數(shù)字存儲(chǔ)示波器的原理及使用

1、 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的原理及使用示波器是一種用途十分廣泛的電子測(cè)量儀器。它能把肉眼看不見的電信號(hào)變換成看得見的圖象，便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過程。目前大量使用的示波器有兩種：模擬示波器和數(shù)字示波器。模擬示波器發(fā)展較早，技術(shù)也非常成熟，其優(yōu)點(diǎn)主要是帶寬寬、成本低。但是隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字示波器擁有了許多模擬示波器不具備的優(yōu)點(diǎn)：不僅具有可存儲(chǔ)波形、體積小、功耗低，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，而且還具有強(qiáng)大的信號(hào)實(shí)時(shí)處理分析功能；具有輸入輸出功能，可以與計(jì)算機(jī)或其他外設(shè)相連實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算或分析。隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，數(shù)字示波器的頻率范圍也越來越高了，其使用范圍將更為廣泛因此，學(xué)習(xí)數(shù)字示波器的使

2、用具有重要的意義。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解數(shù)字示波器的工作原理；2. 掌握數(shù)字示波器的使用方法；3. 會(huì)用數(shù)字示波器測(cè)量未知信號(hào)的參數(shù)。實(shí)驗(yàn)原理數(shù)字存儲(chǔ)示波器與模擬示波器不同在于信號(hào)進(jìn)入示波器后立刻通過高速A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)前端快速采樣，存儲(chǔ)其數(shù)字化信號(hào)。并利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)快速處理，得到信號(hào)的波形及其參數(shù)，并由示波器顯示，從而實(shí)現(xiàn)模擬示波器功能。而且測(cè)量精度高，還可以存儲(chǔ)和調(diào)用顯示特定時(shí)刻信號(hào)。一個(gè)典型的數(shù)字存儲(chǔ)示波器原理框圖如圖1所示，模擬輸入信號(hào)先適當(dāng)?shù)胤糯蠡蛩p，然后再進(jìn)行數(shù)字化處理。數(shù)字化包括“取樣”和“量化”兩個(gè)過程，取樣是獲得模擬輸入信號(hào)的離散值，而量化則是

3、使每個(gè)取樣的離散值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字，最后，數(shù)字化的信號(hào)在邏輯控制電路的控制下依次寫入到RAM（存儲(chǔ)器）中，CPU從存儲(chǔ)器中依次把數(shù)字信號(hào)讀出并在顯示屏上顯示相應(yīng)的信號(hào)波形。GPIB為通用接口總線系統(tǒng)，通過它可以程控?cái)?shù)字存儲(chǔ)示波器的工作狀態(tài)，并且使內(nèi)部存儲(chǔ)器和外部存儲(chǔ)器交換數(shù)據(jù)成為可能。由此可見，數(shù)字示波器必須要完成波形的取樣、存儲(chǔ)和波形的顯示，另外為了滿足一般應(yīng)用的需求，幾乎所有微機(jī)化的數(shù)字示波器都提供了波形的測(cè)量與處理功能。1. 波形的取樣和存儲(chǔ)由于數(shù)字系統(tǒng)只能處理離散信號(hào)，所以必須對(duì)模擬連續(xù)波形先進(jìn)行抽樣，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。根據(jù)Nyquist定理，只有抽樣頻率大于要處理信號(hào)頻率的兩

