数字示波器原理图

实验13 数字存储示波器实验目的1．了解示波器的基本工作原理和结构；2．学习示波器的基本使用方法；3．学习使用示波器测量正弦波信号的电压和周期；4．学习使用示波器观察李萨如图形。

实验仪器GDS2062数字存储示波器、F05A型数字信号发生器等实验原理1．数字存储示波器的基本原理数字存储示波器（简称数字示波器）与模拟示波器的结构完全不同，它是以微处理器系统（CPU）为核心，再配以数据采集系统、显示系统、时基电路、面板控制电路、存储器及外接控制器等组成。

其简单工作原理见图。

图13-1 数字示波器的工作原理图输入的模拟信号首先经垂直增益电路进行放大或衰减变成适于数据采集的模拟信号,随后的数据采集是将连续的模拟信号通过取样保持电路离散化,经A/D变换器变成二进制数码,再将其存入存储器中,采集是在时基电路的控制下进行的,采集的速率可通过“秒/格”旋钮来控制。

采集到的是一串数据流(二进制编码信息),在CPU的控制下依次写入随机存储器中,这些数据就是数字化的波形数据,CPU再不断地将这些数据以定速依次读出,通过显示电路将其还原成连续的模拟信号,使其在显示器上显示出来,屏幕在显示波形的同时,还通过微处理器对采集到的波形数据进行各种运算和分析,并将结果在显示器的适当位置上数字显示出来。

面板上的按钮和旋钮的功能设置都可直接在显示器上数字显示,数字示波器还有RS-232、GPIB 等标准通信接口,可根据需要将波形数据送到计算机作更进一步的处理或送打印机打印记录。

2．GDS2062数字存储示波器基本操作打开示波器后面的电源开关，按ON/键，示波器通电自检，按AUTOSET 键，示波器自动显示合适的波形。

（1）垂直控制区的操作 通道选择：按下CH1，黄色指示灯亮，示波器显示黄色线为CH1通道信号，按“AUTOSET ”键，示波器自动显示合适的波形。

同样按下CH2，蓝色指示灯亮，示波器显示蓝色线为CH2通道信号。

垂直功能的设置调节“位置”旋钮，曲线上下移动，调节“垂直档位”旋钮波形在垂直方向发生变化。

⽰波器基础系列之⼀-关于⽰波器的带宽（1）关于⽰波器的带宽汪进进美国⼒科公司深圳代表处带宽被称为⽰波器的第⼀指标，也是⽰波器最值钱的指标。

⽰波器市场的划分常以带宽作为⾸要依据，⼯程师在选择⽰波器的时候，⾸先要确定的也是带宽。

在销售过程中，关于带宽的故事也特别多。

通常谈到的带宽没有特别说明是指⽰波器模拟前端放⼤器的带宽，也就是常说的-3dB截⽌频率点。

此外，还有数字带宽，触发带宽的概念。

我们常说数字⽰波器有五⼤功能，即捕获（Capture），观察（View），测量(Measurement)，分析（Analyse）和归档（Document）。

这五⼤功能组成的原理框图如图1所⽰。

图1，数字⽰波器的原理框图捕获部分主要是由三颗芯⽚和⼀个电路组成，即放⼤器芯⽚，A/D芯⽚，存储器芯⽚和触发器电路，原理框图如下图2所⽰。

被测信号⾸先经过探头和放⼤器及归⼀化后转换成ADC可以接收的电压范围，采样和保持电路按固定采样率将信号分割成⼀个个独⽴的采样电平，ADC将这些电平转化成数字的采样点，这些数字采样点保存在采集存储器⾥送显⽰和测量分析处理。

