模擬示波器的使用方法
模擬型示波器顯示波形及波形穩(wěn)定的原理
顯示波形原理：
當(dāng)被測信號接適應(yīng)癥示波器Y軸即示波管的Y軸偏轉(zhuǎn)板，例如正弦電壓，若X軸不加交變信號，從電子槍射出的電子束在垂直方向隨時間作正弦式上下往返運動，一般由于頻率較高，看到的實際就是一條直線。同理若只在X軸加有交變信號，看到的就只是一條水平亮線。只要是示波器，機內(nèi)都有一個鋸齒波信號電壓發(fā)生器，它的作用是專門可提供加在X軸，隨著鋸齒波電壓從低至高成正比變化，使得電子束從左至右在水平方勻運動，然后隨信號的變化立刻回到左邊，開始另一次從左至右的勻速運動，所以稱為掃描運動，相應(yīng)的稱為掃描信號，這相當(dāng)于在示波器置X為時間軸，在它的作用下，Y軸原來直線的正弦信號被展開，若每掃描一周期，Y軸信號也剛好變化一個周期，不管頻率多高，因為每次掃描都走相同的路徑，屏幕上就是一個完整的被測信號波形。同理可知當(dāng)T掃=nTy或fy=nf掃(n=1,2,3……)熒屏將顯示n個完整的Y軸信號波形，若fy≠nf掃或fy<f掃，由于每次掃描路徑不同，熒屏出現(xiàn)的將是雜亂的線條。因而理解以上原理，學(xué)會恰當(dāng)?shù)卣{(diào)整示波器上的掃描信號頻率，使得fy=nf掃是學(xué)會使用示波器的基礎(chǔ)。
使波形穩(wěn)定的原理：
由于電壓不穩(wěn)定或其它種種原因，被測信號和掃描信號的頻率各自隨時必然會產(chǎn)生一些變化，因而單靠手動來調(diào)節(jié)掃描信號，是無法始終保持fy≌nf掃的，所以的示波器內(nèi)還會有自動頻率跟蹤裝置，它的作用就是控制掃描頻率跟隨被測信號一起變化，即使得兩者同步。顯示波形時一般是先調(diào)掃描頻率，若波形不穩(wěn)時，就應(yīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)觸發(fā)電平旋鈕，使波形完全穩(wěn)定。
下面將詳細(xì)講述示波器種類、型號很多,功能也不同。數(shù)字電路實驗中使用較多的是20MHz或者40MHz的雙蹤示波器。這些示波器用法大同小異。本節(jié)不針對某一型號的示波器,只是從概念上介紹示波器在數(shù)字電路實驗中的常用功能。
2.1 熒光屏
熒光屏是示波管的顯示部分。屏上水平方向和垂直方向各有多條刻度線,指示出信號波形的電壓和時間之間的關(guān)系。水平方向指示時間,垂直方向指示電壓。水平方向分為10格,垂直方向分為8格,每格又分為5份。垂直方向標(biāo)有0％,10％,90％,100％等標(biāo)志,水平方向標(biāo)有10％,90％標(biāo)志,供測直流電平、交流信號幅度、延遲時間等參數(shù)使用。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。
2．2 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。一般不應(yīng)太亮,以保護熒光屏。
3．聚焦(Focus)
聚焦旋鈕調(diào)節(jié)電子束截面大小,將掃描線聚焦成最清晰狀態(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。
2．3 垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)和水平偏轉(zhuǎn)因數(shù)
1．垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)選擇(VOLTS／DIV)和微調(diào)
在單位輸入信號作用下,光點在屏幕上偏移的距離稱為偏移靈敏度,這一定義對X軸和Y軸都適用。靈敏度的倒數(shù)稱為偏轉(zhuǎn)因數(shù)。垂直靈敏度的單位是為cm/V,cm／mV或者DIV／mV,DIV／V,垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)的單位是V／cm,mV／cm或者V／DIV,mV／DIV。實際上因習(xí)慣用法和測量電壓讀數(shù)的方便,有時也把偏轉(zhuǎn)因數(shù)當(dāng)靈敏度。
蹤示波器中每個通道各有一個垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)選擇波段開關(guān)。一般按1,2,5方式從 5mV／DIV到5V／DIV分為10檔。波段開關(guān)指示的值代表熒光屏上垂直方向一格的電壓值。例如波段開關(guān)置于1V／DIV檔時,如果屏幕上信號光點移動一格,則代表輸入信號電壓變化1V。
