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模拟示波器的使用说明书/ (模拟示波器操作手册下载)

日期:2019-11-12 20:47
浏览次数:13599
摘要:
                                                                        模拟示波器的使用说明书

      在家电维修的过程中使用示波器已十分普遍。通过示波器可以直观地观察被测电路的波形,包括形状、幅度、频率(周期)、相位,还可以对两个波形进行比较,从而迅速、准确地找到故障原因。正确、熟练地使用示波器,是初学维修人员的一项基本功。
  虽然示波器的牌号、型号、品种繁多,但其基本组成和功能却大同小异,本文介绍通用示波器的使用方法。  
一、面板介绍
     1.亮度和聚焦旋钮
    亮度调节旋钮用于调节光迹的亮度(有些示波器称为"辉度"),使用时应使亮度适当,若过亮,容易损坏示波管。聚焦调节旋钮用于调节光迹的聚焦(粗细)程度,使用时以图形清晰为佳。
     2.信号输入通道 
    常用示波器多为双踪示波器,有两个输入通道,分别为通道1(CH1)和通道2(CH2),可分别接上示波器探头,再将示波器外壳接地,探针插至待测部位进行测量。
     3.通道选择键(垂直方式选择)
     常用示波器有五个通道选择键:
    (1)CH1:通道1单独显示;
    (2)CH2:通道2单独显示;
    (3)ALT:两通道交替显示;
    (4)CHOP:两通道断续显示,用于扫描速度较慢时双踪显示;
    (5)ADD:两通道的信号叠加。维修中以选择通道1或通道2为多。
     4.垂直灵敏度调节旋钮 
    调节垂直偏转灵敏度,应根据输入信号的幅度调节旋钮的位置,将该旋钮指示的数值(如0.5V/div,表示垂直方向每格幅度为0.5V)乘以被测信号在屏幕垂直方向所占格数,即得出该被测信号的幅度。
     5.垂直移动调节旋钮 
     用于调节被测信号光迹在屏幕垂直方向的位置。
     6.水平扫描调节旋钮 
    调节水平速度,应根据输入信号的频率调节旋钮的位置,将该旋钮指示数值(如0.5ms/div,表示水平方向每格时间为0.5ms),乘以被测信号一个周期占有格数,即得出该信号的周期,也可以换算成频率。
     7.水平位置调节旋钮
     用于调节被测信号光迹在屏幕水平方向的位置。
     8.触发方式选择
     示波器通常有四种触发方式:
    (1)常态(NORM):无信号时,屏幕上无显示;有信号时,与电平控制配合显示稳定波形;
   (2)自动(AUTO):无信号时,屏幕上显示光迹;有信号时与电平控制配合显示稳定的波形;
    (3)电视场(TV):用于显示电视场信号;
   (4)峰值自动(P-PAUTO):无信号时,屏幕上显示光迹;有信号时,无需调节电平即能获得稳定波形显示。该方式只有部分示波器(例如CALTEK卡尔泰克CA8000系列示波器)中采用。
     9.触发源选择 
   示波器触发源有内触发源和外触发源两种。如果选择外触发源,那么触发信号应从外触发源输入端输入,家电维修中很少采用这种方式。如果选择内触发源,一般选择通道1(CH1)或通道2(CH2),应根据输入信号通道选择,如果输入信号通道选择为通道1,则内触发源也应选择通道1。
二、测量方法
  1.幅度和频率的测量方法(以测试示波器的校准信号为例)
    (1)将示波器探头插入通道1插孔,并将探头上的衰减置于"1"档;
    (2)将通道选择置于CH1,耦合方式置于DC档;
    (3)将探头探针插入校准信号源小孔内,此时示波器屏幕出现光迹;
   (4)调节垂直旋钮和水平旋钮,使屏幕显示的波形图稳定,并将垂直微调和水平微调置于校准位置;
    (5)读出波形图在垂直方向所占格数,乘以垂直衰减旋钮的指示数值,得到校准信号的幅度;
   (6)读出波形每个周期在水平方向所占格数,乘以水平扫描旋钮的指示数值,得到校准信号的周期(周期的倒数为频率);
   (7)一般校准信号的频率为1kHz,幅度为0.5V,用以校准示波器内部扫描振荡器频率,如果不正常,应调节示波器(内部)相应电位器,直至相符为止。
     2.示波器应用举例(以测量788手机13MHz时钟脉冲为例)
    手机中的13MHz时钟信号正常是开机的必要条件,因此维修时要经常测量有无13MHz时钟信号。步骤如下:
    (1)打开示波器,调节亮度和聚焦旋钮,使屏幕上显示一条亮度适中、聚焦良好的水平亮线;
     (2)按上述方法校准好示波器,然后将耦合方式置于AC档;
    (3)将示波器探头的接地夹夹在手机电路板的接地点,探针插到788手机CPU第脚;
    (4)接通手机电源,按开机键,调节垂直扫描水和平扫描旋钮,观察屏幕上是否出现稳定的波形,如果没有,一般说明没有13MHz信号。
                     示波器的使用(2)

2.1 荧光屏
  荧光屏是示波管的显示部分。屏上水平方向和垂直方向各有多条刻度线,指示出信号波形的电压和时间之间的关系。水平方向指示时间,垂直方向指示电压。水平方向分为10格,垂直方向分为8格,每格又分为5份。垂直方向标有0%,10%,90%,100%等标志,水平方向标有10%,90%标志,供测直流电平、交流信号幅度、延迟时间等参数使用。根据被测信号在屏幕上占的格数乘以适当的比例常数(V/DIV,TIME/DIV)能得出电压值与时间值。
2.2 示波管和电源系统
1.电源(Power)
    示波器主电源开关。当此开关按下时,电源指示灯亮,表示电源接通。
2.辉度(Intensity)
  旋转此旋钮能改变光点和扫描线的亮度。观察低频信号时可小些,高频信号时大些。一般不应太亮,以保护荧光屏。
 3.聚焦(Focus)
  聚焦旋钮调节电子束截面大小,将扫描线聚焦成*清晰状态。
  4.标尺亮度(Illuminance)
  此旋钮调节荧光屏后面的照明灯亮度。正常室内光线下,照明灯暗一些好。室内光线不足的环境中,可适当调亮照明灯。
2.3 垂直偏转因数和水平偏转因数
  1.垂直偏转因数选择(VOLTS/DIV)和微调
  在单位输入信号作用下,光点在屏幕上偏移的距离称为偏移灵敏度,这一定义对X轴和Y轴都适用。灵敏度的倒数称为偏转因数。垂直灵敏度的单位是为cm/V,cm/mV或者DIV/mV,DIV/V,垂直偏转因数的单位是V/cm,mV/cm或者V/DIV,mV/DIV。实际上因习惯用法和测量电压读数的方便,有时也把偏转因数当灵敏度。
  踪示波器中每个通道各有一个垂直偏转因数选择波段开关。一般按1,2,5方式从
5mV/DIV到5V/DIV分为10档。波段开关指示的值代表荧光屏上垂直方向一格的电压值。例如波段开关置于1V/DIV档时,如果屏幕上信号光点移动一格,则代表输入信号电压变化1V。
  每个波段开关上往往还有一个小旋钮,微调每档垂直偏转因数。将它沿顺时针方向旋到底,处于“校准”位置,此时垂直偏转因数值与波段开关所指示的值一致。逆时针旋转此旋钮,能够微调垂直偏转因数。垂直偏转因数微调后,会造成与波段开关的指示值不一致,这点应引起注意。许多示波器具有垂直扩展功能,当微调旋钮被拉出时,垂直灵敏度扩大若干倍(偏转因数缩小若干倍)。例如,如果波段开关指示的偏转因数是1V/DIV,采用×5扩展状态时,垂直偏转因数是0.2V/DIV。
  在做数字电路实验时,在屏幕上被测信号的垂直移动距离与+5V信号的垂直移动距离之比常被用于判断被测信号的电压值。
  2.时基选择(TIME/DIV)和微调
  时基选择和微调的使用方法与垂直偏转因数选择和微调类似。时基选择也通过一个波段开关实现,按1、2、5方式把时基分为若干档。波段开关的指示值代表光点在水平方向移动一个格的时间值。例如在1μS/DIV档,光点在屏上移动一格代表时间值1μS。
  “微调”旋钮用于时基校准和微调。沿顺时针方向旋到底处于校准位置时,屏幕上显示的时基值与波段开关所示的标称值一致。逆时针旋转旋钮,则对时基微调。旋钮拔出后处于扫描扩展状态。通常为×10扩展,即水平灵敏度扩大10倍,时基缩小到1/10。例如在2μS/DIV档,扫描扩展状态下荧光屏上水平一格代表的时间值等于2μS×(1/10)=0.2μS。
  TDS实验台上有10MHz、1MHz、500kHz、100kHz的时钟信号,由石英晶体振荡器和分频器产生,准确度很高,可用来校准示波器的时基。
  示波器的标准信号源CAL,专门用于校准示波器的时基和垂直偏转因数。例如COS5041型示波器标准信号源提供一个VP-P=2V,f=1kHz的方波信号。
  示波器前面板上的位移(Position)旋钮调节信号波形在荧光屏上的位置。旋转水平位移旋钮(标有水平双向箭头)左右移动信号波形,旋转垂直位移旋钮(标有垂直双向箭头)上下移动信号波形。
  2.4 输入通道和输入耦合选择
  1.输入通道选择
