实验一 通用模拟与数字双踪示波器的使用及测量
一、实验目的和要求
1． 根据已学的示波器理论知识学习正确使用通用双踪示波器，并利用示波器进行各种电信号的测量，熟练掌握模拟示波器的使用。
2． 学习数字式通用示波器的使用，了解其在测量上的强大功能，并与模拟示波器进行比较，体会各自在测量上的特点。
3．认真按实验内容的要求进行实验，记录有关的数据和波形，回答实验内容中提出的
有关问题，并按时提交实验报告。
二、实验原理
在时域信号测量中，电子示波器无疑是最具代表性的典型测量仪器。它可以精确复现作为时间函数的电压波形（横轴为时间轴，纵轴为幅度轴），不仅可以观察相对于时间的连续信号，也可以观察某一时刻的瞬间信号，这是电压表所做不到的。我们不仅可以从示波器上观察电压的波形，也可以读出电压信号的幅度、频率及相位等参数。
电子示波器是利用随电信号的变化而偏转的电子束不断轰击荧光屏而显示波形的，如果在示波管的X偏转板（水平偏转板）上加一随时间作线性变化的时基信号，在Y偏转板（垂直偏转板）加上要观测的电信号，示波器的荧光屏上便能显示出所要观测的电信号的时间波形。
若水平偏转板上无扫描信号，则从荧光屏上什么也看不见或只能看到一条垂直的直线。因此，只有当X偏转板加上锯齿电压后才有可能将波形展开，看到信号的时间波形。 一般说来，Y偏转板上所加的待观测信号的周期与X偏转板上所加的扫描锯齿电压的周期是不相同的，也不一定是整数倍，因而每次扫描的起点对待观测信号来说将不固定，则显示波形便会不断向左或向右移动，波形将一片模糊。这就有一个同步问题，即怎样使每次扫描都在待观测信号不同周期的相同相位点开始。近代电子示波器通常是采用等待触发扫描的工作方式来实现同步的。只要选择不同的触发电平和极性，扫描便可稳定在待观测信号的某一相应相位点开始，从而使显示波形稳定、清晰。
在现代电子示波器中，为了便于同时观测两个信号（如比较两个信号的相位关系），采用了双踪显示的办法，即在荧光屏上可以同时有两条光迹出现，这样，两个待测的信号便可同时显示在荧光屏上，双踪显示时，有交替、断续两种工作方式。交替、断续工作时，扫描电压均为一种，只是把显示时间进行了相应的划分而已。
由于双踪显示时两个通道都有信号输入，因此还可以工作于叠加方式，这时是将两个信号逐点相加起来后送到Y偏转板的。这种工作方式可模拟谐波叠加，波形失真等问题。同时，如果改变其中一个的极性，也可以实现相减的显示功能。这相当于两个函数的相加减。 示波器除了用于观测信号的时间波形外，还可将两个相同或不同的信号分别加于垂直和水平系统，以观测两信号在X－Y平面上正交叠加所组成的图形，如李沙育图形。它可用于观测两个信号之间的幅度、相位和频率关系。
三、实验仪器设备
1．模拟双踪示波器 CS－4135A 一台
2．数字双踪示波器 TDS－1002B 一台
3．DDS函数信号发生器 DG1022 一台
图1－1 CS-4135A示波器前面板示意图
示波器前面板之说明：
1．CRT显示屏 显示范围为垂直轴8div（80mm），水平轴10div（100mm）。为使显示信号与刻度间不会产生视差，采用了标示于荧幕内侧的刻度。此外在刻度的左端则标示有测定响应时间的%记号。2．POWER 电源开关按钮。3．电源指示灯。
4．CAL端子 为校正用信号输出端子。使用于校正探头时，可得到1Vp-p正极性，1kHz之方波信号输出。5．刻度照明 控制CRT格子刻度线的亮度。
6．TRACE ROTA 用于调节水平扫描线的倾斜度。7．FOCUS 扫描线焦距调节旋钮。
8．INTEN辉度旋钮 用于调整扫描线的亮度。9．GND 接地端子。
10&13．调节CH1和CH2波形的垂直位置。12．BAL 用于调整垂直通道的DC平衡。 11&14．AC-GND-DC 垂直通道的输入耦合方式，即选择以何种方式观测输入信号。
15&16．偏转灵敏度（垂直轴衰减）旋钮粗调和微调，为获得正确的读数，微调旋钮必需关闭，即顺时针旋至最右端的位置。19．MODE 用于选择触发方式。AUTO：由触发信号启动扫描，若无输入触发信号则显示扫描时间基线。NORM：若无正确输入触发信号则没有任何显示。FIX：在固定的触发电平位置开始触发扫描。TV-F：将复合射频信号的垂直同步脉冲分离出来实现触发。
TV-L：将复合射频信号的水平同步脉冲分离出来实现触发。
20．VERT MODE 用于选择垂直通道输入信号的显示模式。CH1：显示CH1的输入信号。CH2：显示CH2的输入信号。ALT：采用交替方式显示CH1和CH2的输入信号（用于高速扫描）。CHOP：以固定的250kHz频率采用断续方式显示CH1和CH2的输入信号（用于低速扫描）。
21．CH2 INVERT 按下此按钮，CH2输入信号极性被反相。
22．X-Y 按下此按钮，示波器变为X-Y轴图示仪，此时CH1为Y轴，CH2为X轴。
23．SOURCE 选择触发信号源。VERT：触发源由VERT MODE加以选择（其中CHOP方式触发源由CH1提供）。CH1（CH2）：触发源为CH1（CH2）的输入信号。LINE：触发源为商用电源的电压波形。EXT：外部接入的触发源。24．SLOPE 用于选择触发信号的极性。25．TRIGGER LEVEL 用于调整触发电平。26．外触发源输入端。27&28．扫描速度粗调和微调旋钮，同样读数时微调旋钮必需旋至最右端的位置。
29．调节显示波形的水平位置。30．X10MAG 按下此按钮，信号在水平方向上扩展10倍。
四、预习要求
1、复习好教材《电子测量与仪器》第六章时域测量的内容，掌握示波器的原理。
2、查找相关资料及参照实验仪器使用说明书，预先了解双踪示波器、函数信号发生器各旋钮、开关的作用。
3、详细阅读实验指导书，作好绘制波形和测试记录的准备。
五、实验内容
（一）、学习并熟练掌握通用模拟示波器的使用
1．打开示波器预热后调出扫描线，对照上一页图1－1的标示，熟悉CS-4135A模拟示
波器各个开关和旋钮的作用。
2．从DG1022函数信号发生器的CH1输出一个频率为1kHz，幅值为5Vpp的正弦波，输入到CS-4135A模拟示波器的CH1（垂直通道1）上并稳定显示，示波器的一些初始设置如下：MODE位于AUTO，VERT MODE位于CH1，SOURCE位于VERT，TRIGGER LEVEL约位于中间位置，偏转灵敏度旋钮和扫描速度旋钮处于适当位置，按键按钮都处于弹出状态；接着完成以下操作：
（1）．把触发源SOURCE的选择杆从VERT的位置拨至CH1和CH2，理解为什么在CH2位置
时波形变得不稳定，然后拨回VERT位置。
（2）．旋转水平位移旋钮，把波形的扫描起点右移到显示屏幕的可视位置，然后按下和
弹起SLOPE按键，查看波形的不同触发极性（正极性上升沿触发，负极性下降沿触发）。
（3）．旋转TRIGGER LEVEL旋钮，观察波形起点的位置变化，当起点超过波形的正负峰值
时，波形显示会有什么变化？体会触发电平在获取稳定波形显示过程中的重要作用。
（4）．把VERT MODE选择杆从CH1拨至CH2，会出现什么情况？此时再把MODE选择杆从
AUTO位置拨至NORM，又会出现什么情况？体会触发和扫描的工作状况。最后把各设置拨回初始位置。
VERT MODE选择杆从CH1拨至CH2:波形消失。
MODE选择杆从AUTO位置拨至NORM：无明显变化。
3．熟悉示波器的双通道显示功能。
从DG1022函数信号发生器的CH2输出另一个频率为1.5kHz，幅值为5Vpp的