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。許多示波器具有垂直擴展功能,當(dāng)微調(diào)旋鈕被拉出時,垂直靈敏度擴大若干倍(偏轉(zhuǎn)因數(shù)縮小若干倍)。例如,如果波段開關(guān)指示的偏轉(zhuǎn)因數(shù)是1V/DIV,采用×5擴展?fàn)顟B(tài)時,垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)是0．2V／DIV。
在做數(shù)字電路實驗時,在屏幕上被測信號的垂直移動距離與+5V信號的垂直移動距離之比常被用于判斷被測信號的電壓值。
2．時基選擇(TIME／DIV)和微調(diào)
時基選擇和微調(diào)的使用方法與垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)選擇和微調(diào)類似。時基選擇也通過一個波段開關(guān)實現(xiàn),按1、2、5方式把時基分為若干檔。波段開關(guān)的指示值代表光點在水平方向移動一個格的時間值。例如在1μS／DIV檔,光點在屏上移動一格代表時間值1μS。
“微調(diào)”旋鈕用于時基校準(zhǔn)和微調(diào)。沿順時針方向旋到底處于校準(zhǔn)位置時,屏幕上顯示的時基值與波段開關(guān)所示的標(biāo)稱值一致。逆時針旋轉(zhuǎn)旋鈕,則對時基微調(diào)。旋鈕拔出后處于掃描擴展?fàn)顟B(tài)。通常為×10擴展,即水平靈敏度擴大10倍,時基縮小到1／10。例如在2μS/DIV檔,掃描擴展?fàn)顟B(tài)下熒光屏上水平一格代表的時間值等于2μS×(1/10)=0.2μS。
TDS實驗臺上有10MHz、1MHz、500kHz、100kHz的時鐘信號,由石英晶體振蕩器和分頻器產(chǎn)生,準(zhǔn)確度很高,可用來校準(zhǔn)示波器的時基。
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)。例如COS5041型示波器標(biāo)準(zhǔn)信號源提供一個VP-P=2V,f=1kHz的方波信號。
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。旋轉(zhuǎn)水平位移旋鈕(標(biāo)有水平雙向箭頭)左右移動信號波形,旋轉(zhuǎn)垂直位移旋鈕(標(biāo)有垂直雙向箭頭)上下移動信號波形。
2.4 輸入通道和輸入耦合選擇
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)。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信號和通道2信號。測試信號時,首先要將示波器的地與被測電路的地連接在一起。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“×1”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“×10"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。
2．輸入耦合方式
輸入耦合方式有三種選擇：交流(AC)、地(GND)、直流(DC)。當(dāng)選擇“地”時,掃描線顯示出“示波器地”在熒光屏上的位置。直流耦合用于測定信號直流絕對值和觀測極低頻信號。交流耦合用于觀測交流和含有直流成分的交流信號。在數(shù)字電路實驗中,一般選擇“直流”方式,以便觀測信號的絕對電壓值。
2.5 觸發(fā)
第一節(jié)指出,被測信號從Y軸輸入后,一部分送到示波管的Y軸偏轉(zhuǎn)板上,驅(qū)動光點在熒光屏上按比例沿垂直方向移動;另一部分分流到x軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖,觸發(fā)掃描發(fā)生器,產(chǎn)生重復(fù)的鋸齒波電壓加到示波管的X偏轉(zhuǎn)板上,使光點沿水平方向移動,兩者合一,光點在熒光屏上描繪出的圖形就是被測信號圖形。由此可知,正確的觸發(fā)方式直接影響到示波器的有效操作。為了在熒光屏上得到穩(wěn)定的、清晰的信號波形,掌握基本的觸發(fā)功能及其操作方法是十分重要的。
1．觸發(fā)源(Source)選擇
要使屏幕上顯示穩(wěn)定的波形,則需將被測信號本身或者與被測信號有一定時間關(guān)系的觸發(fā)信號加到觸發(fā)電路。觸發(fā)源選擇確定觸發(fā)信號由何處供給。通常有三種觸發(fā)源：內(nèi)觸發(fā)(INT)、電源觸發(fā)(LINE)、外觸發(fā)EXT)。