  输入通道至少有三种选择方式:通道1(CH1)、通道2(CH2)、双通道(DUAL)。选择通道1时,示波器仅显示通道1的信号。选择通道2时,示波器仅显示通道2的信号。选择双通道时,示波器同时显示通道1信号和通道2信号。测试信号时,首先要将示波器的地与被测电路的地连接在一起。根据输入通道的选择,将示波器探头插到相应通道插座上,示波器探头上的地与被测电路的地连接在一起,示波器探头接触被测点。示波器探头上有一双位开关。此开关拨到“×1”位置时,被测信号无衰减送到示波器,从荧光屏上读出的电压值是信号的实际电压值。此开关拨到“×10"位置时,被测信号衰减为1/10,然后送往示波器,从荧光屏上读出的电压值乘以10才是信号的实际电压值。
  2.输入耦合方式
  输入耦合方式有三种选择:交流(AC)、地(GND)、直流(DC)。当选择“地”时,扫描线显示出“示波器地”在荧光屏上的位置。直流耦合用于测定信号直流优良值和观测极低频信号。交流耦合用于观测交流和含有直流成分的交流信号。在数字电路实验中,一般选择“直流”方式,以便观测信号的优良电压值。
  2.5 触发
  **节指出,被测信号从Y轴输入后,一部分送到示波管的Y轴偏转板上,驱动光点在荧光屏上按比例沿垂直方向移动;另一部分分流到x轴偏转系统产生触发脉冲,触发扫描发生器,产生重复的锯齿波电压加到示波管的X偏转板上,使光点沿水平方向移动,两者合一,光点在荧光屏上描绘出的图形就是被测信号图形。由此可知,正确的触发方式直接影响到示波器的有效操作。为了在荧光屏上得到稳定的、清晰的信号波形,掌握基本的触发功能及其操作方法是十分重要的。
  1.触发源(Source)选择
  要使屏幕上显示稳定的波形,则需将被测信号本身或者与被测信号有一定时间关系的触发信号加到触发电路。触发源选择确定触发信号由何处供给。通常有三种触发源:内触发(INT)、电源触发(LINE)、外触发EXT)。
  内触发使用被测信号作为触发信号,是经常使用的一种触发方式。由于触发信号本身是被测信号的一部分,在屏幕上可以显示出非常稳定的波形。双踪示波器中通道1或者通道2都可以选作触发信号。
  电源触发使用交流电源频率信号作为触发信号。这种方法在测量与交流电源频率有关的信号时是有效的。特别在测量音频电路、闸流管的低电平交流噪音时更为有效。
  外触发使用外加信号作为触发信号,外加信号从外触发输入端输入。外触发信号与被测信号间应具有周期性的关系。由于被测信号没有用作触发信号,所以何时开始扫描与被测信号无关。
  正确选择触发信号对波形显示的稳定、清晰有很大关系。例如在数字电路的测量中,对一个简单的周期信号而言,选择内触发可能好一些,而对于一个具有复杂周期的信号,且存在一个与它有周期关系的信号时,选用外触发可能更好。
  2.触发耦合(Coupling)方式选择
  触发信号到触发电路的耦合方式有多种,目的是为了触发信号的稳定、可靠。这里介绍常用的几种。
  AC耦合又称电容耦合。它只允许用触发信号的交流分量触发,触发信号的直流分量被隔断。通常在不考虑DC分量时使用这种耦合方式,以形成稳定触发。但是如果触发信号的频率小于10Hz,会造成触发困难。
  直流耦合(DC)不隔断触发信号的直流分量。当触发信号的频率较低或者触发信号的占空比很大时,使用直流耦合较好。
  低频抑制(LFR)触发时触发信号经过高通滤波器加到触发电路,触发信号的低频成分被抑制;高频抑制(HFR)触发时,触发信号通过低通滤波器加到触发电路,触发信号的高频成分被抑制。此外还有用于电视维修的电视同步(TV)触发。这些触发耦合方式各有自己的适用范围,需在使用中去体会。
  3.触发电平(Level)和触发极性(Slope)
  触发电平调节又叫同步调节,它使得扫描与被测信号同步。电平调节旋钮调节触发信号的触发电平。一旦触发信号超过由旋钮设定的触发电平时,扫描即被触发。顺时针旋转旋钮,触发电平上升;逆时针旋转旋钮,触发电平下降。当电平旋钮调到电平锁定位置时,触发电平自动保持在触发信号的幅度之内,不需要电平调节就能产生一个稳定的触发。当信号波形复杂,用电平旋钮不能稳定触发时,用释抑(Hold
Off)旋钮调节波形的释抑时间(扫描暂停时间),能使扫描与波形稳定同步。
  极性开关用来选择触发信号的极性。拨在“+”位置上时,在信号增加的方向上,当触发信号超过触发电平时就产生触发。拨在“-”位置上时,在信号减少的方向上,当触发信号超过触发电平时就产生触发。触发极性和触发电平共同决定触发信号的触发点。
