示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器。它能把肉眼看不見的電信號變換成看得見的圖像,便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過程。示波器利用狹窄的、由高速電子組成的電子束,打在涂有熒光物質(zhì)的屏面上,就可產(chǎn)生細小的光點(這是傳統(tǒng)的模擬示波器的工作原理)。在被測信號的作用下,電子束就好像一支筆的筆尖,可以在屏面上描繪出被測信號的瞬時值的變化曲線。利用示波器能觀察各種不同信號幅度隨時間變化的波形曲線,還可以用它測試各種不同的電量,如電壓、電流、頻率、相位差、調(diào)幅度等等。
用示波器能觀察各種不同電信號幅度隨時間變化的波形曲線,在這個基礎(chǔ)上示波器可以應(yīng)用于測量電壓、時間、頻率、相位差和調(diào)幅度等電參數(shù)。下面介紹用示波器觀察電信號波形的使用步驟。
1、示波管和電源系統(tǒng)
(1)電源(Power):示波器主電源開關(guān)。當(dāng)此開關(guān)按下時,電源指示燈亮,表示電源接通。
(2)輝度(Intensity):旋轉(zhuǎn)此旋鈕能改變光點和掃描線的亮度。觀察低頻信號時可小些,高頻信號時大些。
(3)聚焦(Focus):聚焦旋鈕調(diào)節(jié)電子束截面大小,將掃描線聚焦成清晰狀態(tài)。
(4)標(biāo)尺亮度(Illuminance):此旋鈕調(diào)節(jié)熒光屏后面的照明燈亮度。正常室內(nèi)光線下,照明燈暗一些好。室內(nèi)光線不足的環(huán)境中,可適當(dāng)調(diào)亮照明燈。
2、熒光屏
根據(jù)被測信號在屏幕上占的格數(shù)乘以適當(dāng)?shù)谋壤?shù)(V/DIV,TIME/DIV)能得出電壓值與時間值。根據(jù)輸入通道的選擇,將示波器探頭插到相應(yīng)通道插座上,示波器探頭上的地與被測電路的地連接在一起,示波器探頭接觸被測點。示波器探頭上有一雙位開關(guān)。此開關(guān)撥到“X1”位置時,被測信號無衰減送到示波器,從熒光屏上讀出的電壓值是信號的實際電壓值。此開關(guān)撥到“X10”位置時,被測信號衰減為1/10,然后送往示波器,從熒光屏上讀出的電壓值乘以10才是信號的實際電壓值。
3、垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)和水平偏轉(zhuǎn)因數(shù)
每個波段開關(guān)上往往還有一個小旋鈕,微調(diào)每檔垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)。將它沿順時針方向旋到底,處于“校準(zhǔn)”位置,此時垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)值與波段開關(guān)所指示的值一致。逆時針旋轉(zhuǎn)此旋鈕,能夠微調(diào)垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)。垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)微調(diào)后,會造成與波段開關(guān)的指示值不一致,這點應(yīng)引起注意。示波器的標(biāo)準(zhǔn)信號源CAL,專門用于校準(zhǔn)示波器的時基和垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)。示波器前面板上的位移(PosiTIon)旋鈕調(diào)節(jié)信號波形在熒光屏上的位置。