4、倍時(shí)，才能在顯示端理想地復(fù)現(xiàn)該信號(hào)。由此可見，數(shù)字示波器必須要完成波形的取樣、存儲(chǔ)和波形的顯示，另外為了滿足一般應(yīng)用的需求，幾乎所有微機(jī)化的數(shù)字示波器都提供了波形的測(cè)量與處理功能。推薦精選連續(xù)信號(hào)離散化通過如圖2所示的取樣方法完成，把模擬波形送到加有反偏的取樣門的點(diǎn)，在點(diǎn)加入等間隔的取樣脈沖，則對(duì)應(yīng)時(shí)間tn(n=1,2,3,)，取樣脈沖打開取樣門的一瞬間，在點(diǎn)就得到相應(yīng)的模擬量an(n=1,2,3,)，這個(gè)模擬量就是離散化了的模擬量，把每一個(gè)模擬量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，就可以得到相應(yīng)的數(shù)字量，如a1A/D01H；a2A/D02H；a3A/D03H。如果把這些數(shù)字量按序存放在存儲(chǔ)器中就相當(dāng)于把一幅模擬

5、波形以數(shù)字量存儲(chǔ)起來。CPU控制地址輸入放大與衰減顯示存儲(chǔ)器取樣與A/D轉(zhuǎn)換外觸發(fā)GPIB邏輯控制電路觸發(fā)電路圖1典型數(shù)字存儲(chǔ)示波器原理框圖圖2 連續(xù)模擬波形的離散化 圖3雙蹤顯示的存儲(chǔ)方式2.波形的顯示數(shù)字存儲(chǔ)示波器必須把上面存儲(chǔ)器中的波形顯示出來以便用戶進(jìn)行觀察、處理和測(cè)量。存儲(chǔ)器中每個(gè)單元存儲(chǔ)了一個(gè)抽樣點(diǎn)的信息，在顯示屏上顯示為一個(gè)點(diǎn)，該點(diǎn)Y方向的坐標(biāo)值決定于數(shù)字信號(hào)值的大小、示波器Y方向電壓靈敏度設(shè)定值、Y方向整體偏移量，X方向的坐標(biāo)值決定于數(shù)字信號(hào)值在存儲(chǔ)器中的位置（即地址）、示波器X方向電壓靈敏度的設(shè)定值、X方向的整體偏移量。為了適應(yīng)對(duì)不同波形的觀測(cè)、智能化的數(shù)字存儲(chǔ)器有多種靈活的

6、顯示方式：存儲(chǔ)顯示、雙蹤顯示、插值顯示、流動(dòng)顯示等。推薦精選存儲(chǔ)顯示是示波器最基本的顯示方式。它顯示的波形是由一次觸發(fā)捕捉到的信號(hào)片斷，即制下穩(wěn)定地顯示在CRT上。存儲(chǔ)顯示還有；連續(xù)捕捉顯示和單次捕捉顯示之分，在連續(xù)捕捉顯示方式下,每滿足一次觸發(fā)條件，屏幕上原來的波形就被新存儲(chǔ)的波形更新，而單次捕捉顯示只保存并顯示一次觸發(fā)形成的波形。如果需要顯示兩個(gè)電壓波形并保持兩個(gè)波形在時(shí)間上的原有對(duì)應(yīng)關(guān)系，可采用交替存儲(chǔ)技術(shù)以達(dá)到雙蹤顯示。這種交替存儲(chǔ)技術(shù)利用存儲(chǔ)器寫地址的最低位A0來控制通道開關(guān)，使取樣和A/D轉(zhuǎn)換輪流對(duì)兩通道輸入信號(hào)進(jìn)行取樣和轉(zhuǎn)換，其存儲(chǔ)方式如圖3所示，當(dāng)A0為1時(shí)，對(duì)通道1的信號(hào)Y1

7、進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換，并寫入技術(shù)存儲(chǔ)器單元中，讀出時(shí)，先讀偶數(shù)地址，再讀奇數(shù)地址，Y1和Y2信號(hào)便在CRT上交替顯示。示波器屏幕顯示的波形由一些密集的點(diǎn)構(gòu)成，當(dāng)被觀察的信號(hào)在一周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)較少時(shí)會(huì)引起視覺上的混淆現(xiàn)象，如圖4左圖所示的正弦波形就很難辨認(rèn)，一般認(rèn)為當(dāng)采樣頻率低于被測(cè)信號(hào)頻率的2.5倍時(shí)，點(diǎn)顯示就會(huì)造成視覺混淆，為了有效地克服視覺的混淆現(xiàn)象，同時(shí)又不降低帶寬指標(biāo)，數(shù)字濾波器往往采用插值顯示，即在波形上兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)間進(jìn)行估值。估值方式通常有矢量插值法和正弦插值法兩種，矢量插值法是用斜率不同的直線段來連接相鄰的點(diǎn)，當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率為采樣頻率的1/10以下時(shí)，采用矢量插值可以得到滿意的效果；

