示波器的原理和应用
数字示波器
大连理工大学 白洪亮
2024年7-8月 徐州v1.0 沈阳V2.0
什么是示波器?
万用表
模拟示波器
数字示波器
示波器发展时间线
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你会用示波器吗？
- AUTO功能只适用于信噪比较好的信号
- 只会用“傻瓜”模式的人更容易被取代
学习（教学）策略：概要讲授 +
分阶段引导学习
像专家一样使用示波器
参考资料
- 实验讲义
- 仪器手册：MSO2000A系列数字示波器用户手册，DG1000信号发生器用户手册
- 进阶学习：李凯. 现代示波器高级应用:测试及使用技巧[M]. 清华大学出版社, 2017.
- 示波器知识学习网站：www.oscopes.info
数字示波器的工作模式
- Y-T模式：显示电压随时间变化的结果
- X-Y模式：横轴、纵轴都是电压。轨迹反映电压信号之间的关系
数字示波器的工作模式
- \[U_x=5\mathrm{sin}({2{\pi}\times {100}t} +20^\circ), U_y=3\mathrm{sin}({2{\pi}\times {100}t} +110^\circ) \]
数字示波器X-Y模式模拟
数字示波器的信号处理流程
信号输入端口：BNC
输入信号类型：单端信号
- BNC外部金属在仪器内部互相连通（公共端），并通过电源线中的地线与附近大地连通，电位保持稳定
- BNC芯部金属针（连接同轴线缆轴线导体）为测量端
输入耦合：直流耦合，交流耦合，接地耦合
- 直流耦合：保留全部信号成分。初次测量尽量采用直流耦合
- 交流耦合：去掉直流成分，保留交流成分。主要用于纹波测量
- 接地耦合：测量端与公共端连通，图像为位于零伏的直线。用于监测示波器是否正常
信号采集的放大和离散化处理
- 采样率：每秒钟采集离散数据的数量
- 存储深度：数据存储空间大小
- 存储时长=存储深度/采样率
- 不满足触发条件的数据不被存储和稳定显示
- 带宽...
信号采集的触发设置
用途1：稳定显示正常信号
用途2：从快速而又复杂的信号中抓取想要观察的片段
信号的计算处理和显示
学习内容：共6学时
- 基础：【Y-T】工作模式及数据读取
- 基础：输入信号耦合方式及应用
- 提升：触发功能基础应用
- 提升：数学功能简单应用
- 提升：【X-Y】模式测未知信号频率和相位
- 进阶：数学功能高级应用
- 进阶：利用触发功能控制多台示波器
基础与提升：3学时
- 认识数字示波器3大系统
- 垂直系统（电压）
- 水平系统（时间）
- 触发系统
- 学习数字示波器测量方法
- 数格子法
- 光标取点法
- 自动测量法
- X-Y模式的简单应用
- 李萨如图形观测、相位测量
- 交直流输入耦合的应用
- 实际应用测量
- 测量周围空间主要电磁信号
进阶学习：3学时
- 利用【Math】FFT功能观测信号频域特征
- 利用滤波功能提取信号组分
- 利用示波器观测RC串联电路
小结
- 错误运用耦合模式会得到错误结果。
- 设置合理的触发条件是获得稳定波形的前提。
- 示波器接入的一般是单端信号，另一端接地。
- 利用光标模式读数更为准确。
- 读取数据时，图像尽量占满显示区间。why?
- 数字示波器的很多功能都基于算法，算法可能会引入意想不到的误差。
- Math功能是数字示波器领先于模拟示波器的重要因素之一，好好利用。
参考资料
- 数字示波器MSO2000A、DS2000A系列用户手册，普源精电科技股份有限公司
- 信号发生器DG1000使用手册，普源精电科技股份有限公司
- 复旦大学物理教学实验中心《数字示波器的使用实验报告》
- 李凯. 现代示波器高级应用:测试及使用技巧[M]. 清华大学出版社, 2017.
- 示波器信息网站：www.oscopes.info
致谢
实验报告设计部分参考了复旦大学物理教学实验中心《数字示波器的使用-实验报告》
特此感谢!