹是两个相互垂直的简谐运动的合成。当两个正弦电压信号的频率相等或成简单整数比时（

f

y

f

x

=

n

\frac{f_y}{f_x}=n

fx​fy​​=n），亮点的合成轨迹为一稳定点闭合图形，称为李萨如图形。

四．实验内容步骤

1.用

x

x

x轴的时基测信号的时间参数。

（1）测量示波器自备方波输出信号的周期（时基分别为

0.1

,

0.2

,

0.5

m

s

/

c

m

0.1,0.2,0.5ms/cm

0.1,0.2,0.5ms/cm） （2）选择信号发生器的对称方波接

Y

Y

Y输入，信号频率为

200

−

2000

H

z

200-2000Hz

200−2000Hz（每隔

200

H

z

200Hz

200Hz测量一次），选择示波器合适的时基，测量对应频率的厘米数、周期和频率（注明

X

X

X轴的时基）。 （3）选择信号发生器的非对称方波接

Y

Y

Y输入（幅度和

Y

Y

Y轴量程任选），频率分别为

200

,

500

,

1

K

,

2

K

,

10

K

,

20

K

(

H

z

)

200,500,1K,2K,10K,20K(Hz)

200,500,1K,2K,10K,20K(Hz)，测量各个频率的周期和正波的宽度。 （4）选择信号发生器的输出三角波，频率为

500

,

1

K

,

1.5

K

,

2

K

(

H

z

)

500,1K,1.5K,2K(Hz)

500,1K,1.5K,2K(Hz),测量各个频率时的上升时间、下降时间及周期。

2.观察李萨如图形并测频率。

（1）用两台信号发生器（一台为本组，一台为待测），将未知正弦信号输入

C

H

2

CH_2

CH2​，信号发生器输入

C

H

1

CH_1

CH1​，取

f

x

f

y

=

1

,

2

,

1

2

\frac{f_x}{f_y}=1,2,\frac12

fy​fx​​=1,2,21​时，画出有关图形及求待测信号发生器的频率。

五、实验数据记录与处理.

(1)方波信号频率

序号：123选择时基(

m

s

ms

ms)0.10.20.5方波信号(单位

H

z

Hz

Hz)100010001000

(2)信号发生器频率与示波器测量频率的关系

序号：12345678910时基(

m

s

ms

ms)110.50.50.20.20.20.10.10.1厘米数52.53.32.554.23.66.255.55周期(

m

s

ms

ms)52.51.651.2510.840.720.6250.550.5频率(

H

z

Hz

Hz)200400600800100012001400160018002000

(3)观察非对称方波

序号123456已知频率(

H

z

Hz

Hz)200500100020001000020000信号周期(

m

s

ms

ms)5210.50.10.05正波宽度0.10.10.10.10.10.1

(4)观察三角信号

序号1234已知频率(

H

z

Hz

Hz)500100015002000三角信号上升时间(

m

s

ms

ms)1.000.500.330.25三角信号下降时间(

m

s

ms

ms)1.000.500.330.25三角信号周期(

m

s

ms

ms)2.001.000.660.50

（5）利用李萨如图形测频率

序号123

f

x

f

y

\frac{f_x}{f_y}

fy​fx​​120.5待测信号频率(单位

H

z

Hz

Hz)1198.91150.01191.8图像

六、实验误差分析

由于实验仪器并非真实仪器，其精确性无法保证，导致误差较大。在利用李萨如图形测量未知信号源频率时，这一误差会进一步加大。在使用真实的示波器时，只要微调信号发生器的频率，示波器的图像不可能仍为李萨如图形。在仿真实验中无法模拟此种状况。

七、心得体会

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大学物理实验-仿真实验-示波器的原理

仿真实验-示波器的原理目录一.实验目的二．实验器材三．实验原理1.示波器的结构（1）示波管（2）控制电路的组成及其作用2.示波器的示波原理3.李萨如图形的基本原理四．实验内容步骤1.用xxx轴的时基测信号的时间参数。2.观察李萨如图形并测频率。五、实验数据记录与处理.(1)方波信号频率(2)信号发生器频率与示波器测量频率的关系(3)观察非对称方波(4)观察三角信号六、实验误差分析七、心得体会一.实验目的1.了解示波器的基本结构与工作原理。2.初步掌握示波器的使用方法。3.使用示波器观察电信号的波形

