示波器基礎(chǔ)知識(shí)PPT

示波器基礎(chǔ)知識(shí)之一 示波器基礎(chǔ) 1 1 1說(shuō)明和功能 我們可以把示波器簡(jiǎn)單地看成是具有圖形顯示的電壓表 普通的電壓表是在其度盤(pán)上移動(dòng)的指針或者數(shù)字顯示來(lái)給出信號(hào)電壓的測(cè)量讀數(shù) 而示波器則與共不同 示波器具有屏幕 它能在屏幕上以圖形的方式顯示信號(hào)電壓隨時(shí)間的變化 即波形 示波器和電壓表之間的主要區(qū)別是 1 電壓表可以給出祥測(cè)信號(hào)的數(shù)值 這通常是有效值即RMS值 但是電壓表不能給出有關(guān)信號(hào)形狀的信息 有的電壓表也能測(cè)量信號(hào)的峰值電壓和頻率 然而 示波器則能以圖形的方式顯示信號(hào)隨時(shí)間變化的歷史情況 2 電壓表通常只能對(duì)一個(gè)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量 而示波器則能同時(shí)顯示兩個(gè)或多個(gè)信號(hào) 2 顯示系統(tǒng) 一 示波器的顯示器件是陰極射線(xiàn)管 縮寫(xiě)為CRT 陰極射線(xiàn)管的基礎(chǔ)是一個(gè)能產(chǎn)生電子的系統(tǒng) 稱(chēng)為電子槍 電子槍向屏幕發(fā)射電子 電子槍發(fā)射的電子經(jīng)聚焦形成電子束 并打在屏幕中心的一點(diǎn)上 屏幕的內(nèi)表面涂有熒光物質(zhì) 這樣電子束打中的點(diǎn)就發(fā)出光來(lái) 電子在從電子槍到屏幕的途中要經(jīng)過(guò)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng) 在偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)上施加電壓就可以使光點(diǎn)在屏幕上移動(dòng) 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)由水平 X 偏轉(zhuǎn)板和垂直 Y 偏轉(zhuǎn)板組成 這種偏轉(zhuǎn)方式稱(chēng)為靜電偏轉(zhuǎn) 3 顯示系統(tǒng) 二 在屏幕的內(nèi)表面用刻劃或腐蝕的方法作出許多水平和垂直的直線(xiàn)形成網(wǎng)絡(luò) 稱(chēng)為標(biāo)尺 標(biāo)尺通常在垂直方向有8個(gè) 水平方向有10個(gè) 每個(gè)格為1cm 有的標(biāo)尺線(xiàn)又進(jìn)一步分成小格 并且還有標(biāo)明0 和100 的特別線(xiàn) 這些特別的線(xiàn)和標(biāo)明10 和90 的標(biāo)尺配合使用以進(jìn)行上升時(shí)間的測(cè)量 如上所述 受到電子轟擊后 CRT上的熒光物質(zhì)就會(huì)發(fā)光 當(dāng)電子束移開(kāi)后 熒光物質(zhì)在一個(gè)短的時(shí)間內(nèi)還會(huì)繼續(xù)發(fā)光 這個(gè)時(shí)間稱(chēng)為余輝時(shí)間 余輝時(shí)間的長(zhǎng)短隨熒光物質(zhì)的不同而變化 最常用的熒光物質(zhì)是P31 其余輝時(shí)間小于一毫秒 ms 而熒光物質(zhì)P7的余輝時(shí)間則較長(zhǎng) 約為300ms 這對(duì)于觀察較慢的信號(hào)非常有用 P31材料發(fā)射綠光 而P7材料發(fā)光的顏色為黃綠色 將輸入信號(hào)加到Y(jié)軸偏轉(zhuǎn)板上 而示波器自己使電子束沿X軸方向掃描 這樣就使得光點(diǎn)在屏幕上描繪出輸入信號(hào)的波形 這樣掃出的信號(hào)波形稱(chēng)為波形軌跡 影響屏幕的控制機(jī)構(gòu)有 4 輝度 輝度控制用來(lái)調(diào)切波形顯示的亮度 