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1、第四章 常用仪器简介数字式示波器Tektronix TDS1002初步使用 示波器最主要的功能就是把测量点的电压随时间变化曲线直观地显示在屏幕上。示波器是最重要的电子测量仪器之一，也是使用最频繁的电子仪器之一。要正确使用一台示波器，要充分利用一台示波器的功能和性能指标，就必需充分阅读该示波器的使用说明书。示波器使用说明书中的主要性能指标和基本操作方法列于本节之后。下面所介绍的仅仅是实验中使用该示波器所所涉及到的最基本的内容。1. 功能简介Tektronix TDS1002示波器是数字式示波器，其正面外形如图1。它对来自探头的信号经放大，然后采样，再将采样数据对应的波形记录，最后将波形显示在屏幕
2、上。同时，在示波器内部可对数据作一些处理，例如，统计平均，快速付立叶变换，并将处理过的波形显示在屏幕上。它还可以通过GPIB卡（General Purpose Interface Bus）与计算机、打印机等设备进图1 Tektronix TDS1002示波器正面外形图波形显示屏幕菜单显示区菜单选择按钮通道1通道2时间选择触发选择功能选择状态选择自检信号垂直：增益和位置交流线采集数据；模式和时基波形记录：2500点触发器每一通道外部显示屏计算机接口图2 Tektronix TDS1002数字式示波器原理及组成示意图行数据交换，因此，可由计算机对示波器采集到的数据做进一步的处理。Tektronix
3、 TDS1002示波器的最高采样率1GHz，屏幕显示的波形由2500采样点的数据连接而成。其原理示意图如图2。图3 探头1、10开关与可变电容调节2. 关于Tektronix TDS1002数字式示波器使用中的若干问题21探头1、10本示波器的输入阻抗为1M电阻和20pF电容的并联。并联电容是为了抑制高频干扰。示波器探头有1、10转换开关。当探头开关置于1时，示波器输入回路的等效电路如图4。通常有RsR1。若输入为方波，当信号源输出上升沿时，由于信号输出功率有限，给电容充电需要时间，所以，示波器输入回路向示波器内部电路输出的电压信号的前沿变缓，上升时间延长，如图中右上方为其示意图。这样一来，在
4、示屏幕上看到的方波的上升沿将大于实际输入方波的上升沿。图4探头开关置于1时，示波器输入回路的等效电路示波器输入等效电路信号源等效电路图5探头开关置于10时，示波器输入回路的等效电路探头中的补偿电路R2、C2当示波器探头置于10时，输入回路的等效电路如图5。在稳态，示波器输入回路对输入信号衰减10倍。在模拟示波器中，就需要人对在屏幕上显示的波形的幅值10倍，“10”的说法由此而来。在数字示波器中沿用了这一说法，当在通道菜单中将探头设为10后，屏幕上显示的波形和数据都已由示波器10了。10可大大改善方波的上升沿，试分析如下。设方波幅值为E，上升时刻为t=0。由克希霍夫电压定律可知，此时刻两个电容上
5、的电压之和等于信号源电压， （1）由两个电容中储能之和为串联等效电容中的储能可知， （2）由（1）、（2）式可解出 （3） 当暂态结束时，vo为R1和R2对输入电压幅值的分压 （4）由RC电路过渡过程三要素法可得电容C1上的电压变化的过程，即示波器输入回路向示波器内部电路输出的电压信号vo， （5）图6 探头10过补偿、临界补偿、欠补偿时示波器的阶跃响应的波形示意图tVo0C2偏大C2偏小R1C2=R2C1其中，T为电路的时间常数。由（5）式可知，若，称此为临界补偿，则在时刻有，示波器输入回路向示波器内部电路输出信号的上升沿与信号源输出信号的上升沿完全一样，幅值衰减了10倍。若，则形成过补偿或
6、欠补偿，如图6。实际中，由于每台仪器的输入回路不可能完全一样，所以需要通过调整C2使其达到临界补偿。又由于输入回路中还存在着分布参数，实际中可能得到的只能是近似的临界补偿。用探头10档，使示波器输入回路向E示波器内部电路输出的电压信号衰减了十倍。示波器自身的噪声是一定的，所以使用10档，在改善输入信号上升沿的同时，输入信号的信噪比降低了。对于幅值较大的方波信号，上升沿的重要性大于幅值的信噪比，所以，测量周期较短、幅值较大的方波，探头应使用10档。对于频率小于6MHz的正弦波，由于其上升速率慢于示波器探头1档时输入回路的上升速率，所以应使用1。若使用10档将减小输入信号信噪比。对于正确测量正弦波
7、小信号，示波器输入回路向示波器内部电路输出的电压信号的信噪比是十分重要的。对于频率大于6MHz的正弦波，由于其上升速率快于示波器探头1档时输入回路的上升速率，所以应使用10。若使用1档将使输入信号的幅值减小。22 触发设由示波器探头输入的信号如图7（a），示波器“触发电平”、“垂直触发位置”如图7(b)，触发方式为“正常触发”，“上升沿触发”，触发信号源为“通道1”。当输入信号电平由低向高上达到设置的“触发电平”时，(a)TT触发电平水平触发位置(b)图7 触发同步示意图“波形记录”电路将此时的电压值定位在图7(b)所示的“水平触发位置”与“触发电平”两条虚线的交点上，为便于叙述，记录该时刻的