(1)輸入通道選擇-輸入通道至少有三種選擇方式:通道1(CH1)、通道2(CH2)、雙通道(DUAL)?!?/span>
選擇通道1時,示波器僅顯示通道1的信號;選擇通道2時,示波器僅顯示通道2的信號;選擇雙通道時,示波器同時顯示通道1和通道2的信號。維修中以選擇通道1或通道2為多。
(2)輸入耦合方式輸入耦合方式-交流(AC)、地(GND)、直流(DC)。
5、觸發(fā)
(1)常態(tài)(NORM):無信號時,屏幕上無顯示;有信號時,與電平控制配合顯示穩(wěn)定波形;
(2)自動(AUTO):無信號時,屏幕上顯示光跡;有信號時與電平控制配合顯示穩(wěn)定的波形;
(3)電視場(TV):用于顯示電視場信號;
(4)峰值自動(P-PAUTO):無信號時,屏幕上顯示光跡;有信號時,無需調(diào)節(jié)電平即能獲得穩(wěn)定波形顯示。
6、掃描方式(SweepMode)
掃描有自動(Auto)、常態(tài)(Norm)和單次(Single)三種掃描方式。
舉例:幅度和頻率的測量方法(以測試示波器的校準(zhǔn)信號為例)
(1)將示波器探頭插入通道1插孔,并將探頭上的衰減置于“1”檔;
(2)將通道選擇置于CH1,耦合方式置于DC檔;
(3)將探頭探針插入校準(zhǔn)信號源小孔內(nèi),此時示波器屏幕出現(xiàn)光跡;
(4)調(diào)節(jié)垂直旋鈕和水平旋鈕,使屏幕顯示的波形圖穩(wěn)定,并將垂直微調(diào)和水平微調(diào)置于校準(zhǔn)位置;
(5)讀出波形圖在垂直方向所占格數(shù),乘以垂直衰減旋鈕的指示數(shù)值,得到校準(zhǔn)信號的幅度;
(6)讀出波形每個周期在水平方向所占格數(shù),乘以水平掃描旋鈕的指示數(shù)值,得到校準(zhǔn)信號的周期(周期的倒數(shù)為頻率);
(7)一般校準(zhǔn)信號的頻率為1kHz,幅度為0.5V,用以校準(zhǔn)示波器內(nèi)部掃描振蕩器頻率,如果不正常,應(yīng)調(diào)節(jié)示波器(內(nèi)部)相應(yīng)電位器,直至相符為止。
示波器的面板按其位置和功能大概可以分為顯示、垂直(Y軸)、水平(X軸)三大部分,接下來對這三部分面板裝置分別加以介紹。
1、顯示部分
顯示部分包括電源開關(guān)、電源指示燈、輝度(調(diào)整光點亮度)、聚焦(調(diào)整光點或波形清晰度)、輔助聚焦(配合“聚焦”旋鈕調(diào)節(jié)清晰度)、標(biāo)尺亮度(調(diào)節(jié)坐標(biāo)片上刻度線亮度)、尋跡(當(dāng)按鍵向下按時,使偏離熒光屏的光點回到顯示區(qū)域,從而尋到光點位置)和標(biāo)準(zhǔn)信號輸出(1kHz、1V方波校準(zhǔn)信號由此引出,加到Y(jié)軸輸入端,用以校準(zhǔn)Y軸輸入靈敏度和X軸掃描速度)。
2、垂直(Y軸)部分
垂直(Y軸)部分包括顯示方式選擇開關(guān)(用以轉(zhuǎn)換兩個Y軸前置放大器YA與YB工作狀態(tài))、“DC-地-AC”Y軸輸入選擇開關(guān)(用以選擇被測信號接至輸入端的耦合方式)、“微調(diào)V/div”靈敏度選擇開關(guān)及微調(diào)裝置、“↑↓”Y軸位移電位器(用以調(diào)節(jié)波形的垂直位置)、“極性、拉YA”YA通道的極性轉(zhuǎn)換按拉式開關(guān)、“內(nèi)觸發(fā)、拉YB”觸發(fā)源選擇開關(guān)和Y軸輸入插座。
3、水平(X軸)部分