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关注一、实验目的1、了解示波器的构造和工作原理。2、利用示波器观察波形，掌握测量电压、周期和频率的方法。3、掌握观察李萨如图形的方法，并能测量位置信号的频率。 二、实验仪器1.信号发生器1)频率显示窗口：显示输出信号的频率或外测频信号的频率，用五位数字显示信号的频率，且频率连续可调（输出信号时）。2)幅度显示窗口：显示函数输出信号的幅度，由三位数字显示信号的幅度。3)输出波形，对称性调节旋钮（SYM）：调节此旋钮可改变输出信号的对称性。当电位器处在关闭或者中心位置时，则输出对称信号。输出波形对称调节器可改变输出脉冲信号空度比，与此类似，输出波形为三角或正弦时可使三角波调变为锯齿波, 正弦波调变为正与负半周分别为不同角频率的正弦波形，且可移相180°。仿真实验中使用方法：右键单击进行顺时针旋转，左键打击进行逆时针旋转。4)速率调节旋钮（WIDTH）：调节此电位器可以改变内扫描的时间长短。在外测频时，逆时针旋转到底（绿灯亮），为外输入测量信号经过低通开关进入测量系统。5)扫描宽度调节旋钮（RATE）：调节此电位器可调节扫频输出的扫频范围。在外测频时，逆时针旋转到底（绿灯亮），为外输入测量信号经过衰减“20dB”进入测量系统。6)外部输入插座（INPUT）：当“扫描/计数键”（13）功能选择在外扫描外计数状态时，外扫描控制信号或外测频信号由此输入。7)TTL信号输出端（TTL OUT）：输出标准的TTL幅度的脉冲信号，输出阻抗为600W。8)函数信号输出端：输出多种波形受控的函数信号，输出幅度20Vp–p（1MW负载）,10Vp–p (50W负载)。9)函数信号输出幅度调节旋钮（AMPL）：调节范围20dB。仿真实验中使用方法：右键按下进行顺时针连续旋转，信号幅度增大，左键按下进行逆时针连续旋转，信号幅度减小。10)函数信号输出信号直流电平预置调节旋钮（OFFSET）：调节范围：–5V～+5V（50W负载），当电位器处在中心位置时，则为0电平，由信号电平设定器选定输出信号所携带的直流电平。11)函数信号输出幅度衰减开关（ATT）：“20dB”“40dB”键均不按下，输出信号不经衰减，直接输出到插座口。“20dB”“40dB”键分别按下，则可选择20dB或40dB衰减。12)函数输出波形选择按钮：可选择正弦波、三角波、脉冲波输出。仿真实验中使用方法：左键打击进行波形间进行切换。13)“扫描/计数”按钮：可选择多种扫描方式和外测频方式。14)频率范围细调旋钮：调节此旋钮可改变1个频程内的频率范围。仿真实验中使用方法：右键按下进行顺时针连续旋转，信号幅度增大，左键按下进行逆时针连续旋转，信号幅度减小。15)频率范围选择按钮：调节此旋钮可改变输出频率的1个频程，共有7个频程。仿真实验中使用方法：左键打击进行波形间进行切换。16)整机电源开关：此按键揿下时，机内电源接通，整机工作。此键释放为关掉整机电源。仿真实验中使用方法：左键打击进行打开和关闭切换。2.待测信号输入公共信号，频率和幅度未知的正弦信号。在实验中不可以打开大视图。3.数字示波器1)开关按钮：点击开关，打开数字示波器，显示屏亮；再次点击开关，关闭数字示波器，显示屏不亮。2)Untility按钮：辅助功能按钮；改变现实坐标轴的显示方式。X-Y显示或者Y-T显示。3)Run/Stop按钮：点击，暂停波形输出；再次点击，继续输出波形。4)Math按钮：数学功能按钮；显示波形的数学运算。可以对通道1和通道2的信号进行加减。鼠标点击，控制面板显示数学功能面板。通过F1~F5按钮以及Multipurpose按钮进行面板操作。5)Position（黄色）旋钮：通道1信号的垂直位移调节按钮。鼠标左击，按钮顺时针转动，通道1的图像下移；鼠标右击，按钮逆时针转动，通道1的图像上移。6) Position（蓝色）旋钮：通道2信号的垂直位移调节按钮。鼠标左击，按钮顺时针转动，通道2的图像下移；鼠标右击，按钮逆时针转动，通道2的图像上移。7)Menu 1（黄色）按钮：控制通道1信号的显示。鼠标左击，显示通道1的信号；再次左击，不显示通道1的信号。8)Menu 2（蓝色）按钮：控制通道2信号的显示。鼠标左击，显示通道2的信号；再次左击，不显示通道2的信号。9)Scale（黄色）旋钮：通道1振幅调节旋钮。鼠标左击，旋钮顺时针转动，振幅档位变小；鼠标右击，旋钮逆时针转动，振幅档位变大。10)Scale（蓝色）按钮：通道2振幅调节旋钮。鼠标左击，旋钮顺时针转动，振幅档位变小；鼠标右击，旋钮逆时针转动，振幅档位变大。11)Position旋钮：信号水平位移调节旋钮。鼠标左击，旋钮顺时针转动，图像右移；鼠标右击，旋钮逆时针转动，图像左移。鼠标选中旋钮中间，左击，旋钮按下，图像恢复原来位置。12)Menu按钮：触发功能按钮；选择触发方式。鼠标点击，显示触发功能界面。13)Scale旋钮：周期调节按钮，改变信号的周期档位。鼠标左击，旋钮顺时针转动，时间档位变小；鼠标右击，旋钮逆时针转动，时间档位变大。14)Level旋钮：电平调节按钮。鼠标左击，旋钮顺时针转动；鼠标右击，旋钮逆时针转动。鼠标选中旋钮中间，左击，旋钮按下，恢复初始电平。15)Multipurpose旋钮：控制面板选择旋钮。配合F1~F5按钮使用，在二级面板通过左击，鼠标右击进行选择。鼠标选中Multipurpose旋钮中心位置，鼠标左击，Multipurpose按钮被按下，确认选择。16)F1~F5按钮：出现控制面板后，通过F1~F5按钮进行相应的选择。三、实验原理1.示波器的基本结构 示波器由示波管(又称阴极射线管)、放大系统、衰减系统、扫描和同步系统及电源等部分组成。其中示波管是示波器的基本构件，它由电子枪、偏转板和荧光屏三部分组成，被封装在高真空的玻璃管内，电子枪是示波管的核心部分，由阴极、栅极和阳极组成。数字示波器是一种集数据采集、A/D转换、软件编程等一系列技术制造出来的具有测量、分析、处理、存储的高性能示波器，其原理组成框图如下图所示：输入的电压信号经耦合电路后送至前端放大器，前端放大器将信号放大，提高示波器的灵敏度以及动态范围。输出放大器的信号由取样/保持电路进行取样，并由A/D转换器数字化，经过A/D转换后，信号编程数字形式存入存储器中，微处理器对存储器中数字化信号进行相应的处理，并显示在显示屏上。2.用x轴时基测时间参数设待测信号接y轴输入端，则Ty是待测信号的周期，Tx是x轴扫描信号的周期，N是一个扫描周期内所显示的待测信号的波形周期个数。x轴扫描信号的周期，实际上是以时基单位(时间/cm或时间/度)来标示的。在实际测量中，采用 T=时基单位x波形厘米数。 式中的波形厘米数，可以是信号一个周期的读数(可测待测信号的周期)、正脉冲(或负脉冲)的信号宽度的读数或待测信号波形的其他参数。3.用李萨如图形测信号的频率如果将不同的信号分别输入y轴和x轴的输入端，当两个信号的频率满足一定关系时，荧光屏上会显示出李萨如图形。将被测正弦信号加到y偏转板，将参考正弦信号加到x偏转板，当两者的频率之比是整数时，在荧光屏上将出现李萨如图。对稳定不动的图形分别做水平直线和竖直直线与图形相切，设水平线上及竖直线上的切点数之比可得两信号的频率之比。四、实验内容1.用X轴的时基测量信号的时间和幅值参数1、测量示波器自带方波输出信号的周期(时基分别为0.1 ms/cm，0.2 ms/cm，0.5ms/cm)：测示波器校准信号周期连接示波器CH1和示波器校准信号。校准信号为周期1KHz,峰峰值为4V的对称方波信号。调节电平旋钮，使信号稳定。调节示波器聚焦旋钮和辉度旋钮使示波器显示屏中的信号清晰。调节CH1幅度调节旋钮和CH1幅度微调旋钮，校准信号显现为峰峰值为4V。调节示波器时间灵敏度旋钮和扫描微调旋钮，校准信号周期显示为1KHz。2、选择信号发生器的对称方波接y输入(幅度和y轴量程任选)，信号频率为200Hz～2kHz(每隔200Hz测一次)，选择示波器合适的时基，测量对应频率的厘米数、周期和频率。打开信号发生开关，打开信号发生器，信号频率为200Hz～2kHz(每隔200Hz测一次)，调节信号频率，波形选择对称方波，选择示波器合适的时基，调节时间灵敏度旋钮，使信号满屏，测量对应频率的厘米数、周期和频率。同时把示波器中的方式拨动开关调到CH2档上。3、选择信号发生器的非对称方波接Y轴，频率分别为200，500，1K，2K，5K，10K，20K，（Hz），测量各频率时的周期和方波的宽度。4、改变信号发生器输出波形为三角波，频率为500Hz、1kHz、1.5kHz，测量各个频率时的上升时间。下降时间和周期。 2.观察李萨如图形并测量频率用信号发生器和未知信号源分别接y轴和x轴，信号发生器输出为正弦波，调节信号发生器的频率，示波器中的“x-y”按钮按下，方式调节到CH1（或CH2），触发源选择CH2（或CH1）,观察李萨如图像。 五、数据处理1.用X轴的时基测量信号的时间参数计算公式：(1)测量示波器自备方波输出信号的周期（时基分别为0.1ms/cm,0.2ms/cm,0.5ms/cm）： 序号123时基ms/cm0.10.20.5格数1052方波信号/Hz100010001000(2)选择对称方波接Y输入，测量对应频率，作 信号频率~测量频率 曲线： 序号12345678910信号发生器频率/Hz200.0400.0600.0800.01000.01200.01400.01600.01800.02000.0时基ms/cm10.50.20.20.20.10.10.10.10.1厘米数558.46.358.47.26.35.55周期/ms52.51.681.2610.840.720.630.550.5频率/Hz200.0400.0600.0800.01000.01200.01400.01600.01800.02000.0 根据相关的参数，获得图型信息(3)选择方波接Y轴，测量各频率的周期、正波宽度： 序号123456信号发生器频率/Hz200.0500.01000.02000.010000.020000.0时基ms/cm10.50.20.110.01厘米数545555信号周期/ms5210.550.1正波宽度/ms0.10.10.10.10.10.1★ 2. 观察李萨如图形并测量频率计算公式：【1】若Fx/Fy=1,令Fx= 500Hz     则 Fy=500【2】若Fx/Fy=2,令Fx=1000Hz   则Fy=500【3】若Fx/Fy=1/2,令Fx= 500Hz   则Fy=1000  六、思考题1.用示波器测频率几种方法，各有什么有何有优缺点？周期法：优点：周期法适用于任何频率的信号，并且过程比较简单。缺点：误差较大，因为示波器显示的是波形,只能读出波的周期,通常是毫秒级甚至更小的数量级的,而频率是周期的倒数,这样读出的周期有一点误差计算出频率的误差就会被放大。 李萨如图形法：优点：可以直观的观察出波形。测量相对准确。缺点：操作比较费时，同时，它只是适合测量频率较低的信号。 九、实验总结       本次实验利用示波器测量了示波器自带方波输出信号的周期，并且用时基为0.1ms/cm测出的数据更准确，因为此时基下只显示了一个周期，在屏幕一定的情况下相当于放大了周期长度，缩小了误差，置信度较大。减小误差注意事项：（1）在读取数据时一定要认真，尽量减小因人为因素导致的误差并且防止造成读数误差。（2）观察李萨如图形时，使李萨如图形尽可能稳定后，再测量y轴和x轴的切点数。心得体会：此次实验是更加接近于一种体验性的实验，通过这次试验，我熟悉了示波器的使用方法，并且体会到了示波器中所表现的将一些不可见的动态量转化为另一种量直观的表现出来的方法。十、 原始数据： 本文禁止转载或摘编

