磷酸液体声致发光试验中数字示波器的使用

买买提吐送·买买提明

（新疆和田地区教育学院 理科部，新疆 和田 848000）

液体中产生空化时伴随着一种光的弱发射现象，此即声致发光。通过直接用肉眼观察或照相底板感光的方法可以了解空化场的分布情况，也可用光电倍增管接收的方法来测量空化场的声致发光强度。［1］

数字示波器因具有波形触发、存储、显示、测量、波形数据分析处理等独特优点，其使用日益普及。由于数字示波器与模拟示波器之间存在较大的性能差异，如果使用不当，会产生较大的测量误差，从而影响测试任务［4］。笔者根据在清华大学做 “磷酸中声致发光现象的观察”实际试验过程中的一些经验，只简单介绍了利用DPO2024型数字荧光存储示波器怎样显示和保存波形数据的具体操作方法，为研究声致发光现象打下基础，并提出了一些建议。

DPO2024示波器主要性能有：200MHz带宽，4模拟通道，所有模拟通道取样速率高达1GS／s，所有通道记录长度均为1兆点，波形捕获速率为5，000个波形／秒。在试验中主要用于显示和存储由光电倍增管送来的光强波形和波形数据，为研究声致发光现象提供了基础。

1 使用前主要准备操作

（1）基础功能检查。初次使用示波器时要进行测试功能，若发现示波器测量结果不准确，可以对示波器进行快速功能检查。

（2）更改用户界面语言。该示波器有各种用户语言界面，要改变示波器用户界面的语言，并通过饰面改变前面板按钮的标签。

（3）更改日期和时间。要将内部时钟设置为当前日期和时间，执行下列操作：既使日期和时间设定好，示波器断电也不会影响显示当前的时间和日期。

2 波形显示与数据存储

由于数字示波器与模拟示波器之间存在较大的性能差异，如果使用不当，会产生较大的测量误差，从而影响测试任务［5］。

波形显示与数据存储是保存实验结果的重要步骤，对实验结果的准确性和分析有着关键性的作用。主要包括波形的显示和调整、捕捉和存储等内容。

2.1 输入波形的显示与调整

2.1.1 设置输入参数

①按面板上的通道按钮1时，示波器对第一通道输入信号通路并准备屏幕上实时显示。按该通道按钮也可以选择或取消波形选择。第一次按通道按钮时在屏幕下方出现bezel菜单。②反复按“耦合”，选择耦合方式。本实验中选择“DC”方式。③按“反相”将信号反相。选择 “反相关闭”进行常规操作，选择 “反相打开”使屏幕上显示的波形极性相反。④按“带宽”并从出现的侧面bezel菜单中选择所需带宽。默认选择为“完整”和“20MHz”。选择“完整”将带宽设置为示波器全带宽。⑤按 “探头设置”定义探头参数。在出现的侧面bezel菜单中，执行下列操作：使用通用旋钮a设置衰减与探头匹配。设置衰减设置为“1X”位置。⑥调整第一通道按钮下方的垂直标度旋钮可以改变垂直标度（波形的垂直标度因子伏特／分度）。试验中输入光信号的幅度比较小，所以垂直标度均调整为100毫伏／分度左右位置；调整第一通道按钮上方的垂直位置旋钮可以使波形上下移动。⑦调整水平标度旋钮确定采集窗口相对于波形的大小。可以调整窗口的比例，以包含波形边沿、一个周期、几个周期或数千周期。旋转此旋钮可以调整水平标度（时间／分度）。本实验中水平标度均调整为2ns～40μ之间。

2.1.2 触发设置

使用正常触发模式时，示波器只在触发时才采集波形。如果没有任何触发，则显示保留在显示屏的上一次采集的波形记录。如果上次未采集波形，则不显示波形。使用自动触发模式时，即使没有发生任何触发，示波器也会采集波形。

触发类型中边沿触发可以使用所有可用的耦合类型：直流、低频抑制、高频抑制和噪声抑制。所以本实验中触发类型始终设置在“边沿”触发位置。

具体操作步骤：①按 Menu按图1（a），下方出现bezel菜单图1（b），②按“类型”，在屏幕左侧出现“触发类型”列表，旋转通用旋钮a选择所需的“边沿”触发类型，图1（b）所示的菜单分别表示为：触发类型－边沿；触发对象1通道输入的信号；信号输入耦合方式直流；触发电平100mV；触发模式自动。③如果屏幕上所显示的波形没受到触发而不稳定，旋转图1所示（a）中间的触发电平调整旋钮（Level）来让信号被触发而使稳定。此时屏幕左上角状态栏出现“运行已被触发”字符。