水平(X軸)部分包括“t/div”掃描速度選擇開關(guān)及微調(diào)旋鈕、“擴展、拉&TImes;10”掃描速度擴展裝置、“→←”X軸位置調(diào)節(jié)旋鈕、“外觸發(fā)、X外接”插座、“觸發(fā)電平”旋鈕、“穩(wěn)定性”觸發(fā)穩(wěn)定性微調(diào)旋鈕(用以改變掃描電路的工作狀態(tài))、“內(nèi)、外”觸發(fā)源選擇開關(guān)、“AC-AC(H)-DC”觸發(fā)耦合方式開關(guān)、“高頻-常態(tài)-自動”觸發(fā)方式開關(guān)和“+、-”觸發(fā)極性開關(guān)。
軸靈敏度:根據(jù)被測電信號的峰峰值,將Y軸靈敏度選擇“V/div”開關(guān)置于適當(dāng)檔級(在實際使用過程中,若無需讀取被測電壓值,則只需適當(dāng)調(diào)節(jié)Y軸靈敏度微調(diào)旋鈕,使得屏幕上顯示所需高度波形即可);
步驟三、選擇觸發(fā)信號來源與極性:通常將觸發(fā)信號極性開關(guān)置于“+”或“-”檔位上;
步驟四、選擇掃描速度:根據(jù)被測信號周期,將將X軸掃描速度“t/div”開關(guān)置于適當(dāng)檔級(在實際使用過程中,若無需讀取被測時間值,則只需適當(dāng)調(diào)節(jié)掃描速度“t/div”微調(diào)旋鈕,使得屏幕上顯示所需周期數(shù)波形即可);
步驟五、輸入被測信號:被測信號由探頭衰減后通過Y軸輸入端輸入示波器。
示波器注意事項
(1)熱電子儀器一般要避免頻繁開機、關(guān)機,示波器也是這樣。
(2)作定量測量時,應(yīng)先將示波器通電預(yù)熱10分鐘以上,使機中各元件在熱穩(wěn)定狀態(tài)下工作,否則由于機內(nèi)元件溫度處于上升過程,影響測量結(jié)果。
(3)如果發(fā)現(xiàn)波形受外界干擾,可將示波器外殼接地。
(4)在觀察熒屏上的亮斑并進行調(diào)節(jié)時,亮斑的亮度要適中,不能過亮。
(5)“Y輸入”的電壓不可太高,以免損壞儀器,在大衰減時也不能超過400V。
(6)關(guān)機前先將輝度調(diào)節(jié)旋鈕沿逆時針方向轉(zhuǎn)到底,使亮度減到小,然后再斷開電源開關(guān)。
示波器是利用電子示波管的特性,將人眼無法直接觀測的交變電信號轉(zhuǎn)換成圖像,顯示在熒光屏上以便測量的電子測量儀器。
它是觀察數(shù)字電路實驗現(xiàn)象、分析實驗中的問題、測量實驗結(jié)果必不可少的重要儀器。
示波器由示波管和電源系統(tǒng)、同步系統(tǒng)、X軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、Y軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、延遲掃描系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)信號源組成。
1.1示波管
陰極射線管(CRT)簡稱示波管,是示波器的核心。它將電信號轉(zhuǎn)換為光信號。電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三部分密封在一個真空玻璃殼內(nèi),構(gòu)成了一個完整的示波管。
1.熒光屏
現(xiàn)在的示波管屏面通常是矩形平面,內(nèi)表面沉積一層磷光材料構(gòu)成熒光膜。在熒光膜上常又增加一層蒸發(fā)鋁膜。高速電子穿過鋁膜,撞擊熒光粉而發(fā)光形成亮點。
鋁膜具有內(nèi)反射作用,有利于提高亮點的輝度。鋁膜還有散熱等其他作用。
當(dāng)電子停止轟擊后,亮點不能立即消失而要保留一段時間。亮點輝度下降到原始值的10%所經(jīng)過的時間叫做“余輝時間”。
