示波器

示波器

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象,便於人們研究各種電現象的變化過程。示波器利用狹窄的、由高速電子組成的電子束,打在塗有螢光物質的屏面上,就可產生細小的光點。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、調幅度等等以圖像形式在陰極射線管螢光屏上顯示兩個或兩個以上參數間的函式關係的電子測量儀器。示波器根據對不同時域測量的要求有通用示波器、存儲示波器和取樣示波器三類。

基本信息

簡介

示波器示波器

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象,便於人們研究各種電現象的變化過程。示波器利用狹窄的、由高速電子組成的電子束,打在塗有螢光物質的屏面上,就可產生細小的光點。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幅度等等以圖像形式在陰極射線管螢光屏上顯示兩個或兩個以上參數間的函式關係的電子測量儀器。示波器根據對不同時域測量的要求有通用示波器、存儲示波器和取樣示波器三類。

基本特點

定義

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換成圖像,顯示在螢光屏上以便測量的電子測量儀器。它是觀察數字電路實驗現象、分析實驗中的問題、測量實驗結果必不可少的重要儀器。示波器由示波管和電源系統、同步系統、X軸偏轉系統、Y軸偏轉系統、延遲掃描系統、標準信號源組成。

作用

用來測量交流電或脈衝電流波的形狀的儀器,由電子管放大器、掃描振盪器、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。凡可以變為電效應的周期性物理過程都可以用示波器進行觀測

分類及工作原理

示波器分為數字示波器和模擬示波器
模擬示波器採用的是模擬電路(示波管,其基礎是電子槍)電子槍向螢幕發射電子,發射的電子經聚焦形成電子束,並打到螢幕上。螢幕的內表面塗有螢光物質,這樣電子束打中的點就會發出光來。
數字示波器則是數據採集,A/D轉換,軟體編程等一系列的技術製造出來的高性能示波器。數字示波器一般支持多級選單,能提供給用戶多種選擇,多種分析功能。還有一些示波器可以提供存儲,實現對波形的保存和處理。
示波器工作原理是
利用顯示在示波器上的波形幅度的相對大小來反映加在示波器Y偏轉極板上的電壓最大值的相對大小,從而反映出電磁感應中所產生的交變電動勢的最大值的大小。因此藉助示波器可以研究感應電動勢與其產生條件的關係。

SDS1000DL示波器SDS1000DL示波器

發展簡況

陰極射線管將電信號變成螢光屏上可見的圖像,是電子技術中一項極其重要的發明。

1879年,W.克魯克斯利用磁場能使真空管中陰極射線偏轉,以及螢光材料在電子束轟擊下能發出螢光和光的原理製成了陰極射線管。

1897年,K.F.布勞恩改進了克魯克斯管,使電子束電流可控以改變光點的亮度,從而製成了實用的陰極射線管,如示波管、電視顯像管等。示波器在電子測量儀器發展史中是影響最大、用途最廣、生產品種最多的儀器,配上適當的非電量換能器後能測量和顯示幾乎一切物理量和動態過程。在電子測量儀器中,示波器是一種電信號的時域測量和分析儀器;它顯示信號隨時間變化的波形,是一種非常直觀的波形分析器。第一台電子管示波器於1931年問世,隨著電晶體、集成組件、超小型元件、器件和新型示波管的出現,現代示波器的性能和結構已有顯著的改進。

儀器特點

顯著優點
①非常直觀,能將波形直接顯示在螢光屏上,還可用照相方法取得永久性記錄;

②量程大,可測量從高靈敏示波器的數微伏至高壓示波器的數萬伏的信號;

③輸入阻抗高,對被測系統影響極小;

④反應迅速,電子束惰性極小,能顯示納秒級的快速過程;

⑤多信道,能在同一螢光屏上同時顯示幾個過程,便於觀察、比較、測量和分析;

⑥耐過載能力強,能在惡劣環境下工作。
性能指標
示波器的主要性能指標是頻率範圍、靈敏度、信道數和存儲功能。

①頻率範圍:指-3分貝時的上限、下限頻率。一般示波器下限頻率可達直流或很低頻率,上限頻率具有重要意義,它決定可顯示的最快速過程。

②靈敏度:指偏轉一格刻度(8~10毫米)所需的輸入電壓,目前常用示波器靈敏度可達每格1~10毫伏。

③信道數目:指同時在螢光屏顯示的輸入信道的數目,最常見的為1~4個信道。

④存儲功能:所有示波器都可用來觀察重複性(即周期性)波形,但是,如果周期很長或是單次快速過程,普通示波器在顯示時會出現閃爍、過暗或捕捉不住等現象,存儲示波器具有存儲功能,能觀察上述特殊波形。

儀器分類

通用示波器
示波器示波器

通用示波器通常採用80毫米×100毫米矩形螢光屏帶內刻度和後加速電極的示波管。時基發生器產生一電壓隨時間作線性變化的鋸齒波,其重複頻率在很大範圍內可變,起始掃描時間受來自觸發電路的觸發脈衝控制。圖中為雙通道雙蹤示波器,利用電子開關將A、B通道的圖像分別顯示在螢光屏上。電子開關有兩種工作模式:交替模式和斷續模式。在交替工作模式時,電子開關受時基產生器控制,每次掃描開始時,電子開關立即轉換,這種方式適合於觀察變化較快的信號。在斷續工作模式時,電子開關受方波振盪器(頻率50千赫~1兆赫)控制,輪流接通 A和B通道,適用於觀察慢變化信號。觸發電路和時基發生器的動作都比觸發信號有一定滯後。為了顯示信號的前沿,在信號迴路中加入一段延遲迴路。早期示波器的時基發生器與圖中的不同,沒有觸發迴路,由輸入信號直接與鋸齒波發生器同步,時基發生器沒有精確時間刻度。後來加入觸發電路,使波形穩定,且掃描速度不受輸入信號影響。這種示波器對觀察脈衝信號特別方便,稱為同步示波器。隨著示波器的發展,頻率上限不斷提高。上限頻率主要受放大器和示波管上限頻率的限制,現代示波器已達到300~400兆赫,最高水平已達到1000兆赫。輸入阻抗通常為1兆歐的電阻與30~50皮法的等效電容並聯。高輸入阻抗特別是低容抗有時對電路影響很大,且容易拾取干擾信號。用衰減器探頭可提高輸入容抗。探頭用RC並聯電路與示波器輸入端串接。一般採用1/10的探頭,輸入阻抗約為10兆歐與10皮法並聯,能防止干擾串入。現代示波器因有兩路時基發生器,可交替掃描、交替觸發,並有校正用方波發生器、聚焦調節和像差調節等電路,能對波形進行精密測量。
存儲示波器

示波器示波器

用通用示波器觀察重複頻率為幾赫的波形時,螢光屏會嚴重地閃爍。補救的辦法是採用長餘輝示波管(餘輝時間可長達1~3秒),這種辦法雖很簡單,但餘輝時間不能隨意調節,不適於觀察高重複頻率信號,而且普通示波器還不能觀察單次過程。存儲示波器又稱記憶示波器,能將波形記憶下來,顯示在螢光屏上。存儲示波器採用特殊的陰極射線管,有柵網型和雙穩態型螢光膜兩類。存儲示波管和普通示波管不同,它有寫入電子槍和讀出電子槍(見示波器)。柵網型示波管的優點是輝度連續可調,存儲時間可從1小時到7天,可多次寫入、一次讀出。雙穩態型存儲示波管結構簡單,存儲時間可達1小時,價格低廉,缺點是雙穩態缺乏中間色調,不能快速寫入,螢光膜易燒毀。存儲示波管比普通示波管昂貴、壽命短,將會被數字型存儲示波器所取代。數字型存儲示波器是集數字記錄裝置和普通示波器於一體,將集成組件的記憶存儲器內容由示波器顯示,其優點是可進行數據處理,示波管壽命長,不易燒毀。
取樣示波器
用抽樣法將頻率壓縮,將快速重複的現象變成低速重複的現象,用普通示波器顯示波形。取樣示波器適用於觀察周期性現象,其上限頻率已達18吉赫。取樣示波器的關鍵部分是用高速開關元件(如隧道二極體)組成的取樣頭。使用時輸入信號電壓應比普通示波器的電壓低,以避免損壞取樣頭,同時須解決測量時的阻抗匹配問題,以減小波形失真。