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示波器的使用方法 - 示波器的基本实验 - 知乎

示波器的使用方法 - 示波器的基本实验 - 知乎切换模式写文章登录/注册示波器的使用方法 - 示波器的基本实验是德科技 Keysight Technologies​已认证账号本文适用于在校电子工程和物理专业学生的示波器实验室指南和教程。本示波器实验指南和教程适用于随教育培训套件 (DSOXEDK) 一同许可的 Keysight InfiniiVision 2000， 3000 X 系列示波器和4000 X 系列示波器。基本示波器和波形发生器测量实验示波器基本实验 #1：对正弦波执行测量示波器基本实验 #2：了解示波器触发的基本知识 示波器基本实验 #3：触发噪声信号示波器基本实验#4：记录和保存示波器测试结果示波器基本实验 #5：补偿 10:1 无源探头示波器基本实验 #6：使用内置函数发生器生成波形示波器入门使用方法 - 什么是示波器？对于如今的模拟和数字电路来说，示波器是进行电压和定时测量的重要工具。当您最终从电子工程学校毕业，进入电子行业工作时，您可能会发现在测试、验证和调试设计方面，使用示波器这一测量工具的频率要比任何其他仪器都要高得多。即使是在特定大学里学习电子工程或物理专业的课程期间，示波器这一测量工具也是在各个电路实验中用来测试和验证实验作业及设计的最常用仪器。遗憾的是，许多学生永远都不能完全掌握如何使用示波器。他们的使用模式通常是某个随机旋钮和按钮，直到示波器显示屏上奇幻般出现一个与他们要寻找的效果接近的图片。但愿在完成这一系列简短的实验后，您会对示波器是什么以及如何更有效地使用它有了更好的了解。那么，什么是示波器？示波器是一种电子测量仪器，可以在无干扰的情况下监控输入信号，随后以图形方式采用简单的电压与时间格式显示这些信号。您的教授在其学生时代使用的这类示波器可能就是完全基于模拟技术的示波器。这些采用早期技术的示波器通常称为模拟示波器，具有限定的带宽，不执行任何种类的自动测量，而且要求输入信号是重复的 （连续出现并重复输入信号）。您将在这一系列实验中 （可能会贯穿大学及研究生学习的其余时间）使用的这类示波器称为数字存储示波器，有时仅称为 DSO。或者，您可以使用混合信号示波器，该示波器将传统的 DSO 测量模拟与逻辑分析测量相结合，有时称为 MSO。请注意，所有的数字实时示波器基本上只有DSO和MSO之分。其它的叫法都是在这两种示波器的基础上增加某些功能而已。今天的 DSO 和 MSO 可以捕获并显示重复信号或单冲信号，它们通常包括一系列自动测量和分析功能，借助这些功能您可以比您的教授在学生时代更快速、更准确地体现设计和学生实验的特征。快速了解如何使用示波器以及示波器有何功能的最佳方式是首先了解示波器上的一些最重要的控件，然后只需开始使用其中一个测量一些基本的信号，如正弦波。获得 DSOXEDK 教育培训套件选项的许可后，Keysight TechnologiesInfiniiVision 2000 和 3000 X 系列示波器（在图 1 中显示）便会产生模拟和数字培训信号。我们将在这一系列简短实验中使用其中许多信号，帮助您了解如何使用示波器这一最重要的电子信号测量仪器。Keysight InfiniiVision 2000/3000 X 系列示波器执行示波器测量时的第一项任务通常是将示波器探头连接在测试设备与示波器的输入 BNC 接口之间。示波器探头在测试点提供相对较高的输入阻抗端子功能（高电阻，低电容）。高阻抗连接对于将测量仪器与测试电路分隔开来非常重要，因为我们不希望示波器及其探头改变测试信号的特征。有多种不同种类的示波器探头可用于特定类型的测量，但是您今天将使用的探头是最常用的探头类型，称为 10:1 无源电压探头，如图 2 所示。“无源”仅意味着此类型的探头不包括任何“有源”组件，如晶体管和放大器。“10:1”意味着此探头将以 10 为常量衰减示波器输入中接收的输入信号。图2. 无源 10:1 电压探头使用标准的 10:1 无源探头时，应在信号测试点与地面之间执行所有的示波器测量。换句话说，您必须 将探头的接地夹接地。若被测点是浮地的，我们不建议使用此类探头直接测量电路中组件之间的相对电压。如果需要测量未接地组件内的电压，则在使用示波器的两条通道相对于地面测量组件两端的信号时，可以使用示波器的减法数学函数（在实验 #13 期间介绍），或者可以使用特殊的差分有源探头。另外还应注意，绝不应使示波器的部件成为被测电路功能结构的一部分。图 3 显示了使用示波器的默认 1 MΩ 输入选择 （这是使用此类探头时必需的）连接到示波器时的 10:1 无源探头的电子模型。请注意，许多较高带宽的示波器还具有用户可选择的 50 Ω 输入端子选择，这种选择通常用于有源探头端子和／或使用 50 Ω BNC 同轴电缆从 50 Ω 电源直接输入信号时。图3. 连接到示波器的 1 MΩ 输入阻抗的 10:1 无源探头的简化示意图尽管无源探头和示波器的电子模型包括固有／寄生电容 （非设计）以及特意设计的补偿电容网络，但是现在让我们忽略这些电容元件，并分析低频或直流电输入条件下此探头／示波器系统的理想信号行为。从探头／示波器电子模型中删除所有的电容组件后，只剩下与示波器的 1 MΩ 输入阻抗串联的 9 MΩ 探头端部电阻。探头端部的净输入电阻则为 10 MΩ。使用欧姆定律，您会发现示波器输入处接收的电压电平将为探头端部处电压电平的 1/10 (Vscope = Vprobe x (1 MΩ/10 MΩ))。这意味着，使用 10:1 无源探头时，示波器测量系统的动态范围已被扩展。换句话说，与使用 1:1 探头测量的信号相比，您测量的信号幅度可高出 10 倍。此外，示波器测量系统 （探头 + 示波器）的输入阻抗将从 1 MΩ 增加到 10 MΩ。这是好事，因为较低的输入阻抗可以负载测试设备 (DUT)，但是会更改 DUT 内的实际电压电平 （这不是好事）。尽管净输入阻抗 10 MΩ 确实很大，但是您必须记住，必须要考虑到与探测设备的抗阻相关的这一负载阻抗量。例如，具有 100 MΩ 反馈电阻器的简单运算放大器电路可能会在示波器上提供一些错误的读数。如果您在电路实验中使用 Keysight 3000 X 系列示波器，则此示波器将自动检测并将探头衰减常数设置为 10:1。如果您使用 Keysight 2000 X 系列示波器，则必须手动输入探头衰减常数 (10:1)。示波器知道探头衰减常数后 （自动检测或手动输入），会提供所有垂直设置的补偿读数，以便将所有的电压测量引用到探头端部的无衰减输入信号。例如，如果您探测 10 Vpp 信号，则在示波器输入处收到的信号实际上仅为 1 Vpp。但是，由于示波器知道您使用的是 10:1 分压器探头，因此示波器在执行电压测量时将报告看到了 10 Vpp 的信号。到达实验 #5 （补偿您的 10:1 无源探头）时，我们将回过头研究此无源探头模型，并说明电容组件。