  2.6 扫描方式(SweepMode)
  扫描有自动(Auto)、常态(Norm)和单次(Single)三种扫描方式。
  自动:当无触发信号输入,或者触发信号频率低于50Hz时,扫描为自激方式。
  常态:当无触发信号输入时,扫描处于准备状态,没有扫描线。触发信号到来后,触发扫描。
  单次:单次按钮类似复位开关。单次扫描方式下,按单次按钮时扫描电路复位,此时准备好(Ready)灯亮。触发信号到来后产生一次扫描。单次扫描结束后,准备灯灭。单次扫描用于观测非周期信号或者单次瞬变信号,往往需要对波形拍照。
  上面扼要介绍了示波器的基本功能及操作。示波器还有一些更复杂的功能,如延迟扫描、触发延迟、X-Y工作方式等,这里就不介绍了。示波器入门操作是容易的,真正熟练则要在应用中掌握。值得指出的是,示波器虽然功能较多,但许多情况下用其他仪器、仪表更好。例如,在数字电路实验中,判断一个脉宽较窄的单脉冲是否发生时,用逻辑笔就简单的多;测量单脉冲脉宽时,用逻辑分析仪更好一些。
 
 
示波器基础使用说明和功能
说明和功能
我们可以把示波器简单地看成是具有图形显示的电压表。
普通的电压表是在其度盘上移动的指针或者数字显示来给出信号电压的测量读数。而示波器则与共不同。示波器具有屏幕,它能在屏幕上以图形的方式显示信号电压随时间的变化,即波形。
示波器和电压表之间的主要区别是:
1.电压表可以给出祥测信号的数值,这通常是有效值即RMS值。但是电压表不能给出有关信号形状的信息。有的电压表也能测量信号的峰值电压和频率。然而,示波器则能以图形的方式显示信号随时间变化的历史情况。
2.电压表通常只能对一个信号进行测量,而示波器则能同时显示两个或多个信号。
显示系统
示波器的显示器件是阴极射线管,缩写为CRT,见图1。阴极射线管的基础是一个能产生电子的系统,称为电子枪。电子枪向屏幕发射电子。电子枪发射的电子经聚焦形成电子束,并打在屏幕中心的一点上。屏幕的内表面涂有荧光物质,这样电子束打中的点就发出光来。
 
图1 阴极射线管图
电子在从电子枪到屏幕的途中要经过偏转系统。在偏转系统上施加电压就可以使光点在屏幕上移动。偏转系统由水平(X)偏转板和垂直(Y)偏转板组成。这种偏转方式称为静电偏转。
在屏幕的内表面用刻划或腐蚀的方法作出许多水平和垂直的直线形成网络,称为标尺。标尺通常在垂直方向有8个,水平方向有10个,每个格为1cm。有的标尺线又进一步分成小格,并且还有标明0%和100%的特别线。这些特别的线和标明10%和90%的标尺配合使用以进行上升时间的测量。我们后面会讨论这个问题。
如上所述,受到电子轰击后,CRT上的荧光物质就会发光。当电子束移开后,荧光物质在一个短的时间内还会继续发光。这个时间称为余辉时间。余辉时间的长短随荧光物质的不同而变化。*常用的荧光物质是P31,其余辉时间小于一毫秒(ms).而荧光物质P7的余辉时间则较长,约为300ms,这对于观察较慢的信号非常有用。P31材料发射绿光,而P7材料发光的颜色为黄绿色。
将输入信号加到Y轴偏转板上,而示波器自己使电子束沿X轴方向扫描。这样就使得光点在屏幕上描绘出输入信号的波形。这样扫出的信号波形称为波形轨迹。
影响屏幕的控制机构有:
—辉度
辉度控制用来调切波形显示的亮度。本书中用作示例的示波器所采用的电路能够根据不同的扫描速度自动调切辉度。当电子束移动得比较快时,荧光物质受到激励的时间就变短,因此必须增加辉度才能看清轨迹。相反,当电子束移动缓慢时,屏幕上的光点变得很亮,因此必须减小辉度以免荧光物质被烧坏。从而延长示波管的寿命。
对于屏幕上的文字部分,另有单独的辉度控制机构。
—聚焦
聚焦控制机构用来控制屏幕上光点的大小,以便获得清晰的波形轨迹。有些示波器,例如本书用作示例的示波器上,聚集也是由示波器自己进行*佳控制的,从而能在不同的辉度和不同的扫描下保持清晰的波形轨迹。另外也提供手动调节的聚集控制。
—扫描旋转
这个控制机构使X轴扫描线和水平标尺线对齐。由于地球的磁场在各个地方是不同的,这将会影响示波管显示的扫描线。扫迹旋转功能就用来对此进行补偿。扫描旋转功能是预先调好的,通常只需在示波器搬动后再行调节。
—标尺照明
标尺亮度可以单独控制。这对于屏幕摄影或在弱光线条件下工作时非常有用。
—Z调制
扫描的辉度可以用电气的方法通过一个外加的信号来改变。这对于由外部信号来产生水平偏转以及使用X-Y显示方式来寻找频率关系的应用中是十分有用的。
此信号输入端通常是示波器后面板上的一个BNC插座。
1.2 模拟示波器方框图