本章中用作示例的示波器所采用的電路能夠根據(jù)不同的掃描速度自動(dòng)調(diào)切輝度 當(dāng)電子束移動(dòng)得比較快時(shí) 熒光物質(zhì)受到激勵(lì)的時(shí)間就變短 因此必須增加輝度才能看清軌跡 相反 當(dāng)電子束移動(dòng)緩慢時(shí) 屏幕上的光點(diǎn)變得很亮 因此必須減小輝度以免熒光物質(zhì)被燒壞 從而延長(zhǎng)示波管的壽命 對(duì)于屏幕上的文字部分 另有單獨(dú)的輝度控制機(jī)構(gòu) 5 聚焦 聚焦控制機(jī)構(gòu)用來(lái)控制屏幕上光點(diǎn)的大小 以便獲得清晰的波形軌跡 有些示波器 例如本書(shū)用作示例的示波器上 聚集也是由示波器自己進(jìn)行最佳控制的 從而能在不同的輝度和不同的掃描下保持清晰的波形軌跡 另外也提供手動(dòng)調(diào)節(jié)的聚集控制 6 掃描旋轉(zhuǎn) 這個(gè)控制機(jī)構(gòu)使X軸掃描線(xiàn)和水平標(biāo)尺線(xiàn)對(duì)齊 由于地球的磁場(chǎng)在各個(gè)地方是不同的 這將會(huì)影響示波管顯示的掃描線(xiàn) 掃跡旋轉(zhuǎn)功能就用來(lái)對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償 掃描旋轉(zhuǎn)功能是預(yù)先調(diào)好的 通常只需在示波器搬動(dòng)后再行調(diào)節(jié) 7 標(biāo)尺照明 標(biāo)尺亮度可以單獨(dú)控制 這對(duì)于屏幕攝影或在弱光線(xiàn)條件下工作時(shí)非常有用 8 Z調(diào)制 掃描的輝度可以用電氣的方法通過(guò)一個(gè)外加的信號(hào)來(lái)改變 這對(duì)于由外部信號(hào)來(lái)產(chǎn)生水平偏轉(zhuǎn)以及使用X Y顯示方式來(lái)尋找頻率關(guān)系的應(yīng)用中是十分有用的 此信號(hào)輸入端通常是示波器后面板上的一個(gè)BNC插座 9 1 2模擬示波器方框圖 CRT是所有示波器的基礎(chǔ) 現(xiàn)在我們已經(jīng)對(duì)它有所了解 下面我們就看一看示波管是怎樣作為示波器的心臟來(lái)起作用的 我們已經(jīng)看到 示波器有兩個(gè)垂直偏轉(zhuǎn)板 兩個(gè)水平偏轉(zhuǎn)板和一個(gè)電子槍 從電子槍發(fā)射出的電子束的強(qiáng)度可以用電氣的辦法來(lái)加以控制 10 示波管的垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括 輸入衰減器 每通道一個(gè) 前置放大器 每通道一個(gè) 用來(lái)選擇使用哪一個(gè)輸入通道的電子開(kāi)關(guān) 偏轉(zhuǎn)放大器示波器的水平偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括 時(shí)基 觸發(fā)電路和水平偏轉(zhuǎn)放大器輝度控制電路用電子學(xué)的方法在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)刻點(diǎn)亮和熄滅掃跡 為使所有這些電路工作 示波器需要有一個(gè)電源 此電源從交流市電或者從機(jī)內(nèi)或外部的電池獲取能量 使示波器工作 任何示波器的基本性能都是由它的垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的特性來(lái)決定的 所以我們首先來(lái)詳細(xì)地考察這一部分 11 1 3垂直偏轉(zhuǎn) 一 靈敏度垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行比例變換 使之能在屏幕上表現(xiàn)出來(lái) 