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最新消息| 第二章通用示波器及其基本知識 | 2022-03-08 |
| 文章来源：由「百度新聞」平台非商業用途取用"https://new.qq.com/omn/20220223/20220223A01N8K00.html" 如果兩對偏轉板從電子槍射出的電子束不受電場的作用，將沿著直線前進，在熒光屏中心顯示一個靜止的光點。如果對兩對偏轉板上同時加上電壓，電子束的運動情況將取決于水平方向與垂直方向電壓的合成作用。為了顯示電信號的波形，通常在垂直偏轉板上輸入被測信號，再水平偏轉板上加一個線形鋸齒波掃描電壓，該掃描電壓將Y方向所加的信號電壓作用的電子束在熒光屏上按水平方向展開，形成一條“信號電壓—時間”曲線，即信號波形，如圖2-3所示。2.熒光屏示波管前端的內壁上涂有一層熒光物質，形成熒光屏，它是示波器的顯示部分。熒光屏受到高速電子束的轟擊后，把電子的動能轉化成光能，形成一個光點。當電子束的信號偏離后，該點仍會繼續發亮，但亮度會逐漸下降。光點亮度下降到至最大植10%的持續時間稱余輝時間。由于熒光物質的余輝，同時人眼也有視覺暫留，當電子束受偏轉板電場快速偏轉掃描時，我們能看見完整的波形。不同成分的熒光粉，發光顏色不同。普通示波器大都是綠色，高頻示波器多為藍紫色，低頻示波器多為黃色。在使用過程中，應該注意保護熒光屏。二、示波原理電子束從電子槍中發射出來后，受到陽極正電壓的吸引，經偏轉系統向熒光屏方向加速前進。如果偏轉板上不加電壓，則電子束只能徑直射向熒光屏中央，使熒光屏中央出現一個軸光點。如果在Y偏轉板上加一直流電壓，如圖2-4所示，則在兩塊Y偏轉板之間就會產生一個由上向下的電場。當電子束向熒光屏方向加速運動穿過該電場時，受到電場力的作用產生向上的偏轉;如果所加偏轉電壓的極性改變，則電子束將向下偏轉。X軸偏轉的原理與Y軸偏轉的原理相同，可使電子束向左或向右偏轉。在X偏轉板和Y偏轉板上同時施加電壓后，在兩個電場力的共同作用下，電子束就可以上下左右的移動。由于熒光屏的余輝和眼睛視覺暫留的綜合作用，就能在熒光屏上看到亮點所描繪出的各種波形。一般情況下，被測電壓加在Y軸偏轉板上，而X軸偏轉板上加隨時間線性變化的鋸齒波掃描電壓。這時，由于電子束在作垂直運動的同時，又以勻速沿水平方向移動，因而在熒光屏上掃描出被測電壓隨時間變化的波形。如果鋸齒波掃描電壓的周期與被測電壓的周期完全相等，掃描電壓每變化一次，熒光屏上就出現一個完整的被測波形。每一個周期出現的波形都重疊在一起，熒光屏上就能看到一個穩定清晰的波形，如圖2-5所示。如果鋸齒波掃描電壓周期是被測信號周期的整數倍，熒光屏上會穩定地顯示出若干個被測信號的波形。為達到上述目的，調節掃描電壓的頻率可以通過調節示波器面板上的"掃描范圍"和"掃描微調"旋鈕來實現。實際上，由于鋸齒波掃描電壓和被測電壓來自兩個電源，兩個電壓周期的整數倍關系很難長時間保持絕對穩定，因此，需要利用整步作用來保持上述整數倍的關系。整步作用是把信號電壓送人掃描發生器，使鋸齒波掃描電壓的頻率受到被測信號的控制而使兩者同步。這個起整步作用的信號電壓叫"整步電壓"，整步電壓越大，整步作用越強。整步電壓除了可取自被測信號外，還可取自示波器內部的正、負電源。