CRT是所有示波器的基础。现在我们已经对它有所了解。下面我们就看一看示波管是怎样作为示波器的心脏来起作用的。
我们已经看到,示波器有两个垂直偏转板,两个水平偏转板和一个电子枪。从电子枪发射出的电子束的强度可以用电气的办法来加以控制。
在上术基础上,再增添下面叙述的电路就可以构成一个完整的示波器(见图2)
图2 模拟示波器方框图
示波管的垂直偏转系统包括:
—输入衰减器(每通道一个)
—前置放大器(每通道一个)
—用来选择使用哪一个输入通道的电子开关
—偏转放大器
示波器的水平偏转系统包括:时基、触发电路和水平偏转放大器
辉度控制电路用电子学的方法在恰当的时刻点亮和熄灭扫迹。
为使所有这些电路工作,示波器需要有一个电源。此电源从交流市电或者从机内或外部的电池获取能量,使示波器工作。任何示波器的基本性能都是由它的垂直偏转系统的特性来决定的,所以我们首先来详细地考察这一部分。
1.3 垂直偏转
灵敏度
垂直偏转系统对输入信号进行比例变换,使之能在屏幕上表现出来。示波器可以显示峰峰值电压为几毫伏到几十伏的信号。因此必须把不同幅度的信号进行变换以适应屏幕的显示范围,这样就可以按照标尺刻度对波形进行测量。为此就要求对大信号进行衰减、对小信号进行放大。示波器的灵敏度或衰减器控制就是为此而设置的。
灵敏度是以每格的伏特数来衡量的看一下图3可以知道其灵敏度设置为1V/格。因此,峰峰值为6V的信号使得扫迹在垂直方向的6个格内偏转变化。知道了示波器的灵敏度设置值和电子束在垂直方向扫描的格数,我们就可以测量出信号的峰峰电压值。
在多数的示波器上,灵敏度控制都是按1-2-5的序列步进变化的。即灵敏度。设置颠倒为10mV/格、20mV/格、50mV/、100mV/格等等。灵敏度通常是用幅度上升/下降钮来进行控制的,而在有些示波器则是用转动垂直灵敏度旋钮来进行。
如果使用这些灵敏度步进不能调节信号使之能够准确的按照要求在屏幕上显示,那么就可以使用可变(VAR)控制。在第6章我们将会看到,使用标尺刻度来进行信号上升时间的测量就是一个很好的例子。可变控制能够在1-2-5的步进值之间对灵敏度进行连续调节。通常当使用可变控制时,准确的灵敏度值是不知道的。我们只知道这时示波器的灵敏度是在1-2-5序列的两个步进值之间的某个值。这时我们称该通道的Y偏转是未校准的或表示为"uncal"。这种未校准的状态通常在示波器的前面板或屏幕上指示出来。
在更现代化的示波器,例如我们用作示例的示波器,由于彩用了现代先进的技术进行控制和校准。因此示波器的灵敏度可以在*小值和*大值之间连续变化,而始终保持处于校准状态。
在老式的示波器上,通道灵敏度的设置值是从灵敏度控制旋钮周围的刻度上读出的。而在新型的示波器上,通道灵敏度设置值清晰地显示在屏幕上,如图3所示,或者用一个单独的CD显示器显示出来。
图3 在灵敏度为1v/格的情况下,峰峰值为6v的信号使电子束在垂直方向偏转6格
耦合
耦合控制机构决定输入信号从示波器前面板上的BNC输入端通到该通道垂直偏转系统其它部分的方式。耦合控制可以有两种设置方式,即DC耦合和AC耦合。
DC耦合方式为信号提供直接的连接通路。因此信号提供直接的连接通路。因此信号的所有分量(AC和:DC)都会影响示波器的波形显示。
AC耦合方式则在BDC端和衰减器之间串联一个电容。这样,信号的DC分量就被阻断,而信号的低频AC分量也将受阻或大为衰减。示波器的低频截止频率就是示波器显示的信号幅度仅为其直实幅度为71%时的信号频率。示波器的低频截止频率主要决定于其输入耦合电容的数值。示波器的低频截止频率典型值为10Hz,见图4。
图4 说明AC及DC耦合、输入接地以及50Ω输入阻抗功能选择的简化输入电路
和耦合控制机构有关的另一个功能是输入接地功能。这时,输入信号和衰减器断开并将衰减器输入端连至示波器的地电平。当选择接地时,在屏幕上将会看到一条位于0V电平的直线。这时可以使用位置控制机构来调节这个参考电平或扫描基线的位置。
输入阻抗
多数示波器的输入阻抗为1MΩ和大约25pF相关联。这足以满足多数应用场合的要求,因为它对多数电路的负载效应极小。
有些信号来自50Ω输出阻搞的源。为了准确的测量这些信号并避免发生失真,必须对这些信号进行正确的传送和端接。这时应当使用50Ω特性阻抗的电缆并用50Ω的负载进行端接。某些示波器,如PM3094和PM3394A,内部装有一个50Ω的负载,提供一种用户可选择的功能。为避免误操作,选择此功能时需经再次确认。由于同样的理由,50Ω输入阻抗功能不能和某些探头配合使用。
位置