探头／示波器电子模型中的这些元件将影响组合示波器和探测系统的动态／交流电性能。示波器前面板首先让我们了解示波器上最重要的控件／旋钮。在示波器顶部附近是“水平”控件，如图 4 所示。较大的旋钮用于设置水平刻度调整 （秒／格）。此控件可用于设置显示波形的 X 轴刻度调整。一个水平“格”为每个垂直网格线之间的 Δ-time。如果要查看更快的波形 （频率较高的信号），则将水平刻度调整设置为较小的 sec/div 值。如果要查看更慢的波形 （频率较慢的信号），则通常将水平刻度调整设为较高的 sec/div 设置。“水平”部分中较小的旋钮可用于设置波形的水平部分。换句话说，使用此控件可以左右移动波形的水平位置。示波器的水平控件（s/div 和位置）通常称为示波器的主要“时基”控件。值得注意的是，旋钮都是可以按下的。用来调整时基设置的旋钮按下是在精调与粗调之间切换。用来控制水平位移的旋钮按下可以迅速将波形的偏移归零。图4. 示波器水平 （X 轴）控件示波器底部附近垂直部分（在输入 BNC 的正上方）中的控件／旋钮（请参考图 5）可用于设置示波器的垂直刻度调整。如果使用双通道示波器，则有两对垂直刻度调整控件。如果使用四通道示波器，则有四对垂直刻度调整控件。垂直部分中每个输入通道的较大旋钮可用于设置垂直刻度调整系数 （伏／格）。这是波形的 Y 轴图形刻度调整。一个垂直“格”为每个水平网格线之间的 Δ-volts。如果要查看相对较大的信号 （高峰峰值电压），则通常将 Volts/div 设置设为相对高的值。如果查看小的输入信号电平，则应将 Volts/div 设置设为相对低的值。垂直部分中每个通道的较小控件／旋钮是位置／偏移控件。您可以使用此旋钮在屏幕上上下移动波形。垂直调整旋钮也是可以按下的。用来调整通道垂直分辨率的旋钮按下是在精调与粗调之间切换。用来控制垂直位移的旋钮按下可以迅速将波形的垂直偏移归零。图5. 示波器垂直 （Y 轴）控件另一个非常重要的示波器设置变量是触发电平控件／旋钮，如图 6 所示。此控制旋钮位于示波器前面板中心附近，标记为触发的部分下方。触发可能是示波器被了解得最少的方面，但该功能是示波器中您应了解的最重要功能之一。在进入实践实验时，我们将更为详细地介绍示波器触发。图6. 示波器触发电平控件阅读下面实验中的说明时，任何时候都会看到一个用方括号括住的粗体字，如 [ 帮助]，这是位于指示波器右侧的一个前面板键 （或按钮）。按下该键时，具有与该特定前面板功能关联的“软键”选择的唯一菜单将被激活。“软键”是位于示波器显示屏下方的 6 个键／按钮。根据激活的菜单，这些键的功能会发生变化。现在找到图 7 中显示的 Entry 控制旋钮。这是示波器显示屏右侧位于黑色阴影区域中的旋钮。我们会非常频繁地使用此旋钮来更改一系列不具备专用前面板控件的设置变量和选择。选择软键时，任何时候您都会看到绿色的弯曲箭头 ，这指示 Entry 旋钮可用于控制此变量。请注意，此旋钮还用于设置波形亮度级别。让我们开始使用示波器进行测量！图7. 示波器通用 Entry 控件示波器基本实验 #1：对正弦波执行测量在第一个实验中，您将学习如何使用示波器的水平和垂直刻度调整控件来正确设置示波器，从而显示重复正弦波。此外，还将学习如何对此信号执行一些简单的电压和定时测量。1 将一个示波器探头连接到通道 1 输入 BNC 和标记为“Demo1”的输出端子之间，如图 8 所示。将此探头的接地夹连接到中心端子 （接地）。图8. 将通道 1 和通道 2 输入之间的探头连接到培训信号输出端子 2. 将第二个示波器探头连接到通道 2 输入 BNC 和标记为“Demo2”的输出端子之间，如图 8 所示。将此探头的接地夹连接到中心端子。3 按前面板右上部分附近的 [默认设置] 键。默认设置会将示波器置于工厂预设配置中。这不仅会将示波器的 X 和 Y 刻度调整系数设置为预设值，而且还会关闭某个学生可能使用的任意特殊操作模式。4 按 [帮助] 前面板键 （在通道 2 垂直控件旁边）。5 按示波器显示屏下方的培训信号软键。6 使用 Entry 旋钮选择正弦信号 （列表顶部），然后按输出软键将其打开。现在，Demo1 端子上应存在正弦波，但是还不能使用示波器的默认刻度调整系数来识别。我们现在将调整示波器的垂直和水平设置，以扩展此波形并将此波形位于显示屏的中心。7 顺时针旋转通道 1 V/div 旋钮，直到您看到显示的波形覆盖屏幕一半以上。正确的设置应为 500 mV/div，在显示屏左上角附近显示为“500mV/”。8 顺时针旋转 s/div 旋钮 （“水平”部分中的大旋钮），直到您观察到显示屏上出现正弦波的两个以上周期。正确的设置应为 50 ns/div，在显示屏顶部中间附近显示为“50.00ns/”。您的示波器的显示屏现在应与图 9 类似。至此我们完成了时基的基本设置。图9 用于查看正弦波培训信号的初始设置9 旋转“水平”位置旋钮，左右移动波形。10 按“水平”位置旋钮，将其设回到零 （在中心屏幕上显示为 0.0 秒）。11 旋转通道 1 垂直位置旋钮，上下移动波形。请注意，左侧的地指示器也会上下移动，并告知我们此波形上 0.0 伏 （接地电平）所在的位置。12 按通道 1 垂直位置旋钮将接地 (0.0 V) 设回中心屏幕。现在，让我们对此重复正弦波执行一些测量。请注意，示波器的显示屏基本上是 X - Y 图形。在我们的 X 轴（水平）上，我们可以测量时间，在我们的 Y 轴（垂直）上，我们可以测量电压。在许多电子工程或物理课程作业中，您可能计算过电子信号并在图纸上采用类似的格式画过图，只不过是静态的。或者，您或许使用过各种 PC 软件应用程序自动画过波形图。将重复输入信号应用于示波器时，我们可以观察到波形的动态 （持续更新）图。我们的 X 轴包含分布于屏幕上的 10 个主要格，每个主要格均等于 sec/div 设置。在这种情况下，每个水平主要格均表示 50 纳秒（假设示波器的时基设置为 50.0 ns/div，如前文所述）。由于屏幕中有 10 个格，因此示波器从显示屏的左侧到显示屏的右侧显示 500 ns（50.0 ns/div x 10 格）。请注意，每个主要格还被分为 4 个次要格，在中心水平轴上显示为勾选标记。每个次要格则表示 1/4 div × 50 ns/div = 12.5 ns。我们的 Y 轴包含 8 个主要格（垂直方向），每个主要格均等于 V/div 设置，应设置为 500 mV/div。在此设置下，示波器可以测量高为 4 Vp-p（500 mV/div x 8 格）的信号。每个主要格分为 5 个次要格。每个次要格 （在中心垂直轴上表示为勾选标记）则均表示 100 mV。13 通过将一个上升沿 （中心屏幕）的 0.0 V 电平到下一个上升沿的 0.0 V 电平的格 （主要和次要）数累加起来，然后乘以 s/div 设置 （应为 50.0 ns/div），估算其中一个正弦波的周期 (T)。T= _____________14 此正弦波的频率是多少 (F = 1/T)。F = _____________现在，让我们估算这些正弦波的峰峰值电压电平，但是首先，让我们对垂直设置进行几项较小调整，从而帮助我们更准确地执行此测量。