內(nèi)觸發(fā)使用被測信號作為觸發(fā)信號,是經(jīng)常使用的一種觸發(fā)方式。由于觸發(fā)信號本身是被測信號的一部分,在屏幕上可以顯示出非常穩(wěn)定的波形。雙蹤示波器中通道1或者通道2都可以選作觸發(fā)信號。
電源觸發(fā)使用交流電源頻率信號作為觸發(fā)信號。這種方法在測量與交流電源頻率有關(guān)的信號時是有效的。特別在測量音頻電路、閘流管的低電平交流噪音時更為有效。
外觸發(fā)使用外加信號作為觸發(fā)信號,外加信號從外觸發(fā)輸入端輸入。外觸發(fā)信號與被測信號間應(yīng)具有周期性的關(guān)系。由于被測信號沒有用作觸發(fā)信號,所以何時開始掃描與被測信號無關(guān)。
正確選擇觸發(fā)信號對波形顯示的穩(wěn)定、清晰有很大關(guān)系。例如在數(shù)字電路的測量中,對一個簡單的周期信號而言,選擇內(nèi)觸發(fā)可能好一些,而對于一個具有復(fù)雜周期的信號,且存在一個與它有周期關(guān)系的信號時,選用外觸發(fā)可能更好。
2．觸發(fā)耦合(Coupling)方式選擇
觸發(fā)信號到觸發(fā)電路的耦合方式有多種,目的是為了觸發(fā)信號的穩(wěn)定、可靠。這里介紹常用的幾種。
AC耦合又稱電容耦合。它只允許用觸發(fā)信號的交流分量觸發(fā),觸發(fā)信號的直流分量被隔斷。通常在不考慮DC分量時使用這種耦合方式,以形成穩(wěn)定觸發(fā)。但是如果觸發(fā)信號的頻率小于10Hz,會造成觸發(fā)困難。
直流耦合(DC)不隔斷觸發(fā)信號的直流分量。當(dāng)觸發(fā)信號的頻率較低或者觸發(fā)信號的占空比很大時,使用直流耦合較好。
低頻抑制(LFR)觸發(fā)時觸發(fā)信號經(jīng)過高通濾波器加到觸發(fā)電路,觸發(fā)信號的低頻成分被抑制;高頻抑制(HFR)觸發(fā)時,觸發(fā)信號通過低通濾波器加到觸發(fā)電路,觸發(fā)信號的高頻成分被抑制。此外還有用于電視維修的電視同步(TV)觸發(fā)。這些觸發(fā)耦合方式各有自己的適用范圍,需在使用中去體會。
3．觸發(fā)電平(Level)和觸發(fā)極性(Slope)
觸發(fā)電平調(diào)節(jié)又叫同步調(diào)節(jié),它使得掃描與被測信號同步。電平調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)觸發(fā)信號的觸發(fā)電平。一旦觸發(fā)信號超過由旋鈕設(shè)定的觸發(fā)電平時,掃描即被觸發(fā)。順時針旋轉(zhuǎn)旋鈕,觸發(fā)電平上升;逆時針旋轉(zhuǎn)旋鈕,觸發(fā)電平下降。當(dāng)電平旋鈕調(diào)到電平鎖定位置時,觸發(fā)電平自動保持在觸發(fā)信號的幅度之內(nèi),不需要電平調(diào)節(jié)就能產(chǎn)生一個穩(wěn)定的觸發(fā)。當(dāng)信號波形復(fù)雜,用電平旋鈕不能穩(wěn)定觸發(fā)時,用釋抑(Hold Off)旋鈕調(diào)節(jié)波形的釋抑時間(掃描暫停時間),能使掃描與波形穩(wěn)定同步。
極性開關(guān)用來選擇觸發(fā)信號的極性。撥在“+”位置上時,在信號增加的方向上,當(dāng)觸發(fā)信號超過觸發(fā)電平時就產(chǎn)生觸發(fā)。撥在“-”位置上時,在信號減少的方向上,當(dāng)觸發(fā)信號超過觸發(fā)電平時就產(chǎn)生觸發(fā)。觸發(fā)極性和觸發(fā)電平共同決定觸發(fā)信號的觸發(fā)點。
2.6 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。
自動：當(dāng)無觸發(fā)信號輸入,或者觸發(fā)信號頻率低于50Hz時,掃描為自激方式。
常態(tài)：當(dāng)無觸發(fā)信號輸入時,掃描處于準(zhǔn)備狀態(tài),沒有掃描線。觸發(fā)信號到來后,觸發(fā)掃描。
單次：單次按鈕類似復(fù)位開關(guān)。單次掃描方式下,按單次按鈕時掃描電路復(fù)位,此時準(zhǔn)備好(Ready)燈亮。觸發(fā)信號到來后產(chǎn)生一次掃描。單次掃描結(jié)束后,準(zhǔn)備燈滅。單次掃描用于觀測非周期信號或者單次瞬變信號,往往需要對波形拍照。
上面扼要介紹了示波器的基本功能及操作。示波器還有一些更復(fù)雜的功能,如延遲掃描、觸發(fā)延遲、X-Y工作方式等,這里就不介紹了。示波器入門操作是容易的,真正熟練則要在應(yīng)用中掌握。值得指出的是,示波器雖然功能較多,但許多情況下用其他儀器、儀表更好。例如,在數(shù)字電路實驗中,判斷一個脈寬較窄的單脈沖是否發(fā)生時,用邏輯筆就簡單的多;測量單脈沖脈寬時,用邏輯分析儀更好一些。