工作原理

示波器示波器

工作原理

(一)示波器的組成普通示波器有五個基本組成部分:顯示電路、垂直(Y軸)放大電路、水平(X軸)放大電路、掃描與同步電路、電源供給電路。普通示波器的原理功能方框圖如圖5-1所示。

1.顯示電路
顯示電路包括示波管及其控制電路兩個部分。示波管是一種特殊的電子管,是示波器一個重要組成部分。示波管的基本原理圖如圖所示。由圖可見,示波管由電子槍、偏轉系統和螢光屏3個部分組成。

(1)電子槍
電子槍用於產生並形成高速、聚束的電子流,去轟擊螢光屏使之發光。它主要由燈絲F、陰極K、控制極G、第一陽極A1、第二陽極A2組成。除燈絲外,其餘電極的結構都為金屬圓筒,且它們的軸心都保持在同一軸線上。陰極被加熱後,可沿軸向發射電子;控制極相對陰極來說是負電位,改變電位可以改變通過控制極小孔的電子數目,也就是控制螢光屏上光點的亮度。為了提高屏上光點亮度,又不降低對電子束偏轉的靈敏度,現代示波管中,在偏轉系統和螢光屏之間還加上一個後加速電極A3。
第一陽極對陰極而言加有約幾百伏的正電壓。在第二陽極上加有一個比第一陽極更高的正電壓。穿過控制極小孔的電子束,在第一陽極和第二陽極高電位的作用下,得到加速,向螢光屏方向作高速運動。由於電荷的同性相斥,電子束會逐漸散開。通過第一陽極、第二陽極之間電場的聚焦作用,使電子重新聚集起來並交匯於一點。適當控制第一陽極和第二陽極之間電位差的大小,便能使焦點剛好落在螢光屏上,顯現一個光亮細小的圓點。改變第一陽極和第二陽極之間的電位差,可起調節光點聚焦的作用,這就是示波器的“聚焦”和“輔助聚焦”調節的原理。第三陽極是示波管錐體內部塗上一層石墨形成的,通常加有很高的電壓,它有三個作用:①使穿過偏轉系統以後的電子進一步加速,使電子有足夠的能量去轟擊螢光屏,以獲得足夠的亮度;②石墨層塗在整個錐體上,能起到禁止作用;③電子束轟擊螢光屏會產生二次電子,處於高電位的A3可吸收這些電子。

(2)偏轉系統
示波管的偏轉系統大都是靜電偏轉式,它由兩對相互垂直的平行金屬板組成,分別稱為水平偏轉板和垂直偏轉板。分別控制電子束在水平方向和垂直方向的運動。當電子在偏轉板之間運動時,如果偏轉板上沒有加電壓,偏轉板之間無電場,離開第二陽極後進入偏轉系統的電子將沿軸向運動,射向螢幕的中心。如果偏轉板上有電壓,偏轉板之間則有電場,進入偏轉系統的電子會在偏轉電場的作用射向螢光屏的指定位置。

如圖5-3所示。如果兩塊偏轉板互相平行,並且它們的電位差等於零,那么通過偏轉板空間的,具有速度υ的電子束就會沿著原方向(設為軸線方向)運動,並打在螢光屏的坐標原點上。如果兩塊偏轉板之間存在著恆定的電位差,則偏轉板間就形成一個電場,這個電場與電子的運動方向相垂直,於是電子就朝著電位比較高的偏轉板偏轉。這樣,在兩偏轉板之間的空間,電子就沿著拋物線在這一點上做切線運動。最後,電子降落在螢光屏上的A點,這個A點距離螢光屏原點(0)有一段距離,這段距離稱為偏轉量,用y表示。偏轉量y與偏轉板上所加的電壓Vy成正比。同理,在水平偏轉板上加有直流電壓時,也發生類似情況,只是光點在水平方向上偏轉。
(3)螢光屏
螢光屏位於示波管的終端,它的作用是將偏轉後的電子束顯示出來,以便觀察。在示波器的螢光屏內壁塗有一層發光物質,因而,螢光屏上受到高速電子衝擊的地點就顯現出螢光。此時光點的亮度決定於電子束的數目、密度及其速度。改變控制極的電壓時,電子束中電子的數目將隨之改變,光點亮度也就改變。在使用示波器時,不宜讓很亮的光點固定出現在示波管螢光屏一個位置上,否則該點螢光物質將因長期受電子衝擊而燒壞,從而失去發光能力。

塗有不同螢光物質的螢光屏,在受電子衝擊時將顯示出不同的顏色和不同的餘輝時間,通常供觀察一般信號波形用的是發綠光的,屬中餘輝示波管,供觀察非周期性及低頻信號用的是發橙黃色光的,屬長餘輝示波管;供照相用的示波器中,一般都採用發藍色的短餘輝示波管
2.垂直(Y軸)放大電路
由於示波管的偏轉靈敏度甚低,例如常用的示波管13SJ38J型,其垂直偏轉靈敏度為0.86mm/V(約12V電壓產生1cm的偏轉量),所以一般的被測信號電壓都要先經過垂直放大電路的放大,再加到示波管的垂直偏轉板上,以得到垂直方向的適當大小的圖形。
3.水平(X軸)放大電路
由於示波管水平方向的偏轉靈敏度也很低,所以接入示波管水平偏轉板的電壓(鋸齒波電壓或其它電壓)也要先經過水平放大電路的放大以後,再加到示波管的水平偏轉板上,以得到水平方向適當大小的圖形。
4.掃描與同步電路
掃描電路產生一個鋸齒波電壓。該鋸齒波電壓的頻率能在一定的範圍內連續可調。鋸齒波電壓的作用是使示波管陰極發出的電子束在螢光屏上形成周期性的、與時間成正比的水平位移,即形成時間基線。這樣,才能把加在垂直方向的被測信號按時間的變化波形展現在螢光屏上。
5.電源供給電路
電源供給電路供給垂直水平放大電路、掃描與同步電路以及示波管與控制電路所需的負高壓燈絲電壓等。
示波器的原理功能方框圖可見,被測信號電壓加到示波器的Y軸輸入端,經垂直放大電路加於示波管的垂直偏轉板。示波管的水平偏轉電壓,雖然多數情況都採用鋸齒電壓(用於觀察波形時),但有時也採用其它的外加電壓(用於測量頻率、相位差等時),因此在水平放大電路輸入端有一個水平信號選擇開關,以便按照需要選用示波器內部的鋸齒波電壓,或選用外加在X軸輸入端上的其它電壓來作為水平偏轉電壓。
此外,為了使螢光屏上顯示的圖形保持穩定,要求鋸齒波電壓信號的頻率和被測信號的頻率保持同步。這樣,不僅要求鋸齒波電壓的頻率能連續調節,而且在產生鋸齒波的電路上還要輸入一個同步信號。這樣,對於只能產生連續掃描(即產生周而復始、連續不斷的鋸齒波)一種狀態的簡易示波器(如國產SB10型等示波器)而言,需要在其掃描電路上輸入一個與被觀察信號頻率相關的同步信號,以牽制鋸齒波的振盪頻率。對於具有等待掃描功能(即平時不產生鋸齒波,當被測信號來到時才產生一個鋸齒波,進行一次掃描)功能的示波器(如國產ST-16型示波器、SR-8型雙蹤示波器等而言,需要在其掃描電路上輸入一個與被測信號相關的觸發信號,使掃描過程與被測信號密切配合。為了適應各種需要,同步(或觸發)信號可通過同步或觸發信號選擇開關來選擇,通常來源有3個:①從垂直放大電路引來被測信號作為同步(或觸發)信號,此信號稱為“內同步”(或“內觸發”)信號;②引入某種相關的外加信號為同步(或觸發)信號,此信號稱為“外同步”(或“外觸發”)信號,該信號加在外同步(或外觸發)輸入端;③有些示波器的同步信號選擇開關還有一檔“電源同步”,是由220V,50Hz電源電壓,通過變壓器次級降壓後作為同步信號。
(二)波形顯示的基本原理