余輝時間短于10μs為極短余輝,10μs—1ms為短余輝,1ms—0.1s為中余輝,0.1s-1s為長余輝,大于1s為極長余輝。一般的示波器配備中余輝示波管,高頻示波器選用短余輝,低頻示波器選用長余輝。
由于所用磷光材料不同,熒光屏上能發(fā)出不同顏色的光。一般示波器多采用發(fā)綠光的示波管,以保護人的眼睛。
2.示波管的電源
為使示波管正常工作,對電源供給有一定要求。規(guī)定第二陽極與偏轉(zhuǎn)板之間電位相近,偏轉(zhuǎn)板的平均電位為零或接近為零。
陰極必須工作在負電位上。柵極G1相對陰極為負電位(—30V~—100V),而且可調(diào),以實現(xiàn)輝度調(diào)節(jié)。
陽極為正電位(約+100V~+600V),也應(yīng)可調(diào),用作聚焦調(diào)節(jié)。
第二陽極與前加速極相連,對陰極為正高壓(約+1000V),相對于地電位的可調(diào)范圍為±50V。由于示波管各電極電流很小,可以用公共高壓經(jīng)電阻分壓器供電。
3.偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)
偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制電子射線方向,使熒光屏上的光點隨外加信號的變化描繪出被測信號的波形。
Y1、Y2和Xl、X2兩對互相垂直的偏轉(zhuǎn)板組成偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。Y軸偏轉(zhuǎn)板在前,X軸偏轉(zhuǎn)板在后,因此Y軸靈敏度高(被測信號經(jīng)處理后加到Y(jié)軸)。
兩對偏轉(zhuǎn)板分別加上電壓,使兩對偏轉(zhuǎn)板間各自形成電場,分別控制電子束在垂直方向和水平方向偏轉(zhuǎn)。
4.電子槍及聚焦
電子槍由燈絲(F)、陰極(K)、柵極(G1)、前加速極(G2)(或稱第二柵極)、陽極(A1)和第二陽極(A2)組成。它的作用是發(fā)射電子并形成很細的高速電子束。燈絲通電加熱陰極,陰極受熱發(fā)射電子。
柵極是一個頂部有小孔的金屬園筒,套在陰極外面。由于柵極電位比陰極低,對陰極發(fā)射的電子起控制作用,一般只有運動初速度大的少量電子,在陽極電壓的作用下能穿過柵極小孔,奔向熒光屏。
初速度小的電子仍返回陰極。如果柵極電位過低,則全部電子返回陰極,即管子截止。
調(diào)節(jié)電路中的W1電位器,可以改變柵極電位,控制射向熒光屏的電子流密度,從而達到調(diào)節(jié)亮點的輝度。
陽極、第二陽極和前加速極都是與陰極在同一條軸線上的三個金屬圓筒。前加速極G2與A2相連,所加電位比A1高。G2的正電位對陰極電子奔向熒光屏起加速作用。
電子束從陰極奔向熒光屏的過程中,經(jīng)過兩次聚焦過程。次聚焦由K、G1、G2完成,K、K、G1、G2叫做示波管的電子透鏡。
第二次聚焦發(fā)生在G2、A1、A2區(qū)域,調(diào)節(jié)第二陽極A2的電位,能使電子束正好會聚于熒光屏上的一點,這是第二次聚焦。
A1上的電壓叫做聚焦電壓,A1又被叫做聚焦極。有時調(diào)節(jié)A1電壓仍不能滿足良好聚焦,需微調(diào)第二陽極A2的電壓,A2又叫做輔助聚焦極。
1.2示波器的基本組成
從上一小節(jié)可以看出,只要控制X軸偏轉(zhuǎn)板和Y軸偏轉(zhuǎn)板上的電壓,就能控制示波管顯示的圖形形狀。
我們知道,一個電子信號是時間的函數(shù)f(t),它隨時間的變化而變化。