15 调整通道 1 垂直位置旋钮 （亮起的“1”键下面较小的旋钮），直到正弦波的负峰与其中一个主要格线 （或网格线）相交。16 接下来，调整水平位置旋钮 （前面板顶部附近的较小旋钮），直到正弦波的一个正峰与具有次要格勾选标记的中心垂直轴相交。17 现在，通过将正弦波的负峰到正峰的格 （主要和次要）数累加起来，然后乘以 V/div 设置 （应为 1 V/div），估算此正弦波的峰峰值电压。Vp-p = _____________现在，让我们使用示波器的“光标”功能来执行上述相同的电压和定时测量，但不必累加格数，然后乘以刻度调整系数。首先，找到前面板“测量”部分中的“ 光标”旋钮，如图 10 所示。图 10 . 测量光标旋钮18 按光标旋钮；然后旋转此旋钮，直到“X1”突出显示；接着再次按此旋钮进行选择 （如果您不是在旋转选中“X1”光标后第二次按此旋钮，可能会出现超时现象，随后 X1 光标将自动被选中，且该菜单将关闭）。19 旋转光标旋钮，直到 X1 光标 （#1 定时标识）在特定电压电平下与正弦波的某一上升沿相交。提示：在波形的某一点对齐光标，波形在该点与某一水平网格线交叉。20 再次按光标旋钮；旋转此旋钮直到“X2”突出显示；然后再次按此旋钮进行选择。21 旋转光标旋钮，直到 X2 光标 （#2 定时标识）在相同电压电平下与正弦波的下一上升沿相交。22 再次按光标旋钮；旋转此旋钮直到“Y1”突出显示；然后再次按此旋钮进行选择。图 11. 使用示波器的光标测量23 旋转光标旋钮，直到 Y1 光标 （#1 电压标识）与正弦波的负峰相交。24 再次按光标旋钮；旋转此旋钮直到“Y2”突出显示；然后再次按此旋钮进行选择。25 旋转光标旋钮，直到 Y2 光标 （#2 电压标识）与正弦波的正峰相交。26 此信号的周期、频率和峰峰值电压 （光标读数在显示屏的右侧）是多少？ΔX = _____________ 1/ΔX = _____________ ΔY(1) = _____________用于测量示波器上的时间和电压的最常用方法是我们最初使用的“将格累加起来 ”方法。尽管必须将格累加起来，然后乘以示波器设置，但是熟悉其示波器的工程师可以快速估算信号的电压和定时参数，有时大致的估算是了解信号是否符合测试要求快速的手段。使用光标进行测量更准确一点，并能从测量中去除猜测因素。今天的大多数示波器还提供了一种自动执行许多参数测量的更准确且更快的方式。当我们开始对一些数字信号执行某些测量时，我们将回过头使用实验 #10 期间示波器的自动参数测量。但是现在，我们需要回过头来了解示波器的触发功能。示波器基本实验 #2：了解示波器触发的基本知识正如前面所说，示波器触发可能是示波器最重要的功能。如果要从示波器测量中获得最多收益，应了解此功能。尝试对今天许多更复杂的数字信号执行测量时，此功能特别重要。遗憾的是，示波器触发是示波器操作中被了解得最少的方面。可将示波器“触发”看作“同步图片获取”。当示波器捕获并显示重复输入信号时，每秒可获取输入信号的数万个图片。为了查看这些波形 （或图片），必须将图片获取与“某一刻”同步。“某一刻”是输入信号中的唯一时间点，或者在使用示波器的多个通道时，是基于输入信号的布尔组合的唯一时间点 （逻辑“码型 ”触发）。示波器触发的模拟情景是赛马比赛终点的照片。尽管不是重复事件，相机快门必须与头马鼻子通过终点线的那一刻同步。在赛马开始和结束之间的某一时间随机获取赛马图片，类似于查看示波器上未触发的波形。要更好地了解示波器触发，让我们对实验 #1 中使用的我们熟悉的正弦波执行更多测量。1 确保您的两个示波器探头始终分别连接到标记为 Demo1 和 Demo2 的端子与通道 1 和通道 2 输入 BNC 之间。2 按下示波器前面板上的 [默认设置]。3 按 [帮助]，然后按培训信号软键。4 使用 Entry 旋钮选择“正弦”培训信号，然后按下输出软键将其打开。5 将通道 1 的 V/div 设为 500 mV/div。6 将示波器的时基设置为 50.00 ns/div。7 按 [触发] 前面板键。您的示波器的显示屏现在与图 12 类似。如果使用示波器的默认触发条件，则此信号与 0.0 V 电平（触发电平设置）交叉时，示波器应在通道 1 探测并捕获的正弦波的上升（斜率选择）沿（触发类型选择）上触发。如果水平位置控件设置为 0.0 秒 （默认设置），则此时间点显示在中心屏幕上。在触发点之前捕获的波形数据 （显示屏左侧）被视为负时间数据，而在触发之后捕获的波形数据（显示屏右侧）被视为正时间数据。图12. 于 0.0 伏时在通道 1 的上升沿上触发示波器请注意，显示屏顶部附近“填充的”橙色三角形指示触发时间点 (0.0 s) 所在的位置。如果调整水平延迟／位置，此橙色三角形会从中心屏幕移走。中心屏幕上的“空心”橙色三角形 （仅在延迟／位置不是 0.0 s 时才可见）指示使用示波器的默认“中心”参考时延迟设置的时间位置。8 顺时针旋转触发电平旋钮，可增加触发电平电压设置。 9 逆时针旋转触发电平旋钮，可减小触发电平电压设置。增加触发电平电压设置时，应观察到正弦波在一定时间内会向左侧移动。如果减少触发电平电压设置，则正弦波会向右侧移动。最初旋转触发电平旋钮时，水平的橙色触发电平指示器将出现，实际触发电压设置始终显示在示波器显示屏的右上角。如果停止旋转触发电平旋钮，则橙色触发电平指示器将超时，且在几秒钟后会消失。但是，左侧的波形格线区域外侧仍会显示一个黄色的触发电平指示器，以指示触发电平相对于波形的设置位置。10 旋转触发电平旋钮，以将触发电平设置为恰好 500 mV（在中心屏幕上 1 格）。请注意，实际触发电平显示在显示屏的右上角。11 按斜率软键，然后选择下降沿触发条件。现在，正弦波应反转 180 度，波形的下降沿将与中心屏幕同步，如图 13 所示。图 13. 在 + 500 mV 下于正弦波的下降沿上触发12 增加触发电平电压设置，直到橙色电平指示器位于正弦波正峰上方 （大约 +1.5 V）。在正弦波上方设置触发电平时，示波器的采集和显示 （重复图片获取）不再与输入信号同步，因为示波器在此特定触发电平设置下找不到任何边沿交叉。您示波器的显示屏现在与图 14 类似。示波器现在处于“自动触发”模式下。图14. 在输入信号上方设置触发电平时自动触发自动触发是示波器的默认触发模式。当示波器使用自动触发模式时，如果示波器在一段时间 （时间会发生变化且取决于示波器的时基设置）后找不到有效的触发条件（在这种情况下正弦波的边沿交叉），则示波器将生成其各自的异步触发，并开始在随机时间获取输入信号图片 （采集）。由于“图片获取”现在是随机的，而不是与输入信号同步，因此我们看到的只是屏幕中波形的“模糊”画面。此波形的“模糊”画面会提示我们，示波器不会在输入信号上触发。13 按触发电平旋钮，以将触发电平自动设置为约 50%。14 从 Demo1 端子断开通道 1 探头连接。从信号源断开通道 1 探头连接后，现在应看到基线 0.0 V 直流信号。