示波器,可以在被測信號的作用下,電子束在屏面上描繪出被測信號的瞬時值的變化曲線,便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過程。普通示波器有顯示電路、垂直(Y軸)放大電路、水平(X軸)放大電路、掃描與同步電路、電源供給電路五個基本組成部分。
示波器,“人”如其名,就是顯示波形的機器,它還被譽為“電子工程師的眼睛”。
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、選擇Y軸耦合方式
根據(jù)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(guān)置于AC或DC。
2、選擇Y軸靈敏度
根據(jù)被測信號的大約峰-峰值(如果采用衰減探頭,應(yīng)除以衰減倍數(shù);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(guān)(或Y軸衰減開關(guān))置于適當(dāng)檔級。實際使用中如不需讀測電壓值,則可適當(dāng)調(diào)節(jié)Y軸靈敏度微調(diào)(或Y軸增益)旋鈕,使屏幕上顯現(xiàn)所需要高度的波形。
3、選擇觸發(fā)(或同步)信號來源與極性
通常將觸發(fā)(或同步)信號極性開關(guān)置于“+”或“-”檔。
4、選擇掃描速度
根據(jù)被測信號周期(或頻率)的大約值,將X軸掃描速度t/div(或掃描范圍)開關(guān)置于適當(dāng)檔級。實際使用中如不需讀測時間值,則可適當(dāng)調(diào)節(jié)掃速t/div微調(diào)(或掃描微調(diào))。
旋鈕,使屏幕上顯示測試所需周期數(shù)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(guān)應(yīng)置于較快掃速檔。
5、輸入被測信號
被測信號由探頭衰減后(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。
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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(xì)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。
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(xì)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(diào)幅度等等。
使用步驟
(1)先預(yù)調(diào):反時針旋轉(zhuǎn)輝度旋鈕到底,豎直和水平位移轉(zhuǎn)到中間,掃描置于“外X檔”;
(2)再開電源,指示燈亮后等待一兩分鐘進行預(yù)熱后再進行相關(guān)的操作;
(3)先調(diào)輝度,再調(diào)聚焦,進而調(diào)水平和豎直位移使亮點在中心合適區(qū)域;
(4)調(diào)掃描、掃描微調(diào)和X增益,觀察掃描;
(5)把外X檔拔開到掃描范圍檔合適處,觀察機內(nèi)提供的豎直方向按正余弦規(guī)律變化的電壓波形;
(6)把待研究的外加電壓由Y輸入和地間接入示波器,調(diào)節(jié)各檔到合適位置,可觀察到此電壓的波形(與時間變化的圖象)(調(diào)同步極性開關(guān)可使圖象的起點從正半周或負(fù)半周開始;
(7)如欲觀察亮斑(如外加一直流電壓時)的豎直偏移,可把掃描調(diào)節(jié)到“外X”檔。
(不同的示波器可能操作方法不同)
基本原理
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。
示波管由電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏3個部分組成。
(1)電子槍
電子槍用于產(chǎn)生并形成高速、聚束的電子流,去轟擊熒光屏使之發(fā)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,其余電極的結(jié)構(gòu)都為金屬圓筒,且它們的軸心都保持在同一軸線上。