垂直位置控制或POS控制机构控制扫迹在屏幕Y轴的位置。在输入耦合控制中选择接地,这时就将输入信号断开,这样就可以找到地电平的位置。在更先进的示波器上设有单独的地电平指示器,它可以让用户能连续地获得波形的参考电平。
动态范围
动态范围就是示波器能够不失真地显示信号的*大幅值,在此信号幅值下只要调节示波器的垂直位置仍能观察到波形的全部。对于Fluke公司的示波器来说,动态范围的典型值为24路(3个屏幕)
相加和反向
简单的把两个信号相加起来似乎没有什么实际意义。然百,把两个有关信号之一反向,再将二者相加,实际上就实现了两个信号的相减。这对于消除共模干扰(即交流声),或者进行差分测量都是非常有用的。
从一个系统的输出信号中减去输入信号,再进行适当的比例变换,就可以测出被测系统引起的失真。
由于很多电子系统本身就具有反向的特性,这样只要把示波器的两个输入信号相加就能实现我们所期望的信号相减。
交替和断续
示波器CRT本身一次只能显示一条扫迹。然而,在很多示波器应用中,常常要进行信号的比较,例如,研究输入/输出信号间的关系,或者一个系统对信号的延迟等。这就要求示波器实际上能同时显示不只一个信号。
为了达到这一目的,可以用两种办法来控制电子束:
1.可以交替地画完一条扫迹,再画另一条扫迹。这种方法称为交替模式,或简称为ALT模式。
2.可以在两条扫迹之间迅速的进行开关或斩波切换,从而分段的画出两条扫迹。这称为断续模式或CHOP模式。其结果是在一次扫描的时间里一段接一段的画出两条扫迹。
断续模式适合于在低时基速率下显示低频率信号,因为这时斩波器开关能快速进行切换。
交替模式适合于需要使用较快时基设置的高频率信号的显示。本书中我们用作示例的示波器在不同的扫描速度下能自动地ALT或CHOP模式以给出*好的显示效果。用户也可以手动选择ALT或CHOP模式以适合特殊信号的需求。
带宽
示波器*生根的技术指标就是带宽。示波器的带宽表明了该示波器垂直系统的频率响应。示波器的带宽定义为示波器在屏幕上能以不低于真实信号3dB的幅度来显示信号的*高频率。
—3dB点的频率就是示波器所显示的信号幅度“Vdisp”为示波器输入端真实信号值“Vinput”的71%时的信号频率,如下式所示:设:
dB(伏)=20log(电压比)
—3Db=20log(Vdisp/Vinput)
—0.15=log(Vdisp/Vinput)
10-0.15=Vdisp/Vinput
Vdisp=0.7Vinput
图5表示出一个100MHz示波器的典型频率响应曲线。
图5 一台典型为100MHz示波器的频率响应曲线(简化的曲线和实际的曲线)
出于现实的理由,通常把带宽想象成为叔响曲线一直平坦延伸至其截止频率,然后从该频率以-20dB/+倍频程的斜率下降。当然,这是一种简化的考虑。实际上,放大器的灵敏度从较低的频率就开始下降,百在其截止频率达到-3dB。图5中中同时给出了简化的频率响应曲线和实际的频率响应曲线。
带宽限制器
使用带宽限制器可以把通常带宽在100MHz以上的宽带示波器的频带减小到20MHz的典型值。这样就降低了噪声电平和干扰,这对于进行高灵敏度的测量是非常有用的。
上升时间
上升时间直接和带宽有关。上升时间通常规定为信号从其稳态*大值的10%到90%所用的时间。
上升时间是一个示波器从理论上来说能够显示的*快的瞬变的时间。示波器的高频响应曲线是经过认真安排的。这就保证了具有高谐波含量的信号,如方波,能够在屏幕上**的再现。如果频响曲线下降太快,则在信号的快速上升沿上就会发生振铃现象。如果频响曲线下降太慢,即在频响曲线上下降开始得过早,则示波器总的高频响应就受到影响,使得方波失去“方形”特性。
对于各种通用示波器来说,其高频响应曲线是类似的。从该曲线我们可以得到一个示波器带宽和上升时间的简单关系公式。此公式为:
tr(s)=0.35/BW(Hz)
对于高频示波器来说,这个公式可以表示为:
tr(ns)=350/BW(MHz)
对于一个100MHz的示波器来说,上升时间为3.5(ns=纳秒10-9秒)
在示波器的标尺上刻有标明0%和100%的专门的线,用来进行上升时间的测量。测量时我们先用VAR灵敏度控制机构将被测认号的顶部和底部分别和标有0%和100%的线对齐。
然后找出信号和标尺上标有10%和90%的两条线的交点。这样,上升时间就可以从这两个交点沿X轴方向的时间间隔读出来。
要想测量一台示波器的上升时间,我们使用与上述相同的方法,只是要求测试信号的上升时间应当比该示波器的上升时间短得多。为获得2%的测量误差,测试信号的上升时间至少应小于示波器上升时间的五分之一。示波器上显示的上升时间应当是示波器上升时间和信号上升时间和组合函数。
 