整步電壓的選擇和大小調節可由示波器面板上的"整步選擇"和"整步調節"旋鈕來實現。第三節通用示波器的基本結構一、示波器的組成通用示波器的簡化框圖如圖2-6所示，它主要是由Y（垂直）通道、X（水平）通道和主機部分構成。圖2-6普通示波器簡要框圖首先對這框圖作一概述：Y偏轉通路有兩個相同的輸入通道Y1和Y2。利用電子開關，可以對Y1，Y2輸入信號作選擇，單顯示或同時顯示。Y通道中的時間延遲線能讓被測信號延遲一段時間到達示波管。因為觸發掃描器只有當被觀測的信號到來時才工作，也就是說，掃描需要一定的電平。因此掃描開始的時間總是滯后于被觀測脈沖一段時間，其結果是脈沖的上升過程無法被顯示出來，因為有一段時間掃描尚未開始。延遲線的作用就是把加到垂直偏轉板的脈沖信號也延遲一段時間，使信號出現的時間滯后于掃描開始的時間，這樣就能在熒光屏上掃描出脈沖全過程。如果沒有延遲線，在熒光屏上就看不到被測信號的初始部分。X偏轉通路產生鋸齒形掃描波，作為Y波的時間尺度。通道包括同步觸發電路，掃描信號發生器和X放大器。X通道可不作掃描，而讓外信號放大后加到X偏轉板，實現多功能顯示。當X同步掃描時，可用內部Y信號同步，也可用外信號同步。主機部分包括示波管，Z通道，整機供電電源和校準信號發生器等。示波管的相關知識我們前面已經介紹過了，這里不再綴余；Z通道是用來將X通道產生的增輝信號放大后加到示波管的控制柵極；校準信號發生器是一個標準方波電壓發生器，用已知的準確方波信號去校準X，Y軸的坐標刻度。二、Y通道Y通道即垂直通道，又稱Y軸偏轉系統或垂直偏轉系統。主要包括輸入電路、前置放大器、延遲電路和放大器等幾部分。(一)輸入電路輸入電路又包括測量探頭、輸入衰減器、射極跟隨器等部分。1．探頭的基本作用是增大Y入口的輸入阻抗，即增大輸入電阻、減少并聯電容，從而減弱儀器和連接線對被測電路的影響，便于直接在被測電源上探測信號，從而展寬示波器的實際使用頻帶。探頭按電路原理分為有源和無源兩種。有源探頭的優點是不需要燈絲、輕巧可靠、溫升較小，一般裝有發射極跟隨器，有高的輸入阻抗和低的輸出阻抗。有源探頭可以在無衰減的情況下，獲得優良的高頻工作性能，特別適用于探測高速小信號（通常小于2pF）。無源探頭實際上是一個補償分壓器，如下圖所示的分壓器式無源探頭電路。調整補償電容C1可以得到最佳補償。進行調整時，應一邊查看屏幕顯示波形，一邊微調電容，當示波器上顯示的波形如圖2-7a)時，表明得到最佳補償。過補償和欠補償的波形亦如圖2-7）b、2-7c)所示。圖2-7a)最佳補償b)過補償c)欠補償2．輸入衰減器用來衰減輸入信號，保證顯示屏上的信號不致因過大而失真。示波器要觀察幅度很小的電壓波形，它的靈敏度要設計得很高。當需要觀察幅度較大的信號時，就必須接人衰減器。調節衰減器，可改變示波器的偏轉因數。它常由RC（電阻電容）電路組成，改變分壓比即可改變示波器的偏轉靈敏度。對衰減器的基本要求是：有足夠寬的調節范圍和頻率范圍，準確的分壓系數，高而恒定的輸入阻抗等。3．射隨器起著阻抗變換作用，它的高輸入阻抗使示波器對外呈現高輸入阻抗，減小對被測電路的影響。它的低輸出阻抗容易與后接的低阻延遲線相匹配。亦可以在發射極接一個電位器，以便對波形幅度進行微調。(二)前置放大器前置放大器用來放大被測信號，它是一個寬頻帶、高增益、低噪聲、直接耦合，并且都采用平衡放大電路的放大器。