补充实验1数字示波器的使用.PDF
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补充实验 1 数字示波器的使用
一、实验目的:
1. 了解数字示波器的工作原理;
2. 掌握数字示波器的基本操作方法;
3. 学会用数字示波器测量未知信号的参数;
4. 学会函数信号发生器的基本操作。
二、实验仪器:
数字存储示波器(SDS1102CML)、数字合成信号发生器(SG1005S)、面包板、同轴电
缆(BNC)。
三、实验原理:
示波器简介
示波器是一种监测电学信号随时间变化特性的常用测量仪器。日常生活中常用的万用电
表只能测量电学信号在一段时间内的平均值(对直流信号)或有效值(对交流信号);示波
器还能观测反映电压和电流信号(需用采样示波器)随时间变化的特性,甚至还能捕捉各种
非周期性信号(如随机脉冲)。可用示波器测量的物理量包括:幅度、频率、直流偏置、占
空比等,用双踪示波器还可以检测两路信号在幅度、频率和相位之间的相对关系。
在科学研究和生产实践中使用时,人们常借助各类传感器
注【1】
,先将待检测的物理量(如
温度、光强、压力、磁场等)转化成电学信号,再用示波器来监测,这使得示波器的用途变
得越来越广泛。
注【1】:各种传感器在使用前都需要进行定标:如光电传感器,我们需要通过严格、科学的
过程,标定其强度响应、波长响应、时间响应等方面的特性,才能用于有关的测量。
示波器发展简史
注【2】
根据实现技术不同,实验室中使用的示波器可分为两大类:模拟示波器和数字示波器。
在阴极射线管(后来也叫显像管,Cathode Ray Tube,简称 CRT)诞生后不久,Karl F.
Braun 于 1897 年发明基于 CRT 的模拟示波器,他将待监测的电压信号施加在平板电容两端
引起电子束的纵向偏转,以便在荧光屏上观测信号的变化。在 1919 年前后,就有人将示波
器用于实验室测量,但使示波器更通用的触发-扫描功能则是在 1946 年前后才发明。
借助高速的模拟-数字转换芯片(也叫模数转换器,Analog-to-Digital Converter,以下简
称 ADC),Walter LeCory 发明了数字存储示波器(Digital Storage Oscilloscope,以下简称
DSO)。DSO 先用 ADC 将待测的物理量转换成数字量,保存在存储芯片中,后续处理单元
读取数据后再进行分析、显示。随着半导体技术的不断发展,数字存储示波器的触发、分析、
测量等功能越来越强大,1980 年之后逐步普及开来。
注【2】:对示波器发展历史感兴趣的同学可参阅维基百科的“Oscilloscope history”条目。
/wiki/Oscilloscope_history
数字存储示波器(DSO)的工作原理
图 1 给出了 DSO 一个通道信号处理过程的模块化示意图,其中虚线框内的组件是一个
信号通道特有的组件,本实验中所用的双通道 DSO 就有两路这样的组件;虚框外的组件是
系统组件,为所有信号通道所共用。这里还需注意:图中的每个组件既表示完成实际功能的
功能单元,还可能关联一个用于让用户输入所需参数、状态的控制按钮或命令菜单。
图 1:数字存储示波器(DSO)一个通道信号处理过程的模块化示意图。其中虚线框内的组
件是一个信号通道专用的(多通道示波器就有多套这样的组件);框外组件表示所有信号通
道共用的系统组件。CPU 和 DSP 分别是 Central Processing Unit(中央处理器)和 Digital
Signal Processor(数字信号处理器)的简称。
与我们熟悉的电脑相似,DSO 也有中央处理器(Central Processing Unit,以下简称 CPU),
它负责读取示波器面板上各个控制旋钮、命令菜单的参数设定、状态选择,控制内部各组件
按要求工作,并完成必要的运算、测量等功能,最后将结果输出到显示屏上。这个过程中,
信号接入到输入端口之后,先经过衰减、DC 偏移、放大等处理得到合适幅度的信号,一路
输入到 ADC,进行模数转换并存储在存储器中以备后续调用,另一路耦合到触发逻辑,以
实现所需的触发控制。
组件功能介绍:
衰减器:本实验中的数字示波器所用的 ADC 能够处理的电压幅度范围是512mV,示波器
屏幕能够显示的电压范围是40V 或 0~80V
注【3】
。因此,我们需要根据输入信号的幅度(常
用峰-峰值 Vpp 表示)设定合理的测量档位,在伏/格(VOLTS/DIV)选用大量程档时(实验所
用 SDS1102CML 型示波器,对应 500mV 及以上档位),示波器会依据我们的档位选择,通
过衰减器中的电阻分压网(38.7 倍衰减电路)提取一个与输入信号成正比的小信号输入到下
一组件;在伏/格(VOLT
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