2.1.3 “AUTO”功能键的正确使用方法［2］

图1 波形触发设置按钮、触发电平调整旋钮和触发设置菜单

数字示波器的“AUTO”功能键能够根据信号的幅度和频率，自动识别并调整信号波形的大小以及在屏幕上的位置，以便于观察和测量。“AUTO”功能键可以简化操作。这对于调整和观察信号十分方便，但也不是在所有情况下都适用。按下“AUTO”功能键，启动了示波器的自动识别系统，对数字示波器的各项主要控制功能进行自动设置。

微弱信号的信噪比较低，随机噪声叠加在微弱信号的基波上，它的能量较高，频谱范围很宽。

如果测量微弱信号时按下"AUTO”功能键，示波器的自动识别系统并不是以信号基波的频率和幅度为标准，而是以随机噪声的最高频率和噪声的幅度，来调整水平扫描时基偏转系数和垂直偏转系数。使用“AUTO”功能时应该考虑以下问题：

触发藕合方式：按下“AUTO”功能键，触发耦合将自动恢复为交流状态，这样的话就没有办法抑制掉80kH z以上的高频噪声。由于高频噪声分量的存在，对于稳定显示微弱信号的波形较为不利，水平时基线的扫描不能稳定触发，也是导致显示波形粗线条上下跳动的原因之一。

获取方式：按下“AUTO”功能键，获取方式自动调整为采样或峰值检测方式，也不利于信噪比较低的小信号的稳定显示和测量。

垂直带宽限制："AUTO”功能键按下时，垂直带宽为“完整”，带宽限制关闭。那么，20MHz以内的随机噪声就会乘机而入，也对信号波形的稳定显示造成了不利的影响。

上述几点都是在按下“AUTO”功能键时，应该考虑到的因素。如前所述，示波器获取方式和触发耦合方式等功能的设置，对被测信号的稳定显示和测量影响很大。正确使用"AUTO”功能键，在信号比较微弱和外界的电磁十扰较强的情况下，采用手动方式调整信号显示。

2.2 波形捕捉并保存波形和数据

磷酸液体中出现设置发光现象时，经过反复调整示波器的上述的旋钮，屏幕上得到稳定的波形图后，才可以执行捕捉和存储操作。

2.2.1 波形捕获具体操作

第一次按下“运行／停止”或“单次”按钮停止采集，并显示最后采集到的波形。这时示波器屏幕左上角上显示的“运行”变为“停止”的字符，屏幕显示的波形已捕捉。

2.2.2 保存屏幕图像和波形数据

保存具体操作：①把U盘插入屏幕下方的USB接口；②按“Save／Recall”（保存／调出）键，屏幕下方出现有关菜单（见图2）；③按下“文件功能”菜单对应按钮，屏幕右侧出现文件操作有关菜单，利用这些菜恢复可创建文件夹或删除文件夹也可以编辑文件名；④按下前面板上的“选择”按钮可以展开或收缩恢复盘上的文件结构，此时文件结构显示在屏幕左侧；⑤可使用多用途旋钮a选择文件夹，再按“选择”按钮可以打开或关闭所保存数据的文件夹。

本实验中存储内容主要有保存屏幕图像、保存当前波形数据、储存设置信息以及同时保存这三种信息。波形捕捉后具体保存操作：

保存屏幕图像：屏幕图像由示波器屏幕的图形图像组成，与波形数据不同。①按“Save／Recall菜单”；② 在下方bezel菜单中按 “保存屏幕图像”（见图2）；③ 从侧面bezel菜单中，反复按 “文件格式”选择png格式，如图3（a）所示；④按 “编辑文件名”为屏幕图像文件创建自定义名称，跳过该步骤以使用默认名；⑤ 按 “OK保存屏幕图像”将图像写入选定的介质中。

图2 下方bezel菜单

保存波形数据：波形数据由波形中每个点的数值组成。波形数据只复制数据，而不复制屏幕的图形图像。

①按 “Save／Recall菜单”；② 在下方bezel菜单中按 “保存波形”（见图2）；③按 “源”并旋转多功能旋钮a选择要保存的波形，如图3（b）所示。④按“目标”并旋转多功能旋钮b选择文件格式为.csv；仅为.csv文件设置“波形分辨率”，设置“选通”在文件中保存信息。按“保存”对应的侧边按钮执行保存。