因此,只要在示波管的X軸偏轉(zhuǎn)板上加一個與時間變量成正比的電壓,在y軸加上被測信號(經(jīng)過比例放大或者縮小),示波管屏幕上就會顯示出被測信號隨時間變化的圖形。
電信號中,在一段時間內(nèi)與時間變量成正比的信號是鋸齒波。
它由示波管、Y軸系統(tǒng)、X軸系統(tǒng)、Z軸系統(tǒng)和電源等五部分組成。
被測信號①接到“Y"輸入端,經(jīng)Y軸衰減器適當(dāng)衰減后送至Y1放大器(前置放大),推挽輸出信號②和③。
經(jīng)延遲級延遲Г1時間,到Y(jié)2放大器。放大后產(chǎn)生足夠大的信號④和⑤,加到示波管的Y軸偏轉(zhuǎn)板上。
為了在屏幕上顯示出完整的穩(wěn)定波形,將Y軸的被測信號③引入X軸系統(tǒng)的觸發(fā)電路;
在引入信號的正(或者負)極性的某一電平值產(chǎn)生觸發(fā)脈沖⑥,啟動鋸齒波掃描電路(時基發(fā)生器),產(chǎn)生掃描電壓⑦。
由于從觸發(fā)到啟動掃描有一時間延遲Г2,為保證Y軸信號到達熒光屏之前X軸開始掃描,Y軸的延遲時間Г1應(yīng)稍大于X軸的延遲時間Г2。
掃描電壓⑦經(jīng)X軸放大器放大,產(chǎn)生推挽輸出⑨和⑩,加到示波管的X軸偏轉(zhuǎn)板上。
z軸系統(tǒng)用于放大掃描電壓正程,并且變成正向矩形波,送到示波管柵極。這使得在掃描正程顯示的波形有某一固定輝度,而在掃描回程進行抹跡。
示波器是一種用來測量交流電或脈沖電流波的形狀的儀器,由電子管放大器、掃描振蕩器、陰極射線管等組成。除觀測電流的波形外,還可以測定頻率、電壓強度等。凡可以變?yōu)殡娦?yīng)的周期性物理過程都可以用示波器進行觀測。
那么真的熟悉示波器嗎?下面由西安安泰儀器維修中心網(wǎng)為大家分享有關(guān)示波器的專業(yè)常用術(shù)語:
1、帶寬
指的是正弦輸入信號衰減到其實際幅度的70.7%時的頻率值,即-3dB點(基于對數(shù)標(biāo)度)。本規(guī)范指出示波器所能準(zhǔn)確測量的頻率范圍。帶寬決定示波器對信號的基本測量能力。
隨著信號頻率的增加,示波器對信號準(zhǔn)確顯示能力將下降。如果沒有足夠的帶寬,示波器將無法分辨高頻變化。幅度將出現(xiàn)失真,邊緣將會消失,細節(jié)數(shù)具將被丟失。如果沒有足夠的帶寬,得到的關(guān)于信號的所有特性、響鈴和振鳴等都毫無意義。
5倍準(zhǔn)則
5倍準(zhǔn)則(示波器所需帶寬=被測信號的頻率成分Х5)使用5倍準(zhǔn)則選定的示波器的測量誤差將不會超過±2%,一般已足夠了。然而,隨著信號頻率的增加,這個經(jīng)驗準(zhǔn)則已不再適用。帶寬越高,再現(xiàn)的信號就越準(zhǔn)確。
2、上升時間
在數(shù)字世界中,時間的測定至關(guān)重要。在測定數(shù)字信號時,如脈沖和階躍波可能更需要對上升時間作性能上的考率。示波器必需要有足夠長的上升時間,才能準(zhǔn)確的捕獲快速變換的信號細節(jié)。
示波器上升時間
示波器上升時間=被測信號的快上升時間+5上升時間描述示波器的有效頻率范圍,選擇示波器上升時間的依據(jù)類似于帶寬的選擇依據(jù)。示波器的上升時間越快,對信號的快速變換的捕獲也就越準(zhǔn)確。
3、采樣速率
采樣速率表示的是示波器在一個波形或周期內(nèi),采樣輸入信號的頻率。表示為樣點數(shù)每秒(S/S)。示波器的采樣速率越快,所顯示的波形的分辨率和清晰度就越高,重要信息和事件丟失的概率就越小。如果需要觀測較長時間范圍內(nèi)的慢變信號,則小采樣率就變得較為重要。
計算采樣速率的方法取決于所測量的波形類型,以及示波器所采用的信號重構(gòu)方式。為了準(zhǔn)確的再現(xiàn)信號并避免混淆,奈奎斯特定理規(guī)定,信號的采樣速率必需不小于其頻率成分的兩倍。