正弦波(注意CH2的默认波形是三角波)，输入到CS-4135A模拟示波器的CH2（垂直通道2）上，此时示波器显示的仍然是CH1输入的信号，若要显示CH2输入的信号，需把VERT MODE从CH1拨至CH2，则示波器的显示变成CH2输入的信号。若想同时显示两个通道的信号，可以把VERT MODE拨至ALT或CHOP位置，ALT采用交替方式实现双踪显示，此时两个通道的输入信号都能够得到稳定的显示（但是这时两个通道的信号被设置在信号周期的同一位置开始触发，从显示上不能判别出两信号的相位关系）。CHOP采用断续方式实现双踪显示，但是只能稳定显示一个通道的信号，另一个通道的信号不能稳定（如果两个通道的信号频率刚好是整数比关系时，则能同时稳定），稳定与否由触发源决定，当SOURCE位于VERT或CH1位置时，CH1通道稳定显示，当SOURCE位于CH2位置时，CH2通道稳定显示。请同学们结合教材内容进一步理解示波器的双踪显示情况。
4．在一台性能良好的示波器上观测一个电压幅度1V，频率1KHz正弦波形，但是在示
波器的屏幕上却出现如图1－2所示各种非正常的波形显示，请把图中所给出的各种不正常波形在示波器上显示出来，然后把波形调回正常显示状态，试分析每种不正常波形产生的原因（有的现象可能有多种原因），并说明应如何调整示波器的哪些相关开关、旋钮才能观测到正常的波形。
图 1－2 非正常显示波形
（注：图（3）的现象可能是一根竖线从左向右缓慢移动，也可能是稳定不动。图（10）
是一种不稳定显示的情况，屏幕上看到的线或多或少。）
(1) VOLTS/DIV——过小
(2) a.VERT MODE——CH2
b.CH1——GND
(3)a.SWEEP TIME/DIV——过大
b.X-Y
(4)a.POSITION——过高或者过低
b.VOLTS/DIV——过小，SWEEP TIME/DIV——过小，HORIZONTAL POSITION—
—过高或者过低
(5)FOCUS没有调节到适当位置
(6)SWEEP TIME/DIV——过大
(7)SWEEP TIME/DIV——过小
(8)CH1 & HORIZOMTAL，POSITION没有调节到适当位置
(9)VOLTS/DIV——过大
(10)a.SWEEP TIME/DIV & VARIABLE没有调节到适当位置
b.TRIGGER LEVEL没有调节到适当位置
(11)CH2，X-Y
5．从DG1022函数信号发生器的CH1输出一个频率为8Hz，幅值为5Vpp的正弦波，输入到模拟示波器的CH1（垂直通道1）上，通过调节示波器的相关旋钮，在示波器显示屏上获得稳定显示的正弦波波形（显示1～3个周期）。说明你判断波形已经稳定显示的依
据，并解释此时示波器的显示现象及其产生原因；从仪器操作上能不能消除这种显示现
象？你认为从技术上能如何改善显示效果？
判断波形已经稳定显示的依据：波形消失和出现的位置重合，即扫描同步，轨迹相同。
示波器显示现象：波形从左至右在闪烁，产生原因是输入信号的频率很小。从仪器操作上不能消除这种显示现象，它是正常的，由于人眼的视觉暂留和荧光屏的余辉，便可以观察到信号的波形。
技术上改善显示效果：使用多级灰度技术配合示波器的快速刷新或者深存储，可以达到更好的波形观测效果和波形细节和异常的检测效果。
6．从DG1022函数信号发生器的CH1输出一个频率为10kHz，幅值为5Vpp的正弦波，输入到模拟示波器的CH1上并让波形适中稳定显示，通过调节水平位移旋钮把波形的起点右移到显示屏内能够看得到的位置；接着按下DG1022信号发生器的Mod键，在屏幕菜单上选“深度”参数项，把参数改为50.0％，其它参数不动；然后把示波器的扫描速度旋钮调到2ms/DIV的位置，不论此时波形是否稳定，都左右旋转触发电平（TRIGGER LEVEL）旋钮，并最终让波形稳定下来，判断触发电平处于什么位置（不是TRIGGER LEVEL旋钮的位置）能够获得稳定显示的波形（可以文字表述，也可以直接在波形上标注说明）？最后把波形记录下来，此波形是一个调幅AM波。
如上图所示，触发电平处在的位置是波形最左上方的端点时，能够获得稳定显示的波形。
（二）、学习TDS1002B数字示波器的使用和测量
数字示波器的功能较多，图1－2是示波器的前面板，前面板被分成若干个易于操作的功能区，下面对屏幕显示信息以及一些功能区域做简要的说明；关于本示波器的详细资料，大家可以通过示波器的“HELP”菜单做进一步的学习。
1．电压探头检测
数字示波器的探头是示波器的重要组成部分，探头的性能好坏将直接关系到信号测量
的准确性和完整性。可以使用探头检查向导来验证电压探头是否操作正常，该向导帮助我们调节电压探头的补偿，设置每个通道的衰减选项系数。要使用探头检查向导，请按下PROBE CHECK（探头检测） 按钮。如果电压探头连接正确、补偿正确，而且示波器“垂直”菜单中的“衰减”选项设置与探头相匹配，示波器就会在屏幕的底部显示一条“合格”信息。否则，示波器会在屏幕上显示一些指示，指导如何纠正这些问题。
探头有不同的衰减系数，它影响信号的垂直刻度；探头检查向导验证示波器的衰减系数是否与探头匹配。探头本身和“衰减”选项的默认设置都为10X。如果更改探头上的“衰减”开关，则必须同时更改示波器“衰减”选项来与之匹配。探头衰减系数开关有1X 和10X。
注意：当“衰减”开关设置为1X 时，P2220 探头将示波器的带宽限制到6MHz。要使用示波器的全带宽，请确保将开关设定到10X。没有特殊说明，平时都应该设置在10X的位置。
菜单操作键
垂直控制区 多用途旋钮 功能选项区 触发控制区
探头检测探头补偿信号输入水平控制
屏幕显示区 图1－3 TDS1002B数字示波器的前面板
2．LCD屏幕显示区域 除了显示波形外，显示屏上还含有很多关于波形和示波器控制设置的详细信息，如图
图1－4 数字示波器液晶屏幕显示区信息
1－4所示。其中：1、显示采样的获取方式。2、显示触发状态。3、显示水平触发位置，旋转“水平位置”旋钮可以调整标记位置。4、显示中心刻度处时间的读数。5、显示触发电平的标记。6、屏幕上的标记指明所显示波形的地线基准点。如没有标记，不会显示通道信号。
7、箭头图标表示波形是反相的。8、读数显示通道的垂直刻度系数。9、BW 图标表示通道带宽受限制。10、读数显示主时基设置。11、如使用视窗时基，读数显示视窗时基设置。12、读数显示触发使用的触发源。13、采用图标显示触发类型。14、读数显示触发电平的大小。
15、显示区显示有用信息；有些信息仅显示三秒钟。16、读数显示日期和时间。17、读数显示触发频率。
3．触发控制区
其中，电平：使用边沿触发或脉冲触发时，“电平”旋钮设置采集波形时信号所必须越过的幅值电平。TRIG MENU（触发菜单）：显示触发菜单；其中“信源”选项选择示波器用作触发的信号来源，只有选择正确才能稳定显示信号波形。设为50%：触发电平设置为触发信号峰值的垂直中点。强制触发： 不管触发信号是否适当，都完成采集。如采集集已停止，则该按钮不产生影响。TRIG VIEW（触发视图）：按下TRIG VIEW（触发视图）按钮时，显示触发波形而不是通道波形。可用此按钮查看诸如触发耦合之类的触发设置对触发信号的影响。
4．多用途旋钮
通过显示的菜单或选定的菜单选项来确定功能。激活时，相邻的LED 变亮。
5．功能选项控制按钮菜单区
（1）．ACQUIRE（采集）：显示采集菜单，有三种获取方式——采样、峰值检测和平均值。采样：在这种获取方式下，示波器以均匀时间间隔对信号进行采样以建立波形。此方式多数情况下可以精确表示信号。然而，此方式不能采集采样之间可能发生的快速信号变化，这可能导致假波现象，并可能漏掉窄脉冲；在这些情况下，应使用“峰值检测”方式来采集数据。峰值检测：在这种获取方式下，示波器在每个采样间隔中找到输入信号的最大值和最小值并使用这些值显示波形，这样，示波器就可以获取并显示窄脉冲，否则这些窄脉冲在“采样”方式下可能已被漏掉；在这种方式下，噪声看起来似乎更大。平均值：