前置放大器應有足夠的電壓增益，這樣有利于減輕內觸發器的負擔，又可使通道轉換器工作在較大信號的情況下，有助于減少干擾和噪音的影響。(三)延遲線延遲線用來將被測信號延時，以補償X通道的延時。因為電壓送到水平放大器使水平偏轉板發生作用的過程中，需經過觸發電路、時基發生器，因此時間會比垂直放大器將信號電壓送到偏轉板的時間稍長。因此，為了使垂直和水平兩條線能夠同步出現，延遲線便產生約200ns的時間延遲，使信號從垂直放大器到偏轉板的時間延后。對延遲線的要求是，它只起時間延遲的作用，而對輸入信號的頻率成分不能丟失，即脈沖通過它時不應產生失真。在帶寬較窄的示波器中，一般采用多節LC延遲網絡；在帶寬較寬的示波器中，一般采用雙芯平衡螺旋導線作延遲線，它可等效為多節LC延遲網絡，延遲時間多為75nsm。為防止信號反射，須注意延遲線前后級的的阻抗匹配。因此，延遲線的輸入級需采用低輸入阻抗電路驅動，而輸出級則采用低輸入阻抗的緩沖器。（四）放大器這里提到的放大器電路包括很多方面，例如：垂直放大器、水平放大器、輸出放大器和內觸發放大器。垂直放大器的作用在于使輸入阻抗增大、放大功率以使垂直偏轉板能有足夠的偏轉工作電壓。水平放大器的主要作用是利用來自垂直放大器的一部分信號電壓做觸發，以產生橫向掃描所需的鋸齒波，并控制水平偏轉板。輸出放大器用來推動Y偏轉板；內觸發放大器用來為同步觸發電路提供足夠的內觸發信號。三、X通道X通道即水平通道，又稱X軸偏轉系統或水平偏轉系統。它是在觸發信號的控制下產生的矩形波掃描電壓，使光點在水平方向上左右移動，并且使X軸坐標與時間呈線形關系。當掃描電壓的正程加到水平偏轉上時，電子束就延水平方向偏轉，形成一條水平時間基線。同時，X通道還產生一個增輝信號，經Z通道送至示波管的控制柵極上，使示波管的電子槍只在電子束從熒光屏最左端偏移到最右端時間內發射出電子束，從而消除電子束在熒光屏上的回掃痕跡，獲得清晰的波形。X通道主要包括同步觸發電路、掃描信號發生器和水平放大器。其結構如圖2-8所示。(一)同步觸發電路同步觸發電路在內接觸發信號或外接觸發信號作用下，把觸發信號變換成具有陡峭前沿的觸發脈沖，觸發掃描發生器，產生矩形波。觸發電路包括觸發源選擇、觸發信號耦合方式選擇、觸發信號放大及觸發整形電路。如圖2-9所示。圖2-9觸發電路的組成1．觸發源的選擇觸發源一般有內觸發（INT）、外觸發（EXT）和電源觸發（LINE）這三種類型。內觸發是將Y前置放大器輸出作為觸發信號，觸發信號與被測信號的頻率是完全一致的，適用于觀測被測信號；外觸發是用外接的、與被測信號有嚴格同步關系的信號作為觸發源，這種觸發源用于比較兩個信號的同步關系；電源觸發是用50Hz的工頻正弦信號作為觸發源，適用于觀測與50Hz交流有同步關系的信號。2．觸發耦合方式選擇好觸發源后，為了適應不同的觸發信號頻率，示波器一般設有四種觸發耦合方式，“DC”直流耦合、“AC”交流耦合、“AC低頻抑制”耦合、“AC高頻抑制”耦合。下面只作簡單介紹。“DC”直流耦合是一種直接耦合方式，用于接入直流或緩慢變化的觸發信號；“AC”交流耦合是一種通過電容耦合的方式，有隔直作用；“AC低頻抑制”耦合也是一種通過電容耦合的方式，與“AC”交流耦合不同的是其電容一般較小，阻抗較大，用于抑制2kHz以下的頻率成分；“AC高頻抑制”耦合只允許通過頻率較高的信號，這種方式常用來觀測5MHz以上的高頻信號。