实验报告
学生：张雨乐     学号： U202442916      院系：能源与动力工程    批阅时间： 2025-12-08 22:24

[实验目的]

（1）了解数字存储示波器的结构和工作原理。

（2）熟练掌握数字存储示波器的基本操作。

（3）学会用示波器测量电压、频率的方法。

（4）学习进行周期信号的频谱分析。

（5）观察拍现象，加深对振动合成的理解。

[实验仪器]

数字存储示波器，函数/任意波形发生器。

1. 数字存储示波器的工作原理

数字存储示波器的原理框图如上图所示，它先将模拟输入信号进行适当放大或衰减，然后再进行数字化处理。数字化包括“取样”和“量化”两个过程，取样是获得模拟输入信号的离散值，而量化则是使每个取样的离散值经A/D转换成二进制数字，最后，数字化的信号在逻辑控制电路的控制下依次写入RAM存储器，处理器从存储器中依次把数字信号读出并在显示屏上显示相应的信号波形。

数字存储示波器与模拟示波器的不同在于信号进入数字存储示波器后立刻通过高速A/D转换器将模拟信号前端快速采样，存储其数字化信号，并利用数字信号处理技术对所存储的数据进行实时快速处理，得到信号的波形及其参量，并由示波器显示屏显示，从而实现模拟示波器功能。而且数字存储示波器测量精度高，还可以存储和调用、显示特定时刻信号。

数字存储示波器每个通道都具有相同的数字采集和数字处理系统，无须通过电子开关切换，能精确地同时显示两个通道的波形和时间关系。

（1）垂直控制（增益和位置）

垂直控制可以缩放并定位波形，通过调整波形的垂直比例（增益）和垂直位置来更改显示的波形。

（2）采集数据（模式和时基）

示波器通过在不连续点处采集输入信号的值来数字化波形，数据采集模式定义采集过程中信号被数字化的方式，主要分为采样、峰值检测、平均值、扫描4种模式。

 ①采样模式：均匀时间间隔采样信号，保留每个间隔的第一个采样点来建议波形，为默认模式

②峰值检测采集模式：在每个采样间隔内采集输入信号的最大值和最小值，并使用这些值显示波形

③平均值采集模式：对大量波形取平均（4/16/64/128次可选），用于减少随机噪声

④扫描采集模式：连续监视缓慢变化的信号，可替代图表记录仪

（3）信号的触发（触发器）

通过“边沿”“视频”“脉冲宽度”等触发类型，让示波器重复读取存储器中的数据并显示，使波形稳定显示

（4）波形的显示

存储器中每个单元存储了一个抽样点的信息，在显示屏上显示为一个点，Y轴坐标由电压灵敏度和偏移量决定，X轴坐标由时基和偏移量决定

（5）假波现象

当采样率低于信号带宽的1/2（违反奈奎斯特抽样定律）时，会显示低于实际频率的错误波形，或者触发并显示不稳定的波形。

（6）带宽对波形的影响

示波器显示波形时通常有某种最大频率，超过此频率精度就会下降，这一频率就是示波器的带宽。为了精确地显示波形，仪器的带宽必须超过波形所含的带宽。对于非正弦波的波形，必须考虑其谐波。

2. 交变信号参量测量

正弦波的核心参量包括峰值电压、峰-峰值电压、周期、频率，复杂信号可分解为正弦波的叠加；方波的参量包括上升/下降时间、脉冲宽度、占空比，占空比技术（PWM）可用于温度、转速控制

（1）刻度法

通过测量信号在显示屏上的相关距离并乘以相关标度系数来进行简单测量

峰-峰值电压 Vpp = Hpp*S1

 Hpp ：屏上相邻两峰在垂直轴方向的距离，以格为单位； S1：垂直标度系数 V/格

信号的周期 T = L *S2 

 L ：信号一个周期在屏上两点间的距离，以格为单位；S2：水平标度系数 s/格

信号的频率 f=1/T

（2）光标法

通过幅度/时间光标自动计算两个光标间的数据

（3）自动测量法

通过示波器的Measure菜单，利用波形记录点实现精准测量。

3.周期信号的频谱

满足狄里赫利条件的时域周期信号，可分解为一系列谐波分量（频率为基波的整数倍） 频谱是周期信号各次谐波的分布图形，包括振幅频谱（振幅-频率）和相位频谱（相位-频率）；

方波的傅里叶展开仅包含奇次谐波，谐波越多，波形越接近理想方波；

示波器的FFT功能可将时域信号转换为频域频谱，用于分析谐波组成。

一、基础性实验内容

1. 使用“自动设置”观察信号波形

①将函数信号发生器的输出端CHA接示波器输入通道CH1；

②按下“1”（通道1菜单）键，依次选择“探头设置”→“电压”→“衰减”→“1×”；

③按函数信号发生器的Output键，调节输出正弦信号，按示波器Autoset键，观察稳定波形；

④改变输出波形为方波、三角波，分别在示波器上观察稳定波形。

2. 用刻度法测量正弦信号的参量

调节函数信号发生器，使A路输出50 Hz正弦信号，用刻度法测量信号的峰-峰值电压、周期

3. 用光标法测量方波信号的幅度、脉冲宽度

①调节函数信号发生器，使A路输出5 kHz方波信号；

②调节示波器垂直、水平标度旋钮，显示3~4个周期的稳定波形；

③按下Cursor键查看“光标菜单”，选择“幅度”光标，旋转通用旋钮，将光标1置于方波最高点，按下“通用”旋钮，旋转通用旋钮，将光标2置于最低点，在屏幕上显示方波幅度 ΔV