示波器示波器

由示波管的原理可知,一個直流電壓加到一對偏轉板上時,將使光點在螢光屏上產生一個固定位移,該位移的大小與所加直流電壓成正比。如果分別將兩個直流電壓同時加到垂直水平兩對偏轉板上,則螢光屏上的光點位置就由兩個方向的位移所共同決定。
若被測信號電壓的頻率等於鋸齒波電壓頻率整數倍數時,則螢光屏上將顯示出周期為整數的被測信號穩定波形。而當被測信號電壓的頻率與鋸齒波電壓的頻率不成整數倍數時,則螢光屏上不能獲得穩定的波形,如圖5-7所示。在圖5-7中,第一次掃描時,屏上顯示的是0~1這段波形曲線;第二次掃描時,屏上顯示1~2這段波形曲線;第三次掃描時,屏上顯示2~3這段波形曲線;……可見,每次螢光屏上顯示的波形曲線都不同,所以圖形不穩定。

由上述可見,為使螢光屏上的圖形穩定,被測信號電壓的頻率應與鋸齒波電壓的頻率保持整數比的關係,即同步關係。為了實現這一點,就要求鋸齒波電壓的頻率連續可調,以便適應觀察各種不同頻率的周期信號。其次,由於被測信號頻率和鋸齒波振盪信號頻率的相對不穩定性,即使把鋸齒波電壓的頻率臨時調到與被測信號頻率成整倍數關係,也不能使圖形一直保持穩定。因此,示波器中都設有同步裝置。也就是在鋸齒波電路的某部分加上一個同步信號來促使掃描的同步,對於只能產生連續掃描(即產生周而復始連續不斷的鋸齒波)一種狀態的簡易示波器(如國產SB-10型示波器等)而言,需要在其掃描電路上輸入一個與被觀察信號頻率相關的同步信號,當所加同步信號的頻率接近鋸齒波頻率的自主振盪頻率(或接近其整數倍)時,就可以把鋸齒波頻率“拖入同步”或“鎖住”。對於具有等待掃描(即平時不產生鋸齒波,當被測信號來到時才產生一個鋸齒波進行一次掃描)功能的示波器(如國產ST-16型示波器、SBT-5型同步示波器、SR-8型雙蹤示波器等等)而言,需要在其掃描電路上輸入一個與被測信號相關的觸發信號,使掃描過程與被測信號密切配合。這樣,只要按照需要來選擇適當的同步信號或觸發信號,便可使任何欲研究的過程與鋸齒波掃描頻率保持同步。

顯示原理

示波器示波器

在電子實踐技術過程中,常常需要同時觀察兩種(或兩種以上)信號隨時間變化的過程。並對這些不同信號進行電參量的測試和比較。為了達到這個目的,人們在套用普通示波器原理的基礎上,採用了以下兩種同時顯示多個波形的方法:一種是雙線(或多線)示波法;另一種是雙蹤(或多蹤)示波法。套用這兩種方法製造出來的示波器分別稱為雙線(或多線)示波器和雙蹤(或多蹤)示波器。
1.雙線(或多線)示波
雙線(或多線)示波器是採用雙槍(或多槍)示波管來實現的。下面以雙槍示波管為例加以簡單說明。雙槍示波管有兩個互相獨立的電子槍產生兩束電子。另有兩組互相獨立的偏轉系統,它們各自控制一束電子作上下左右的運動。螢光屏是共用的,因而屏上可以同時顯示出兩種不同的電信號波形,雙線示波也可以採用單槍雙線示波管來實現。這種示波管只有一個電子槍,在工作時是依靠特殊的電極把電子分成兩束。然後,由管內的兩組互相獨立的偏轉系統,分別控制兩束電子上下、左右運動。螢光屏是共用的,能同時顯示出兩種不同的電信號波形。由於雙線示波管的製造工藝要求高,成本也高,所以套用並不十分普遍。
2.雙蹤(或多蹤)示波
雙蹤(或多蹤)示波是在單線示波器的基礎上,增設一個專用電子開關,用它來實現兩種(或多種)波形的分別顯示。由於實現雙蹤(或多蹤)示波比實現雙線(或多線)示波來得簡單,不需要使用結構複雜、價格昂貴的“雙腔”或“多腔”示波管,所以雙蹤(或多蹤)示波獲得了普遍的套用。
(1)雙蹤示波的顯示原理
電子開關K的作用是使加在示波管垂直偏轉板上的兩種信號電壓作周期性轉換。例如,在0~1這段時間裡,電子開關K與信號通道A接通,這時在螢光屏上顯示出信號UA的一段波形;在1~2這段時間裡,電子開關K與信號通道B接通,這時在螢光屏上顯現出信號UB的一段波形;在2~3這段時間裡,螢光屏上再一次顯示出信號UA的一段波形;在3~4這段時間裡,螢光屏上將再一次顯示出UB的一段波形……。這樣,兩個信號在螢光屏上雖然是交替顯示的,但由於人眼的視覺暫留現象和螢光屏的餘輝(高速電子在停止衝擊螢光屏後,螢光屏上受衝擊處仍保留一段發光時間)現象,就可在螢光屏上同時看到兩個被測信號波形。

為了保持螢光屏顯示出來的兩種信號波形穩定,則要求被測信號頻率、掃描信號頻率與電子開關的轉換頻率三者之間必須滿足一定的關係。
首先,兩個被測信號頻率與掃描信號頻率之間應該是成整數比的關係,也就是要求“同步”。這一點與單線示波器的原理是相同的,只是現在的被測信號是兩個,而掃描電壓是一個。在實際套用中,需要觀察和比較的兩個信號常常是互相有內在聯繫的,所以上述的同步要求一般是容易滿足的。
為了使螢光屏上顯示的兩個被測信號波形都穩定,除滿足上述要求外,還必須合理地選擇電子開關的轉換頻率,使得在示波器上所顯示的波形個數合適,以便於觀察。下面談談電子開關的工作方式問題,這個問題與電子開關的轉換頻率有關。
電子開關的工作方式有“交替”轉換和“斷續”轉換兩種。
電子開關“交替”轉換工作方式的波形示意圖。在0~1時間內,電子開關與通道A接通,加在X軸上的掃描信號開始進行第一個正程掃描,此時螢光屏上將顯現出信號UA的波形;在完成UA波形顯示後,掃描電壓迅速回掃;在1~2時間內,電子開關K與通道B接通,X軸上的掃描信號開始進行第二個正程掃描,螢光屏上將顯示出信號UB的波形;在2~3時間內,螢光屏上再一次顯示出信號UA的波形;在3~4時間內,螢光屏上再一次顯示出信號UB的波形……。由此可見,被測信號UA、UB的波形是依次、交替地出現在螢光屏上的,螢光屏上顯示的波形。顯然,此時電子開關的轉換與X軸的掃描始終保持著一致的步調,即電子開關的轉換頻率等於X軸掃描信號的頻率

採用交替轉換工作方式的顯示的波形與雙線示波法所顯示的波形非常相似,它們都沒有間斷點。但由於被測信號UA、UB的波形是依次交替地出現在螢光屏上的,所以,如果交替的間隙時間超過了人眼的視覺暫留時間和螢光屏的餘輝時間,則人們所看到的螢光屏上的波形就會有閃爍現象。為了避免這種情況的出現,就要求電子開關有足夠高的轉換頻率。這就是說當被測信號的頻率較低時,不宜採用交替轉換工作方式,而應採用斷續轉換工作方式。
當電子開關用斷續轉換工作方式時,在X軸掃描的每一個過程中,電子開關都以足夠高的轉換頻率,分別對所顯示的每個被測信號進行多次取樣。這樣,即使被測信號頻率較低,也可避免出現波形的閃爍現象。同時,由於在一次掃描的過程中,光點在兩個圖形上交換的次數極多,所以圖形上的細小斷裂痕跡不顯著,並不妨礙對波形細節的觀察。圖5-10是電於開關採用斷續轉換方式時的波形示意圖。實際上,由於開關的轉換頻率選得遠大於X軸掃描頻率,所以螢光屏上顯示的圖形不會是圖5-10所示的斷續圖形,而是連續的圖形。圖中垂直方向的細虛線表示了電子開關的轉換過程。因在轉換過程中示波器電路的設定使電子束截止,所以圖中所示的垂直細虛線實際上也是不可見的。


