《電子技術(shù)基礎(chǔ)技能實訓(xùn)教程》課件-第2章

第2章電容元件的識別、檢測與應(yīng)用實訓(xùn)2.1積分、微分電路波形的觀測2.1電容器及其應(yīng)用2.2

示波器及其應(yīng)用2.3低頻信號發(fā)生器實訓(xùn)2.2

常用電子儀器使用練習(xí)本章小結(jié)

實訓(xùn)2.1積分、微分電路波形的觀測

1.實訓(xùn)目的(1)了解電容器在電子電路中的基本作用。(2)了解示波器、音頻信號發(fā)生器的基本功能和使用方法。(3)提出進(jìn)一步學(xué)習(xí)的問題,啟發(fā)學(xué)生的思維。

2.實訓(xùn)設(shè)備與器件

(1)雙蹤示波器、音頻信號發(fā)生器、萬用表各1臺。

(2)0.01μF、0.1μF、1μF的電容器,5.1kΩ、10kΩ、20kΩ的電阻器各1只。

(3)面包板1塊,硬導(dǎo)線若干,常用工具1套。

3.實訓(xùn)電路及說明

實訓(xùn)時,先將一組R和C元件插在面包板上組成圖2.1(a)或(b)所示的電路,然后按圖2.1(c)連接好線路,將信號發(fā)生器和示波器的各個旋鈕調(diào)至正確位置,即可觀測相應(yīng)的波形。圖2.1微分、積分電路波形觀測示意圖

4.實驗內(nèi)容與步驟

(1)觀測RC電路輸入矩形脈沖電壓時的輸出波形。

取R=20kΩ,C=0.01μF組成RC電路。調(diào)節(jié)信號發(fā)生器,使其輸出幅值為Uo=4V、頻率為f=500Hz的矩形脈沖電壓信號,用示波器(注意:示波器Y軸輸入選擇開關(guān)置于DC位置)觀察電路的輸入電壓ui(t)、電阻電壓uR(t)和電容電壓uC(t)的波形,并將ui(t)和uC(t)的波形繪在表2-1中。

(2)觀測RC積分電路的輸入、輸出電壓波形。

根據(jù)自擬的RC積分電路接線,將幅值為4V、頻率為500Hz的矩形脈沖電壓接到電路的輸入端上。用示波器(示波器Y軸輸入開關(guān)置于DC位置)觀察電路的輸入電壓ui(t)和輸出電壓uo(t)的波形,將波形繪在表2-2中。

(3)觀測RC微分電路的輸入、輸出電壓波形。

根據(jù)自擬的RC微分電路接線,在電路中接入上述同樣的矩形脈沖電壓時,用示波器觀察其輸出電壓uo(t)的波形,并將波形繪在表2-2中。

5.實訓(xùn)結(jié)果與分析

從上面的實訓(xùn)中,我們可以清楚地看到:

(1)若R、C的參數(shù)選擇適當(dāng),則電容充、放電的過程十分明顯,波形也十分清楚;

(2)選用不同的電路參數(shù),電容器充電和放電過程的快慢是不一樣的。因此,需要將示波器的掃描時間調(diào)至相應(yīng)位置;

(3)電壓信號的幅度和周期都能定量地用示波器測量出來;

(4)信號ui必須選用一定幅度、一定頻率的方波信號,不能選擇正弦波信號,這通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器很容易辦到。

2.1電容器及其應(yīng)用

2.1.1電容器的分類1.按結(jié)構(gòu)分類按結(jié)構(gòu)分,電容器主要有三種。(1)固定電容器。固定電容器的電容量是固定不變的,也就是說,不可以進(jìn)行調(diào)整。圖2.2給出了幾種常用固定電容器的外形和電路符號。圖2.2-幾種常用固定電容器的外形及符號

(2)可變電容器?？勺冸娙萜鞯碾娙萘渴强勺兊?可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整,常有“單聯(lián)”、“雙聯(lián)”可變電容器之分。它們一般由若干形狀相同的金屬片接成一組“定片”和一組“動片”,其外形及符號如圖2.3所示。圖2.3“單聯(lián)”、“雙聯(lián)”可變電容器的外形及符號

(3)半可變電容器。半可變電容器也叫微調(diào)電容器,電容量可在較小的范圍內(nèi)調(diào)整變化。其可變?nèi)萘恳话銥槭畮椎綆资し?最高也可以達(dá)到一百皮法左右(以陶瓷為介質(zhì)時)。它適用于整機(jī)調(diào)整后電容量不需要經(jīng)常改變的場合。常見的以空氣、云母或陶瓷作為介質(zhì)的半可變電容器的外形和電路符號如圖2.4所示。圖2.4半可變電容器的外形及符號