8、电压为vo(to)。每一幅“波形记录”共有2500个数据点，显示屏时间坐标为水平坐标，共分10个大格，每格应有250个数据点。图7(b)中，“水平触发位置”设置在第6格，所以，“波形记录”电路取to前的1500个电压数据，取to后的999个电压数据，组成2500个数据的“波形记录”，然后送到显示电路，于是显示屏上就显示出一幅波形图，如图7(b)。若图7(a)所示波形周期是稳定的，那么如图7(a)所示的时间为T的波形将被重复地显示在显示屏上，观察者就可以看到显示屏上有一个稳定的波形。若图7(a)中低电平和高电平时有较小的波纹起伏，显示过程中的迭加将使显示屏上波形的对应的线条变粗。 以上述状态为初
9、始状态，改变其中的一项或两项设置，观察显示屏上的波形。做完一项后，将示波器状态恢复到初始状态，再做下一项。 若将“上升沿触发”改为“下降沿出发”，那么图7(b)中矩形波的后沿与水平虚线的交点将前移至“水平触发位置”。若将“触发电平”移出输入波形的幅值范围，由于输入信号的任一时刻的电压值都不与所设置的“触发电平”相等，所以示波器不触发，显示屏上就没有波形显示。若将触发方式改为“自动触发”，此时显示屏上的波形如图7(b)。若再将“触发电平” 移出输入波形的幅值范围，由于输入信号的任一时刻的电压值都不与所设置的“触发电平”相等，所以示波器就自动地连续触发，即采满2500个点就送去显示，这使得图7(a
10、)中两个显示时间T之间原先不被显示的波形也被显示在显示屏上。这时在显示屏上显示的是快速左右移动的、不稳定的波形。当触发信号源为“通道1”时，所设置的触发电平与来自通道1的信号相比较。而信号正是从通道1进入示波器的，所以在显示屏上显示出通道1输入的波形。若将触发信号源改为“通道2”，信号仍然由通道1输入，通道2没有信号输入。这时，所设置的出发电平与通道2的电压相比较。由于通道2 没有电压波形输入，所以电路不触发，显示屏没有波形显示。若通道1、通道2都有电压信号输入，这时应选择波形周期稳定的通道作为触发通道。被选作触发通道的输入信号的周期不稳定，将使显示屏上的波形左右晃动。若两个通道的信号周期都很
11、稳定，这时应选择信噪比高的通道作为触发通道。被选作触发通道的输入信号的信噪比较低，也将使显示屏上的波形左右晃动。23采集数据数字式示波器首先对输入的时域连续量采样，得到时域离散序列，然后再对时域离散序列做处理。所以，正确地采集数据是正确地使用数字示波器的十分重要。首先叙述采样定理：设被采样的时域连续量x(t)中包含的最高频率分量为fimax，若以采样频率fs对x(t)做数据采集，得到时域图8 频率混迭使x(n)中出现了假波离散序列x(n)，则由x(n) 经低通滤波器再恢复出x(t)，要求采样频率满足 （6）当上式取等号时，称fs为奈奎斯特频率fN。当采样频率fs小于fN时就出现了频率混迭，如图
12、8。发生频率混迭后，就无法由x(n) 经低通滤波器再恢复出x(t)，或者说，x(n)不再是x(t)的时域离散序列。必须避免发生频率混迭。首先应知道输入电压的最高频率fimax，然后选择示波器的时域窗口的时间宽度，由此可知道示波器的采样频率。例如，在时域窗口的下方有W100 ms，这表示整个时域窗口宽100ms，其中有2500个时域等间隔的离散数据，由此可计算出采样频率 （7）若满足采样定理，则不会发生假波混迭；若不满足采样定理，则应减小时域窗口的宽度，以提高采样频率，或者外接低通滤波器，减小输入量的最高频率fimax，以满足采样定理。本数字示波器有三种数据采集方式：取样、峰值检测和平均。“取样
13、”是开机默认数据采集模式。在这种方式下，对输入的连续量直接采样。“峰值检测”模式在“5秒/格”或更慢时有效，用于检测时域宽度大于等于10 ns的“毛刺”。当时域窗口设置为“2.5秒/格”或更快时，示波器会自动的将数据采集模式改为“取样”模式。因为当采样频率足够高时，可以通过取样就捕捉到输入中的“毛刺”。“平均”模式是对输入采样做滑动统计平均。平均次数可选择为4、16、64、128。例如取平均次数为4时，在图2所示的“采集数据：模式和时基”框中，将4个采集到的长度都为2500个点的原始序列相加再除4，得到一个新的序列，在送入“波形记录：2500点”。当其后又采集了新的2500个数据点的原始序列后
14、，将去掉最早的2500个数据点的原始序列，用新的2500个数据点的原始序列和其前面的3个2500个数据点原始序列共4个2500个数据点的原始序列相加再除4，又得到一个新的序列，如此重复。 （8） （9）其中， xav1(n)、xav2(n)、是经平均得到的新的序列，xi(n)是第i个 采集到的2500个数据点的原始序列。在采集到的原始序列中，通常包含信号、噪声和干扰。（通常称需要的量是信号。称有很多原因但没有一个原因明显突出的形成的不需要的量是噪声。称有有明显原因形成的不需要的量是干扰。）对于周期信号，在触发同步时，平均运算使周期信号不变。可认为噪声是随机过程，对随机过程的采样是随机变量，随机变量可有不同的统计分布，通常，随机变量之间是相互统计独立或统计上相关性较弱或很弱的。通过N次统计平均，噪声的功率会减小。从而提高在示波器显示的时域波形的信噪比。图9是做统计平均的作用的示意图。图9 做统计平均的作用的示意图对采集到的原始序列做统计平均，具体能减小多少噪声功率与随机变量的统计分布和平均次数有关。通常平均次数越多，噪声功率减小得也越