在了解上述用電子開關來實現雙蹤示波的原理後,就不難聯想到用環形計數器來實現多蹤示波的原理。由於兩者的顯示原理相似,這裡就不再贅述。
(2)雙蹤示波器的基本組成
雙蹤示波器主要是由兩個通道的Y軸前置放大電路、門控電路、電子開關、混合電路、延遲電路、Y軸後置放大電路、觸發電路、掃描電路、X軸放大電路、Z軸放電路、校準信號電路、示波管和高低壓電源供給電路等組成。
觀察信號波形時,被測信號uA,uB通過YA,YB兩個輸入端輸入示波器,先分別送到Y軸前置放大電路YA和YB進行放大。因通道YA和通道YB都受電子開關的控制,所以uA,uB兩信號輪換著輸送到後面的混合電路,加到示波管的垂直偏轉板上。
為了適應各種不同的測試需要,電子開關可有五種不同的工作狀態,即交替、YA、YB、YA+YB、斷續等。這5種工作狀態由顯示方式開關來控制。
當顯示方式開關置於交替位置時,電子開關為一雙穩態電路。它受由掃描電路來的閘門信號控制,使得Y軸兩個前置通道隨著掃描電路門信號的變化而交替地工作。每秒鐘交替轉換次數與由掃描電路產生的掃描信號的重複頻率有關。交替工作狀態適用於觀察頻率不太低的被測信號。
當顯示方式開關置於YA或YB位置時,電子開關為一單穩態電路。前置放大電路YA或YB可單獨工作,此時,雙蹤示波器可作為普通單線示波器使用。
當顯示方式開關置於YA+YB位置時,電子開關處於不工作狀態。此時,YA、YB兩通道同時工作,因而可得到兩信號相加或兩信號相減的顯示。然而,兩信號究竟是相加還是相減,這要通過YA通道的極性作用開關來選擇。這個開關有兩個位置,在第一個位置時,螢光屏上的圖形為兩信號之和;在第二個位置(-YA)時,螢光屏上的圖形為兩信號之差。
為了觀察被測信號隨時間變化的波形,示波管的水平偏轉板上必須加以線性掃描電壓(鋸齒波電壓)。這個掃描電壓是由掃描電路產生的。當觸發信號加到觸發電路時,觸發了掃描電路,掃描電路就產生相應的掃描信號;當不加觸發信號時,掃描電路就不產生掃描信號。
觸發有內觸發、外觸發兩種,由觸發選擇開關來選擇。當該開關置於內的位置時,觸發信號來自經Y軸通道送入的被測信號。當該開關置於外的位置時,觸發信號是由外部送入的。這個信號應與被測信號的頻率成整數比的關係。示波器在使用中,多數採用內觸發工作方式。
所謂內觸發也分為兩種情況,並由內觸發選擇開關控制。當開關置於常態的位置時,觸發電路的觸發信號來自YA,YB通道。此時,兩個通道即可同時穩定地顯示出各自的被測信號。當用雙蹤顯示來作時間比較分析時,就應該將內觸發選擇開關置於YB的位置。在這個位置時,觸發電路的觸發信號只取自YB通道的輸入信號。此時只有當uA,uB的頻率成整數比時,螢光屏上才能同時穩定地顯示兩個波形。
掃描電路產生的掃描信號(鋸齒波信號),通過X軸選擇開關接到X軸放大電路,經放大後送到示波管的X軸偏轉板。這就是通常在觀察信號隨時間變化的波形時,開關選掃描檔的情況。除上述情況外,用示波器進行其它測試(比如觀察李沙育圖形)時,開關置X外接檔,此時可將X軸輸入端輸入的信號,加到X軸放大電路進行放大,隨後再送至X軸偏轉板。
Z軸放大電路對螢光屏上光點輝度起著調節的作用,抹去不必要顯示的光點軌跡。當掃描電路閘門信號來到Z軸放大電路,Z軸放大電路便輸出正向的增輝脈衝信號,加至示波管的控制極。這就是說,在掃描信號的過程中,螢光屏上的光點得以增輝;在電子開關的轉換過程中,電子開關電路將輸出脈衝信號也加至Z軸放大電路,此時Z軸放大電路便輸出負向脈衝信號,加至示波管的控制極。這樣,在電子開關的轉換過程中,就消去了兩個通道交替工作時的過渡光點,以提高顯示波形的清晰度。
校正信號電路產生一個一定頻率、一定幅度的矩形信號(如國產SR-8型兩蹤示波器的校正信號是頻率為lkHz、幅度為1V)。它是作校正Y軸放大電路的靈敏度和X軸的掃描速度之用的。
高、低壓電源供給電路中的低壓是供給示波器各級所需的低壓電源的,高壓是供給示波管顯示系統電源的。

使用方法

示波器雖然分成好幾類,各類又有許多種型號,但是一般的示波器除頻頻寬度、輸入靈敏度等不完全相同外,在使用方法的基本方面都是相同的。以SR-8型雙蹤示波器為例介紹。
(一)面板裝置

SR-8型雙蹤示波器的面板圖如圖5-12所示。其面板裝置按其位置和功能通常可劃分為3大部分:顯示、垂直(Y軸)、水平(X軸)。現分別介紹這3個部分控制裝置的作用。
1.顯示部分 主要控制件為:
(1)電源開關。
(2)電源指示燈。
(3)輝度 調整光點亮度。
(4)聚焦 調整光點或波形清晰度
(5)輔助聚焦 配合“聚焦”鏇鈕調節清晰度。
(6)標尺亮度 調節坐標片上刻度線亮度。
(7)尋跡 當按鍵向下按時,使偏離螢光屏的光點回到顯示區域,而尋到光點位置。
(8)標準信號輸出 1kHz、1V方波校準信號由此引出。加到Y軸輸入端,用以校準Y軸輸入靈敏度和X軸掃描速度。
2.Y軸外掛程式部分
(1)顯示方式選擇開關 用以轉換兩個Y軸前置放大器YA與YB 工作狀態的控制件,具有五種不同作用的顯示方式:
“交替”: 當顯示方式開關置於“交替”時,電子開關受掃描信號控制轉換,

