1.2.3.1 数字示波器的原理
数字示波器是根据数据采集、A/D转换、软件编程等一系列的技术制造出来的高性能示波器。数字示波器的工作方式是通过模拟转换器（ADC）把被测电压转换为数字信息。数字示波器捕获的是波形的一系列样值，并对样值进行存储，存储限度是判断累计的样值是否能描绘出波形为止，随后，数字示波器重构波形。数字示波器原理框图如图1.2.28所示。
图1.2.28 数字示波器原理框图
1.2.3.2 UTD2100C数字示波器使用
UTD2100C是优利德公司推出的超高性价比、双模拟通道的数字示波器。实时采样高达1 GSa/s，具有自动测量、波形录制和回放功能。同时，其具有高波形捕获率，大大提高了捕获随机及低概率事件的能力。
1.前面板
前面板如图1.2.29所示。
图1.2.29 示波器前面板
2.显示界面
显示界面如图1.2.30所示。
图1.2.30 示波器显示界面
3.设置垂直通道
如图1.2.31所示，在垂直控制区有一系列的按键、旋钮，用于设置垂直通道。
图1.2.31 面板上的垂直控制区
示波器提供两个模拟输入通道，每个通道有独立的垂直菜单。每个菜单都按不同的通道单独设置，按CH1或CH2功能按键，系统显示CH1或CH2通道的操作菜单，说明见表1.2.5。
表1.2.5 通道菜单
（1）设置通道耦合。
以信号施加到CH1通道为例，被测信号是一个含有直流分量的正弦信号。按F1选择为交流，设置为交流耦合方式。被测信号含有的直流分量被阻隔。波形显示如图1.2.32所示。
图1.2.32 交流耦合时信号的直流分量被阻隔
按F1选择为直流，输入到CH1被测信号的直流分量和交流分量都可以通过。波形显示如图1.2.33所示。
图1.2.33 直流耦合时信号的直流分量和交流分量同时被显示
按F1选择为接地，通道设置为接地方式。被测信号含有的直流分量和交流分量都被阻隔。波形显示如图1.2.34所示。
（2）带宽限制。
以在CH1输入一个40 MHz左右的正弦信号为例；按CH1打开CH1通道，然后按F2，设置带宽限制为满带宽，此时通道带宽为全带宽，被测信号含有的高频分量都可以通过，波形显示如图1.2.35所示。
图1.2.34 接地耦合时信号的直流分量和交流分量同时被阻隔
图1.2.35 带宽限制关闭时的波形显示
按F2设置带宽限制为20 MHz，此时被测信号中高于20 MHz的噪声和高频分量被大幅度衰减，波形显示如图1.2.36所示。
（3）设置探头倍率。
为了配合探头的衰减系数设定，需要在通道操作菜单中相应设置探头衰减系数。如探头衰减系数为10 1∶，则通道菜单中探头系数相应设置成10×，其余类推，以确保电压读数正确。图1.2.37为应用10 1∶探头时的设置及垂直挡位的显示。
图1.2.36 带宽限制打开时的波形显示
图1.2.37 通道菜单中的探头衰减系数设定
（4）伏格。
垂直偏转系数伏/格挡位调节，分为粗调和细调两种模式（见图1.2.38）。在粗调时，伏/格范围是1 mV/div～20 V/div，以1-2-5方式步进。在细调时，指在当前垂直挡位范围内以更小的步进改变偏转系数，从而实现垂直偏转系数在所有垂直挡位内无间断地连续可调。
（5）反相。
按F5下一页，打开反相，显示信号的相位翻转180度。
图1.2.38 垂直偏转系数粗调和细调
4.设置水平系统
如图1.2.39所示，在水平控制区有一个按键、两个旋钮，用于设置水平系统。
图1.2.39 面板上的水平控制区
（1）水平控制旋钮。
水平控制区的SCALE旋钮可以改变水平时基挡位，改变水平刻度会导致波形相对屏幕中心扩张或收缩。