因为有了此 0.0 V 直流信号，我们不再具有边沿交叉，因而示波器不会触发；示波器再次“自动触发”是为了向我们显示此直流电平信号。除了默认的自动触发模式外，示波器还具有另一种用户可选择的触发模式，称为正常触发模式。现在，让我们看一下正常触发模式与自动触发模式有何不同。15 将通道 1 探头重新连接到 Demo1 端子。您应该会再次看到触发的正弦波。16 按 [模式／耦合] 前面板键 （在触发电平旋钮右侧）。17 旋转 Entry 旋钮将触发模式选择从自动更改为正常。此时，您应该看不出显示波形中有任何差异。18 再次从 Demo1 端子断开通道 1 探头连接。现在，您应看到探头断开连接之前发生的最后一次采集 （最后一张图片）。我们看不到自动触发模式显示的 0.0 V 直流电平轨迹。如果选择正常触发模式，则当且仅当 示波器检测到有效的触发条件 （在这种情况下为边沿交叉）时示波器仅会显示波形。19 顺时针旋转触发旋钮，以便将触发电平设置在 +1.50 V（在我们的正弦波上方）。20 将通道 1 探头重新连接到 Demo1 端子。正弦波现在已连接且正在输入到示波器，但是此信号的重复显示在哪里？由于我们使用的是正常触发模式，因此示波器仍然需要有效的边沿交叉，但是由于触发电平设置在波形上方 (@ +1.50 V)，因此不存在有效的边沿交叉。正如我们使用正常触发模式看到的一样，对于波形的位置我们没有任何线索，我们无法测量直流电源。21 按触发电平旋钮，以将触发电平自动设置为约 50%。示波器应该开始再次显示重复波形。一些较早使用的示波器将我们今天称为正常的触发模式叫作“触发的”触发模式，实际上可能是此触发模式的更具体的说明性术语，因此在此模式下，示波器仅在发现有效的触发条件时才触发，不会生成自动触发 （异步触发，以生成异步图片获取）。稍显矛盾的是，正常触发模式不是“通常”使用的触发模式，它不是示波器的默认触发模式。通常使用的触发模式为自动触发模式，是示波器的默认触发模式。此时，您可能会好奇要何时使用正常触发模式。当触发事件不是频繁发生时 （包括单冲事件），应使用正常触发模式。例如，如果您将示波器设置为显示非常窄的脉冲，但是如果此脉冲只以 1 Hz 的频率出现 （每秒出现一次），并且如果示波器的触发模式被设置为自动触发模式，则示波器会生成许多异步生成的自动触发，而不能显示罕见的窄脉冲。在这种情况下，您需要选择正常触发模式，这样示波器将等到获取有效的触发事件后，才显示波形。稍后，我们将在今后实验期间连接到这类信号。但是现在，让我们了解有关在噪声信号上触发的更多信息。示波器基本实验#3：触发噪声信号重复正弦波大概是示波器触发的信号中最简单的一种类型。但是，在真实世界中，信号不是如此简单。在本实验中，我们将了解学习如何在嘈杂的环境 （真实世界情况）中触发信号，还将学习如何使用波形平均化消除数字化波形中的噪声。1 确保您的两个示波器探头始终分别连接到标记为 Demo1 和 Demo2 的端子与通道 1 和通道 2 输入 BNC 之间。2 按下示波器前面板上的 [默认设置]。3 按 [帮助]，然后按培训信号软键。4 如果使用 Entry 旋钮，此时应选择“带噪声的正弦”信号，然后按下输出软键将其打开。5 将通道 1 的 V/div 设为 500 mV/div。 6 将示波器的时基设置为 200.0 µs/div。即使示波器的默认设置条件将示波器配置为于 0.0 V 时在上升沿触发，示波器也会在此噪声正弦波的上升沿和下降沿触发，如图 15 所示。示波器实际上仅在上升沿触发。但是，当示波器在正弦波的下降沿触发时，实际上是在正弦波上随机噪声的上升沿触发。图15. 尝试在嘈杂的环境中触发信号7 通过将时基设置为 200.0 ns/div，验证示波器是否在噪声的上升沿触发。8 将示波器的时基设回到 200.0 µs/div。那么，我们如何在仅与正弦波 （无噪声）的上升沿重合的情况下使示波器触发？现在，让我们更多地了解一些示波器的用户可选择触发耦合选项。9 按 [模式／耦合] 前面板键 （触发电平旋钮旁边）。10 按高频抑制软键，以打开“高频抑制”滤波器。向示波器输入的信号实际上被拆分并沿着示波器内部的两条不同模拟路径向下发送。沿着其中一条路径向下的信号将被示波器的采集系统捕获 （图片获取系统）。类似的信号沿着一条单独的路径向下发送，由示波器的模拟触发电路处理。（请参考附录 A 中显示的示波器框图。）选择高频抑制后，由示波器的模拟触发电路处理的信号首先通过 50 kHz 低通滤波器。由于噪声由广泛连续的频率组成，包括高频率分量，因此触发电路随后会“看到”消除／衰减了大部分噪声的正弦波，而沿着采集路径向下发送的信号不受影响 （噪声被保留）。这样，我们就会看到噪声，如图 16 所示，但是示波器的触发电路看不到噪声。但是有一些限制。图16. 使用高频抑制触发噪声正弦波由于高频抑制滤波器基于固定的 50 kHz 低通硬件滤波器，因此不能在更高频率的信号上使用。这种 50 kHz 低通滤波器不影响我们的 1 kHz 正弦波培训信号。但是，如果我们尝试在 20 MHz 噪声正弦波上使用触发高频抑制，则 50 kHz 滤波器将“消灭”噪声和基本 20 MHz 正弦波，使其不可能触发任何信号。但是，我们还有两个选项。11 再次按高频抑制软键，将其关闭。示波器应再次在正弦波的上升沿和下降沿 触发。12 按噪声抑制软键，以打开“噪声抑制”滤波器。噪声抑制滤波器不是基于频率，而是基于幅度。尽管我们讨论了单触发电平，实际上信号必须交叉通过两个电平才能被鉴定为有效触发。这称为“触发滞后”，有时称为“触发灵敏度”。大多数示波器的默认触发灵敏度为 0.5 格。这意味着，输入信号必须摆动至少 0.5 格 （峰到峰）才能被鉴定为有效触发条件。但是，这也意味着，当噪声超过越 0.5 格 （峰到峰）时，示波器会触发噪声。选择噪声抑制时，示波器的滞后被扩展到约 1.0 格 （峰到峰）。对于这种特定的噪声正弦波，大多数时候，1.0 格的触发滞后可以解决我们遇到的问题。您可能会注意到示波器的显示屏上有一些“闪光”现象。这意味着，1.0 格的滞后相当不足。另一种解决方案是使用示波器的触发释抑功能，我们将在实验 #7 期间讨论。从带有噪声的此正弦波的测量离开之前，如果您想要查看此正弦波并对其执行测量，但却没有随机噪声，情况会怎样？13 按高频抑制软键。现在，高频抑制滤波以及噪声抑制滤波都应打开，为我们提供一种非常稳定的触发。14 按前面板波形区中的 [采集] 键 （就在光标旋钮下方）。15 旋转 Entry 旋钮将示波器的采集模式从正常更改为平均。选择平均采集模式时，示波器会对多个波形采集一起进行平均操作。如果信号中的噪声是随机的，则噪声分量会平均出来，因此我们随后可以仅对基本信号分量执行更准确的测量，如图 17 所示。图17. 使用示波器的平均采集模式消除噪声16 使用我们在实验 #1 中学到的测量技术确定以下各项：周期 = _____________频率 = _____________ Vp-p = _____________示波器基本实验 #4：记录和保存示波器测试结果完成各种电路实验作业后，您的教授可能需要您详细描写测试报告。