图2，⽰波器捕获电路原理框图⽰波器放⼤器的典型电路如图3所⽰。

这个电路在模拟电路教科书中处处可见。

这种放⼤器可以等效为RC低通滤波器如图4所⽰。

由此等效电路推导出输出电压和输⼊电压的关系，得出理想的幅频特性的波特图如图5所⽰。

图3，放⼤器的典型电路图4，放⼤器的等效电路模型图5，放⼤器的理想波特图⾄此，我们知道带宽f2即输出电压降低到输⼊电压70.7%时的频率点。

根据放⼤器的等效模型，我们可进⼀步推导⽰波器的上升时间和带宽的关系式，即我们常提到的0.35的关系：上升时间=0.35/带宽，推导过程如下图6所⽰。

需要说明的是，0.35是基于⾼斯响应的理论值，实际测量系统中这个数值往往介于0.35-0.45之间。

在⽰波器的datasheet上都会标明“上升时间”指标。

⽰波器测量出来的上升时间与真实的上升时间之间存在下⾯的关系式。

数字示波器的原理与使用示波器一般分为模拟示波器和数字示波器；在很多情况下，模拟示波器和数字示波器都可以用来测试，不过我们一般使用模拟示波器测试那些要求实时显示并且变化很快的信号，或者很复杂的信号。

而使用数字示波器来显示周期性相对来说比较强的信号，另外由于是数字信号，数字示波器内置的CPU或者专门的数字信号处理器可以处理分析信号，并可以保存波形等，对分析处理有很大的方便。

数字存储示波器是20世纪70年代初发展起来的一种新型示波器。

这种类型的示波器可以方便地实现对模拟信号波形进行长期存储并能利用机内微处理器系统对存储的信号做进一步的处理，例如对被测波形的频率、幅值、前后沿时间、平均值等参数的自动测量以及多种复杂的处理。

数字存储示波器的出现使传统示波器的功能发生了重大变革。

【实验目的】1、了解数字式示波器的基本原理；2、学习数字式示波器的基本使用方法；3、使用数字示波器观测信号波形和李萨如图形。

【实验仪器】SDS1072CNL数字示波器，SIN一2300A系列双轨道DDS信号发生器【仪器介绍】SDS1072CNL数字示波器的前面板功能介绍见图4-11-7所示。

1.电源开关2.菜单开关3.万能旋钮4.功能选择键5.默认设置6.帮助信息7.单次触发8.运行/停止控制9.波形自动设置10.触发系统11.探头元件12.水平控制系统13.外触发输入端14.垂直控制系统15.模拟通道输入端16.打印键17.菜单选项B Host图4-11-7数字示波器的前面板1、垂直控制可以使用垂直控制来显示波形(按CH1或CH2)、调整垂直刻度(V-mV)和位置(Position)。

每个通道都有单独的垂直菜单。

每个通道都能单独进行设置。

1.CH1、CH2：模拟输入通道。

两个通道标签用不同颜色标识，且屏幕中波形颜色和输入通道连接器的颜色相对应。

按下通道按键可打开相应通道及其菜单，连续按下两次可关闭该通道。

2.MATH：按下该键打开数学运算菜单，可进行加、减、乘、除、FFT运算。

数字示波器的使用及其实验数据数字示波器的使用 1.实验原理:双踪示波器控制电路主要包括：电子开关、垂直放大电路、水平放大电路、扫描发生器、同步电路、电源等。

Y CH1Y CH2图1. 双踪示波器原理方框图其中，电子开关使两个待测电压信号YCH1和YCH2周期性地轮流作用在Y偏转板，这样在荧光屏上忽而显示YCH1信号波形，忽而显示YCH2信号波形。

由于荧光屏荧光物质的余辉及人眼视觉滞留效应，荧光屏上看到的是两个波形。

如果正弦波与锯齿波电压的周期稍不同，屏上出现的是一移动的不稳定图形，这是因为扫描信号的周期与被测信号的周期不一致或不呈整数倍，以致每次扫描开始时波形曲线上的起点均不一样所造成的。

为了获得一定数量的完整周期波形，示波器上设有“time/div”调节旋钮，用来调节锯齿波电压的周期，使之与被测信号的周期呈合适的关系，从而显示出完整周期的正弦波形。