在这种获取方式下，
示波器获取多个波形，求其平均值，然后显示最终波形；可以使用此方式来减少随机噪声。
（2）．MEASURE（测量）：显示“自动测量”菜单，有十一种测量类型，一次最多可以显
（4）．CURSOR（光标）：按下光标按钮显示测量光标和光标菜单，然后使用多用途旋钮改变光标的位置。离开光标菜单后，光标保持可见（除非“类型”选项设置为“关闭”），但不可调整。
6．从DG1022函数信号发生器的CH1输出一个频率为1kHz，幅值为5Vpp的正弦波，
输入到数字示波器的CH1上，通过操作示波器面板上的旋钮和按键，学习并熟悉数字示波器垂直控制系统、水平控制系统、触发控制系统以及菜单和功能按钮的作用，要求熟练掌握数字示波器的使用。然后完成以下操作。
（1）．按“自动设置”按键，让波形稳定显示，然后旋转“触发电平”旋钮 ，可以看
到显示屏的右侧有一个小箭头随着上下移动，小箭头所指示的位置就是触发电平的位置，当小箭头超出信号上下峰值时，信号显示将变得不稳定，由此我们可以很清楚的了解触发电平在波形显示中的具体作用。
（2）．把P2220 探头上的“衰减”开关从10X更改为1X，并查看信号峰峰值的大小，
接着通过更改示波器CH1菜单中“衰减”选项的参数与之匹配，再查看信号峰峰值的大小。
探头上的“衰减”开关从10X更改为1X：Vpp=51.6V
示波器CH1菜单中“衰减”选项的参数与之匹配（衰减1X）：Vpp=5.16V
（3）．接上一步骤，把信号频率改为1MHz，查看信号峰峰值的大小，然后一边慢慢提高信号频率为2MHz、3MHz 、4MHz、 5MHz 、6MHz 、7MHz 、8MHz，一边查看信号峰峰值的大小变化和信号波形的变化，最后把信号频率重新调回1MHz。
信号波形变化情况：当信号频率为1-6MHz时，峰峰值逐渐减小。6-7-8MHz幅值忽然上升，这是由于P2220 探头将示波器的带宽限制到了6MHz，若超出范围的话，测量结果将会出现异常。另外，整组波形均无无失真情况。
（4）．接着把信号波形改为方波，查看信号峰峰值的大小和信号波形特征，然后一边慢慢提高信号频率为2MHz、3MHz 、4MHz、 5MHz，一边查看信号峰峰值的大小变化和信号波形的变化，最后把信号频率重新调回1MHz。
随着信号频率从1MHz上升到5MHz，信号峰峰值逐渐减小。 波形变化情况如下图所示。
1MHz
2MHz
3MHz
4MHz
5MHz
（5）．把探头上的“衰减”开关和CH1菜单中“衰减”选项的参数都改回10X，再重复上面的步骤（3）（4）。对比这两个测量过程的数据与波形，分析说明测量结果。
正弦波
方波
1MHz
2MHz
3MHz
4MHz
5MHz
对比（4）和（5）的实验数据，首先是正弦波的测量：信号频率超出6MHz时，（5）比（4）的测量电压的衰减程度要小的多。然后是方波的测量：（5）比（4）中信号的失真程度小。综上所述，（5）的测量结果是更为准确的。
这是因为在示波器实际测量中的带宽一般指示波器带宽和探头组成的系统
的一个综合带宽，而探头在1X档时的带宽限制到6MHz，测量比6MHz高的信号会有很大的衰减，只有将把探头上的“衰减”开关和CH1菜单中“衰减”选项的参数都改回10X，带宽达到全带宽，此时的测量结果才是正确的。对于高频信号来说，示波器和探头组合起来的系统带宽要小于两者的带宽，因此选择合适的探头对于示波器的测量有很大的意义。
（6）．把信号波形改为正弦波，并设置正弦波的“偏移”量为1VDC（相当于给正弦波叠加了一个1V的直流分量），查看波形在示波器上的显示。接着按压垂直CH1的菜单键，调出CH1的设置菜单，菜单第一项是“耦合”，有交流、直流和接地三个选项，请分别选择这三种输入耦合方式并观察相对应的波形变化，体会输入耦合功能对波形显示的影响。随后把信号接到模拟示波器的CH1输入，同样设置输入耦合的三种状态，观察波形的显示情况。顺便提醒一下，对于模拟示波器来说，要保证垂直方向电压读数的正确性，必需在读数之前先把输入耦合接地，并把扫描基线调节到坐标横轴的位置，此位置是电压的零点基准点。而数字示波器则有如图1－4的第6个信息标识，箭头1和2所指示的位置就是该通道的零电压参考位置。最后把正弦波的“偏移”量重新设为0VDC。
当选择交流输入耦合方式时，波形稳定显示。
当选择直流输入耦合方式时，波形上移1格（换算成1V）。
当选择接地时，波形为一条水平直线。
（7）．按下数字示波器UTILITY（辅助功能）按钮显示UTILITY（辅助功能）菜单，选择“系统状态”查看当前显示波形关于水平控制、垂直控制和触发控制的参数设置一览表。
7．利用数字示波器进行时间的直接测量
实验原理：示波器是测量一个数字时钟信号和脉冲时间参数的主要工具。一个典型的实际时钟信号波形如图1－5所示。利用示波器可以直接测量波形的时间参数。设被测时间为tx， 则 txssx
其中 ss ----- 示波器扫描速度，单位s/div、ms/div或μs/div。
x ----- 被测时间所对应的光迹在水平方向的距离。
图1－5 典型的实际数字时钟信号波形
如果使用模拟示波器直接测量时间，上式中X的读取会产生较大的误差，特别是象在测量时钟信号的上升时间或下降时间这样间隔很短的时间时将显得特别困难，甚至于不能完成测量。而对于数字示波器来说，则能够利用其数字采样特性所带来的超强扫描能力以及光标测量功能简单快捷准确的测量出极短的时间间隔。
实验内容：从DG1022函数信号发生器的CH1输出一个频率为1kHz，幅值为5Vpp的方波信号，输入到数字示波器的CH1上，CH1的垂直偏转灵敏度设为1V/
格，扫描速度单位设为
25ns/格，调节水平位移旋钮使波形显示大约如下图所示，利用示波器的光标功能测量并记录此方波信号的上升时间。同样我们也可以利用光标功能很方便的来测量振荡的频率、振幅以及脉冲宽度等信号参数。
更为方便的，我们还可以从Measure（测量）功能菜单的“类型”中选择“上升时间”选项来直接读取方波信号上升时间的大小。
如图所示，测得方波信号上升时间大小tx=25.00ns。
8．数学运算功能的使用以及如何降低噪声对有用信号测量的影响。
从DG1022函数信号发生器的CH1输出一个频率为1kHz，幅值为5Vpp的方波信号，输入到数字示波器的CH1上并恰当显示；再 从DG1022函数信号发生器的CH2输出一个幅值为200mVpp的随机噪声信号，输入到数字示波器的CH2上并恰当显示。接着通过MATH（数学）菜单把两通道的信号相加，并把两通道的显示关掉，让屏幕只显示相加后的波形，此时我们看到的是一个带噪声的方波信号。请你通过ACQUIRE（采集）菜单的“平均值”选项来将信号从噪声中分离，并观察改变运行平均操作的次数对显示波形的影响。平均操作可降低随机噪声，并且更容易查看信号的详细信息，在实际测量中要学会使用。
原始信号
平均次数4次
平均次数16次
平均次数64次
平均次数128次
综上图示，平均操作次数越多，随机噪声去除效果越好，噪声越小，但是波形显示对波形变化的响应也越慢。
9．了解数字示波器的频谱分析功能（FFT）。
数字示波器的“数学计算FFT”（快速傅立叶变换）可以使用FFT 数学计算模式将时域(YT) 信号转换为它的频率分量（频谱）。数学计算FFT 模式应用于以下类型的分析：分析电源线中的谐波、测量系统中的谐波含量和失真、表征直流电源中的噪声特性、测试过滤器和系统的脉冲响应、分析振动。
