第二章 信号发生器 示波器和数据处理应用软件第一节第一节 双踪数字示波器的使用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。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 1） 模拟示波器模拟示波器 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 2） 数字示波器数字示波器 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（数字存储示波器（DSODSO） 、数字荧光示波器（、数字荧光示波器（DPODPO）和采样示波器。）和采样示波器。 二、普通示波器的组成及原理 1.1.普通示波器的组成普通示波器的组成 普通示波器主要由示波管、示波管、Y Y 轴偏转系统、轴偏转系统、X X 轴偏转系统、扫描及整步系统、电源轴偏转系统、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各部分作用名称组成及作用示波管它是示波器的核心核心。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。2.2.原理原理 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：工作原理：在在 Y Y 轴偏转板上加一被测周期信号，同时，在轴偏转板上加一被测周期信号，同时，在 X X 轴偏转板上加一幅值随时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。号的波形。 4）波形的稳定条件稳定条件 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“时间因数时间因数” 旋钮旋钮（有的示波器称“扫描范围扫描范围” ）和“扫描微调扫描微调”旋钮旋钮来实现。 三、双踪示波器的组成及原理 1.1.双踪示波器的组成双踪示波器的组成 双踪示波器主要由垂直系统、水平系统和主机垂直系统、水平系统和主机（高、低压电源和显示电路）系统系统组成。2.2.双踪示波器的原理双踪示波器的原理 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，利利用用电电子子开开关关将将两两个个待待测测的的电电压压信信 号号 C CH H1 1 和和 C CH H2 2 周周期期性性的的轮轮流流作作用用在在 Y Y 偏偏转转板板上上，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 “同同步步”。 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 合合理理地地选选择择电电子子开开关关的的转转换换频频率率 ，使得在示波器上所显示的波形个数合适， 以便于观察。 3.3.电子开关（电子开关（Y Y 工作方式）的五种工作状态工作方式）的五种工作状态 当电子开关处于“CH1CH1”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“CH2CH2”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“CH1CH1CH2CH2”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叠加后形成的波形。 在“交替交替”状态时，电子开关产生一个方波信号方波信号，当方波在“1”“1” 电平电平时，门电 路只让 CH1CH1 通道的信号通过；当方波在“0”“0”电平电平时，门电路只让 CH2CH2 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 250kHz250kHz 的方波信号的方波信号。电子开关即以这个频率进行自动转换自动转换，轮流接通两个通道。适合于 显示频率较低的信号。 注意：注意：上述“交替”和“断续”两种方式都属于“双踪”显示的范围。4.4.探头探头 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 将待待测测信信号号正正确确接接入入示示波波器器 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。 5.5.延迟电路延迟电路 采用内触发扫描内触发扫描时，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。 6.6.触发扫描触发扫描 连续扫描方式：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：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：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。 7.7.校准信号发生器校准信号发生器 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。 8.8.电源电源 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、取样速率和带宽、上升时间、取样速率和 记录长度记录长度这几个参数。 带宽带宽 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 5 s，那么示波器的上升时间应该快于 1 s。 取样速率取样速率 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。5 f最高取样速率例如：对于 450 MHz 的信号，正确取样速率为2.25 GS/s。 记录长度记录长度 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 250 MS/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）（一）DS1102CDS1102C 型双踪示波器型双踪示波器图图 2-62-6 DS1102CDS1102C 型双踪示波器型双踪示波器 （二）测量前的准备工作：（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）VDiv10mVDivTDiv0.5msDiv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ACDC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