当扫描信号的周期与被测信号的周期一致或是整数倍，屏上一般会显示出完整周期的正弦波形，但由于环境或其他因素的影响，波形会移动，为此示波器内装有扫描同步电路，同步电路从垂直放大电路中取出部分待测信号，输入到扫描发生器，迫使锯齿波与待测信号同步，此称为“内同步”。

如果同步电路信号从仪器外部输入，则称为“外同步”。

操作时，使用“电平（LEVEL）”旋钮，改变触发电平高度，当待测电压达到触发电平时，扫描发生器开始扫描，直到一个扫描周期结束。

但如果触发电位高度超出所显示波形最高点或最低点的范围，则扫描电压消失，扫描停止。

如果在示波器的YCH1或YCH2端口加上正弦波，在示波器的X偏转板加上示波器内部的锯齿波，当锯齿波电压的变化周期与正弦电压的变化周期相等时，则在荧光屏上将显示出完整周期的正弦波形，如图2所示。

如果在示波器的YCH1、YCH2端口同时加上正弦波，在示波器的X偏转板加上示波器内部的锯齿波，则在荧光屏上将得到两个正弦波。

图2. 示波器显示正弦波形的原理数字存储示波器的基本原理框图如图3所示：AcquistionDisplayA/DDeMUXuPDisplayInputAMPMemoryMemory图3. 数字存储示波器的基本原理框图数字示波器是按照采样原理，利用A/D变换，将连续的模拟信号转变成离散的数字序列，然后进行恢复重建波形，从而达到测量波形的目的。

目录第一章示波器基本原理 (2)1、1 模拟示波器 (2)1、1、1示波管 (2)1、1、2模拟示波器方框图 (3)1、2 数字存储示波器（DSO） (4)第二章示波器的使用 (5)2、1示波器的各个系统和控制 (5)2、2示波器的正确使用 (7)第三章模拟示波器的校准 (9)第四章数字存储示波器的使用和校准 (13)4、1 TDS220的结构 (13)4、2 TDS220的常规检查 (14)4、3 TDS220的校准过程 (16)第一章 示波器基本原理示波器是一种图形显示设备，它能够直接观测和真实显示被测信号，是观察电路实验现象、分析实验中的问题、测量实验结果必不可少的重要仪器，它可分为模拟和数字类型。

下面就分模拟和数字部分对示波器的基本原理进行简单介绍。

1、1 模拟示波器模拟示波器是第一代示波器产品，拥有极佳的"波形更新率"（约每秒超过二十万次），它仅仅在扫描的回扫时间及闭锁（Hold off ）时间内不显示信号，因此又称为模拟实时示波器（Analog Real Time Oscilloscope ）。

由于模拟示波器是数字示波器在的基础，我们先来看模拟示波器的工作原理。

1、1、1示波管模拟示波器的心脏是阴极射线管（CRT ），示波管由电子枪、偏转系统和荧光屏组成，它们被密封在真空的玻璃壳内，如图1-1所示。

电子枪向屏幕发射电子，发射的电子经聚焦形成电子束，并打在荧光屏上，荧光屏的内表面涂有荧光物质，这样电子束打中的点就发出光来。

电子在从电子枪到屏幕的途中要经过偏转系统，在偏转系统上施加电压就可以使光点在屏幕上移动。

偏转系统由水平（X ）偏转板和垂直（Y ）偏转板组成。

这种偏转方式称为静电偏转。

将输入信号加到Y 轴偏转板上，而示波器自己使电子束沿X 轴方向扫描。

这样就使得光点在屏幕上描绘出输入信号的波形。

这样扫出的信号波形称为波形轨迹1、1、2模拟示波器方框图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。

示波器的基本工作原理随着科学技术的发展，出现了各类电子示波器和示波测量仪器，如数字示波器、存贮示波器、取样示波器、扫频仪、晶体管图示仪等，但其基本组成都包括垂直通道、水平通道和波形显示三部分，如实图8-1所示。