然而,這個定理的前提是基于無限長時間和連續(xù)的信號。由于沒有示波器可以提供無限時間的記錄長度,而且從定義上看,低頻干擾是不連續(xù)的,所以采用兩倍于頻率成分的采樣速率是不夠的。實際上,信號的準(zhǔn)確再現(xiàn)取決于其采樣速率和信號采樣點間隙所采用的插值法。
使用正弦差值法時
在使用正弦差值法時,為了準(zhǔn)確再顯信號,示波器的采樣速率至少需為信號頻率成分的2.5倍。使用線性插值法時,示波器的采樣速率應(yīng)至少是信號頻率成分的10倍。
4、波形捕獲速率
是指示波器采集波形的速度。所有的示波器都會閃爍。也就是說,示波器每秒鐘以特定的次數(shù)捕獲信號,在這些測量點之間將不在進行測量。這就是波形捕獲速率,表示為波形數(shù)每秒(wfms/s)。
波形捕獲速率取決于示波器的類型和性能級別,且有著很大的變化范圍。高波形捕獲速率的示波器將會提供更多的重要信號特性,并能極大的增加示波器快速捕獲瞬時的異常情況,如抖動、矮脈沖、低頻干擾和瞬時誤差的概率。
5、記錄長度
表示為構(gòu)成一個完整波形記錄的點數(shù),決定了每個通道中所能捕獲的數(shù)據(jù)量。由于示波器僅能存儲有限數(shù)目的波形采樣,波形的持續(xù)時間和示波器的采樣速率成反比。
6、觸發(fā)能力
示波器的觸發(fā)功能在正確的信號位置點同步水平掃描,決定著信號特性是否清晰。觸發(fā)控制按鈕可以穩(wěn)定重復(fù)的波形并捕獲單脈沖波形。
7、有效比特
是示波器準(zhǔn)確再現(xiàn)正弦信號波形的能力的度量。這個度量將示波器的實際錯誤同理論上理想的數(shù)字化儀進行比較。由于實際的誤差數(shù)包括噪聲和失真,所以必需指定信號的頻率和幅度。
8、頻率響應(yīng)
僅僅采用帶寬是不足以保證示波器準(zhǔn)確捕獲高頻信號的。示波器設(shè)定的目標(biāo)是一個特定類型的頻率響應(yīng):大平坦包絡(luò)時延(MFED)。此類型的頻率響應(yīng)用小的過沖和阻尼振蕩,提供極好的脈沖逼真度。
由于數(shù)字示波器是由實際的放大器、衰減器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、連接器和繼電器組成,MFED響應(yīng)只是對目標(biāo)值的一個逼近。不同廠家的產(chǎn)品的脈沖逼真度有著很大的不同。
9、垂直靈敏度
垂直靈敏度指示垂直放大器對弱信號的放大程度,通常用每刻度多少毫伏來表示。多用途示波器能檢測出的小伏特數(shù)的典型值約為1mv每垂直顯示屏刻度。
10、掃描速度
掃描速度表征軌跡掃過示波器顯示屏的速度有多快,以便能夠發(fā)現(xiàn)更細微的細節(jié)。示波器的掃描速度用時間(秒)/格表示。
11、增益精度
增益精度是表征垂直系統(tǒng)對信號的衰減或放大的準(zhǔn)確程度,通常用多少百分比誤差來表示。
12、水平準(zhǔn)確度
水平或者時基準(zhǔn)確度是指在水平系統(tǒng)中,顯示信號的定時的準(zhǔn)確度,通常用多少百分比誤差來表示。
13、垂直分辨率
模數(shù)轉(zhuǎn)換器的垂直分辨率,也就是數(shù)字示波器的垂直分辨率,是指示波器將輸入電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字值的程度。垂直分辨率用比特數(shù)來度量。計算方法能提高有效的分辨率,例如高分辨率捕獲模式。
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