2.按介質(zhì)材料分類

按介質(zhì)材料來分,電容器常?？梢苑譃橐韵聨追N:

(1)電解電容器。電解電容器是以鋁、鉭、鈮、鈦等金屬氧化膜作介質(zhì)的電容器,應(yīng)用最廣的是鋁電解電容器。

(2)云母電容器。云母電容器是以云母片作介質(zhì)的電容器。其特點是高頻性能穩(wěn)定、損耗小、漏電流小、耐壓高(幾百到幾千伏特),但其容量小(幾十到幾萬皮法)。

(3)瓷介質(zhì)電容器。瓷介質(zhì)電容器是以高介電常數(shù)、低損耗的陶瓷材料為介質(zhì)做成的電容器。

(4)玻璃釉電容。玻璃釉電容是以玻璃釉作介質(zhì)的電容器,它具有瓷介電容的優(yōu)點,且體積比同容量的瓷介電容小,其容量范圍為4.7pF~4μF,其介電常數(shù)在很寬的頻率范圍內(nèi)保持不變,使用溫度可達(dá)125℃。

(5)紙介電容器。紙介電容器的電極用鋁箔或錫箔做成,絕緣介質(zhì)采用浸蠟的紙,相疊后卷成圓柱體,外包防潮物質(zhì),有時外殼采用密封的鐵殼以提高防潮性。

(6)有機(jī)薄膜電容器。

2.1.2-電容器的型號及命名

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn),電容器的型號命名一般由主稱、材料、特征和序號四部分組成。例如,電容器CJX-250-0.33-±10%各部分的含義為:

表2-3列出了電容器的型號命名規(guī)則,即各種類型的電容器的型號命名中各個部分的表示字母和含義。

2.1.3電容器的主要性能指標(biāo)

1.電容量

電容量是指電容器加上一定的電壓后貯存電荷的能力,其單位為法拉(F)、微法(μF)和皮法(pF)等。皮法也稱微微法,它們?nèi)叩年P(guān)系為

2.標(biāo)稱電容量

標(biāo)稱電容量是指標(biāo)志在電容器上的“名義”電容量。我國固定式電容器標(biāo)稱系列為E24、E12、E6三種(電阻部分已介紹)。電解電容的標(biāo)稱容量參考系列為1、1.5、2.2、3.3、

4.7、6.8(以μF為單位)。

3.允許誤差

允許誤差是指實際電容量對于標(biāo)稱電容量的最大允許偏差范圍。固定電容器的允許誤差如表2-4所示。

4.額定工作電壓

額定工作電壓是指電容器在規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi),長期、可靠地工作所能承受的最高電壓。

5.絕緣電阻

絕緣電阻是指加在電容器上的直流電壓與通過它的漏電流的比值。

6.介質(zhì)損耗

理想的電容器應(yīng)沒有能量損耗,但實際上,電容器在電場的作用下總有一部分電能轉(zhuǎn)換成為熱能,這種損耗的能量稱為電容器的損耗。它包括金屬極板的損耗和介質(zhì)損耗兩部

分,小功率電容器主要是介質(zhì)損耗。

所謂介質(zhì)損耗,是指介質(zhì)緩慢極化和介質(zhì)電導(dǎo)引起的損耗。通常用損耗功率和電容器的無功功率之比,即損耗角的正切值來表示:

2.1.4電容器的識別方法

1.直標(biāo)法

電容器的標(biāo)稱容量數(shù)值有的直接標(biāo)在電容器的表面上,表示方法與電阻器阻值的表示方法基本一樣,用英文詞頭p(皮)、n(納)、μ(微)、m(毫)和F(法)表示,pF(10-12-F)、nF

(10-9F)、μF(10-6F)、mF(10-3F)和F。

2.數(shù)碼法

一般用三位數(shù)字表示電容器的容量大小,單位為pF。第一、第二位數(shù)表示容量的有效數(shù)值,第三位數(shù)字表示位率(即零的個數(shù)),如果第三位數(shù)是9,則乘0.1

3.色標(biāo)法

電容器的標(biāo)稱值、允許偏差用色環(huán)標(biāo)出,其表示方法與電阻器的一樣。此外,電容器的工作電壓也可以用顏色表示,見表2-5。

2.1.5電容器的簡易測試

一般情況下,利用萬用表的歐姆擋可以簡單地測量出電解電容器質(zhì)量的優(yōu)劣,粗略地辨別其漏電、容量衰減或失效等情況。

對于容量較小的固定電容器,可借助一個外加直流電壓(不能超過被測電容的工作電壓,以免擊穿),把萬用表調(diào)到相應(yīng)直流電壓擋,負(fù)表筆接直流電源負(fù)極,正表筆串聯(lián)被測電容后再接電源的正極,根據(jù)表針擺動的情況判別電容器的質(zhì)量,見表2-6。