陰極被加熱后,可沿軸向發(fā)射電子;控制極相對陰極來說是負(fù)電位,改變電位可以改變通過控制極小孔的電子數(shù)目,也就是控制熒光屏上光點的亮度。
為了提高屏上光點亮度,又不降低對電子束偏轉(zhuǎn)的靈敏度,現(xiàn)代示波管中,在偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏之間還加上一個后加速電極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,向熒光屏方向作高速運動。
由于電荷的同性相斥,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并交匯于一點。
適當(dāng)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熒光屏上,顯現(xiàn)一個光亮細(xì)小的圓點。
改變第一陽極和第二陽極之間的電位差,可起調(diào)節(jié)光點聚焦的作用,這就是示波器的“聚焦”和“輔助聚焦”調(diào)節(jié)的原理。
第三陽極是示波管錐體內(nèi)部涂上一層石墨形成的,通常加有很高的電壓,它有三個作用:
①使穿過偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)以后的電子進一步加速,使電子有足夠的能量去轟擊熒光屏,以獲得足夠的亮度;
②石墨層涂在整個錐體上,能起到屏蔽作用;③電子束轟擊熒光屏?xí)a(chǎn)生二次電子,處于高電位的A3可吸收這些電子。
(2)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)
示波管的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)大都是靜電偏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)板和垂直偏轉(zhuǎn)板。
分別控制電子束在水平方向和垂直方向的運動。當(dāng)電子在偏轉(zhuǎn)板之間運動時,如果偏轉(zhuǎn)板上沒有加電壓,偏轉(zhuǎn)板之間無電場,離開第二陽極后進入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的電子將沿軸向運動,射向屏幕的中心。
如果偏轉(zhuǎn)板上有電壓,偏轉(zhuǎn)板之間則有電場,進入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的電子會在偏轉(zhuǎn)電場的作用下射向熒光屏的指定位置。
如果兩塊偏轉(zhuǎn)板互相平行,并且它們的電位差等于零,那么通過偏轉(zhuǎn)板空間的,具有速度的電子束就會沿著原方向(設(shè)為軸線方向)運動,并打在熒光屏的坐標(biāo)原點上。
如果兩塊偏轉(zhuǎn)板之間存在著恒定的電位差,則偏轉(zhuǎn)板間就形成一個電場,這個電場與電子的運動方向相垂直,于是電子就朝著電位比較高的偏轉(zhuǎn)板偏轉(zhuǎn)。
這樣,在兩偏轉(zhuǎn)板之間的空間,電子就沿著拋物線在這一點上做切線運動。
最后,電子降落在熒光屏上的A點,這個A點距離熒光屏原點(0)有一段距離,這段距離稱為偏轉(zhuǎn)量,用y表示。
偏轉(zhuǎn)量y與偏轉(zhuǎn)板上所加的電壓Vy成正比。同理,在水平偏轉(zhuǎn)板上加有直流電壓時,也發(fā)生類似情況,只是光點在水平方向上偏轉(zhuǎn)。
(3)熒光屏示波器實物圖
熒光屏位于示波管的終端,它的作用是將偏轉(zhuǎn)后的電子束顯示出來,以便觀察。
在示波器的熒光屏內(nèi)壁涂有一層發(fā)光物質(zhì),因而,熒光屏上受到高速電子沖擊的地點就顯現(xiàn)出熒光。
此時光點的亮度決定于電子束的數(shù)目、密度及其速度。改變控制極的電壓時,電子束中電子的數(shù)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(xiàn)在示波管熒光屏一個位置上,否則該點熒光物質(zhì)將因長期受電子沖擊而燒壞,從而失去發(fā)光能力。
涂有不同熒光物質(zhì)的熒光屏,在受電子沖擊時將顯示出不同的顏色和不同的余輝時間,通常供觀察一般信號波形用的是發(fā)綠光的;
