示波器是一种以图形方式显示电信号随时间变化的基础仪器。示波器不仅能观测周期变化的电压和电流信号（需用采样示波器），还能捕捉各种非周期性信号（如随机脉冲），并可进一步测量信号的幅度、频率、直流偏置、占空比等参数。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。而日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）。

在科学研究和生产实践中经常将示波器与各类传感器配合使用。使用时，需要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。示波器的用途非常广泛，是功能最全面、应用最广泛的测量仪器之一。

1. 了解数字示波器的基本组成和工作原理，建立对仪器内部信号处理流程的整体认识。
2. 掌握数字示波器的基本操作方法，包括通道设置、垂直和水平调节、触发控制、自动测量等。
3. 学会使用数字示波器测量未知信号的幅度、频率、周期、相位差等基本参数。
4. 掌握函数信号发生器的基本操作，能够独立设置并输出所需类型的测试信号。

• 优利德 UPO2204HD 数字示波器 – 200MHz带宽，2.5GSa/s实时采样率，四通道。
• 优利德 UTG1022X-PA 数字合成信号发生器 – DDS技术，高精度波形输出。
• 同轴电缆 (BNC-BNC) & 无源探头 (PVP2350或同类，带10:1衰减开关)。

1. 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）；示波器不仅能定量测量这些参数，更重要的是它能直观地展示信号波形，反映电压或电流随时间变化的细节，甚至还能捕捉各种非周期性瞬态事件（如随机脉冲）。可用示波器测量的物理量包括：幅度（峰峰值、幅值）、频率、周期、直流偏置、占空比、上升时间、下降时间等。使用双踪示波器，还可以方便地比较两路信号在幅度、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^[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，成为物理、电子、通信、生物医学工程等领域不可或缺的工具。

2. 示波器的发展

根据实现技术不同，示波器可分为模拟示波器和数字示波器两大类。在阴极射线管（CRT）诞生后不久，德国科学家Karl Ferdinand 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年前后才被发明的。

借助高速的模拟-数字转换芯片（ADC），Walter Le Cory发明了数字存储示波器（DSO）。DSO先通过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。数字示波器的出现是革命性的：它不仅能够存储波形，还使得波形触发、参数自动测量、数据分析、波形运算等高级功能成为可能。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，并至今仍处在快速发展中。

3. 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。

与我们熟悉的电脑相似，DSO也有中央处理器（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。

4. 组件功能介绍

① 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有限且固定的，而示波器屏幕能够显示的电压范围则可以通过档位调节。因此，我们需要根据输入信号的幅度（常用Vpp）设定合理的测量档位，在大量程档时，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提取一个与输入信号成正比的小信号输入到下一组件；在小量程档时，则是直接将信号无衰减地输入到下一组件。这个功能对应面板上的垂直档位（VOLTS/DIV）旋钮。

图2 输入导线上的X10衰减开关
探头衰减开关可扩展测量范围，注意与内部衰减器区分。

注3 示波器输入端口附近标有电压测量范围，使用时务必遵守。对于超过仪器最大允许输入电压的信号，必须开启输入导线上的X10倍衰减开关，否则会导致仪器过载损坏。

② 直流偏移： 在DC耦合状态下，若输入信号含有DC偏移量，需要提供极性相反的DC电压进行补偿，使信号正负两极的幅度相等，以便充分利用ADC的电压工作范围。若选择AC耦合，则隔直电容将滤掉输入信号的DC偏移分量。^[4] 面板上的“耦合”菜单可以切换DC/AC/GND三种模式。GND模式用于将输入端接地，帮助用户快速定位“零电平”参考线。

③ 放大器： 为了充分利用ADC的测量精度，示波器会根据用户的输入档位选择，将小信号放大，以使信号变化的幅度范围Vpp占据尽量大比例的ADC工作电压范围。垂直档位（VOLTS/DIV）设置得越小，放大倍数越大。

④ 模数转换器： 本实验所用DSO中的ADC是一个特定电压范围（如±512mV）的转换器，其转换位数（如8位或更高）决定了测量的精度。ADC是数字示波器的核心，它将连续的模拟电压信号转换为离散的数字量。ADC的位数越高，对电压的分辨能力就越强。^[5] 因此测量小信号时必须选择合适的档位，使信号占据满屏，否则测量相对不确定度会增大。

⑤ 触发(Trigger)： 为了及时显示输入信号随时间变化的特性，示波器不停地采集信号并更新屏幕显示。触发逻辑在用户选择的信号满足一定条件（如大于用户设定的触发电平）时给出触发信号，确定每次信号更新显示的时间零点。没有稳定的触发，看到的波形将在屏幕上“来回滚动”。数字示波器不仅保存触发之后的信号，也保存触发前的信号（“预触发”功能），有利于分析信号整个过程。本实验要求学生掌握边沿触发（上升沿/下降沿）的选择和触发电平设置的重要性。

⑥ 显示： 数字示波器一般用液晶屏（LCD）显示，利用点阵像素显示文字和图形。选定档位后，每个像素点在电压、时间方向上代表的值已知，这决定了光标读数的精度。现代数字示波器采用高分辨率彩色LCD，并支持波形余辉功能。

⑦ 信号发生器原理： 本实验所用UTG1022X-PA是一款数字合成函数信号发生器，采用直接数字频率合成（DDS）技术，具有频率稳定度高、频率分辨率高、波形失真小等优点。DDS信号发生器一般由相位累加器、波形存储器（ROM）、数模转换器（DAC）和低通滤波器等模块组成。本实验信号发生器可调参数包括：信号类型（正弦、方波、三角波、脉冲等）、频率（0.2Hz~5MHz）、幅度（100mV~10V）、直流偏置（-10V~10V）、占空比（1%~99%）。^[9]

拓展阅读 — 推荐查阅：带宽、幅频曲线、采样（实时/等效）、存储深度、边沿触发、上升沿/下降沿、采样示波器、功率信号发生器。了解这些术语有助于加深对数字示波器性能指标的理解。

（详细操作参见实验报告册，以下为核心环节）

1. 自动测量“AUTO” – 快速获取未知信号稳定显示，观察示波器自动设定的参数。
2. 图像和数据的存储 – 保存波形图像至U盘或导出CSV数据，便于后续分析。
3. 屏幕估读 – 根据屏幕刻度线估算信号峰峰值、周期，培养直观判断力。
4. 光标读数“CURSOR” – 使用手动/自动光标精确测量幅度、时间差、频率及相位差。
5. 交直流混合信号的测量 – 利用AC/DC耦合切换，观察含直流偏置信号的总波形和交流分量。
6. 信号衰减 – 结合探头10:1衰减开关及示波器档位设置，理解衰减对测量范围的影响。
7. 周围空间的电磁信号测量 – 探头悬空或连接短导线，捕捉50Hz工频或环境电磁干扰，感知电磁环境。

• 《UPO2000HD系列数字示波器用户手册》——优利德科技（中国）股份有限公司 （群文件）
• 《UTG1000X系列函数/任意波形发生器用户手册》——优利德科技（中国）股份有限公司 （群文件）
• 手册中详细说明了仪器全部功能、性能指标及远程控制方法，是深入学习的必备资料。