图3 保存屏幕图像和波形数据右侧菜单

储存设置：设置信息包括采集信息，如垂直、水平、触发、光标和测量信息。它不包括通信信息。①按 “Save／Recall菜单”；② 在下方bezel菜单中按“保存设置”（见图2）。后续操大同小异。

同时保存设置、屏幕图像和波形数据文件：

要同时保存设置、屏幕图像和波形数据文件，可使用“分配保存到全部”功能，如图3（c）所示。

所有操作过程中，如果中间需要关闭任何菜单或取消操作，按 Menu Off（菜单关闭）按钮即可。就这样完成了保存第一次捕捉的波形数据。再次按下“运行／停止”或“单次”按钮将重新启动采集，这时示波器屏幕左上角上显示“运行”字符。以同样的操作方法进行第二次，第三次...波形的捕捉和存储操作。

3 试验中应注意的问题和建议

（1）试验中电路发生谐振出现声致发光现象的时候，周围出现比较强的电磁场，信号发生器产生的激励波以无线方式直接进入到示波器，出现在屏幕上，并在很大的程度上影响了声致发光波形的观察和存储数据的正确性。我们通过光电倍增管信号输入电缆封闭线与示波器外壳直接连接到电中性基准点，才有效地接地后消除了这种干扰信号，因此信号线路的封闭接地是机关重要。

（2）以下三个主要因素影响着示波器显示日常测试与调试中所遇到的未知和复杂信号的能力：屏幕更新速率，峰值检测和触发能力［3］。在整个实验过程中得到的波形总是带有影子的，无论怎么调整也得不到改善，这对波形的观察和数据的正确性有了很大的影响。因此我们换用带宽为500MHz，模拟通道取样速率高达4GS／s的DSO LT372型数字示波器，适当进行调整完全排除了波形中的影子。虽然DSO LT372型数字示波器带宽和速率方面满足了我们的要求，但不支持USB接口，给波形数据的存储和分析带来很大的不便。根据经验，本实验中带宽和速率满足500Mhz，4GS／s的同时具备USB接口的数字存储示波器最合适。对于这种实验带有USB接口的前提下，带宽和速率越高越好。

（3）当后续回路与连接电缆的特性阻抗不匹配时，光电倍增管的输出脉冲能量将不能被完全接收，一部分脉冲在电缆中往复后，再被输入给后续端，从而导致波形失真［6］。试验中信号源是光电倍增管，中间是连接电缆阻抗特性为50Ω；，后续回路指的是数字示波器，输入阻抗为1MΩ。经过实验表明，PMT信号输出电缆直接连接到示波器时，即使示波器调到最佳的状态时也看不到理想的光强波形，这时将光电倍增管信号连接电缆头通过50Ω／1MΩ阻抗匹配器连接到示波器的第一通道信号输入端，向水平、垂直和触发电平旋钮进行适当的调整后就可以看到比较完整的光强波形。笔者认为如果换用TEK DPO4000系列以上示波器，在输入阻抗选择菜单中，选择信号输入电阻并调整为50Ω，可以避免阻抗不匹配而引起的波形失真。

（4）声致发光实验研究还需要对光强频谱进行分析；本实验中示波器存储的光强数据在电脑上利用相关软件转换成频谱后才能进行分析；即还需要一台频谱仪。某公司日前宣布，推出全球首款混合域示波器，在一台仪器中同时提供了示波器和频谱分析仪功能。能够用一台型仪器替代示波器和频谱分析仪，这使他们能够继续使用其熟悉的示波器来观察频域，而无需寻找和重新学习频谱分析仪［7］。这说明，实验中如果换用这台高档示波器，不但能保证实验数据的更可靠性，还后续数据分析带来更多的方便。

［1］梁召峰.大功率低频超声场测量研究进展［J］.声学技术，2004（1）：61－65.

［2］土阳，周志明.数字示波器使用难点分析及解决办法［J］.实验室科学，2011，14（1）：158－160.

［3］周书信.正确选择数字示波器［J］.宇航计测技术，2002，22（3）：54－58.

［4］夏莉萍.数字示波器使用必须注意的问题［J］.国外电子测量技术，2001（1）：27－28.

［5］谭永红.智能数字示波器的使用［J］.现代仪器，2006（1）：59－60.

［6］王挺峰.光子计数用光电倍增管的外围工作电路［J］.光机电信息，2009（2）：39－44.

［7］泰克公司.泰克推出具有革命意义的新示波器类别［J］.电子技术应用，2011（9）：65.