要使用“数学计算FFT”模式，需要执行以下步骤：设置信源（时域）波形显示FFT 频谱选择某种类型的FFT窗口调整采样速率以便在没有假波现象的条件下显示基频和谐波使用缩放控制放大频谱使用光标测量频谱。
（1）．设置时域波形。
使用
FFT
模式前，需要设置时域(YT) 波形。要进行此操作，可按如下步骤进行：
①. 按下“自动设置”以显示YT 波形。
②. 旋转“垂直位置”旋钮将YT 波形垂直移到中心（零分度）。这可确保FFT 显示真实
的直流值。
③. 旋转“水平位置”旋钮来定位要在屏幕中心的八个分度中进行分析的部分YT 波形。
示波器将使用时域波形中心的2048 个点来计算FFT 光谱。
④. 旋转“伏/格”旋钮，确保整个波形都保留在屏幕上。如果看不到整个波形，示波器
可能会（通过增加高频分量）显示错误的FFT 结果。
⑤. 旋转“秒/格”旋钮，提供FFT 谱中所需的分辨率。
⑥. 如果可能，将示波器设置为可显示多个信号周期。
（2）．显示FFT频谱。
按下MATH MENU（数学菜单）按钮显示数学菜单。使用各选项来选择“FFT操作”、“信源”通道、“窗口”算法和“FFT 缩放”系数。结果FFT频谱如图1－6所示：
图 1－6 数学计算FFT谱线图显示
其中：1. 中心刻度线处的频率； 4. 以采样数/秒为单位的采样速率；
2. 以db/分度（0 db = 1 VRMS）； 5. FFT 视窗类型。
3. 以频率/分度为单位的水平刻度；
在进行信号的FFT分析之前，需先设置好合适的被测时域波形。然后按下MATH MENU按钮，在“操作”项中选FFT，“信源”选信号的输入通道，“视窗”选Hanning，要知道某一频率分量是多少，请将其谱线移到坐标纵轴的中心刻度线处对准，则其频率值会在屏幕右上方的Pos:位置显示。为了看清各谐波分量的谱线，可以通过“FFT缩放”进行适当放大。要返回时域状态，再按一下MATH MENU按钮即可。
实验内容：从DG1022函数信号发生器的CH1输出一个频率为10kHz，幅值为5Vpp的正弦波信号，输入到数字示波器的CH1上，数字示波器CH1的垂直分辨率设为1V/格，水平扫描速度设为100μs/格，让波形在屏幕上稳定显示；然后切换到FFT频谱显示界面，“视窗”选Hanning，“FFT缩放”选X5，此时可以看到屏幕只有一根明显的谱线，通过调节示波器“水平位置”旋钮，把谱线移到中心刻度线处查看其频率值，同时查看其它相关参数，最后记录正弦波信号的FFT谱线图。
把正弦波信号分别改为方波和锯齿波，所有参数设置不变，观察方波和锯齿波的FFT频谱情况，记录方波和锯齿波的FFT谱线图，
说明方波和锯齿波各次谐波的频谱特
征。
任意改动信号参数设置，自由观察 FFT频谱的变化情况。
六、思考题
1．结合本次实验的操作体会，总结一下：使用模拟示波器，从具体观测的情况来说，
要想获得一个正常合适稳定显示的波形需要具备哪些条件？
（1）带宽
信号带宽=0.5/信号上升时间；
示波器带宽=2*信号带宽；
示波器实时取样速率=4*示波器带宽。
（2）信道
测量时选择合适的信道。
（3）采样率
采样率的高低对波形构建的真实性有直接影响，采样率低会导致波
形失真，混淆和漏失。
（4）波形刷新率
更高的波形刷新率可以组织更大数据量的波形质量信息。
（5）示波器的触发
只有稳定的触发才有稳定的显示。
（6）耦合
交流耦合是只通过信号交流成分阻止直流成分，相当于高通滤波，
当信号包括交流和直接成分，但只需分析交流成分时，选择交流耦合；直流耦合则是通过信号的全部成分，当观察直流信号或低频信号时，必须选择直流耦合。
（7）调整好波形的垂直和水平位置，选择合适的幅度和频率档位。
2．总结本实验中你对触发电平的操作体会，说说触发电平是如何帮助波形的稳定显
示。
当示波器输入一个信号,这时如果不对信号的显示作出相应的控制,
那么显示则是杂乱无章的,如图1所示,每一屏的显示都不同,当示波器快速刷新的时候,看到的信号是混叠的、不稳定的图像,无法进行观察和测量。
为了解决这种情况,就需要规定示波器的触发条件,以达到稳定同步。
正弦波在一个周期内的波形特征,只有一个唯一的上升和下降沿,那
么可以选择上升沿作为触发条件,同时设置一个触发电平与上升沿相交,得到一个触发点。在正弦波的不同周期,该触发点的位置是相同并唯一的,这时当我们把该触发点定义在显示屏幕的特定位置时,示波器每刷新一屏,把满足触发条件的点都放在屏幕的相同位置,由于该点在波形中是唯一相同的,所有不同屏幕的触发点都在同一位置,那么屏幕上的显示就稳定同步了,同时刷新一屏只有第一个满足触发条件的点定义为触发点,其它被忽略。为方便起见,把触发点放在屏幕的最左边位置,当每刷新一屏时,示波器把满足触发条件的点放在同一点,波形就稳定地被显示在示波器的屏幕上,波形如图2所示。
3.说明TDS1002B数字示波器60MHz带宽这一指标的含义。
带宽是示波器的基本指标，和放大器带宽的定义一样，是所谓的-3dB点，即在示波器的输入加正弦波，幅度衰减为实际幅度的70.7%时的频率点称为带宽。也就是说，使用60MHz带宽的示波器测量1V，60MHz的正弦波，得到的幅度只有0.707V。因此，在选择示波器的时候，为达到一定的测量精度，应该选择信号最高频率5倍的带宽。
4.总结模拟示波器（ASO）和数字示波器（DSO）各自的优缺点。
对于ASO来说，由于CRT的余辉时间很短，难于显示频率很低的信号。因为示
波管上的扫迹亮度和扫描速度成反比，所有具有快速上升、下降时间的低重复速率信号就很难看到。而DSO的扫迹亮度和扫描速度与信号重复速率无关。
对于显示具有足够高重复速率的重复性信号的快速沿来说，ASO和DSO的观测
性能几乎无区别。
当要进行信号参量的测量时，DSO的优点在于具有自动测量的能力。而使用ASO
时，用户必须自己设置光标、分析理解显示的波形才能得到测量的结果。
如果要进行调整工作，那么最好使用ASO。这是因为它有实时显示能力，能在每
时刻都能显示出输入的电压。其波形更新速率（每秒钟在屏幕上描画扫迹的次数）很高，在高扫描速度时可以远超过100000次扫描/秒。所以信号的任何变化都会立即显示出来。DSO所显示的是用采集的波形数据重建的波形。每秒钟采集波形的闪数远低于100次。
结果在信号发生变化和变化了的信号在屏幕上显示出来之间就有了明显
的时间延迟。当对系统进行调整工作时，这是使用DSO的重大缺点。
5．查阅更多关于探头的资料，体会探头在示波器测量中的重要性。
示波器探头是测量链中的关键一环。探头并不仅仅是连接被测电路与示
波器的管道，它对测量结果及被测电路均有影响。探头分为有源探头和无源探头两大类，有源探头内包含有源电子元件，可以提供放大能力；不包括有源元件的探头称为无源探头，其中只包含无源元件（如电阻和电容），这种探头通常对输入信号有衰减，所有探头均存在着阻性、感性和容性负载；实际使用中，要把这些负载影响限制在可接受的极限范围之内，输入电阻和电容常用来描述探头的负载作用，在低频（
6．查阅相关资讯，了解示波器的最新技术进展，列出几个世界著名的示波器生产商名字。 国外：
美国：泰克(Tektronix)，安捷伦(Agilent)，力科(Lecroy)，福禄克(Fluke) 德国：罗德&施瓦茨(R&S)
日本：横河电机(YOKOGAWA)
国内：
普源精电(RIGOL)，麦科信(Micsig)，鼎阳(SIGLENT)，汉泰(Hantek)，优利德(UNI-T)，利利普(OWON)，伊万视波，固纬(GWINSTEK)
七、实验报告要求
1．写明实验目的。
2．简单概括实验原理。
3．写明实验所用仪器设备。
4．整理实验数据和波形，回答实验内容中提出的有关问题，分析实验结果。
5．完成思考题。