POSITION旋钮改变波形在屏幕上的水平位置，水平位置改变时即相对于波形触发点的位置进行左右移动。
（2）水平控制按键。
水平控制区的HORI MENU按键可以显示水平菜单，见表1.2.6。
表1.2.6 水平菜单
（3）水平系统名词解释。
Y-T方式：此方式下Y轴表示电压量，X轴表示时间量。
X-Y方式：此方式下X轴表示CH1电压量，Y轴表示CH2电压量。
慢扫描模式：当水平时基控制设定在100 ms/div或更慢，仪器进入慢扫描采样方式。应用慢扫描模式观察低频信号时，建议将通道耦合设置成直流。
SEV/DIV：水平刻度（时基）单位，如波形采样被停止（使用RUN/STOP键），时基控制可扩张或压缩波形。
（4）扩展时间。
扩展视窗用来放大一段波形，以便查看图像细节。扩展视窗的设定不能慢于主时基的设定。
在扩展视窗下，分两个显示区域，如图1.2.40所示。上半部分显示的是原波形，此区域可以通过转动水平POSITION旋钮左右移动，或转动水平SCALE旋钮扩大和减小选择区域。
图1.2.40 扩展视窗下的屏幕显示
下半部分是选定的原波形区域经过水平扩展的波形。值得注意的是，扩展时基相对于主时基提高了分辨率（如上图所示）。由于整个下半部分显示的波形对应于上半部分选定的区域，因此转动水平SCALE旋钮减小选择区域可以提高扩展时基，即提高了波形的水平扩展倍数。
5.设置触发系统
如图1.2.41所示，在触发菜单控制区有1个旋钮、4个按键，用于设置触发系统。
触发决定了数字存储示波器何时开始采集数据和显示波形。一旦触发被正确设定，它可以将不稳定的显示转换成有意义的波形。数字存储示波器在开始采集数据时，先收集足够的数据用来在触发点的左方画出波形。数字存储示波器在等待触发条件发生的同时连续地采集数据。当检测到触发后，数字存储示波器连续地采集足够多的数据以在触发点的右方画出波形。
图1.2.41 面板上的触发控制区和触发菜单
数字存储示波器操作面板的触发控制区按键或旋钮功能说明见表1.2.7。
表1.2.7
触发控制的触发类型分为边沿、脉宽、视频、斜率和交替触发。其说明如表1.2.8所示。
表1.2.8 触发控制的触发类型及其说明
触发系统名词解释：
（1）触发源：触发可从多种信源得到，如输入通道（CH1、CH2）、外部触发（EXT）、市电。
输入通道：最常用的触发信源是输入通道（可任选一个）。被选中作为触发信源的通道，无论其输入是否被显示，都能正常工作。
外部触发：这种触发信源可用于在两个通道上采集数据的同时，在第三个通道上触发。例如，可利用外部时钟或来自待测电路的信号作为触发信源。EXT触发源都使用连接至EXT TRIG接头的外部触发信号。EXT可直接使用信号，可以在信号触发电平范围为-3～+3 V时使用EXT。(www.zuozong.com)
市电：市电电源。这种触发方式可用来观察与市电相关的信号，如照明设备和动力提供设备之间的关系，从而获得稳定的同步。
（2）触发方式：决定数字存储示波器在无触发事件情况下的行为方式。该数字存储示波器提供三种触发方式：自动、正常和单次触发。
自动触发：在没有触发信号输入时，系统自动采集波形数据，这样在屏幕上可显示扫描基线；当有触发信号产生时，则自动转为触发扫描，从而与信号同步。
注意：在扫描波形设定在100 ms/div或更慢的时基上时，“自动”方式允许没有触发信号。
正常触发：数字存储示波器在普通触发方式下只有当触发条件满足时才能采集到波形。在没有触发信号时停止数据采集，数字存储示波器处于等待触发。当有触发信号产生时，则产生触发扫描。
单次触发：在单次触发方式下，用户按一次“运行”按钮，数字存储示波器进入等待触发，当数字存储示波器检测到一次触发时，采样并显示所采集到的波形，然后停止。