可能需要包括实验报告中测量的图像 （图片）。此外，如果您不能在某个会话期间完成实验作业，则可能需要稍后继续测试。但是，如果您可以从中断的地方恢复，效果会好，您不必重新设置示波器，可能也不必重新采集波形。在本实验中，您将了解如何保存并调用各种示波器文件类型，包括图像、参考波形和设置。对于本实验，您必须有权访问个人 USB 存储设备。1 确保您的两个示波器探头始终分别连接到标记为 Demo1 和 Demo2 的端子与通道 1 和通道 2 输入 BNC 之间。2 按下示波器前面板上的 [默认设置]。3 按 [帮助]，然后按培训信号软键。4 使用 Entry 旋钮选择“正弦”波形，然后按下输出软键将其打开。5 将通道 1 的 V/div 设为 500 mV/div。6 将示波器的时基设置为 100 ns/div。此时，您应该会看到正弦波的五个周期，如图 18 所示。现在，让我们保存此图像 （图片）、保存波形，并保存设置。图18. 我们要保存以便归档及随后分析的正弦波的五个周期7 将您的个人 USB 存储设备插入示波器的前面板 USB 端口。8 按前面板文件区中的 [保存／调用] 键 （在光标旋钮下方）。9 按保存软键，然后按格式软键。10 使用 Entry 旋钮选择 PNG 24 位图像 (*.png)。11 按保存到（或按下选择）软键，然后使用 Entry 旋钮指向 \usb。12 按文件名软键，然后旋转 Entry 旋钮并为此文件提供名称。现在，我们将其称为“test”。13 旋转通用 Entry 旋钮时，字母数字字符串将弹出。只需拨号到第一个字母（在本例中为“t”），然后按 Enter 软键，或按 Entry 旋钮。14 对此文件名中其余的每个字符重复步骤 #13。15 按删除软键，从默认文件名中删除其余所有字符。16 按增量软键，以关闭自动增量 （框应为黑色）。请注意，如果自动增量已启用，则示波器将自动增加与文件名关联的数字。如果您打算保存多个图像，则这可能非常有用，您无需在每个保存操作之间手动重新输入不同的文件名。17 按下按下以保存软键。您的 USB 存储设备现在应具有与图 18 类似的示波器显示屏的存储图像。文件名应为“test.png”。您可以打开此文件或随后将其插入 Microsoft-Word 文档，以查看它是否真的在那里。现在，让我们来保存示波器的设置条件。18 按下 [保存／调用] 前面板键。19 按保存软键，然后按格式软键。20 使用 Entry 旋钮选择设置 (*.scp)。21 按保存到（或按下选择或位置）软键。22 使用 Entry 旋钮指向 \usb，然后按 Entry 旋钮。23 按文件名软键。您会看到以前输入的文件名将变为新的默认文件名。由于“设置”文件格式使用其他文件扩展名，因此可以使用相同的文件名。24 按下按下以保存软键。USB 存储设备现在应该具有名为“test.scp”的文件，其中包含示波器的当前设置配置。我们将在以后调用此设置配置。请注意，您还可以将设置保存到示波器内部的某个闪存寄存器。但是，接下来可能使用此示波器的某个学生会用他／她的设置覆盖此存储寄存器。因此，作为学生，使用共享示波器借助自己的个人存储设备保存示波器设置和波形始终是很好的方法。现在，让我们保存参考波形数据文件。25 按下 [保存／调用] 前面板键。26 按保存软键，然后按格式软键。27 使用 Entry 旋钮选择参考波形数据文件 (*.h5)。28 按保存到（或按下选择）软键。29 使用 Entry 旋钮指向 \usb，然后按 Entry 旋钮。30 按文件名软键。重申一下，我们不需要定义新的名称，因为此文件格式还具有唯一的文件扩展名 (test.h5)。31 按下按下以保存软键。请注意，我们在前面保存 .png 文件类型后，这仅是示波器显示的像素映射。此类文件不能回调到示波器中，而且无法对此类文件中存储的数据执行测量。此类文件以及 .bmp 文件类型主要对归档目的 （如纳入实验报告中）非常有用。但是，我们刚刚存储的“参考波形”数据文件 (.h5) 会将电压与时间数据作为 X-Y 对来保存。此类文件可以回调到示波器中，以便以后进行文件。您还可以将此类文件回调到许多 PC 应用程序中，以便进行更广泛的脱机分析。既然我们已保存了示波器的设置配置，而且还保存了波形 （正弦波的四个周期），让我们看一下是否可以调用这些文件。不过，首先我们会从默认设置开始，目的是破坏您在屏幕上看到的当前设置和波形。32 按下 [默认设置]。33 按下 [保存／调用]。34 按下调用软键，然后按下一个调用软键。35 使用 Entry 旋钮选择设置作为要调用的文件类型。36 按位置（或按下选择或调用自）软键，然后使用 Entry 旋钮指向“test”。 37 按按下以调用软键，或者按 Entry 旋钮。我们应该刚将示波器的设置恢复到其以前的配置。但是，示波器不会保存培训信号的状态。因此，此时我们看到的唯一波形应为基线 (0.0 V) 信号，因为探头的输入中没有出现信号。现在，让我们调用以前保存的波形。38 按调用软键，然后使用 Entry 旋钮选择参考波形数据 (*.h5)。39 按调用自（或按下选择或位置）软键，然后使用 Entry 旋钮指向“test”。 40 按按下以调用软键，或者按 Entry 旋钮。现在，您应该使用以前的设置配置查看我们已存储的正弦波版本 （以及活动 0.0 V 基线信号），如图 19 所示。此时，您可以更改设置 （如果您愿意），还可以继续对此存储的波形执行测量。请注意，保存／调用数据后，您可以随时删除您的 USB 存储设备。图19. 调用示波器的设置配置和波形示波器基本实验 #5：补偿 10:1 无源探头既然您已完成了此示波器培训指南中的前四个实验，应该在一定程度上熟悉了如何使用示波器进行基本电压和定时测量，让我们回过头来再次讨论探测。在本指南的入门部分中，我们简要讨论了探测，并显示了 10:1 无源探头和示波器的输入组合的电子输入模型。探头和示波器的此电子模型在此处再次显示在图 20 中。图20. 连接到示波器的 1 MΩ 输入阻抗的 10:1 无源探头的简化示意图如果您记住了，就说明系统已指导您忽略此电子模型中的电容组件，只考虑阻性组件。当前我们只观察阻性组件时，我们已确定探头的 9 MΩ 探头端部电阻以及示波器的 1 MΩ 输入阻抗建立了 10:1 分压器比率。对于低频或直流电应用，忽略电容元件是比较适宜的。但是，如果您需要测量动态信号 （示波器的主要测量应用），则不能忽略此电子模型的电容元件。所有示波器探头和示波器输入中本身都固有寄生电容。这些包括探头电缆电容 （C 电缆），以及示波器的输入电容 （C 示波器）。“固有／寄生”仅意味着电子模型的这些元件非有意设计，而是真实电子世界中原本就存在的。固有／寄生电容的数量随着示波器的不同和探头的不同而异。但是，如果没有其他的设计电容组件来补偿系统中固有的电容元件，则系统在动态信号条件 （非直流）下的阻抗会从探测系统的整体动态衰减改为不同于所需的 10:1 比率。