每次掃描都輪流接通YA或YB 信號。當被測信號的頻率越高,掃描信號頻率也越高。電
子開關轉換速率也越快,不會有閃爍現象。這種工作狀態適用於觀察兩個工作頻率較高的信號。
“斷續”:當顯示方式開關置於“斷續”時,電子開關不受掃描信號控制,產生頻率固定為200kHz方波信號,使電子開關快速交替接通YA和YB。由於開關動作頻率高於被測信號頻率,因此螢幕上顯示的兩個通道信號波形是斷續的。當被測信號頻率較高時,斷續現象十分明顯,甚至無法觀測;當被測信號頻率較低時,斷續現象被掩蓋。因此,這種工作狀態適合於觀察兩個工作頻率較低的信號。
“YA”、“YB ”:顯示方式開關置於“YA ”或者“YB ”時,表示示波器處於單通道工作,此時示波器的工作方式相當於單蹤示波器,即只能單獨顯示“YA”或“YB ”通道的信號波形。
“YA + YB”:顯示方式開關置於“YA + YB ”時,電子開關不工作,YA與YB 兩路信號均通過放大器和門電路,示波器將顯示出兩路信號疊加的波形。
(2)“DC-⊥-AC” Y軸輸入選擇開關,用以選擇被測信號接至輸入端的耦合方式。置於“DC”是直接耦合,能輸入含有直流分量的交流信號;置於“AC”位置,實現交流耦合,只能輸入交流分量;置於“⊥”位置時,Y軸輸入端接地,這時顯示的時基線一般用來作為測試直流電壓零電平的參考基準線。
(3)“微調V/div” 靈敏度選擇開關及微調裝置。靈敏度選擇開關係套軸結構,黑色鏇鈕是Y軸靈敏度粗調裝置,自10mv/div~20v/div分11檔。紅色鏇鈕為細調裝置,順時針方向增加到滿度時為校準位置,可按粗調鏇鈕所指示的數值,讀取被測信號的幅度。當此鏇鈕反時針轉到滿度時,其變化範圍應於2.5倍,連續調節“微調”電位器,可實現各檔級之間的靈敏度覆蓋,在作定量測量時,此鏇鈕應置於順時針滿度的“校準”位置。
(4)“平衡” 當Y軸放大器輸入電路出現不平衡時,顯示的光點或波形就會隨“V/div”開關的“微調”鏇轉而出現Y軸方向的位移,調節“平衡”電位器能將這種位移減至最小。
(5)“↑↓ ” Y軸位移電位器,用以調節波形的垂直位置。
(6)“極性、拉YA ” YA 通道的極性轉換按拉式開關。拉出時YA 通道信號倒相顯示,即顯示方式(YA+ YB )時,顯示圖像為YB - YA 。
(7)“內觸發、拉YB ” 觸發源選擇開關。在按的位置上(常態) 掃描觸發信號分別取自YA 及YB 通道的輸入信號,適應於單蹤或雙蹤顯示,但不能夠對雙蹤波形作時間比較。當把開關拉出時,掃描的觸發信號只取自於YB 通道的輸入信號,因而它適合於雙蹤顯示時對比兩個波形的時間和相位差。
(8)Y軸輸入插座 採用BNC型插座,被測信號由此直接或經探頭輸入。
3.X軸外掛程式部分
(1)“t/div” 掃描速度選擇開關及微調鏇鈕。X軸的光點移動速度由其決定,從0.2μs~1s共分21檔級。當該開關“微調”電位器順時針方向鏇轉到底並接上開關後,即為“校準”位置,此時“t/div”的指示值,即為掃描速度的實際值。
(2)“擴展、拉×10” 掃描速度擴展裝置。是按拉式開關,在按的狀態作正常使用,拉的位置掃描速度增加10倍。“t/div”的指示值,也應相應計取。採用“擴展 拉×10”適於觀察波形細節。
(3)“→← ” X軸位置調節鏇鈕。系X軸光跡的水平位置調節電位器,是套軸結構。外圈鏇鈕為粗調裝置,順時針方向鏇轉基線右移,反時針方向鏇轉則基線移。置於套軸上的小鏇鈕為細調裝置,適用於經擴展後信號的調節。
(4)“外觸發、X外接”插座 採用BNC型插座。在使用外觸發時,作為連線外觸發信號的插座。也可以作為X軸放大器外接時信號輸入插座。其輸入阻抗約為1MΩ。外接使用時,輸入信號的峰值應小於12V。
(5)“觸發電平”鏇鈕 觸發電平調節電位器鏇鈕。用於選擇輸入信號波形的觸發點。具體地說,就是調節開始掃描的時間,決定掃描在觸發信號波形的哪一點上被觸發。順時針方向鏇動時,觸發點趨向信號波形的正向部分,逆時針方向鏇動時,觸發點趨向信號波形的負向部分。
(6)“穩定性” 觸發穩定性微調鏇鈕。用以改變掃描電路的工作狀態,一般應處於待觸髮狀態。調整方法是將Y軸輸入耦合方式選擇(AC-地-DC)開關置於地檔,將V/div開關置於最高靈敏度的檔級,在電平鏇鈕調離自激狀態的情況下,用小螺絲刀將穩定度電位器順時針方向鏇到底,則掃描電路產生自激掃描,此時螢幕上出現掃描線;然後逆時針方向慢慢鏇動,使掃描線剛消失。此時掃描電路即處於待觸髮狀態。在這種狀態下,用示波器進行測量時,只要調節電平鏇鈕,即能在螢幕上獲得穩定的波形,並能隨意調節選擇螢幕上波形的起始點位置。少數示波器,當穩定度電位器逆時針方向鏇到底時,螢幕上出現掃描線;然後順時針方向慢慢鏇動,使螢幕上掃描線剛消失,此時掃描電路即處於待觸髮狀態。
(7)“內、外” 觸發源選擇開關。置於“內”位置時,掃描觸發信號取自Y軸通道的被測信號;置於“外”位置時,觸發信號取自“外觸發X 外接”輸入端引入的外觸發信號。
(8)“AC”“AC(H)”“DC” 觸發耦合方式開關。 “DC”檔,是直流藕合狀態,適合於變化緩慢或頻率甚低(如低於100Hz)的觸發信號。“AC”檔,是交流藕合狀態,由於隔斷了觸發中的直流分量,因此觸發性能不受直流分量影響。“AC(H)”檔,是低頻抑制的交流耦合狀態,在觀察包含低頻分量的高頻複合波時,觸發信號通過高通濾波器進行耦合,抑制了低頻噪聲和低頻觸發信號(2MHz以下的低頻分量),免除因誤觸發而造成的波形幌動。
(9)“高頻、常態、自動” 觸發方式開關。用以選擇不同的觸發方式,以適應不同的被測信號與測試目的。“高頻”檔,頻率甚高時(如高於5MHz),且無足夠的幅度使觸發穩定時,選該檔。此時掃描處於頻觸髮狀態,由示波器自身產生的高頻信號(200kHz信號),對被測信號進行同步。不必經常調整電平鏇鈕,螢幕上即能顯示穩定的波形,操作方便,有利於觀察高頻信號波形。“常態”檔,採用來自Y軸或外接觸發源的輸入信號進行觸發掃描,是常用的觸發掃描方式。“自動”擋,掃描處於自動狀態(與高頻觸發方式相仿),但不必調整電平鏇鈕,也能觀察到穩定的波形,操作方便,有利於觀察較低頻率的信號。
(10)“+、-” 觸發極性開關。在“+”位置時選用觸發信號的上升部分,在“-”位置時選用觸發信號的下降部分對掃描電路進行觸發。
(二)使用前的檢查、調整和校準
示波器初次使用前或久藏復用時,有必要進行一次能否工作的簡單檢查和進行掃描電路穩定度、垂直放大電路直流平衡的調整。示波器在進行電壓和時間的定量測試時,還必須進行垂直放大電路增益和水平掃描速度的校準。示波器能否正常工作的檢查方法、垂直放大電路增益和水平掃描速度的校準方法,由於各種型號示波器的校準信號的幅度、頻率等參數不一樣,因而檢查、校準方法略有差異。
(三)使用步驟
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,在這個基礎上示波器可以套用於測量電壓、時間、頻率、相位差和調幅度等電參數。下面介紹用示波器觀察電信號波形的使用步驟。
1.選擇Y軸耦合方式
根據被測信號頻率的高低,將Y軸輸入耦合方式選擇“AC-地-DC”開關置於AC或DC。
2.選擇Y軸靈敏度
根據被測信號的大約峰-峰值(如果採用衰減探頭,應除以衰減倍數;在耦合方式取DC檔時,還要考慮疊加的直流電壓值),將Y軸靈敏度選擇V/div開關(或Y軸衰減開關)置於適當檔級。實際使用中如不需讀測電壓值,則可適當調節Y軸靈敏度微調(或Y軸增益)鏇鈕,使螢幕上顯現所需要高度的波形。
示波器示波器

3.選擇觸發(或同步)信號來源與極性
通常將觸發(或同步)信號極性開關置於“+”或“-”檔。
4.選擇掃描速度
根據被測信號周期(或頻率)的大約值,將X軸掃描速度t/div(或掃描範圍)開關置於適當檔級。實際使用中如不需讀測時間值,則可適當調節掃速t/div微調(或掃描微調)鏇鈕,使螢幕上顯示測試所需周期數的波形。如果需要觀察的是信號的邊沿部分,則掃速t/div開關應置於最快掃速檔。
5.輸入被測信號
被測信號由探頭衰減後(或由同軸電纜不衰減直接輸入,但此時的輸入阻抗降低、輸入電容增大),通過Y軸輸入端輸入示波器。