示波器探头的介绍
 
各种示波器*重要的指标是频率带宽,这通常是指示波器面板输入端在与输入阻抗匹配的情况下测得的性能.被测电路与示波器输入端之间需要通过探头连接,因此探头的频率特性对整体性能有着决定性的影响.如果把示波器比喻为人的躯干,则探头就是四肢。四肢不灵,做事不成。
   探头分有源探头和无源探头两类,有源的输入阻抗高,但带宽达不到1GHz;无源的阻抗低,但带宽可超过1GHz.无源探头*通用,约占总数的90%,通常提供10:1衰减和10MΩ输入电阻,以便与示波器的1MΩ输入电阻匹配从图1中可见,性能良好的探头有多个RC元件,其衰减比用下面公式计算:
Vout/Vin=R2/(R1+R2)
   正确的补偿条件为:R1C1=R2(C2+C3).在此条件下频率特性*佳,校正用输入方波显示没有失真。
带探头的电缆有一根高电阻芯线,用以在高频段衰减瞬时振荡.芯线与电缆屏蔽层以及绝缘层构成分布的RC网络,需要微调电容C1调谐。还要有一个电位器调整衰减比例,把探头校正好可以减小测量误差。在测量快速脉冲时,应按供应商给的说明调整微调电容以改善探头性能。要记住,用户不能补偿1:1探头的大电容(100pF左右),它是被测电路的负载,限制探头带宽。因此,没有1:1的有源探头。
   10:1、50Ω探头比使用10:1、1MΩ探头有更大的带宽,前者可达9GHz,而后者只能到500MHz。
   探头之前必须知道被测电路能否驱动足够的电流给探头,也必须知道高压无源探头能否耐受很大的dV/dt变化率。图2中表示出三种信号,它们的dV/dt变化率都是1000V/μs,尽管波形和幅度不同。如果使用衰减为1:1、带宽是10MHz的探头,会把1μs上升沿的谐波滤掉,也限制了变化率。若要避免限制信号的变化率,被测电路在上升时间内要能供给10mA的电流对探头的100pF输入电容充电。若把探头衰减放在10:1位置上,能把电流减小到2mA,若用100:1探头,其输入电容可小到1.5pF。
   探头的带宽是固定的,而有源探头的带宽可以扩展覆盖,这是有源探头的优势。有源探头的不利条件是成本高、尺寸大,输入电压和功率有一定的限制,在其前端处有放大电路。现在有的新型示波器,装设有独立的前端放大器。随着探头衰减比较不同,输入电压有所变化。典型的是在1:1和10:1上输入电压为10V或更低。尽管如此,*大的无破坏输入电压可达150V-200V。
   严格审查有源探头的准确度、温漂、长期稳定度、噪声和线性度等指标,保证探头能承受所加信号,又不致于使示波器指标有所降低,即使示波器有过载发生也能很恢复过来,这是很重要的。
   在高频段正确使用探头也是很重要的。许多信号源都有一个接地参考点(OV),用无源的或有源的单端探头都能很好地工作。如果信号源的参考点不是OV,就应使用差分测量法,否则会发生短路现象,损坏仪器。
   要记住,不要把示波器与地隔离开而浮置起来。用单端探头做差分测量是很危险的。通常示波器的输入端与地之间接有10pF或15pF电容.也有少数大型示波器在输入端与地之间接有100pF的电容,若用它做差分测量,由于存在不平衡的容性负载,使信号扭曲。
   量无零点参考信号时,用差分探头能解决这些问题.用两个探头分别接在示波器的两个通道上,设置示波器显示出两者相减的结果.此两探头应选用匹配好的一对,所谓匹配好实际上是指两探头的电缆要一样长,即对信号的延迟要一样,其输入电容、电阻和衰减也一样。用微调电容可以减小两者的差别。
   试之前,将两个探头都接到同一个有代表性的信号上,根据示波器上两波形的差别对两探头进行细致地调整,以改善共模抑制。如果观察的是大差分信号的小共模电平,匹配好的探头用起来是很满意的。若是观察小差分信号大共模电平则看不到信号的细致部分。
用一个差分探头比用两个单端探头进行测量更能取得*高的准确度,而且只用示波器的一个通道即可,有源差分探头的共模抑制比不需很高。在差分信号较大时,探头的缺点如热影响、长期漂移以及本身产生的噪声就显得不重要了。有源差分探头不允许输入信号有较大的变化率,否则显示的波形模糊不清。
   好的示波器配上质量好的探头能清楚地显示出波形切换沿的谐波频率如同显示幅度那样(见图2),这有赖于示波器和探头的变化率更大。
   想要获得尽可能高的准备度和信号的逼真度,且能接受100MHz的带宽,应当考虑使用独立的差分放大器和一对匹配好的探头,这样的搭配能从根本上改善示波器的灵敏度、过载恢复、热漂移和噪声等指标。