实验一 通用模拟与数字双踪示波器的使用及测量
一、实验目的和要求
1． 根据已学的示波器理论知识学习正确使用通用双踪示波器，并利用示波器进行各种电信号的测量，熟练掌握模拟示波器的使用。
2． 学习数字式通用示波器的使用，了解其在测量上的强大功能，并与模拟示波器进行比较，体会各自在测量上的特点。
3．认真按实验内容的要求进行实验，记录有关的数据和波形，回答实验内容中提出的
有关问题，并按时提交实验报告。
二、实验原理
在时域信号测量中，电子示波器无疑是最具代表性的典型测量仪器。它可以精确复现作为时间函数的电压波形（横轴为时间轴，纵轴为幅度轴），不仅可以观察相对于时间的连续信号，也可以观察某一时刻的瞬间信号，这是电压表所做不到的。我们不仅可以从示波器上观察电压的波形，也可以读出电压信号的幅度、频率及相位等参数。
电子示波器是利用随电信号的变化而偏转的电子束不断轰击荧光屏而显示波形的，如果在示波管的X偏转板（水平偏转板）上加一随时间作线性变化的时基信号，在Y偏转板（垂直偏转板）加上要观测的电信号，示波器的荧光屏上便能显示出所要观测的电信号的时间波形。
若水平偏转板上无扫描信号，则从荧光屏上什么也看不见或只能看到一条垂直的直线。因此，只有当X偏转板加上锯齿电压后才有可能将波形展开，看到信号的时间波形。 一般说来，Y偏转板上所加的待观测信号的周期与X偏转板上所加的扫描锯齿电压的周期是不相同的，也不一定是整数倍，因而每次扫描的起点对待观测信号来说将不固定，则显示波形便会不断向左或向右移动，波形将一片模糊。这就有一个同步问题，即怎样使每次扫描都在待观测信号不同周期的相同相位点开始。近代电子示波器通常是采用等待触发扫描的工作方式来实现同步的。只要选择不同的触发电平和极性，扫描便可稳定在待观测信号的某一相应相位点开始，从而使显示波形稳定、清晰。
在现代电子示波器中，为了便于同时观测两个信号（如比较两个信号的相位关系），采用了双踪显示的办法，即在荧光屏上可以同时有两条光迹出现，这样，两个待测的信号便可同时显示在荧光屏上，双踪显示时，有交替、断续两种工作方式。交替、断续工作时，扫描电压均为一种，只是把显示时间进行了相应的划分而已。
由于双踪显示时两个通道都有信号输入，因此还可以工作于叠加方式，这时是将两个信号逐点相加起来后送到Y偏转板的。这种工作方式可模拟谐波叠加，波形失真等问题。同时，如果改变其中一个的极性，也可以实现相减的显示功能。这相当于两个函数的相加减。 示波器除了用于观测信号的时间波形外，还可将两个相同或不同的信号分别加于垂直和水平系统，以观测两信号在X－Y平面上正交叠加所组成的图形，如李沙育图形。它可用于观测两个信号之间的幅度、相位和频率关系。
三、实验仪器设备
1．模拟双踪示波器 CS－4135A 一台
2．数字双踪示波器 TDS－1002B 一台
3．DDS函数信号发生器 DG1022 一台
图1－1 CS-4135A示波器前面板示意图
示波器前面板之说明：
1．CRT显示屏 显示范围为垂直轴8div（80mm），水平轴10div（100mm）。为使显示信号与刻度间不会产生视差，采用了标示于荧幕内侧的刻度。此外在刻度的左端则标示有测定响应时间的%记号。2．POWER 电源开关按钮。3．电源指示灯。
4．CAL端子 为校正用信号输出端子。使用于校正探头时，可得到1Vp-p正极性，1kHz之方波信号输出。5．刻度照明 控制CRT格子刻度线的亮度。
6．TRACE ROTA 用于调节水平扫描线的倾斜度。7．FOCUS 扫描线焦距调节旋钮。
8．INTEN辉度旋钮 用于调整扫描线的亮度。9．GND 接地端子。
10&13．调节CH1和CH2波形的垂直位置。12．BAL 用于调整垂直通道的DC平衡。 11&14．AC-GND-DC 垂直通道的输入耦合方式，即选择以何种方式观测输入信号。
15&16．偏转灵敏度（垂直轴衰减）旋钮粗调和微调，为获得正确的读数，微调旋钮必需关闭，即顺时针旋至最右端的位置。19．MODE 用于选择触发方式。AUTO：由触发信号启动扫描，若无输入触发信号则显示扫描时间基线。NORM：若无正确输入触发信号则没有任何显示。FIX：在固定的触发电平位置开始触发扫描。TV-F：将复合射频信号的垂直同步脉冲分离出来实现触发。
TV-L：将复合射频信号的水平同步脉冲分离出来实现触发。
20．VERT MODE 用于选择垂直通道输入信号的显示模式。CH1：显示CH1的输入信号。CH2：显示CH2的输入信号。ALT：采用交替方式显示CH1和CH2的输入信号（用于高速扫描）。CHOP：以固定的250kHz频率采用断续方式显示CH1和CH2的输入信号（用于低速扫描）。
21．CH2 INVERT 按下此按钮，CH2输入信号极性被反相。
22．X-Y 按下此按钮，示波器变为X-Y轴图示仪，此时CH1为Y轴，CH2为X轴。
23．SOURCE 选择触发信号源。VERT：触发源由VERT MODE加以选择（其中CHOP方式触发源由CH1提供）。CH1（CH2）：触发源为CH1（CH2）的输入信号。LINE：触发源为商用电源的电压波形。EXT：外部接入的触发源。24．SLOPE 用于选择触发信号的极性。25．TRIGGER LEVEL 用于调整触发电平。26．外触发源输入端。27&28．扫描速度粗调和微调旋钮，同样读数时微调旋钮必需旋至最右端的位置。
29．调节显示波形的水平位置。30．X10MAG 按下此按钮，信号在水平方向上扩展10倍。
四、预习要求
1、复习好教材《电子测量与仪器》第六章时域测量的内容，掌握示波器的原理。
2、查找相关资料及参照实验仪器使用说明书，预先了解双踪示波器、函数信号发生器各旋钮、开关的作用。
3、详细阅读实验指导书，作好绘制波形和测试记录的准备。
五、实验内容
（一）、学习并熟练掌握通用模拟示波器的使用
1．打开示波器预热后调出扫描线，对照上一页图1－1的标示，熟悉CS-4135A模拟示
波器各个开关和旋钮的作用。
2．从DG1022函数信号发生器的CH1输出一个频率为1kHz，幅值为5Vpp的正弦波，输入到CS-4135A模拟示波器的CH1（垂直通道1）上并稳定显示，示波器的一些初始设置如下：MODE位于AUTO，VERT MODE位于CH1，SOURCE位于VERT，TRIGGER LEVEL约位于中间位置，偏转灵敏度旋钮和扫描速度旋钮处于适当位置，按键按钮都处于弹出状态；接着完成以下操作：
（1）．把触发源SOURCE的选择杆从VERT的位置拨至CH1和CH2，理解为什么在CH2位置
时波形变得不稳定，然后拨回VERT位置。
（2）．旋转水平位移旋钮，把波形的扫描起点右移到显示屏幕的可视位置，然后按下和
弹起SLOPE按键，查看波形的不同触发极性（正极性上升沿触发，负极性下降沿触发）。
（3）．旋转TRIGGER LEVEL旋钮，观察波形起点的位置变化，当起点超过波形的正负峰值
时，波形显示会有什么变化？体会触发电平在获取稳定波形显示过程中的重要作用。
（4）．把VERT MODE选择杆从CH1拨至CH2，会出现什么情况？此时再把MODE选择杆从
AUTO位置拨至NORM，又会出现什么情况？体会触发和扫描的工作状况。最后把各设置拨回初始位置。
VERT MODE选择杆从CH1拨至CH2:波形消失。
MODE选择杆从AUTO位置拨至NORM：无明显变化。
3．熟悉示波器的双通道显示功能。
从DG1022函数信号发生器的CH2输出另一个频率为1.5kHz，幅值为5Vpp的