8、正弦插值法是以正弦規(guī)律用曲線連接各數(shù)據(jù)點(diǎn)的顯示方式，它能顯示頻率為采樣頻率的1/2.5以下的被測(cè)波形，其能力已接近奈奎斯特極限頻率。圖4 波形的插值顯示3. 信號(hào)的觸發(fā)為了實(shí)時(shí)穩(wěn)定地顯示信號(hào)波形，示波器必須重復(fù)地從存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)并顯示。為使每次顯示的曲線和前一次重合，必須采用觸發(fā)技術(shù)。信號(hào)的觸發(fā)也叫整部或同步，一般的觸發(fā)方式為：輸入信號(hào)經(jīng)衰減放大后分送至A/D轉(zhuǎn)換器的同時(shí)也分送至觸發(fā)電路，觸發(fā)電路根據(jù)一定的觸發(fā)條件（如信號(hào)電壓達(dá)到某值并處于上升沿）產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，控制電路一旦接收到來自觸發(fā)電路的觸發(fā)信號(hào)，就啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)采集與RAM寫入循環(huán)。觸發(fā)決定了示波器何時(shí)開始采集數(shù)據(jù)和顯示波形，一旦觸發(fā)被

9、正確設(shè)定，它可以把不穩(wěn)定的顯示或黑屏轉(zhuǎn)換成有意義的波形。示波器在開始收集數(shù)據(jù)時(shí)，先收集足夠的數(shù)據(jù)用來在觸發(fā)點(diǎn)的左方畫出波形。示波器在等待觸發(fā)條件發(fā)生的同時(shí)連續(xù)地采集數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測(cè)到觸發(fā)后， 示波器連續(xù)地采集足夠的數(shù)據(jù)以在觸發(fā)點(diǎn)的右方畫出波形。觸發(fā)可以從多種信源得到，如輸入通道、市電、外部觸發(fā)等。常見的觸發(fā)類型有邊沿觸發(fā)和視頻觸發(fā)；常見的觸發(fā)方式有自動(dòng)觸發(fā)、正常觸發(fā)和單次觸發(fā)。推薦精選實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 熟悉數(shù)字存儲(chǔ)示波器及多功能函數(shù)信號(hào)發(fā)生器各旋鈕、各按鍵的功能；2. 觀察多功能函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出的鋸齒波、正弦波、方波信號(hào)，在顯示屏上顯示一個(gè)正弦波并讀出其頻率和幅值，并求出相對(duì)誤差E(r)。3. 利用李薩如圖形測(cè)頻率。在menu菜單中設(shè)置X-Y模式，將DG1022型函數(shù)發(fā)生器一路主信號(hào)輸出（MAIN）的正弦波頻率調(diào)整到約1kHz，作為已知的fx輸入到CH1通道；將其另一路信號(hào)作為未知的fy信號(hào)輸入到CH2通道。分別利用nx/ny=1 ，2 ，3 ，3/2的李薩如圖形，測(cè)量計(jì)算頻率fy 值；4. 驗(yàn)證fy/fx=nx/ny關(guān)系式的成立。附注：示波器利用李薩如圖形測(cè)頻率原理：如果將X軸的鋸齒波掃描電壓去掉，換接入正弦電壓，那么在X、Y兩個(gè)都是簡諧振動(dòng)的共同作