示波器可以顯示峰峰值電壓為幾毫伏到幾十伏的信號(hào) 因此必須把不同幅度的信號(hào)進(jìn)行變換以適應(yīng)屏幕的顯示范圍 這樣就可以按照標(biāo)尺刻度對(duì)波形進(jìn)行測(cè)量 為此就要求對(duì)大信號(hào)進(jìn)行衰減 對(duì)小信號(hào)進(jìn)行放大 示波器的靈敏度或衰減器控制就是為此而設(shè)置的 靈敏度是以每格的伏特?cái)?shù)來(lái)衡量的看一下圖3可以知道其靈敏度設(shè)置為1V 格 因此 峰峰值為6V的信號(hào)使得掃跡在垂直方向的6個(gè)格內(nèi)偏轉(zhuǎn)變化 知道了示波器的靈敏度設(shè)置值和電子束在垂直方向掃描的格數(shù) 我們就可以測(cè)量出信號(hào)的峰峰電壓值 12 1 3垂直偏轉(zhuǎn) 二 在多數(shù)的示波器上 靈敏度控制都是按1 2 5的序列步進(jìn)變化的 即靈敏度 設(shè)置顛倒為10mV 格 20mV 格 50mV 100mV 格等等 靈敏度通常是用幅度上升 下降鈕來(lái)進(jìn)行控制的 而在有些示波器則是用轉(zhuǎn)動(dòng)垂直靈敏度旋鈕來(lái)進(jìn)行 如果使用這些靈敏度步進(jìn)不能調(diào)節(jié)信號(hào)使之能夠準(zhǔn)確的按照要求在屏幕上顯示 那么就可以使用可變 VAR 控制 在第6章我們將會(huì)看到 使用標(biāo)尺刻度來(lái)進(jìn)行信號(hào)上升時(shí)間的測(cè)量就是一個(gè)很好的例子 可變控制能夠在1 2 5的步進(jìn)值之間對(duì)靈敏度進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié) 通常當(dāng)使用可變控制時(shí) 準(zhǔn)確的靈敏度值是不知道的 我們只知道這時(shí)示波器的靈敏度是在1 2 5序列的兩個(gè)步進(jìn)值之間的某個(gè)值 這時(shí)我們稱(chēng)該通道的Y偏轉(zhuǎn)是未校準(zhǔn)的或表示為 uncal 這種未校準(zhǔn)的狀態(tài)通常在示波器的前面板或屏幕上指示出來(lái) 13 1 3垂直偏轉(zhuǎn) 三 在更現(xiàn)代化的示波器 例如我們用作示例的示波器 由于彩用了現(xiàn)代先進(jìn)的技術(shù)進(jìn)行控制和校準(zhǔn) 因此示波器的靈敏度可以在最小值和最大值之間連續(xù)變化 而始終保持處于校準(zhǔn)狀態(tài) 在老式的示波器上 通道靈敏度的設(shè)置值是從靈敏度控制旋鈕周?chē)目潭壬献x出的 而在新型的示波器上 通道靈敏度設(shè)置值清晰地顯示在屏幕上 如圖3所示 或者用一個(gè)單獨(dú)的CD顯示器顯示出來(lái) 14 耦合 耦合控制機(jī)構(gòu)決定輸入信號(hào)從示波器前面板上的BNC輸入端通到該通道垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)其它部分的方式 耦合控制可以有兩種設(shè)置方式 即DC耦合和AC耦合 DC耦合方式為信號(hào)提供直接的連接通路 因此信號(hào)提供直接的連接通路 因此信號(hào)的所有分量 AC和 DC 都會(huì)影響示波器的波形顯示 AC耦合方式則在BDC端和衰減器之間串聯(lián)一個(gè)電容 這樣 信號(hào)的DC分量就被阻斷 而信號(hào)的低頻AC分量也將受阻或大為衰減 示波器的低頻截止頻率就是示波器顯示的信號(hào)幅度僅為其直實(shí)幅度為71 時(shí)的信號(hào)頻率 示波器的低頻截止頻率主要決定于其輸入耦合電容的數(shù)值 示波器的低頻截止頻率典型值為10Hz 和耦合控制機(jī)構(gòu)有關(guān)的另一個(gè)功能是輸入接地功能 這時(shí) 輸入信號(hào)和衰減器斷開(kāi)并將衰減器輸入端連至示波器的地電平 當(dāng)選擇接地時(shí) 