3．放大整形電路由于輸入到觸發電路的波形復雜，頻率、幅度、極性都可能不同，因此需對觸發信號進行放大整形。整形電路的基本形式是電壓比較器，當輸入的觸發源信號與通過“觸發極性”和“觸發電平”選擇的信號之差達到某一設定值時，比較電路翻轉，輸出矩形波，然后經過微分整形，變成觸發脈沖。(二)掃描信號發生器掃描發生器用來產生線形良好的矩形波，現代示波器通常用掃描發生器環來產生掃描信號。掃描發生器環又叫時基電路，常由積分器、掃描閘門及比較釋抑電路組成。時基閘門電路是雙穩態觸發電路。閘門電路產生快速上升或下降的閘門信號，閘門信號啟動掃描儀進行工作，產生矩形波電壓，同時把閘門信號送到增輝電路，以便在掃描正程加亮掃描光跡。釋抑電路的作用是保證每次掃描都在同樣的起始電平上開始，以獲得穩定的波形。當掃描發生器開始掃描時，釋抑電路就“抑制”觸發脈沖繼續觸發，直至一次掃描全過程結束，掃描電壓恢復到其始電平上；此時，釋抑電路才“釋放”觸發脈沖，使之再次觸發掃描發生器。(三)水平放大器水平放大器的工作原理與垂直放大器相類似，也是線形、寬帶放大器，改變X放大器的增益可以使光跡在水平方向得到擴展，或對掃描速度進行微調，以校準掃描速度。改變X放大器有關的直流電位也可以使光跡產生直流位移。水平放大器的作用是為示波器的水平偏轉板提供對稱的推動電壓，使電子束能在水平方向滿偏轉。要使光點滿偏轉，在兩個水平拍偏轉板之間一般需加100~200V的偏轉電壓。四、多波形顯示在熒光屏上如果能同時顯示兩個或兩個以上的波形，則對這些波形之間的對比分析就會非常方便。實現多波形同時顯示的方法有多線示波法和多蹤示波法。（一）多線示波多線示波是利用多槍電子管來實現的。其示波管中有多個相互獨立的電子槍和偏轉系統，多個電子束線在同一個熒光屏上描繪出各自的信號波形。即偏轉系統各自控制電子束的運動而熒光屏共用。因此，測量時各通道各波形之間產生的交叉干擾可以減少或取消，可獲得較高的測量準確度。（二）多蹤示波多蹤示波只有單一電子束線，利用電子開關使在屏幕上顯示出多個波形的蹤跡。多蹤示波器實現簡單，成本較低，因而得到普及應用。在圖2-6中（前面提到）就是一個雙蹤顯示器。它具有Y1、Y2、Y1+Y2和Y1-Y2、交替和斷續五種電子開關方式。Y1或Y2方式只是看Y1或Y2一個信號的波形；Y1+Y2方式是顯示兩信號加在一起的波形；Y1-Y2方式是顯示Y2倒像后與Y1加在一起的波形；而交替和斷續方式才市示波器的雙蹤顯示。交替方式雙蹤顯示如圖2-10a)。第一次掃描時接通Y1通道，第二次掃描時接通Y2通道，交替地顯示Y1、Y2通道輸入的信號。電子開關的頻率，應低于被測信號頻率，掃描頻率又應高于50Hz，開關切換的頻率應高于25Hz，否則人眼就會有輪換的閃爍感，所以交替方式適合于觀察高頻信號。斷續方式如圖2-10b)所示，在一個掃描周期內，高速地輪流接通兩個輸入信號，被測波形由許多線段時續地顯示出來，所以顯示的曲線有斷裂痕跡。當開關頻率遠大于掃描頻率時，屏幕顯示看起來是連續的曲線。因此，斷續方式適用于被測信號較低的情況。第四節通用示波器的一般應用示波器通常反映電壓隨時間推移而變化的特性，因此，它能測量可以變換為電壓的任何時變量。