（3）触发耦合：触发耦合决定信号的何种分量被传送到触发电路。耦合类型包括直流、交流、低频抑制和高频抑制。
“直流”：让信号的所有成分通过。
“交流”：阻挡“直流”成分并衰减10 Hz以下信号。
“低频抑制”：阻挡直流成分并衰减低于80 kHz的低频成分。
“高频抑制”：衰减超过80 kHz的高频成分。
“噪声抑制”：可以抑制信号中的高频噪声，降低示波器被误触发的概率。
（4）预触发/延迟触发：触发事件之前/之后采集的数据。触发位置通常设定在屏幕的水平中心，可以观察到7 div（或8 div）的预触发和延迟信息。可以旋转水平位置调节波形的水平位移，查看更多的预触发信息。通过观察预触发数据，可以观察到触发前的波形情况。例如，捕捉到电路启动时刻产生的毛刺，通过观察和分析预触发数据，就能帮助查出毛刺产生的原因。
6.波形显示的自动设置
数字存储示波器具有自动设置的功能。根据输入的信号，可自动调整垂直偏转系数、扫描时基以及触发方式直至最合适的波形显示。应用自动设置要求被测信号的频率大于或等于20 Hz。
使用自动设置：
（1）将被测信号连接到信号输入通道。
（2）按下AUTO按钮。数字存储示波器将自动设置垂直偏转系数、扫描时基、以及触发方式。如果需要进一步仔细观察，在自动设置完成后可再进行手工调整，直至波形显示达到需要的最佳效果。
7.示波器探头
示波器探头对测量结果的准确性以及正确性至关重要，它是连接被测电路与示波器输入端的电子部件。使用最多的是电压探头，它为不同电压范围提供了几种衰减系数：1×，10×和100×。在这些无源探头中，10×无源电压探头是最常用的探头。对信号幅度是1 V峰-峰值或更低的应用，1×探头较适合，甚至是必不可少的。在低幅度和中等幅度信号混合（几十毫伏到几十伏）的应用中，切换为1×/10×探头要方便得多，如图1.2.42所示。
图1.2.42 示波器探头
示波器的使用中，首先需要把探头插入CH1/CH2接口如图1.2.43所示，再将探头信号线测试钩连接测量电压的正极性端，探头地线接测量电压信号的负极性端。
图1.2.43 示波器与探头连接示意图
8.应用示例
例1：测量简单信号
观测电路中一未知信号，迅速显示和测量信号的频率和峰-峰值。
（1）欲迅速显示该信号，请按如下步骤操作：
① 将探头菜单衰减系数设定为10×，并将探头上的开关设定为10×。
② 将CH1的探头连接到电路被测点。
③ 按下AUTO按钮。
数字存储示波器将自动设置使波形显示达到最佳。在此基础上，可以进一步调节垂直、水平挡位，直至波形的显示符合要求。
（2）进行自动测量信号的电压和时间参数。
数字存储示波器可对大多数显示信号进行自动测量。要测量信号频率和峰-峰值，需按如下步骤操作：
① 按MEASURE按键，以显示自动测量菜单。
② 按下F4，进入定制参数选择窗口。
③通过前面板上部的多功能旋钮移动选择框，当选择框移动到峰-峰值，按下多功能旋钮，完成峰-峰值参数测量选择。
④ 按照步骤，移动选择框到频率，按下多功能旋钮，完成频率参数测量选择。
⑤ 按下F4或MENU关闭定制参数选择窗口。
此时，峰-峰值和频率的测量值分别显示屏幕下方，如图1.2.44所示。
例2：观察正弦波信号通过电路产生的延时
与例1相同，设置探头和数字存储示波器通道的探头衰减系数为10×。将数字存储示波器CH1通道与电路信号输入端相接，CH2通道则与输出端相接。操作步骤：
（1）显示CH1通道和CH2通道的信号。
① 按下AUTO按钮。
图1.2.44 自动测量
② 继续调整水平、垂直档位直至波形显示满足测试要求。