在屏幕上將會(huì)看到一條位于0V電平的直線(xiàn) 這時(shí)可以使用位置控制機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)這個(gè)參考電平或掃描基線(xiàn)的位置 15 輸入阻抗 多數(shù)示波器的輸入阻抗為1M 和大約25pF相關(guān)聯(lián) 這足以滿(mǎn)足多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合的要求 因?yàn)樗鼘?duì)多數(shù)電路的負(fù)載效應(yīng)極小 有些信號(hào)來(lái)自50 輸出阻搞的源 為了準(zhǔn)確的測(cè)量這些信號(hào)并避免發(fā)生失真 必須對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行正確的傳送和端接 這時(shí)應(yīng)當(dāng)使用50 特性阻抗的電纜并用50 的負(fù)載進(jìn)行端接 某些示波器 如PM3094和PM3394A 內(nèi)部裝有一個(gè)50 的負(fù)載 提供一種用戶(hù)可選擇的功能 為避免誤操作 選擇此功能時(shí)需經(jīng)再次確認(rèn) 由于同樣的理由 50 輸入阻抗功能不能和某些探頭配合使用 16 位置 垂直位置控制或POS控制機(jī)構(gòu)控制掃跡在屏幕Y軸的位置 在輸入耦合控制中選擇接地 這時(shí)就將輸入信號(hào)斷開(kāi) 這樣就可以找到地電平的位置 在更先進(jìn)的示波器上設(shè)有單獨(dú)的地電平指示器 它可以讓用戶(hù)能連續(xù)地獲得波形的參考電平 17 動(dòng)態(tài)范圍 動(dòng)態(tài)范圍就是示波器能夠不失真地顯示信號(hào)的最大幅值 在此信號(hào)幅值下只要調(diào)節(jié)示波器的垂直位置仍能觀察到波形的全部 對(duì)于Fluke公司的示波器來(lái)說(shuō) 動(dòng)態(tài)范圍的典型值為24路 3個(gè)屏幕 18 相加和反向 簡(jiǎn)單的把兩個(gè)信號(hào)相加起來(lái)似乎沒(méi)有什么實(shí)際意義 然百 把兩個(gè)有關(guān)信號(hào)之一反向 再將二者相加 實(shí)際上就實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)信號(hào)的相減 這對(duì)于消除共模干擾 即交流聲 或者進(jìn)行差分測(cè)量都是非常有用的 從一個(gè)系統(tǒng)的輸出信號(hào)中減去輸入信號(hào) 再進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋壤儞Q 就可以測(cè)出被測(cè)系統(tǒng)引起的失真 由于很多電子系統(tǒng)本身就具有反向的特性 這樣只要把示波器的兩個(gè)輸入信號(hào)相加就能實(shí)現(xiàn)我們所期望的信號(hào)相減 19 交替和斷續(xù) 示波器CRT本身一次只能顯示一條掃跡 然而 在很多示波器應(yīng)用中 常常要進(jìn)行信號(hào)的比較 例如 研究輸入 輸出信號(hào)間的關(guān)系 或者一個(gè)系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的延遲等 這就要求示波器實(shí)際上能同時(shí)顯示不只一個(gè)信號(hào) 為了達(dá)到這一目的 可以用兩種辦法來(lái)控制電子束 1 可以交替地畫(huà)完一條掃跡 再畫(huà)另一條掃跡 這種方法稱(chēng)為交替模式 或簡(jiǎn)稱(chēng)為ALT模式 2 可以在兩條掃跡之間迅速的進(jìn)行開(kāi)關(guān)或斬波切換 從而分段的畫(huà)出兩條掃跡 這稱(chēng)為斷續(xù)模式或CHOP模式 