正弦波(注意CH2的默认波形是三角波)，输入到CS-4135A模拟示波器的CH2（垂直通道2）上，此时示波器显示的仍然是CH1输入的信号，若要显示CH2输入的信号，需把VERT MODE从CH1拨至CH2，则示波器的显示变成CH2输入的信号。若想同时显示两个通道的信号，可以把VERT MODE拨至ALT或CHOP位置，ALT采用交替方式实现双踪显示，此时两个通道的输入信号都能够得到稳定的显示（但是这时两个通道的信号被设置在信号周期的同一位置开始触发，从显示上不能判别出两信号的相位关系）。CHOP采用断续方式实现双踪显示，但是只能稳定显示一个通道的信号，另一个通道的信号不能稳定（如果两个通道的信号频率刚好是整数比关系时，则能同时稳定），稳定与否由触发源决定，当SOURCE位于VERT或CH1位置时，CH1通道稳定显示，当SOURCE位于CH2位置时，CH2通道稳定显示。请同学们结合教材内容进一步理解示波器的双踪显示情况。
4．在一台性能良好的示波器上观测一个电压幅度1V，频率1KHz正弦波形，但是在示
波器的屏幕上却出现如图1－2所示各种非正常的波形显示，请把图中所给出的各种不正常波形在示波器上显示出来，然后把波形调回正常显示状态，试分析每种不正常波形产生的原因（有的现象可能有多种原因），并说明应如何调整示波器的哪些相关开关、旋钮才能观测到正常的波形。
图 1－2 非正常显示波形
（注：图（3）的现象可能是一根竖线从左向右缓慢移动，也可能是稳定不动。图（10）
是一种不稳定显示的情况，屏幕上看到的线或多或少。）
(1) VOLTS/DIV——过小
(2) a.VERT MODE——CH2
b.CH1——GND
(3)a.SWEEP TIME/DIV——过大
b.X-Y
(4)a.POSITION——过高或者过低
b.VOLTS/DIV——过小，SWEEP TIME/DIV——过小，HORIZONTAL POSITION—
—过高或者过低
(5)FOCUS没有调节到适当位置
(6)SWEEP TIME/DIV——过大
(7)SWEEP TIME/DIV——过小
(8)CH1 & HORIZOMTAL，POSITION没有调节到适当位置
(9)VOLTS/DIV——过大
(10)a.SWEEP TIME/DIV & VARIABLE没有调节到适当位置
b.TRIGGER LEVEL没有调节到适当位置
(11)CH2，X-Y
5．从DG1022函数信号发生器的CH1输出一个频率为8Hz，幅值为5Vpp的正弦波，输入到模拟示波器的CH1（垂直通道1）上，通过调节示波器的相关旋钮，在示波器显示屏上获得稳定显示的正弦波波形（显示1～3个周期）。说明你判断波形已经稳定显示的依
据，并解释此时示波器的显示现象及其产生原因；从仪器操作上能不能消除这种显示现
象？你认为从技术上能如何改善显示效果？
判断波形已经稳定显示的依据：波形消失和出现的位置重合，即扫描同步，轨迹相同。
示波器显示现象：波形从左至右在闪烁，产生原因是输入信号的频率很小。从仪器操作上不能消除这种显示现象，它是正常的，由于人眼的视觉暂留和荧光屏的余辉，便可以观察到信号的波形。
技术上改善显示效果：使用多级灰度技术配合示波器的快速刷新或者深存储，可以达到更好的波形观测效果和波形细节和异常的检测效果。
6．从DG1022函数信号发生器的CH1输出一个频率为10kHz，幅值为5Vpp的正弦波，输入到模拟示波器的CH1上并让波形适中稳定显示，通过调节水平位移旋钮把波形的起点右移到显示屏内能够看得到的位置；接着按下DG1022信号发生器的Mod键，在屏幕菜单上选“深度”参数项，把参数改为50.0％，其它参数不动；然后把示波器的扫描速度旋钮调到2ms/DIV的位置，不论此时波形是否稳定，都左右旋转触发电平（TRIGGER LEVEL）旋钮，并最终让波形稳定下来，判断触发电平处于什么位置（不是TRIGGER LEVEL旋钮的位置）能够获得稳定显示的波形（可以文字表述，也可以直接在波形上标注说明）？最后把波形记录下来，此波形是一个调幅AM波。
如上图所示，触发电平处在的位置是波形最左上方的端点时，能够获得稳定显示的波形。
（二）、学习TDS1002B数字示波器的使用和测量
数字示波器的功能较多，图1－2是示波器的前面板，前面板被分成若干个易于操作的功能区，下面对屏幕显示信息以及一些功能区域做简要的说明；关于本示波器的详细资料，大家可以通过示波器的“HELP”菜单做进一步的学习。
1．电压探头检测
数字示波器的探头是示波器的重要组成部分，探头的性能好坏将直接关系到信号测量
的准确性和完整性。可以使用探头检查向导来验证电压探头是否操作正常，该向导帮助我们调节电压探头的补偿，设置每个通道的衰减选项系数。要使用探头检查向导，请按下PROBE CHECK（探头检测） 按钮。如果电压探头连接正确、补偿正确，而且示波器“垂直”菜单中的“衰减”选项设置与探头相匹配，示波器就会在屏幕的底部显示一条“合格”信息。否则，示波器会在屏幕上显示一些指示，指导如何纠正这些问题。
探头有不同的衰减系数，它影响信号的垂直刻度；探头检查向导验证示波器的衰减系数是否与探头匹配。探头本身和“衰减”选项的默认设置都为10X。如果更改探头上的“衰减”开关，则必须同时更改示波器“衰减”选项来与之匹配。探头衰减系数开关有1X 和10X。
注意：当“衰减”开关设置为1X 时，P2220 探头将示波器的带宽限制到6MHz。要使用示波器的全带宽，请确保将开关设定到10X。没有特殊说明，平时都应该设置在10X的位置。
菜单操作键
垂直控制区 多用途旋钮 功能选项区 触发控制区
探头检测探头补偿信号输入水平控制
屏幕显示区 图1－3 TDS1002B数字示波器的前面板
2．LCD屏幕显示区域 除了显示波形外，显示屏上还含有很多关于波形和示波器控制设置的详细信息，如图
图1－4 数字示波器液晶屏幕显示区信息
1－4所示。其中：1、显示采样的获取方式。2、显示触发状态。3、显示水平触发位置，旋转“水平位置”旋钮可以调整标记位置。4、显示中心刻度处时间的读数。5、显示触发电平的标记。6、屏幕上的标记指明所显示波形的地线基准点。如没有标记，不会显示通道信号。
7、箭头图标表示波形是反相的。8、读数显示通道的垂直刻度系数。9、BW 图标表示通道带宽受限制。10、读数显示主时基设置。11、如使用视窗时基，读数显示视窗时基设置。12、读数显示触发使用的触发源。13、采用图标显示触发类型。14、读数显示触发电平的大小。
15、显示区显示有用信息；有些信息仅显示三秒钟。16、读数显示日期和时间。17、读数显示触发频率。
3．触发控制区
其中，电平：使用边沿触发或脉冲触发时，“电平”旋钮设置采集波形时信号所必须越过的幅值电平。TRIG MENU（触发菜单）：显示触发菜单；其中“信源”选项选择示波器用作触发的信号来源，只有选择正确才能稳定显示信号波形。设为50%：触发电平设置为触发信号峰值的垂直中点。强制触发： 不管触发信号是否适当，都完成采集。如采集集已停止，则该按钮不产生影响。TRIG VIEW（触发视图）：按下TRIG VIEW（触发视图）按钮时，显示触发波形而不是通道波形。可用此按钮查看诸如触发耦合之类的触发设置对触发信号的影响。
4．多用途旋钮
通过显示的菜单或选定的菜单选项来确定功能。激活时，相邻的LED 变亮。
5．功能选项控制按钮菜单区
（1）．ACQUIRE（采集）：显示采集菜单，有三种获取方式——采样、峰值检测和平均值。采样：在这种获取方式下，示波器以均匀时间间隔对信号进行采样以建立波形。此方式多数情况下可以精确表示信号。然而，此方式不能采集采样之间可能发生的快速信号变化，这可能导致假波现象，并可能漏掉窄脉冲；在这些情况下，应使用“峰值检测”方式来采集数据。峰值检测：在这种获取方式下，示波器在每个采样间隔中找到输入信号的最大值和最小值并使用这些值显示波形，这样，示波器就可以获取并显示窄脉冲，否则这些窄脉冲在“采样”方式下可能已被漏掉；在这种方式下，噪声看起来似乎更大。平均值：