常見現象及原因

一、沒有光點或波形
電源未接通。
輝度鏇鈕未調節好。
X,Y軸移位鏇鈕位置調偏。
Y軸平衡電位器調整不當,造成直流放大電路嚴重失衡。
二、水平方向展不開

示波器示波器

觸發源選擇開關置於外檔,且無外觸發信號輸入,則無鋸齒波產生。
電平鏇鈕調節不當。
穩定度電位器沒有調整在使掃描電路處於待觸發的臨界狀態。
X軸選擇誤置於X外接位置,且外接插座上又無信號輸入。
兩蹤示波器如果只使用A通道(B通道無輸入信號),而內觸發開關置於拉YB位置,則無鋸齒波產生。

三、垂直方向無展示
輸入耦合方式DC-接地-AC開關誤置於接地位置。
輸入端的高、低電位端與被測電路的高、低電位端接反。
輸入信號較小,而V/div誤置於低靈敏度檔。

四、波形不穩定。
穩定度電位器順時針鏇轉過度,致使掃描電路處於自激掃描狀態(未處於待觸發的臨界狀態)。
觸發耦合方式AC、AC(H)、DC開關未能按照不同觸發信號頻率正確選擇相應檔級。
選擇高頻觸髮狀態時,觸發源選擇開關誤置於外檔(應置於內檔。)
部分示波器掃描處於自動檔(連續掃描)時,波形不穩定。

五、垂直線條密集或呈現一矩形

t/div開關選擇不當,致使f掃描<<f信號。

六、水平線條密集或呈一條傾斜水平線
t/div關選擇不當,致使f掃描>>f信號

七、垂直方向的電壓讀數不準
未進行垂直方向的偏轉靈敏度(v/div)校準。
進行v/div校準時,v/div微調鏇鈕未置於校正位置(即順時針方向未鏇足)。
進行測試時,v/div微調鏇鈕調離了校正位置(即調離了順時針方向鏇足的位置)。
使用l0 :1衰減探頭,計算電壓時未乘以10倍。
被測信號頻率超過示波器的最高使用頻率,示波器讀數比實際值偏小。
測得的是峰-峰值,正弦有效值需換算求得。

八、水平方向的讀數不準
未進行水平方向的偏轉靈敏度(t/div)校準。
進行t/div校準時,t/div微調鏇鈕未置於校準位置(即順時針方向未鏇足)。
進行測試時,t/div微調鏇鈕調離了校正位置(即調離了順時針方向鏇足的位置)。
掃速擴展開關置於拉(×10)位置時,測試未按t/div開關指示值提高靈敏度10倍計算。

九、交直流疊加信號的直流電壓值分辨不清
Y軸輸入耦合選擇DC-接地-AC開關誤置於AC檔(應置於DC檔)。
測試前未將DC-接地-AC開關置於接地檔進行直流電平參考點校正。
Y軸平衡電位器未調整好。

十、測不出兩個信號間的相位差(波形顯示法)
雙蹤示波器誤把內觸發(拉YB)開關置於按(常態)位置應把該開關置於拉YB位置。
雙蹤示波器沒有正確選擇顯示方式開關的交替和斷續檔。
單線示波器觸發選擇開關誤置於內檔。
單線示波器觸發選擇開關雖置於外檔,但兩次外觸發未採用同一信號。

十一、調幅波形失常
t/div開關選擇不當,掃描頻率誤按調幅波載波頻率選擇(應按音頻調幅信號頻率選擇)。

十二、波形調不到要求的起始時間和部位
穩定度電位器未調整在待觸發的臨界觸發點上。
觸發極性(+、-)與觸發電平(+、-)配合不當。
觸發方式開關誤置於自動檔(應置於常態檔)。

6.觸發(或同步)掃描
緩緩調節觸發電平(或同步)鏇鈕,螢幕上顯現穩定的波形,根據觀察需要,適當調節電平鏇鈕,以顯示相應起始位置的波形。
如果用雙蹤示波器觀察波形,作單蹤顯示時,顯示方式開關置於YA或YB。被測信號通過YA或YB輸入端輸入示波器。Y軸的觸發源選擇“內觸發一拉YB”開關置於按(常態)位置。若示波器作兩蹤顯示時,顯示方式開關置於交替檔(適用於觀察頻率不太低的信號),或斷續檔(適用於觀察頻率不太高的信號),此時Y軸的觸發源選擇“內觸發-拉YB”開關置“拉YB”檔。
使用不當造成的異常現象
示波器在使用過程中,往往由於操作者對於示波原理不甚理解和對示波器面板控制裝置的作用不熟悉,會出現由於調節不當而造成異常現象。

使用習慣

當一件正確的事情成為我們習慣的時候,對一個人的影響是正面且長期的,意義也很重大。養成使用示波器的習慣對一個工程師的影響也是一生的,而當習慣進一步上升為理念時,就算刻意去擺脫都不是那么容易。
當產品出現問題時,很多人下意識還是會拿萬用表去東量量,西測測。究其原因,萬用表人手一個,使用便捷,所以受到廣大工程師的歡迎。在這裡我想說的是這個習慣不大好,詳細原因且聽我慢慢道來。
萬用表的使用場景主要是用於阻值(電阻值,對地阻抗),通斷(是否滴滴響)等簡單測量,這兩個功能是示波器無能為力的。電壓值也可以用萬用表量。用萬用表測量電壓有效值更準確,但要觀察電壓具體“長什麼樣”還是得用示波器。
有一個經典的比喻,示波器是電子工程師的眼睛。如果不使用示波器,我們在研的產品就相當於一個黑盒子,難以探知其真實面目,畢竟一抹黑的路不好走。下面結合一些經歷來談談為什麼要養成使用示波器的習慣。
1.理論聯繫實際的好幫手
示波器是一名硬體測試工程師必須熟練掌握的工具,但由於工作性質的原因,我們經常做的工作是對照測試用例或者規範進行一些固定項的重複測試,如各類接口,內部匯流排等。久而久之,很多人就不滿足於這種知識面了。不安於現狀的測試工程師們接下來的步驟就是找來一些資料來深入學習自己所面向的產品,了解工作原理,內部構造,各模組電路,信號流向等。這些知識有的清晰,有的模稜兩可,有的甚至搞不懂。
當你遇到這種情況時,示波器可以成為你非常好的幫手,對不懂的地方,可以先查查資料,嘗試弄明白原理,然後用示波器量一下波形,時序等,驗證自己的分析結果。通過示波器可以直觀地看到波形,會使人感到很清晰,印象深刻,理論知識也可以得到更好的理解。
把一個電子產品上的信號都量測之後,加上學習一些文檔,那樣對自己所面對的產品理解就會透徹了。
2.直面bug的本質
當我們在解決bug的時候,有的問題可能根據經驗就解決了,而沒有去徹底把本質搞明白。這樣就會有隱患,而且下次設計電路的時候可能掉進同樣的一個陷阱。
比如I2C上拉電阻配置不正確導致通信出現機率性失敗,信號線上電容過大導致波形失真等,也許我們改改電阻值、電容值就把問題解決了,但是這樣還不夠,如果通過示波器看到波形的本質,然後再去調試。這樣解決的問題,以後就不會再犯了,也會保證避免出現一些當時認為已經解決,但是在批量時依然會機率性的出問題。
一些EMC問題是由內部高頻信號的諧波引起,通過示波器調試,可以在保證信號完整性的基礎上有效降低輻射信號的能量,如串接更合適的匹配電阻,增加對地電容等手段去解決。而保證信號完整性,最直接的手段就是使用示波器測試,以免矯枉過正,出現隱患。
3.有圖有真相
有些bug出現的時候,需要多方來一起解決。這樣的多方郵件溝通就需要圖像作為重要依據了。之前遇到一個bug:Host端向devICe端載入檔案時出現機率性失敗的情況。這裡涉及三方的硬體,軟體,還要涉及Host晶片及Device晶片廠家的台灣原廠。各方經過各自的檢查,加上各自之前出貨的經驗,均認為自己沒有問題。使用示波器反覆量測波形,時序,在開始也沒能定位問題。(http://www.diangon.com/著作權所有)因在啟動時,時鐘信號線上會出現一部分1V雜波信號,然後通過實驗手段判定就是Host端發出,以此作為證據要求Host端的台灣原廠修改,理由是不管此信號是否對通信造成影響,至少先解決這個問題再考慮。在更新過兩次代碼後,1V雜波信號消失,老化拷機,並未出現問題。
出於自我保護本能以及各方知識的局限,一般各自都會認為自己這方沒有問題,通過示波器量測波形,找到證據,督促修改,會使得問題容易得到解決。
最後,需要特別注意的是示波器的操作一定要正確,錯誤的操作及細節的不注意,就有可能把示波器這一神器變成雙刃劍,帶來不必要的麻煩,需要特別注意。在實際工作中經常會發現不同的人測試會得到不同的測試結果,這裡就需要平時多多累積一些經驗了。歸根結底,還是一個要多使用的問題,當然文檔也要多看。
希望廣大工程師們能多使用示波器,同時也需要各廠家的慷慨解囊,提供更多的示波器,為員工創造條件,從而不會讓員工因資源有限而養成使用萬用表的習慣。