④选择“时间”光标，将光标1置于脉冲上升边沿、光标2置于下降边沿，测量脉冲宽度 

⑤设置方波占空比为25%，采用相同的方法测量脉冲宽度，并观察波形变化

4. 拍现象观察与测量

①将函数信号发生器的CHA、CHB分别接示波器CH1、CH2

②调节A、B路输出幅度相同的正弦信号（A路频率ν1=150Hz，B路频率ν2=140Hz），按Autoset键显示稳定波形；

③按Math键查看“数学菜单”，按下运算符对应的空白键显示操作菜单，旋转通用旋钮选择“+”运算，叠加CH1、CH2信号；

④调节水平标度旋钮，观察拍现象，用刻度法测量拍的周期

二、方波信号的频谱观察与测量

1. 频谱观察

①调节函数信号发生器，使A路输出10 kHz正弦波信号，按Autoset键显示YT波形，旋转垂直标度、水平标度按钮，示波器至少显示20个信号周期

②按FFT键，选择“信源CH1”“窗口汉宁窗”，显示稳定频谱图；

③调节A路输出10 kHz方波信号，重复操作显示频谱图。

2. 频谱测量

①按Function键选择“精细”灵敏度，按光标键进入光标菜单；

②用幅度光标测量谱线幅度（dB为单位），用频率光标测量谱线频率（kHz为单位）；

③分别测量正弦波和方波（至少5条谱线）的幅度与频率，记录实验数据

一、分析讨论

1. 正弦信号参数测量（刻度法，50Hz）

通过刻度法计算得到50Hz正弦信号的峰-峰电压 Vpp = 1.04、周期 T = 0.020s 、频率 f = 50Hz、电压有效值 = 0.368V，测量结果与“有效值 = 峰-峰电压 / (2×√2)”的理论关系一致，验证了刻度法“格数×标度系数”测量方式的准确性，也体现了正弦信号时域参数的内在关联。

2. 方波信号参数测量（光标法，5kHz）

5kHz方波在占空比50%时幅度0.995V、脉冲宽度1.00×10⁻⁴s；占空比25%时幅度1.00V、脉冲宽度0.496×10⁻⁴s，基本符合“占空比=脉冲宽度/周期”的关系，且幅度基本稳定，体现了方波“电平切换、占空比决定脉冲宽度”的特性，也验证了光标法定位波形边缘的精准性。

3. 拍现象与拍周期测量

测得拍周期 T拍= 0.0534s、对应频率 f = 18Hz，符合“拍频为两路相近频率信号的差频”的规律，直观呈现了两个同方向简谐振动合成时振幅周期性变化的特性，验证了拍现象的理论公式“拍频 = |频率1 - 频率2|”。

4. 周期信号的频谱分析（10kHz）

10kHz正弦波频谱仅在10.00kHz处有单根谱线，符合单一频率信号的频域特性；10kHz方波频谱包含基波（9.60kHz）和奇次谐波，幅度随谐波次数增加而衰减，与方波的傅里叶展开规律一致，体现了时域周期信号与频域离散谱线的对应关系。

二、误差分析

本次实验的误差主要来自三个方面：

 ①仪器固有误差：函数信号发生器的频率输出存在微小偏差，示波器的垂直增益、水平时基存在精度误差，频谱分析的FFT频率分辨率限制导致谐波频率测量有轻微偏差，这些系统误差会直接影响参数测量的准确性。

②人为操作误差：刻度法测量时对波形峰值、周期起点/终点的视觉判断存在偏差；光标法定位波形边缘时存在操作偏移；拍现象测量时对拍波形包络的周期判断存在视觉误差，这些随机误差会导致测量结果与理论值存在微小差异。

③ 环境与信号误差：实验过程中存在电磁干扰，会轻微影响信号的幅度稳定性；方波信号的高频谐波会因示波器带宽限制出现幅度衰减，进一步导致频谱测量的幅度偏差

整体来看，各类误差的影响范围均在实验允许的范围内，不影响对实验规律的验证。

1. 本次实验通过刻度法、光标法和频谱分析等方式，准确测量了正弦波、方波的幅度、周期、频率等时域参数，以及信号的频域特性，验证了数字存储示波器“时域-频域联动分析、多测量方式互补”的功能，测量结果与理论公式高度吻合。

2. 拍现象的实验结果验证了两个同方向、同振幅、相近频率简谐振动的合成规律，拍频的测量结果符合“拍频为两路信号差频”的理论，直观呈现了振动合成时振幅周期性变化的特性。

3. 频谱分析结果表明：正弦波为单一频率分量的信号，频域表现为单根离散谱线；方波由基波和奇次谐波组成，谐波幅度随次数增加而衰减，与傅里叶变换的理论结论一致，体现了时域周期信号与频域离散谱线的对应关系。

4. 实验过程中的各类误差均在允许范围内，不影响对实验规律的验证，同时也体现了数字存储示波器在信号测量与分析中的准确性和可靠性。