   在有很大共模电压的情况下进行测量,应当使用一个隔离入大器,它有用电池供电的输入部分和从结构上可以分开的输出单元。用这种隔离器能很安全地测量有大共模电压中的快速差分信号。
    在什么情况下使用探头都需要配上一套附件,才能做出满意的测量。
示波器探头的使用
别看一个示波器探头很简单,其实还是很有讲究的。以下是使用示波器
探头的一点小经验,供大家使用时参考一下。
首先是带宽,这个通常会在探头上写明,多少MHz。如果探头的带宽不够,
示波器的带宽再高也是无用,瓶颈效应。
另外就是探头的阻抗匹配。探头在使用之前应该先对其阻抗匹配部分进行
调节。通常在探头的靠近示波器一端有一个可调电容,有一些探头在靠近
探针一端也具有可调电容。它们是用来调节示波器探头的阻抗匹配的。如果
阻抗不匹配的话,测量到的波形将会变形。调节示波器探头阻抗匹配的方法
如下:首先将示波器的输入选择打在GND上,然后调节Y轴位移旋钮使扫描线
出现在示波器的中间。检查这时的扫描线是否水平(即是否跟示波器的水平
中线重合),如果不是,则需要调节水平平衡旋钮(通常模拟示波器有这个
调节端子,在小孔中,需要用螺丝刀伸进去调节。数字示波器不用调节)。
然后,再将示波器的输入选择打到直流耦合上,并将示波器探头接在示波器
的测试信号输出端上(一般示波器都带有这输出端子,通常是1KHz的方波
信号),然后调节扫描时间旋钮,使波形能够显示2个周期左右。调节Y轴
增益旋钮,使波形的峰-峰值在1/2屏幕宽度左右。然后观察方波的上、下两
边,看是否水平。如果出现过冲、倾斜等现象,则说明需要调节探头上的匹配
电容。用小螺丝刀调节之,直到上下两边的波形都水平,没有过冲为止。当然,
可能由于示波器探头质量的问题,可能调不到完全无失真的效果,这时只能调到
*佳效果了。
另外就是示波器上还有一个选择量程的小开关:X10和X1。当选择X1档时,
信号是没经衰减进入示波器的。而选择X10档时,信号是经过衰减到1/10再到
示波器的。因此,当使用示波器的X10档时,应该将示波器上的读数扩大10倍
(有些示波器,在示波器端可选择X10档,以配合探头使用,这样在示波器端
也设置为X10档后,直接读数即可)。当我们要测量较高电压时,就可以利用
探头的X10档功能,将较高电压衰减后进入示波器。另外,X10档的输入阻抗
比X1档要高得多,所以在测试驱动能力较弱的信号波形时,把探头打到X10档
可更好的测量。但要注意,在不甚明确信号电压高低时,也应当先用X10档测一下,
确认电压不是过高后再选用正确有量程档测量,养成这样的习惯是很有必要的,
不然,哪天万一因为这样损坏了示波器,要后悔就来不及了。
经常有人提问,为什么用示波器看不到晶振引脚上的波形?一个可能的原因就是
因为使用的是探头的X1档,这时相当于一个很重的负载(一个示波器探头使用×1档
具有上百pF的电容)并联在晶振电路中,导致电路停振了。正确的方法应该是使用
探头的X10档。这是使用中应当注意的,即或不停振,也有可能因过度改变振荡条件
而看不到真实的波形了。
示波器探头在使用时,要保证地线夹子可靠的接了地(被测系统的地,非真正的
大地),不然测量时,就会看到一个很大的50Hz的信号,这是因为示波器的地线
没连好,而感应到空间中的50Hz工频市电而产生的。如果你发现示波器上出现了
一个幅度很强的50Hz信号(我国市电频率为50Hz,国外有60Hz的),这时你就要
注意下看是否是探头的地线没连好。由于示波器探头经常使用,可能会导致地线
断路。检测方法是:将示波器调节到合适的扫描频率和Y轴增益,然后用手触摸
探头中间的探针,这时应该能看到波形,通常是一个50Hz的信号。如果这时没有
波形,可以检查是否是探头中间的信号线是否已经损坏。然后,将示波器探头的
地线夹子夹到探头的探针(或者是钩子)上,再去用手触摸探头的探针,这时应
该看不到刚刚的信号(或者幅度很微弱),这就说明探头的地线是好的,否则地线
已经损坏。通常是连接夹子那条线断路,通常重新焊上即可,必要时可更换,注意
连接夹子的地线不要太长,否则容易引入干扰,尤其是在高频小信号环境下。
示波器探头的地线夹子应该要靠近测量点,尤其是测量频率较高、幅度较小的信号时。
因为长长的地线,会形成一个环,它就像一个线圈,会感应到空间的电磁场。另外
系统中的地线中电流较大时,也会在地线上产生压降,所以示波器探头的地线应该
连接到靠近被测试点附近的地上。
                                               模拟示波器的使用说明书