③ 按CH1按键选择CH1，旋转垂直位置旋钮，调整CH1波形的垂直位置。
④ 按CH2按键选择CH2，如前操作，调整CH2波形的垂直位置。使通道1、2的波形不重叠在一起，利于观察比较。
（2）测量正弦信号通过电路后产生的延时，并观察波形的变化。
① 按MEASURE 按钮以显示自动测量菜单。
② 按F1键，设置主信源为CH1。
③ 按F2键，设置从信源为CH2。
④ 按F2键，定制参数选择窗口，调节多功能旋钮移动选择框，当选择框移动到上升时间，按下多功能旋钮，完成上升延时参数测量选择。
⑤ 按F4或MENU键关闭定制参数选择窗口。
⑥ 观察波形的变化（见图1.2.45）。
图1.2.45 波形延迟
例3：捕捉单次信号
数字存储示波器的优势和特点在于可能方便地捕捉脉冲、毛刺等非周期性的信号。若捕捉一个单次信号，首先需要对此信号有一定的先验知识，才能设置触发电平和触发沿。例如，如果脉冲是一个TTL电平的逻辑信号，触发电平应该设置成2 V左右，触发沿设置为上升沿触发。如果对于信号的情况不确定，可以通过自动或普通的触发方式先行观察，以确定触发电平和触发沿。操作步骤如下：
（1）参照例一设置探头和CH1通道的衰减系数。
（2）进行触发设定。
① 按下触发控制区域TRIG MENU按钮，显示触发设置菜单。
② 在此菜单下分别应用F1～F5键菜单操作键设置触发类型为边沿、信源选择为CH1、触发耦合为交流、触发方式为单次、斜率为上升。
③ 调整水平时基和垂直档位至适合的范围。
④ 旋转TRIGGER LEVEL旋钮，调整适合的触发电平。
⑤ 按RUN/STOP执行按钮，等待符合触发条件的信号出现。如果有某一信号达到设定的触发电平，即采样一次，显示在屏幕上（见图1.2.46）。利用此功能可以轻易捕捉到偶然发生的事件，例如幅度较大的突发性毛刺：将触发电平设置到刚刚高于正常信号电平，按RUN/STOP按钮开始等待，则当毛刺发生时，机器自动触发并把触发前后一段时间的波形记录下来。通过旋转面板上水平控制区域的水平POSITION旋钮来改变触发位置的水平位置，可以得到不同长度的负延迟触发，便于观察毛刺发生之前的波形。
图1.2.46 单次信号
例4：减少信号上的随机噪声
如果被测试的信号上叠加了随机噪声，可以通过调整数字存储示波器的设置来滤除或减小噪声，避免其在测量中对本体信号的干扰（波形见图1.2.47）。
操作步骤如下：
（1）参照例一设置探头和CH1通道的衰减系数。
（2）连接信号使波形在数字存储示波器上稳定地显示。
图1.2.47 信号上的噪声
（3）通过设置触发耦合改善触发。
① 按下触发区域TRIG MENU按钮，显示触发设置菜单。
② 触发耦合置于低频抑制或高频抑制。低频抑制是设定一高通滤波器，可滤除80 kHz以下的低频信号分量，允许高频信号分量通过；高频抑制是设定一低通滤波器，可滤除80 kHz以上的高频信号分量，允许低频信号分量通过。通过设置低频抑制或高频抑制可以分别抑制低频或高频噪声，以得到稳定的触发。
（4）通过设置采样方式减少显示噪声。
① 如果被测信号上叠加了随机噪声，导致波形过粗，可以应用平均采样方式去除随机噪声的显示，使波形变细，便于观察和测量。取平均值后随机噪声被减小，信号的细节更易观察。具体的操作是：按面板菜单区域的ACQUIRE按钮，显示采样设置菜单；按F1键菜单设置获取方式为平均，然后按F2键菜单调整平均次数，依次由2至512以2倍数步进变化，直至波形的显示满足观察和测试要求（见图1.2.48）。
图1.2.48 信号噪声被抑制
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