在这种获取方式下，
示波器获取多个波形，求其平均值，然后显示最终波形；可以使用此方式来减少随机噪声。
（2）．MEASURE（测量）：显示“自动测量”菜单，有十一种测量类型，一次最多可以显
（4）．CURSOR（光标）：按下光标按钮显示测量光标和光标菜单，然后使用多用途旋钮改变光标的位置。离开光标菜单后，光标保持可见（除非“类型”选项设置为“关闭”），但不可调整。
6．从DG1022函数信号发生器的CH1输出一个频率为1kHz，幅值为5Vpp的正弦波，
输入到数字示波器的CH1上，通过操作示波器面板上的旋钮和按键，学习并熟悉数字示波器垂直控制系统、水平控制系统、触发控制系统以及菜单和功能按钮的作用，要求熟练掌握数字示波器的使用。然后完成以下操作。
（1）．按“自动设置”按键，让波形稳定显示，然后旋转“触发电平”旋钮 ，可以看
到显示屏的右侧有一个小箭头随着上下移动，小箭头所指示的位置就是触发电平的位置，当小箭头超出信号上下峰值时，信号显示将变得不稳定，由此我们可以很清楚的了解触发电平在波形显示中的具体作用。
（2）．把P2220 探头上的“衰减”开关从10X更改为1X，并查看信号峰峰值的大小，
接着通过更改示波器CH1菜单中“衰减”选项的参数与之匹配，再查看信号峰峰值的大小。
探头上的“衰减”开关从10X更改为1X：Vpp=51.6V
示波器CH1菜单中“衰减”选项的参数与之匹配（衰减1X）：Vpp=5.16V
（3）．接上一步骤，把信号频率改为1MHz，查看信号峰峰值的大小，然后一边慢慢提高信号频率为2MHz、3MHz 、4MHz、 5MHz 、6MHz 、7MHz 、8MHz，一边查看信号峰峰值的大小变化和信号波形的变化，最后把信号频率重新调回1MHz。
信号波形变化情况：当信号频率为1-6MHz时，峰峰值逐渐减小。6-7-8MHz幅值忽然上升，这是由于P2220 探头将示波器的带宽限制到了6MHz，若超出范围的话，测量结果将会出现异常。另外，整组波形均无无失真情况。
（4）．接着把信号波形改为方波，查看信号峰峰值的大小和信号波形特征，然后一边慢慢提高信号频率为2MHz、3MHz 、4MHz、 5MHz，一边查看信号峰峰值的大小变化和信号波形的变化，最后把信号频率重新调回1MHz。
随着信号频率从1MHz上升到5MHz，信号峰峰值逐渐减小。 波形变化情况如下图所示。
1MHz
2MHz
3MHz
4MHz
5MHz
（5）．把探头上的“衰减”开关和CH1菜单中“衰减”选项的参数都改回10X，再重复上面的步骤（3）（4）。对比这两个测量过程的数据与波形，分析说明测量结果。
正弦波
方波
1MHz
2MHz
3MHz
4MHz
5MHz
对比（4）和（5）的实验数据，首先是正弦波的测量：信号频率超出6MHz时，（5）比（4）的测量电压的衰减程度要小的多。然后是方波的测量：（5）比（4）中信号的失真程度小。综上所述，（5）的测量结果是更为准确的。
这是因为在示波器实际测量中的带宽一般指示波器带宽和探头组成的系统
的一个综合带宽，而探头在1X档时的带宽限制到6MHz，测量比6MHz高的信号会有很大的衰减，只有将把探头上的“衰减”开关和CH1菜单中“衰减”选项的参数都改回10X，带宽达到全带宽，此时的测量结果才是正确的。对于高频信号来说，示波器和探头组合起来的系统带宽要小于两者的带宽，因此选择合适的探头对于示波器的测量有很大的意义。
（6）．把信号波形改为正弦波，并设置正弦波的“偏移”量为1VDC（相当于给正弦波叠加了一个1V的直流分量），查看波形在示波器上的显示。接着按压垂直CH1的菜单键，调出CH1的设置菜单，菜单第一项是“耦合”，有交流、直流和接地三个选项，请分别选择这三种输入耦合方式并观察相对应的波形变化，体会输入耦合功能对波形显示的影响。随后把信号接到模拟示波器的CH1输入，同样设置输入耦合的三种状态，观察波形的显示情况。顺便提醒一下，对于模拟示波器来说，要保证垂直方向电压读数的正确性，必需在读数之前先把输入耦合接地，并把扫描基线调节到坐标横轴的位置，此位置是电压的零点基准点。而数字示波器则有如图1－4的第6个信息标识，箭头1和2所指示的位置就是该通道的零电压参考位置。最后把正弦波的“偏移”量重新设为0VDC。
当选择交流输入耦合方式时，波形稳定显示。
当选择直流输入耦合方式时，波形上移1格（换算成1V）。
当选择接地时，波形为一条水平直线。
（7）．按下数字示波器UTILITY（辅助功能）按钮显示UTILITY（辅助功能）菜单，选择“系统状态”查看当前显示波形关于水平控制、垂直控制和触发控制的参数设置一览表。
7．利用数字示波器进行时间的直接测量
实验原理：示波器是测量一个数字时钟信号和脉冲时间参数的主要工具。一个典型的实际时钟信号波形如图1－5所示。利用示波器可以直接测量波形的时间参数。设被测时间为tx， 则 txssx
其中 ss ----- 示波器扫描速度，单位s/div、ms/div或μs/div。
x ----- 被测时间所对应的光迹在水平方向的距离。
图1－5 典型的实际数字时钟信号波形
如果使用模拟示波器直接测量时间，上式中X的读取会产生较大的误差，特别是象在测量时钟信号的上升时间或下降时间这样间隔很短的时间时将显得特别困难，甚至于不能完成测量。而对于数字示波器来说，则能够利用其数字采样特性所带来的超强扫描能力以及光标测量功能简单快捷准确的测量出极短的时间间隔。
实验内容：从DG1022函数信号发生器的CH1输出一个频率为1kHz，幅值为5Vpp的方波信号，输入到数字示波器的CH1上，CH1的垂直偏转灵敏度设为1V/
格，扫描速度单位设为
25ns/格，调节水平位移旋钮使波形显示大约如下图所示，利用示波器的光标功能测量并记录此方波信号的上升时间。同样我们也可以利用光标功能很方便的来测量振荡的频率、振幅以及脉冲宽度等信号参数。
更为方便的，我们还可以从Measure（测量）功能菜单的“类型”中选择“上升时间”选项来直接读取方波信号上升时间的大小。
如图所示，测得方波信号上升时间大小tx=25.00ns。
8．数学运算功能的使用以及如何降低噪声对有用信号测量的影响。
从DG1022函数信号发生器的CH1输出一个频率为1kHz，幅值为5Vpp的方波信号，输入到数字示波器的CH1上并恰当显示；再 从DG1022函数信号发生器的CH2输出一个幅值为200mVpp的随机噪声信号，输入到数字示波器的CH2上并恰当显示。接着通过MATH（数学）菜单把两通道的信号相加，并把两通道的显示关掉，让屏幕只显示相加后的波形，此时我们看到的是一个带噪声的方波信号。请你通过ACQUIRE（采集）菜单的“平均值”选项来将信号从噪声中分离，并观察改变运行平均操作的次数对显示波形的影响。平均操作可降低随机噪声，并且更容易查看信号的详细信息，在实际测量中要学会使用。
原始信号
平均次数4次
平均次数16次
平均次数64次
平均次数128次
综上图示，平均操作次数越多，随机噪声去除效果越好，噪声越小，但是波形显示对波形变化的响应也越慢。
9．了解数字示波器的频谱分析功能（FFT）。
数字示波器的“数学计算FFT”（快速傅立叶变换）可以使用FFT 数学计算模式将时域(YT) 信号转换为它的频率分量（频谱）。数学计算FFT 模式应用于以下类型的分析：分析电源线中的谐波、测量系统中的谐波含量和失真、表征直流电源中的噪声特性、测试过滤器和系统的脉冲响应、分析振动。