8-1通用示波器的主要组成框图（一）垂直通道电子示波器中通常将被测信号加在垂直通道上，因此要求垂直通道不引起信号的失真。

为增加示波器的功能和使用灵活性，垂直通道通常包括输入衰减器、前置放大器、延迟线、输出放大器及转换开关等部分。

实图8-2为通用双踪示波器的垂直通道方框图。

1．输入电路示波器的输入电路具有较高的输入阻抗，能调节输入信号大小，具有AC和DC耦合方式。

输入电路通常包括探极和输入衰减器。

8-2垂直通道方框图探极安装在示波器机体外部，用电缆和机体相联，其作用是便于直接探测被测信号，提高示波器的输入阻抗，减少波形失真，展宽示波器的使用频带等。

最常用的探极为一无源RC 电路。

8-3 RC 补偿探极衰减电路，如实图8-3所示。

图中R2和C2（包括连接电缆的等效电路）为示波器的输入阻抗，R2通常为1M Ω ，R1为探头内的串联电阻通常为9M Ω，C1为探头的分布电容和微调补偿电容，以上电阻、电容组成一个具有高频补偿的RC 型分压器。

当 C R C R 2211=时，分压器的分压比为 ，而且与频率无关，当R1=9M Ω，R2=1M Ω ，分压比则为1：10，从探针看进去的输入电阻R=R1+R2=10M Ω，而输入电容C C ≈1，c c 21<< 。

因此探头输入电容大大减小，输入阻抗提高十倍，探头具有10倍的衰减。

在测试一个方波信号时调整探头补偿电容C1过大，使 C R C R 2211>，示波器显示波形将出现过补偿，当C1过小使C R C R 2211< ，将出现补偿，只有正确调整微调电容C1使C R C R 2211=时，示波器才能得到良好的方波。

如实图8-4所示。

示波器的DDC（数字下变频）技术详解如今随着电子产品设计的日趋复杂，DDC介绍R&S示波器硬件实现的DDC3.1 I/Q解调中的DDC3.2 频谱分析中的DDC示波器频谱分析功能一般采用FFT（Fast Fourier Transformation）即快速傅里叶变换。

传统数字示波器的频谱分析原理框图如图13所示。

图13 传统数字示波器频谱分析框图模拟信号经过ADC后变成数字信号，之后选择不同的窗函数进行加窗处理，最后直接做FFT将信号变换到频域。

通过该种处理方式得到的频谱范围为0Hz至最大频率（通常数值上等于ADC采样率的一半），例如ADC采样率为5GSa/s，那么FFT得到的频谱范围为0Hz至2.5GHz。

如果要观测某一段的频谱，则通过软件显示放大（Zoom）的方式将频谱放大显示到该频段。

这种传统示波器频谱分析方式的好处在于，所有处理过程采用软件计算，且算法简单，因此便于实现。

但如果追求更快的实时频谱测量或者更高精度的频谱分析，这种传统的处理方式就会显得非常困难。

由于采用全软件的处理方式以及一直是对整个频率范围（0Hz至最大频率）做计算，因此处理速度会很慢，无法做到实时或者准实时的频谱分析。

另外在示波器设置方面也会很复杂，需要不断的调整时域参数（如时基、采样率等）来满足需要的频域参数设置。

最重要的是，受到示波器存储深度的限制，并且通常使用的FFT点数只有几K，因此频率分辨率即最小能区分的频率大小会非常有限，通常情况下很难达到一个理想的频率分辨率。

一般来讲，频率分辨率有两种解释。

一种解释是，表示在FFT中，两个相邻频率点间的最小频率间隔，如公式(5)所示：∆f = fs / N = 1 / t (5)其中，∆f表示频率分辨率，fs表示ADC采样频率，N表示FFT的计算点数，t表示采集信号的时间长度，也就是捕获时间。

可以看出，信号采集时间t越长，频率分辨率∆f越小，也就是频率分辨力就越好。