注意事項

為了儀器操作人員的安全和儀器安全,儀器在安全範圍內正常工作,保證測量波形準確、數據可靠,應注意:1.通用示波器通過調節亮度和聚焦鏇鈕使光點直徑最小以使波形清晰,減小測試誤差;不要使光點停留在一點不動,否則電子束轟擊一點宜在螢光屏上形成暗斑,損壞螢光屏。 2.測量系統-例如示波器、信號源;印表機、計算機等設備等。被測電子設備-例如儀器、電子部件、電路板、被測設備供電電源等設備接地線必須與公共地(大地)相連。 3.TDS200/TDS1000/TDS2000系列數字示波器配合探頭使用時,只能測量(被測信號-信號地就是大地,信號端輸出幅度小於300VCATII)信號的波形。絕對不能測量市電AC220V或與市電AC220V不能隔離的電子設備的浮地信號。
4.通用示波器的外殼,信號輸入端BNC插座金屬外圈,探頭接地線,AC220V電源插座接地線端都是相通的。如儀器使用時不接大地線,直接用探頭對浮地信號測量,則儀器相對大地會產生電位差;電壓值等於探頭接地線接觸被測設備點與大地之間的電位差。這將對儀器操作人員、示波器、被測電子設備帶來嚴重安全危險。5.用戶如須要測量開關電源(開關電源初級,控制電路)、UPS(不間斷電源)、電子整流器、節能燈、變頻器等類型產品或其它與市電AC220V不能隔離的電子設備進行浮地信號測試時,必使用DP100高壓隔離差分探頭

測試套用

電壓的測量

利用示波器所做的任何測量,都是歸結為對電壓的測量。示波器可以測量各種波形的電壓幅度,既可以測量直流電壓和正弦電壓,又可以測量脈衝或非正弦電壓的幅度。更有用的是它可以測量一個脈衝電壓波形各部分的電壓幅值,如上衝量或頂部下降量等。這是其他任何電壓測量儀器都不能比擬的。
1.直接測量法所謂直接測量法,就是直接從螢幕上量出被測電壓波形的高度,然後換算成電壓值。定量測試電壓時,一般把Y軸靈敏度開關的微調鏇鈕轉至“校準”位置上,這樣,就可以從“V/div”的指示值和被測信號占取的縱軸坐標值直接計算被測電壓值。所以,直接測量法又稱為標尺法。
(1)交流電壓的測量
將Y軸輸入耦合開關置於“AC”位置,顯示出輸入波形的交流成分。如交流信號的頻率很低時,則應將Y軸輸入耦合開關置於“DC”位置。
將被測波形移至示波管螢幕的中心位置,用“V/div”開關將被測波形控制在螢幕有效工作面積的範圍內,按坐標刻度片的分度讀取整個波形所占Y軸方向的度數H,則被測電壓的峰-峰值VP-P可等於“V/div”開關指示值與H的乘積。如果使用探頭測量時,應把探頭的衰減量計算在內,即把上述計算數值乘10。
例如示波器的Y軸靈敏度開關“V/div”位於0.2檔級,被測波形占Y軸的坐標幅度H為5div,則此信號電壓的峰-峰值為1V。如是經探頭測量,仍指示上述數值,則被測信號電壓的峰-峰值就為10V。
(2)直流電壓的測量
將Y軸輸入耦合開關置於“地”位置,觸發方式開關置“自動”位置,使螢幕顯示一水平掃描線,此掃描線便為零電平線。
將Y軸輸入耦合開關置“DC”位置,加入被測電壓,此時,掃描線在Y軸方向產生跳變位移H,被測電壓即為“V/div”開關指示值與H的乘積。
直接測量法簡單易行,但誤差較大。產生誤差的因素有讀數誤差、視差和示波器的系統誤差(衰減器、偏轉系統、示波管邊緣效應)等。
2.比較測量法
比較測量法就是用一已知的標準電壓波形與被測電壓波形進行比較求得被測電壓值。
將被測電壓Vx輸入示波器的Y軸通道,調節Y軸靈敏度選擇開關“V/div”及其微調鏇鈕,使螢光屏顯示出便於測量的高度Hx並做好記錄,且“V/div”開關及微調鏇鈕位置保持不變。去掉被測電壓,把一個已知的可調標準電壓Vs輸入Y軸,調節標準電壓的輸出幅度,使它顯示與被測電壓相同的幅度。此時,標準電壓的輸出幅度等於被測電壓的幅度。比較法測量電壓可避免垂直系統引起和誤差,因而提高了測量精度。

時間的測量

示波器時基能產生與時間呈線性關係的掃描線,因而可以用螢光屏的水平刻度來測量波形的時間參數,如周期性信號的重複周期、脈衝信號的寬度、時間間隔、上升時間(前沿)和下降時間(後沿)、兩個信號的時間差等等。
將示波器的掃速開關“t/div”的“微調”裝置轉至校準位置時,顯示的波形在水平方向刻度所代表的時間可按“t/div”開關的指示值直讀計算,從而較準確地求出被測信號的時間參數。

相位的測量

利用示波器測量兩個正弦電壓之間的相位差具有實用意義,用計數器可以測量頻率和時間,但不能直接測量正弦電壓之間的相位關係。利用示波器測量相位的方法很多,下面,僅介紹幾種常用的簡單方法。
1.雙蹤法
雙蹤法是用雙蹤示波器在螢光屏上直接比較兩個被測電壓的波形來測量其相位關係。測量時,將相位超前的信號接入YB通道,另一個信號接入YA通道。選用YB觸發。調節“t/div”開關,使被測波形的一個周期在水平標尺上準確地占滿8div,這樣,一個周期的相角360°被8等分,每1div相當於45°。讀出超前波與滯後波在水平軸的差距T,按下式計算相位差φ:
φ=45°/div×T(div)
如T==1.5div,則φ=45°/div×1.5div=67.5°
2.李薩如圖形法測相位
將示波器的X軸選擇置於X軸輸入位置,將信號u1接入示波器的Y軸輸入端,信號u2接入示波器的X軸輸入端。適當調節示波器面板上相關鏇鈕,使螢光屏上顯現一個大小適宜的橢圓(在特殊情況下,可能是一個正圓或一根斜線)。

