示波器

科學知識 9547 372 2014-11-24

示波器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、掃瞄振蕩器、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。凡可以變為電效應的週期性物理過程都可以用示波器進行觀測。

示波器大致可分為模擬、數字和組合三類。

模擬示波器採用的是模擬電路(示波管,其基礎是電子槍)電子槍向屏幕發射電子,發射的電子經聚焦形成電子束,並打到屏幕上。屏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。

數字示波器是數據採集,A/D轉換,軟件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菜單,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。

混合信號示波器則是把數字示波器對信號細節的分析能力和邏輯分析儀多通道定時測量能力組合在一起的儀器。

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。因此借助示波器可以研究感應電動勢與其產生條件的關係。

示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器。它能把肉眼看不到的電信號變換成看得見的圖像,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,就可以產生細小的光點。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電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信號的電量,如電壓、電流、頻率、相位差、調幅度等等。

雙蹤示波器是由兩個通道的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、掃瞄電路、x軸放大電路、z軸放大電路、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CHA、CHB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,延遲電路,y軸後置放大電路,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CHA、CHB、交替、斷續、ADD等。這五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。它受由掃瞄電路來得閘門信號控制,使得y軸兩個前置通道隨著掃瞄電路閘門信號的變化而交替地工作。每秒鐘交替轉換次數與由掃瞄電路產生的掃瞄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斷續位置時,電子開關是一振蕩頻率約為200KHZ的自激多諧振蕩電路。由它的兩個輸出端輸出相位相反的兩個矩形信號。前置放大電路CHA和CHB是受上述兩個矩形信號控制而輪流工作的。這樣就可以穩定地顯示出兩個信號。這種斷續工作狀態適用於觀察頻率不太高的被測信號。

當顯示方式開關置於CHA或CHB位置時,電子開關為一單穩態電路。前置放大電路CHA或CHB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ADD位置時,電子開關處於不工作狀態。此時,CHA,CHB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CHA通道的極性作用開關來選擇。

為了觀察被測試信號隨時間變化的波形,示波器的水平偏轉板上必須加以線性掃瞄電壓(鋸齒波電壓)。這個掃瞄電壓是由掃瞄電路產生的。當觸發信號加到觸發電路時,觸發掃瞄電路就產生相應的掃瞄信號,當不加觸發信號時,掃瞄電路就不產生掃瞄信號。

觸發方式有內觸發,外觸發兩種,由觸發源選擇開關來選擇,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。示波器使用中,多數採用內觸發工作方式。

掃瞄電路產生掃瞄信號(鋸齒波電路)。通過x軸選擇開關接到x軸放大電路,經放大後送到示波器的x軸偏轉板上。

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。當掃瞄電路的閘門信號來到z軸放大電路時,z軸放大電路便輸出正向的增輝脈衝信號,加至示波器的控制極。這就是說,在掃瞄信號的正程時,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,加至示波器的控制極。這樣在電子開關的轉換過程中,就消除了兩通道交替工作時的過度光點,以提高顯示波形的清晰度

校正信號產生電路產生一個一定頻率和幅度的矩形信號。它是作校正y軸放大電路的靈敏度和x軸的掃瞄速度之用的。

高低壓電源,其中高壓是供給示波管顯示系統的。低壓供給示波器各級電路。

決定示波器探頭價格的主要因素

示波器的探頭有非常多的種類,不同的性能,比如高壓,差分,有源高速探頭等等,價格也從幾百人民幣到接近一萬美元。價格的主要決定因素當然是帶寬和功能。探頭是示波器接觸電路的部分,好的探頭可以提供測試需要的保真度。為做到這一點,即使無源探頭,內部也必須有非常多的無源器件補償電路(RC網絡)。

一般的示波器探頭的使用壽命

示波器的探頭壽命不好說,取決於使用環境和方法。

標準對於探頭沒有明確的計量規定,但是對於無源探頭,至少在更換探頭,探頭交換通道的時候,必須進行探頭補償調整。所有有源探頭在使用前應該有至少20分鐘的預熱,有的有源探頭和電流探頭需要進行零點漂移調整。

示波器的實時採樣率

實時採樣率是指示波器一次採集(一次觸發)採樣間隔的倒數。據瞭解,目前業界的最高水平是四個通道同時使用。通常採樣是按照固定順序進行,並且採樣順序與示波器屏幕上顯示順序相同,這就是實時採樣。實時採樣技術的好處是可以捕獲單次信號。

示波器的等效時間採樣率

等效時間採樣指的是示波器把多次採集(多次觸發)採集到的波形拼湊成一個波形,每次採樣速率可能很慢,兩次採集觸發點有一定的偏移,最後形成的兩個點間的最小採樣間隔的倒數稱為等效採樣速率。其指標可以達到很高,如1ps。

等效時間採樣又稱重複採樣,在滿足以下兩個條件時:1、波形必需重複;2、必需能穩定觸發,示波器可以從多個波形週期獲得波形不同點的採樣,然後在屏幕上完整恢復波形。它包含順序採樣和隨機重複採樣兩種技術。其好處是可以使用很慢的模數轉換器。

功率因數

功率因數:在直流電路裡,電壓乘電流就是有功功率。但在交流電路裡,電壓乘電流是視在功率,而能起到作功的一部分功率(即有功功率)將小於視在功率。有功功率與視在功率之比叫做功率因數,以COSΦ表示,其實最簡單的測量方式就是測量電壓與電流之間的相位差,得出的結果就是功率因數。

如何表達和測試功率密度

功率密度就是單位體積裡的功率,一般電源裡用W/in3。

示波器的觸發

要明白觸發的概念,首先要瞭解示波器同步的概念。那麼什麼是示波器的同步呢?我們這裡所說的示波器同步是指示波器的掃瞄信號與被觀測的信號同步,也就是說它們的頻率之間存在著整數倍的關係。

為了在示波器屏幕上穩定顯示波形,需要設定一個條件以使示波器開始掃瞄,這個條件就是觸發。示波器觸發一次掃瞄後一段時間內,使觸發電路不能工作叫觸發抑制。

觸發的作用

為了使掃瞄信號與被測信號同步,我們可以設定一些條件,將被測信號不斷地與這些條件相比較,只有當被測信號滿足這些條件時才啟動掃瞄,從而使得掃瞄的頻率與被測信號相同或存在整數倍的關係,也就是同步。這種技術我們就稱為「觸發」,而這些條件我們稱其為「觸發條件」。

用作觸發條件的形式很多,最常用最基本的就是「邊沿觸發」,即將被測信號的變化(即信號上升或下降的邊沿)與某一電平相比較,當信號的變化以某種選定的方式達到這一電平時,產生一個觸發信號,啟動一次掃瞄。例如在圖3中,我們可以將觸發電平選在0V,當被測信號從低到高跨越這個電平時,就產生一次掃瞄,這樣我們就得到了與被測信號同步的掃瞄信號。其他的觸發條件有「脈寬觸發」、「斜率觸發」、「狀態觸發」等等,這些觸發條件通常會在比較高檔的示波器中出現。



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