屬中余輝示波管,供觀察非周期性及低頻信號用的是發(fā)橙黃色光的,屬長余輝示波管;供照相用的示波器中,一般都采用發(fā)藍(lán)色的短余輝示波管。
垂直(Y軸)放大電路
學(xué)生示波器由于示波管的偏轉(zhuǎn)靈敏度甚低,例如常用的示波管13SJ38J型,其垂直偏轉(zhuǎn)靈敏度為0.86mm/V(約12V電壓產(chǎn)生1cm的偏轉(zhuǎn)量);
所以一般的被測信號電壓都要先經(jīng)過垂直放大電路的放大,再加到示波管的垂直偏轉(zhuǎn)板上,以得到垂直方向的適當(dāng)大小的圖形。
水平(X軸)放大電路
由于示波管水平方向的偏轉(zhuǎn)靈敏度也很低,所以接入示波管水平偏轉(zhuǎn)板的電壓(鋸齒波電壓或其它電壓)也要先經(jīng)過水平放大電路的放大以后,再加到示波管的水平偏轉(zhuǎn)板上,以得到水平方向適當(dāng)大小的圖形。
掃描與同步電路
掃描電路產(chǎn)生一個鋸齒波電壓。該鋸齒波電壓的頻率能在一定的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。
鋸齒波電壓的作用是使示波管陰極發(fā)出的電子束在熒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(xiàn)在熒光屏上。
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一、無源電壓探頭 1、無源探頭 無源探頭由導(dǎo)線和連接器制成,在需要補償或衰減時,還包括電阻器和電容器。探頭中沒有有源器件(晶體管或放大器),因此不需為探頭供電。無源探頭一般是最堅固、性價比高的探頭,它們不僅使用簡便,而且使用廣泛?! ?、高阻無源電壓探頭 從實際需要出發(fā),使用較多的是電壓探頭,其中高阻無源電壓探頭占最大部分。無源電壓探頭為不同電壓范圍提供了各種衰減系數(shù)1&TImes;,10&TImes;和100&TImes;。在這些無源探頭中,10&TImes;無源電壓探頭是常用的探頭。對信號幅度是1V峰峰值或更低的應(yīng)用,1×探頭可能要比較適合,甚至是必不可少的。在低幅度和中等幅度信號混合(幾十毫伏到幾十伏)的應(yīng)用中,可切換1×/10×探頭要方便得多。但是,可切換1×/10×探頭在本質(zhì)上是一個產(chǎn)品中的兩個不同探頭,不僅其衰減系數(shù)不同,而且其帶寬、上升時間和阻抗(R和C)特點也不同。因此,這些探頭不能與示波器的輸入完全匹配,不能提供標(biāo)準(zhǔn)10×探頭實現(xiàn)的最優(yōu)性能?! ?、低阻無源電壓探頭 大多數(shù)高阻無源探頭的帶寬范圍在小于100MHz到500MHz或更高的帶寬之間。而低阻無源電壓探頭(又稱為50歐姆探頭、Zo探頭、分壓器探頭)的頻率特性很好,采用匹配同軸電纜的探頭,帶寬可達(dá)10GHz和100皮秒或更快的上升時間。這種探頭是為用于50歐姆環(huán)境中設(shè)計的,這些環(huán)境一般是高速設(shè)備檢定、微波通信和時域反射計(TDR)?! ?、無源高壓探頭 “高壓”是相對的概念。從探頭角度看,我們可以把高壓定義為超過典型的通用10×無源探頭可以安全處理的電壓的任何電壓。高壓探頭要求具有良好的絕緣強度,保證使用者和示波器的安全。 二、有源電壓探頭 1、有源探頭 有源探頭包含或依賴有源器件,如晶體管。常見的情況下,有源設(shè)備是一種場效應(yīng)晶體管(FET),它提供了非常低的輸入電容,低電容會在更寬的頻段上導(dǎo)致高輸入阻抗??梢詮南旅娴腦c公式中看出: 2、有源FET探頭 有源FET探頭的規(guī)定帶寬一般在500MHz、~4GHz之間。除帶寬更高外,有源FET探頭的高輸入阻抗允許在阻抗未知的測試點上進行測量,而產(chǎn)生負(fù)荷效應(yīng)的風(fēng)險要低得多。另外,由于低電容降低了地線影響,可以使用更長的地線?! ∮性碏ET探頭沒有無源探頭的電壓范圍。有源探頭的線性動態(tài)范圍一般在±0.6V到±10V之間?! ?、有源差分探頭 差分信號是互相參考,而不是參考接地的信號。差分探頭可測量浮置器件的信號,實質(zhì)上它是兩個對稱的電壓探頭組成,分別對地段有良好絕緣和較高阻抗。差分探頭可以在更寬的頻率范圍內(nèi)提供很高的共模抑制比(CMRR)。
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