頻率的測量

用示波器測量信號頻率的方法很多,下面介紹常用的兩種基本方法。
1.周期
對於任何周期信號,可用前述的時間間隔的測量方法,先測定其每個周期的時間T,再用下式求出頻率f:f=1/T
例如示波器上顯示的被測波形,一周期為8div,“t/div”開關置“1μs”位置,其“微調”置“校準”位置。則其周期和頻率計算如下:
T=1us/div×8div=8us
f=1/8us=125kHz
所以,被測波形的頻率為125kHz。
2.李薩育圖形法測頻率
將示波器置X-Y工作方式,被測信號輸入Y軸,標準頻率信號輸入“X外接”,慢慢改變標準頻率,使這兩個信號頻率成整數倍時,例如fx:
fy=1:2,則在螢光屏上會形成穩定的李沙育圖形。
李薩如圖的形狀不但與兩個偏轉電壓的相位有關,而且與兩個偏轉電壓的頻率也有關。用描跡法可以畫出ux與uy的各種頻率比、不同相位差時的李沙育圖形
利用李薩如圖形與頻率的關係,可進行準確的頻率比較來測定被測信號的頻率。其方法是分別通過李薩如圖形引水平線和垂直線,所引的水平線垂直線不要通過圖形的交叉點或與其相切。若水平線與圖形的交點數為m,垂直線與圖形的交點數n,則
fy/fx=m/n
當標準頻率fx(或fy)為已知時,由上式可以求出被測信號頻率fy(或fx)。顯然,在實際測試工作中,用李沙育圖形進行頻率測試時,為了使測試簡便正確,在條件許可的情況下,通常儘可能調節已知頻率信號的頻率,使螢光屏上顯示的圖形為圓或橢圓。這時被測信號頻率等於已知信號頻率。
由於加到示波器上的兩個電壓相位不同,螢光屏上圖形會有不同的形狀,但這對確定未知頻率並無影響。
薩如圖法測量頻率是相當準確的,但操作較費時。同時,它只適用於測量頻率較低的信號。

其他相關

注意事項
儀器操作人員的安全和儀器安全,儀器在安全範圍內正常工作,保證測量波形準確、數據可靠,應注意:

數字示波器數字示波器 數字示波器

1.通用示波器通過調節亮度和聚焦鏇鈕使光點直徑最小以使波形清晰,減小測試誤差;不要使光點停留在一點不動,否則電子束轟擊一點宜在螢光屏上形成暗斑,損壞螢光屏。
2.測量系統-例如示波器、信號源;印表機、計算機等設備等。被測電子設備-例如儀器、電子部件、電路板、被測設備供電電源等設備接地線必須與公共地(大地)相連。
3.TDS200/TDS1000/TDS2000系列數字示波器配合探頭使用時,只能測量(被測信號-信號地就是大地,信號端輸出幅度小於300VCATII)信號的波形。絕對不能測量市電AC220V或與市電AC220V不能隔離的電子設備的浮地信號。(浮地是不能接大地的,否則造成儀器損壞,如測試電磁爐。)
4.通用示波器的外殼,信號輸入端BNC插座金屬外圈,探頭接地線,AC220V電源插座接地線端都是相通的。如儀器使用時不接大地線,直接用探頭對浮地信號測量,則儀器相對大地會產生電位差;電壓值等於探頭接地線接觸被測設備點與大地之間的電位差。這將對儀器操作人員、示波器、被測電子設備帶來嚴重安全危險。
5.用戶如須要測量開關電源(開關電源初級,控制電路)、UPS(不間斷電源)、電子整流器、節能燈、變頻器等類型產品或其它與市電AC220V不能隔離的電子設備進行浮地信號測試時,必使用DP100高壓隔離差分探頭。
示波器使用中的其他注意事項
(1)熱電子儀器一般要避免頻繁開機、關機,示波器也是這樣。
(2)如果發現波形受外界干擾,可將示波器外殼接地.
(3)“Y輸入”的電壓不可太高,以免損壞儀器,在最大衰減時也不能超過400V.“Y輸入”導線懸空時,受外界電磁干擾出現干擾波形,應避免出現這種現象。
(4)關機前先將輝度調節鏇鈕沿逆時針方向轉到底,使亮度減到最小,然後再斷開電源開關.(5)在觀察螢屏上的亮斑並進行調節時,亮斑的亮度要適中,不能過亮。
示波器分為萬用示波表,數字示波器,模擬示波器,虛擬示波器,任意波形示波器,手持示波表,數字螢光示波器,數據採集示波器。

知名廠商

Tektronix
泰克科技有限公司是一家全球領先的測試、測量和監測解決方案提供商。主要提供包括示波器、邏輯分析儀、信號源和頻譜分析儀在內的以及各種視頻測試、測量和監測產品。特別在示波器市場,泰克科技有限公司是全球銷量最大的公司,也是全球80%測試工程師的首選品牌。泰克科技有限公司為固定網路和行動網路提供網路診斷設備、網路管理解決方案和相關支持服務,在其它參與競爭的產品市場中泰克也處於數一數二的地位。
Agilent
安捷倫科技公司是由美國惠普公司戰略重組分立而成的一家高科技跨國公司,是全球領先的測量公司。安捷倫科技憑藉其中心實驗室的強大科研力量,專注於通信系統、自動化系統、測試和測量、半導體產品及生命科學和化學分析等前沿高科技領域的業務。其超凡的測量技術被廣泛套用於感應、分析、顯示及數據通信產品的研究開發。
INSTEK
固緯電子實業股份有限公司,創立於1975年,主要生產電子測試儀器,是台灣創立最早且最具規模之專業電子測試儀器大廠。固緯創業團隊開創以電源供應器起家,以量測技術為核心,專注精密電子量測儀器研發,並開創國人自製電子測試儀器的先河,開發出國內第一台液晶數位式示波器,也是台灣唯一有能力產制數位示波器及頻譜分析儀的廠商!
LeCroy
力科是提供測試設備解決方案的領導廠商,為使得全球各行各業中的公司提供能夠設計和測試各類電子器件。我們成立於1964年,自公司成立以來,我們一直把重點放在研製改善生產效率的測試設備上,幫助工程師更快速、更高效地解決電路問題。
FLUKE
美國福祿克公司(FlukeCorporation)是美國丹納赫集團(DanaherCorporation)旗下的公司。丹納赫集團是一個擁有40億美元年銷售額的美國上市公司,位列美國財富雜誌全球500強之一。自1948年成立以來,福祿克公司為各種工業的生產和維修領域提供了至關重要的測試和維護工具。從工業電子產品的安裝維護服務到計算機網路的故障解決維護管理,還有精密計量和質量控制,福祿克電子測試工具在全球範圍內幫助用戶的業務正常運作。
深圳鼎陽
SIGLENT是全球最大的數字示波器ODM製造商,是目前國內出貨量最大的示波器生產廠家,公司為國家級高新技術企業和深圳市高新技術企業,通過了ISO9001:2008國際質量管理體系認證、ISO14001:2004環境管理體系認證,是中國電子儀器行業協會會員,廣東省儀器代表協會理事單位。
北京普源
RIGOL是業界領先從事測量儀器研發、生產和銷售的高新技術企業;是中國電子儀器行業協會、中國儀器儀表學會會員。
公司擁有國際水準的技術,擁有數量眾多的專利和計算機作業系統軟體著作權,自主智慧財產權填補了國家空白。
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自成功研發出國內首台手持彩色液晶數字存儲式示波器後,我們在精密儀器儀表領域內快速成長,時至今日,OWON已可提供數字示波器系列數十個系列的產品。無論是技術人員、工程師還是科研、教學人員,他們都可通過OWON產品擴展個人能力並出色完成工作。
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Hantek漢泰是一家集研發、生產、銷售、服務為一體的通用儀器專業生產廠家,公司總部位於青島高科技產業基地惠特工業城內,交通便利,良好的人文環境,濃厚的科研氛圍,塑造出一個積極拼搏的團隊,造就出一個卓越的民族儀器品牌!
公司技術力量雄厚,研發團隊由具有儀器儀表領先技術的權威專家組成,憑藉多年儀器的研發及生產的技術和經驗,結合國內外先進的管理理念,自2001年開始依次推出的USB示波器,USB任意信號發生器,USB邏輯分析儀,手持示波表,萬用表,手持多功能測量儀,便攜示波器,程控電源等多個系列的通用儀器產品,均獲得了市場的一致認可和好評,尤其在國外市場;Hantek持有多項軟體著作權,發明實用新型和外觀設計專利,產品均已通過了CE、FCC等認證。
公司將繼續秉承科技創新的優良傳統,持續不斷地推出滿足市場需求的新產品,努力開創我們充滿希望而又任重道遠的未來,並以感恩的心態回饋社會.

示波器內容的拓展

基於Labwindows/CVI和SBS實時光網的虛擬示波器設計

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