其結(jié)果是在一次掃描的時(shí)間里一段接一段的畫(huà)出兩條掃跡 斷續(xù)模式適合于在低時(shí)基速率下顯示低頻率信號(hào) 因?yàn)檫@時(shí)斬波器開(kāi)關(guān)能快速進(jìn)行切換 交替模式適合于需要使用較快時(shí)基設(shè)置的高頻率信號(hào)的顯示 本書(shū)中我們用作示例的示波器在不同的掃描速度下能自動(dòng)地ALT或CHOP模式以給出最好的顯示效果 用戶(hù)也可以手動(dòng)選擇ALT或CHOP模式以適合特殊信號(hào)的需求 20 帶寬 示波器最生根的技術(shù)指標(biāo)就是帶寬 示波器的帶寬表明了該示波器垂直系統(tǒng)的頻率響應(yīng) 示波器的帶寬定義為示波器在屏幕上能以不低于真實(shí)信號(hào)3dB的幅度來(lái)顯示信號(hào)的最高頻率 3dB點(diǎn)的頻率就是示波器所顯示的信號(hào)幅度 Vdisp 為示波器輸入端真實(shí)信號(hào)值 Vinput 的71 時(shí)的信號(hào)頻率 如下式所示 設(shè) dB 伏 20log 電壓比 3Db 20log Vdisp Vinput 0 15 log Vdisp Vinput 10 0 15 Vdisp VinputVdisp 0 7Vinput一臺(tái)典型為100MHz示波器的頻率響應(yīng)曲線(xiàn) 簡(jiǎn)化的曲線(xiàn)和實(shí)際的曲線(xiàn) 出于現(xiàn)實(shí)的理由 通常把帶寬想象成為叔響曲線(xiàn)一直平坦延伸至其截止頻率 然后從該頻率以 20dB 倍頻程的斜率下降 當(dāng)然 這是一種簡(jiǎn)化的考慮 實(shí)際上 放大器的靈敏度從較低的頻率就開(kāi)始下降 百在其截止頻率達(dá)到 3dB 21 帶寬限制器 使用帶寬限制器可以把通常帶寬在100MHz以上的寬帶示波器的頻帶減小到20MHz的典型值 這樣就降低了噪聲電平和干擾 這對(duì)于進(jìn)行高靈敏度的測(cè)量是非常有用的 22 上升時(shí)間 一 上升時(shí)間直接和帶寬有關(guān) 上升時(shí)間通常規(guī)定為信號(hào)從其穩(wěn)態(tài)最大值的10 到90 所用的時(shí)間 上升時(shí)間是一個(gè)示波器從理論上來(lái)說(shuō)能夠顯示的最快的瞬變的時(shí)間 示波器的高頻響應(yīng)曲線(xiàn)是經(jīng)過(guò)認(rèn)真安排的 這就保證了具有高諧波含量的信號(hào) 如方波 能夠在屏幕上精確的再現(xiàn) 如果頻響曲線(xiàn)下降太快 則在信號(hào)的快速上升沿上就會(huì)發(fā)生振鈴現(xiàn)象 如果頻響曲線(xiàn)下降太慢 即在頻響曲線(xiàn)上下降開(kāi)始得過(guò)早 則示波器總的高頻響應(yīng)就受到影響 使得方波失去 方形 特性 對(duì)于各種通用示波器來(lái)說(shuō) 其高頻響應(yīng)曲線(xiàn)是類(lèi)似的 從該曲線(xiàn)我們可以得到一個(gè)示波器帶寬和上升時(shí)間的簡(jiǎn)單關(guān)系公式 此公式為 tr s 0 35 BW Hz 對(duì)于高頻示波器來(lái)說(shuō) 這個(gè)公式可以表示為 tr ns 350 BW MHz 對(duì)于一個(gè)100MHz的示波器來(lái)說(shuō) 上升時(shí)間為3 5 ns 納秒10 9秒 23 上升時(shí)間 二 在示波器的標(biāo)尺上刻有標(biāo)明0 和100 的專(zhuān)門(mén)的線(xiàn) 用來(lái)進(jìn)行上升時(shí)間的測(cè)量 測(cè)量時(shí)我們先用VAR靈敏度控制機(jī)構(gòu)將被測(cè)認(rèn)號(hào)的頂部和底部分別和標(biāo)有0 和100 的線(xiàn)對(duì)齊 然后找出信