沿着可调补偿电容 （C 组件）分布其他／设计的探针电容器 （C 探针）的目的是建立与 10:1 的阻性衰减匹配的电容阻抗衰减。正确调整补偿电容时，这还可以确保与 9 MΩ 电阻器并列的探针电容的时间常数，和与示波器的 1 MΩ 输入电阻器并列的固有和补偿电容的时间常数匹配。我们不会花很多时间讨论这一原理，只是连接到某个信号，并了解欠补偿、补偿过度和适当补偿的影响。但是，首先应注意我们会将通道 1 探头连接到前一个实验中的其他端子。1 将两个 示波器探头连接到标记了探头补偿的端子。请注意，这与称为 Demo2 的端子也是同一个端子。2 按下示波器前面板上的 [默认设置]。3 将通道 1 设置为 1.0 V/div。4 将通道 1 偏移／位置设置为 0.0 V（默认设置）。5 按触发电平旋钮，以将通道 1 上的触发电平设置为约 50%。6 按 [2] 前面板键以打开通道 2。7 将通道 2 设置为 1.0 V/div。8 将通道 2 偏移／位置设置为约 +3.5 V。9 将示波器的时基设置为 200.0 µs/div。如果正确补偿了探头，则应在示波器显示屏上看到两个带有平坦响应的 1 kHz 方波，与图 21 类似。现在，让我们调整每个探头上的探头补偿。图21. 使用示波器的 1 kHz 探头补偿信号补偿 10:1 无源探头10 使用小的“一字”螺丝刀，调整位于每个探头主体上的可变电容器。请注意，此调整有时位于一些探头的 BNC 连接端附近。图 22 显示了通道 1 探头（黄色波形）补偿过度的示例，以及通道 2 探头（绿色波形）欠补偿的示例。如果您没有观察到近乎完美的方波，则应重新调整探头上的探头补偿，直到示波器上的波形与图 21 类似。图22. 不当补偿的探头正确调整探头后，只要在此示波器上继续使用这些探头，在下次使用示波器时应该就不需要重新调整它们了。此时，您已完成了本实验的实践部分。如果您赶时间，并需要完成本章中最后一个实验，则应跳到实验 #6，然后读取本实验后面其余部分的内容。计算电容补偿的正确数量如果您面临挑战，请使用以下假设条件计算正确补偿所需的补偿电容 (C comp) 数量：对于计算所需的补偿电容 (C comp) 数量，最早的方法是使 R tip 和 C tip 并联的时间常数 (1/RC) 与 R scope 和 C parallel 并联的时间常数相等。请记住，C parallel 是探头／示波器模型中的三个电容元件的组合。另一种计算方法是使 C parallel 的电容阻抗的 9 倍与 C tip 电容阻抗的 1 倍相等。这将建立电容阻抗产生的衰减常数，与仅阻性网络 (10:1) 产生的衰减常数相同：探头负载除了适当补偿 10:1 无源探头以获得最为准确的示波器测量外，另一个必须要考虑的问题就是探头负载。换句话说，将探头和示波器连接到被测件 (DUT) 是否会改变电路的行为？将任何仪器连接到电路中后，仪器本身 （包括探头）都会成为 DUT 的一部分，并在某种程度上成为信号“负载”或改变信号的行为。如果使用上面列出的电阻和电容的给定值（以及已计算的 C comp 值），我们可以按照单个电阻器和电容器的并联方式将探头和示波器的负载影响通过建模方式合并在一起，如图 23 所示。图23. 10:1 无源探头和示波器负载模型对于低频或直流电应用，负载由 10 MΩ 电阻控制，在大多数情况下，这不应成为问题。但是，如果您探测的是 100 MHz 数字时钟信号，会怎么样？此数字时钟的第 5 个谐波 （用于创建此信号形状的重要分量）将为 500 MHz。现在，应计算由此负载模型的 13.5 pF 电容提供的阻抗，如图 23 所示：尽管 13.5 pF 看起来可能不多，但是频率越高，此负载电容数量就会很大。对于此类较高频的应用，大多数示波器供应商提供了可选的有源探头解决方案，它们具有更低的输入电容 （辅助 pF）。但是，这些类型的特殊探头成本比典型的 10:1 无源探头要高很多。最后，请注意本实验中显示的探头 + 示波器模型非常简单。较准确的模型还包括电感元件。电线 （特别是接地引线）应被视为电感元件，特别是对高频应用而言。示波器基本实验 #6：使用内置函数发生器生成波形除了示波器以外，您还将在各种电子工程和／或物理电路实验中使用大量测试设备，包括电源、数字万用表和函数发生器。函数发生器可以产生大量不同类型／形状的信号，这些将用作电路设计和实验的动态输入。Keysight 的 InfiniiVision 2000 和 3000 X 系列示波器具有内置的可选函数发生器，称为 WaveGen。若要完成这个简短的实验，前提条件是示波器上已正确安装此选件许可证。如果您不知道函数发生器功能是否已被许可并启用，请按 [Wave Gen] 前面板键。如果启用此选件，则波形发生器的菜单将出现。如果没有启用此选件，则您会看到屏幕上出现一条消息，指示此选件尚未得到许可。假设您的示波器具有 WaveGen 选件，让我们开始这一简短的实验，了解如何使用通用函数发生器。1 从示波器断开所有探头的连接。2 将 50 Ω BNC 同轴电缆连接到发生器的输出（电源开关旁边）与通道 1 输入BNC 之间。3 按下 [默认设置]。4 如果您使用的是 Keysight 2000 X 系列示波器，则需要将通道 1 的探头衰减常数设置为 1:1。按 [1] 前面板键，然后按探头软键。按新的探头软键，然后旋转 Entry 旋钮将衰减常数设置为 1.00:1。5 按 [WaveGen] 前面板键 （在通道 1 V/div 旋钮正上方）。6 按设置软键，然后按默认波形发生器软键。请注意，示波器的 [默认设置] 不会更改 WaveGen 的设置。因此，要确保从同一个起点开始，我们还需要发生器的默认设置。7 再次按 [WaveGen] 前面板键。8 将通道 1 的 V/div 设置设为 100 mV/div。9 将示波器的时基设置为 100.0 µs/div（默认设置）。您现在应该看到示波器上的正弦波的一个周期，与图 24 类似。峰峰值振幅为 500 mV 的 1.000 kHz 正弦波是 WaveGen 的默认信号。现在，让我们对信号进行一些更改。图24. 使用示波器的内置 WaveGen 函数发生器10 按频率软键，然后旋转 Entry 旋钮增加或减少频率。请注意，最大频率设置为 20.00 MHz。11 按振幅软键，然后旋转 Entry 旋钮以更改此信号的振幅。12 按偏移软键，然后旋转 Entry 旋钮以更改此信号的偏移。13 按波形软键，然后旋转 Entry 旋钮选择各种波形。请注意，选择方波后，您还可以微调占空比。选择脉冲后，您可以微调脉冲宽度。从此时开始，您可能不会将发生器的输出直接连接到示波器中了。您可能会将发生器的输出连接到电路的输入。随后，您将使用带有探头的示波器监视电路的输入和输出。就到这儿吧！了解使用示波器示波器进行实验测量的更多信息：编辑于 2022-08-04 09:28仪器仪表示波器示波器校准仪​赞同 403​​9 条评论​分享​喜欢​收藏​申请