例如，應用示波器工作原理將能量進行變換的“換能器”可將電能變成聲波，這就是揚聲器的基本原理。示波器還經常應用于直接測量某些工作直接依賴與電的設備內發生的瞬變電壓信號，如計算機、自動化控制、電話、電視、電源等。本節將介紹用示波器進行基本測量，即電壓、時間、相位差和頻率等的方法。一、電壓測量（一）直流電壓測量直流電壓測量的方法是：首先，將垂直系統的Y軸輸入短路接地，觸發“電平”電位器置于“自動”，使屏幕上出現一條掃描基線，并按被測信號的幅度和頻率將檔級開關和掃描開關至于適當的位置，然后調節垂直位移電位器，使掃描基線位于坐標的某一特定基準位置。其次，將Y軸輸入耦合開關置于“DC”位置，并加入被測信號。這時，時基線將在Y軸方向產生位移。此時，檔級開關在面板上的指示值，與時基線在Y軸方向上的位移度數的乘積就是被測信號的直流電壓值。（二）交流電壓測量一般的周期性電壓波形都可用示波器測量其峰值。即用類似直流電壓的測量法，測的直流電壓峰值在屏幕上具有的垂直距離Hpp，再用公式Vpp=Hpp*（顯示系數）*（探頭系數）得電壓峰值。二、電流測量用示波器觀測電流信號時，需在被測電流回路中串聯一個精度較高、阻值遠遠小于原有回路的無感電阻。從電阻兩端取出正比于被測電流的電壓信號，送入示波器的Y軸輸入端，示波器熒光屏上顯示的波形即為被測電流的變化波形。測量該電壓信號的雙峰值，并換算成有效值，再利用歐姆定律計算出被測回路的電流值。三、時間測量（一）時間間隔的測量調節顯示的波形易于觀測，波形任意兩點間的時間間隔T等于“tdiv”開關指示值與時基線被測值兩點間距離D的乘積。時間間隔的測量如圖2-11a)所示，即T=D*tdiv（二）時間差的測量使用“交替”或“斷續”的顯示方式測量兩信號的時間差。測量時，將Y軸觸發源開關置于“Yb”位置，相位超前的信號輸入到Yb觸發掃描后，熒光屏上顯示出兩個信號波形。兩信號時間差的測量圖如下2-11b)所示，讀出兩時間差在水平方向上的讀數，按下式計算即可算出兩個信號時間差T的數值。T=D*tdiv圖2-11a)時間間隔的測量圖b)兩信號時間差的測量圖第三節汽車用示波器現今的汽車都采用了微機控制系統，在各零件各系統工作過程中，由各種傳感器或裝置將測得的各種控制信號輸入給車載電腦ECU，經電腦綜合判斷處理后，再向各執行元件輸出各種控制信號。在這整個過程中的電信號不外乎兩種，即模擬信號和數字信號，其基本的波形如下圖2-12所示。圖2-12示波器輸入輸出電信號波形圖在信號傳遞過程中，通常是以電壓和電流的變化為依據的，所以，示波器可以將電壓和電流的任意變化以曲線的形式在顯示器上顯示出來，有的示波器還可以將波形儲存記憶，于是我們就可以通過對波形的分析來判斷故障。我們通常用的示波器一般裝有兩個或兩個以上的測試通道，可以同時對多路電信號進行同步顯示，便于我們分析比較。在現代汽車微機控制系統的檢測診斷中，示波器已經成了必不可少的檢測設備。一、汽車專用示波器的結構汽車專用示波器由傳感器、電控系統和顯示器等組成。以下舉兩個現今汽車檢測中常見的示波器，圖2-13為WFJ-1型汽車發動機綜合測試儀，圖2-14為BOSCH發動機綜合測試儀FSA740。 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