要使用“数学计算FFT”模式，需要执行以下步骤：设置信源（时域）波形显示FFT 频谱选择某种类型的FFT窗口调整采样速率以便在没有假波现象的条件下显示基频和谐波使用缩放控制放大频谱使用光标测量频谱。
（1）．设置时域波形。
使用
FFT
模式前，需要设置时域(YT) 波形。要进行此操作，可按如下步骤进行：
①. 按下“自动设置”以显示YT 波形。
②. 旋转“垂直位置”旋钮将YT 波形垂直移到中心（零分度）。这可确保FFT 显示真实
的直流值。
③. 旋转“水平位置”旋钮来定位要在屏幕中心的八个分度中进行分析的部分YT 波形。
示波器将使用时域波形中心的2048 个点来计算FFT 光谱。
④. 旋转“伏/格”旋钮，确保整个波形都保留在屏幕上。如果看不到整个波形，示波器
可能会（通过增加高频分量）显示错误的FFT 结果。
⑤. 旋转“秒/格”旋钮，提供FFT 谱中所需的分辨率。
⑥. 如果可能，将示波器设置为可显示多个信号周期。
（2）．显示FFT频谱。
按下MATH MENU（数学菜单）按钮显示数学菜单。使用各选项来选择“FFT操作”、“信源”通道、“窗口”算法和“FFT 缩放”系数。结果FFT频谱如图1－6所示：
图 1－6 数学计算FFT谱线图显示
其中：1. 中心刻度线处的频率； 4. 以采样数/秒为单位的采样速率；
2. 以db/分度（0 db = 1 VRMS）； 5. FFT 视窗类型。
3. 以频率/分度为单位的水平刻度；
在进行信号的FFT分析之前，需先设置好合适的被测时域波形。然后按下MATH MENU按钮，在“操作”项中选FFT，“信源”选信号的输入通道，“视窗”选Hanning，要知道某一频率分量是多少，请将其谱线移到坐标纵轴的中心刻度线处对准，则其频率值会在屏幕右上方的Pos:位置显示。为了看清各谐波分量的谱线，可以通过“FFT缩放”进行适当放大。要返回时域状态，再按一下MATH MENU按钮即可。
实验内容：从DG1022函数信号发生器的CH1输出一个频率为10kHz，幅值为5Vpp的正弦波信号，输入到数字示波器的CH1上，数字示波器CH1的垂直分辨率设为1V/格，水平扫描速度设为100μs/格，让波形在屏幕上稳定显示；然后切换到FFT频谱显示界面，“视窗”选Hanning，“FFT缩放”选X5，此时可以看到屏幕只有一根明显的谱线，通过调节示波器“水平位置”旋钮，把谱线移到中心刻度线处查看其频率值，同时查看其它相关参数，最后记录正弦波信号的FFT谱线图。
把正弦波信号分别改为方波和锯齿波，所有参数设置不变，观察方波和锯齿波的FFT频谱情况，记录方波和锯齿波的FFT谱线图，
说明方波和锯齿波各次谐波的频谱特
征。
任意改动信号参数设置，自由观察 FFT频谱的变化情况。
六、思考题
1．结合本次实验的操作体会，总结一下：使用模拟示波器，从具体观测的情况来说，
要想获得一个正常合适稳定显示的波形需要具备哪些条件？
（1）带宽
信号带宽=0.5/信号上升时间；
示波器带宽=2*信号带宽；
示波器实时取样速率=4*示波器带宽。
（2）信道
测量时选择合适的信道。
（3）采样率
采样率的高低对波形构建的真实性有直接影响，采样率低会导致波
形失真，混淆和漏失。
（4）波形刷新率
更高的波形刷新率可以组织更大数据量的波形质量信息。
（5）示波器的触发
只有稳定的触发才有稳定的显示。
（6）耦合
交流耦合是只通过信号交流成分阻止直流成分，相当于高通滤波，
当信号包括交流和直接成分，但只需分析交流成分时，选择交流耦合；直流耦合则是通过信号的全部成分，当观察直流信号或低频信号时，必须选择直流耦合。
（7）调整好波形的垂直和水平位置，选择合适的幅度和频率档位。
2．总结本实验中你对触发电平的操作体会，说说触发电平是如何帮助波形的稳定显
示。
当示波器输入一个信号,这时如果不对信号的显示作出相应的控制,
那么显示则是杂乱无章的,如图1所示,每一屏的显示都不同,当示波器快速刷新的时候,看到的信号是混叠的、不稳定的图像,无法进行观察和测量。
为了解决这种情况,就需要规定示波器的触发条件,以达到稳定同步。
正弦波在一个周期内的波形特征,只有一个唯一的上升和下降沿,那
么可以选择上升沿作为触发条件,同时设置一个触发电平与上升沿相交,得到一个触发点。在正弦波的不同周期,该触发点的位置是相同并唯一的,这时当我们把该触发点定义在显示屏幕的特定位置时,示波器每刷新一屏,把满足触发条件的点都放在屏幕的相同位置,由于该点在波形中是唯一相同的,所有不同屏幕的触发点都在同一位置,那么屏幕上的显示就稳定同步了,同时刷新一屏只有第一个满足触发条件的点定义为触发点,其它被忽略。为方便起见,把触发点放在屏幕的最左边位置,当每刷新一屏时,示波器把满足触发条件的点放在同一点,波形就稳定地被显示在示波器的屏幕上,波形如图2所示。
3.说明TDS1002B数字示波器60MHz带宽这一指标的含义。
带宽是示波器的基本指标，和放大器带宽的定义一样，是所谓的-3dB点，即在示波器的输入加正弦波，幅度衰减为实际幅度的70.7%时的频率点称为带宽。也就是说，使用60MHz带宽的示波器测量1V，60MHz的正弦波，得到的幅度只有0.707V。因此，在选择示波器的时候，为达到一定的测量精度，应该选择信号最高频率5倍的带宽。
4.总结模拟示波器（ASO）和数字示波器（DSO）各自的优缺点。
对于ASO来说，由于CRT的余辉时间很短，难于显示频率很低的信号。因为示
波管上的扫迹亮度和扫描速度成反比，所有具有快速上升、下降时间的低重复速率信号就很难看到。而DSO的扫迹亮度和扫描速度与信号重复速率无关。
对于显示具有足够高重复速率的重复性信号的快速沿来说，ASO和DSO的观测
性能几乎无区别。
当要进行信号参量的测量时，DSO的优点在于具有自动测量的能力。而使用ASO
时，用户必须自己设置光标、分析理解显示的波形才能得到测量的结果。
如果要进行调整工作，那么最好使用ASO。这是因为它有实时显示能力，能在每
时刻都能显示出输入的电压。其波形更新速率（每秒钟在屏幕上描画扫迹的次数）很高，在高扫描速度时可以远超过100000次扫描/秒。所以信号的任何变化都会立即显示出来。DSO所显示的是用采集的波形数据重建的波形。每秒钟采集波形的闪数远低于100次。
结果在信号发生变化和变化了的信号在屏幕上显示出来之间就有了明显
的时间延迟。当对系统进行调整工作时，这是使用DSO的重大缺点。
5．查阅更多关于探头的资料，体会探头在示波器测量中的重要性。
示波器探头是测量链中的关键一环。探头并不仅仅是连接被测电路与示
波器的管道，它对测量结果及被测电路均有影响。探头分为有源探头和无源探头两大类，有源探头内包含有源电子元件，可以提供放大能力；不包括有源元件的探头称为无源探头，其中只包含无源元件（如电阻和电容），这种探头通常对输入信号有衰减，所有探头均存在着阻性、感性和容性负载；实际使用中，要把这些负载影响限制在可接受的极限范围之内，输入电阻和电容常用来描述探头的负载作用，在低频（
6．查阅相关资讯，了解示波器的最新技术进展，列出几个世界著名的示波器生产商名字。 国外：
美国：泰克(Tektronix)，安捷伦(Agilent)，力科(Lecroy)，福禄克(Fluke) 德国：罗德&施瓦茨(R&S)
日本：横河电机(YOKOGAWA)
国内：
普源精电(RIGOL)，麦科信(Micsig)，鼎阳(SIGLENT)，汉泰(Hantek)，优利德(UNI-T)，利利普(OWON)，伊万视波，固纬(GWINSTEK)
七、实验报告要求
1．写明实验目的。
2．简单概括实验原理。
3．写明实验所用仪器设备。
4．整理实验数据和波形，回答实验内容中提出的有关问题，分析实验结果。
5．完成思考题。