2.2-示波器及其應(yīng)用

由于它能夠在屏幕上直接顯示電信號的波形,因此人們形象地稱之為“示波器”。如果我們將普通示波器的結(jié)構(gòu)和功能稍加擴(kuò)展,便可以方便地組成晶體圖示儀、掃頻儀和各種雷達(dá)設(shè)備等。若借助于相應(yīng)的轉(zhuǎn)換器,它還可以用來觀測各種非電量,如溫度、壓力、流量、生物信號(能夠轉(zhuǎn)換成電信號的各種模擬量)等。

示波器的種類繁多,分類方法也各不相同。如按照示波管的不同來分,示波器可分為單線示波器和多線示波器;若按照其功能不同來分,示波器又可分為通用示波器和專用示波器兩大類,矢量示波器、邏輯分析儀等都屬于專用示波器;按顯示方式不同也可分為單蹤示波器、雙蹤示波器和多蹤示波器。此外,示波器還有存貯示波器和非存貯示波器之分,存貯示波器還可以分為模擬存貯示波器和數(shù)字存貯示波器兩種。

2.2.1示波器的基本結(jié)構(gòu)

1.示波器的基本組成

雖然示波器的種類很多,但無論哪種類型的示波器,一般都包含有示波管、垂直通道(Y放大器)、水平通道(X放大器)、掃描發(fā)生器、觸發(fā)同步電路和直流電源等六大基本組成部分,其基本結(jié)構(gòu)方框圖如圖2.5所示。圖2.5示波器的基本組成

Y軸通道由輸入電路、前后置放大電路和延遲線等組成,如圖2.6所示,其主要作用是放大Y軸輸入端輸入的信號電壓,以滿足示波管的要求。它是被測信號的主要通道,要求通頻帶、增益及輸入阻抗等指標(biāo)盡量寬一些或高一些。其中,輸入電路由探頭、耦合方式選擇開關(guān)S、衰減器和阻抗變換倒相電路等組成,以適應(yīng)不同類型、不同大小的輸入信號。圖2.6Y通道輸入電路的組成

X軸通道和掃描電路、觸發(fā)同步電路的主要任務(wù)是形成、控制和放大掃描鋸齒波電壓信號,使熒光屏穩(wěn)定而準(zhǔn)確地顯示被測信號的波形,也可以直接放大從X輸入端輸入的信號。

2.示波管的基本結(jié)構(gòu)

普通示波管主要由電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三個部分組成,并密封在一個真空玻璃殼內(nèi)。其作用是把電信號變成發(fā)光的圖像,其基本結(jié)構(gòu)如圖2.7所示。圖2.7示波管結(jié)構(gòu)及其供電電路示意圖

(1)電子槍。電子槍包括燈絲F、陰極K、控制柵極G、預(yù)加速陽極A1、聚焦陽極A2和加速陽極A3等組成部分。

(2)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)是一個靜電偏轉(zhuǎn)系統(tǒng),由水平(Y)偏轉(zhuǎn)板和垂直(X)偏轉(zhuǎn)板組成。

(3)熒光屏。熒光屏的內(nèi)表面上涂有一層熒光粉,它是非導(dǎo)體。當(dāng)電子束轟擊熒光粉時便能激發(fā)產(chǎn)生光點。不同成分的熒光粉發(fā)光顏色不同。一般示波管選用人眼最為敏感的黃綠色。

總之,陰極發(fā)射出的電子流經(jīng)控制柵極限流和第一陽極與第二陽極加速,聚焦形成很細(xì)且具有一定能量的電子束,打到熒光屏上激發(fā)熒光物質(zhì)發(fā)光,并通過控制加在兩對偏轉(zhuǎn)板上的電壓來控制光點的軌跡,從而顯示出相應(yīng)的波形。

2.2.2-示波器顯示波形的原理

1.波形的顯示

如果在示波管的垂直偏轉(zhuǎn)板和水平偏轉(zhuǎn)板上加上不同的電壓uX

和uY,則電子束將作不同的偏轉(zhuǎn),示波器的熒光屏上將會顯示不同的波形。其具體情況如下:圖2.8熒光屏上顯示波形情況

2.同步概念

前面討論的是TX=TY的情況。如果TX=2TY

,也可以在熒光屏上穩(wěn)定地觀察到兩個周期的被測信號的電壓波形,如圖2.9所示。圖2.9TX=2TY時熒光屏上顯示的波形

若TX

不等于TY的整數(shù)倍,熒光屏上顯示的波形將不穩(wěn)定。圖2.10所示為TX

=7TY/8的情況,可見,第一個掃描周期顯示出0~4點間的曲線(正程),并在4點迅速跳到4’點(回程);第二個掃描周期,顯示出4’~8點間的曲線;第三個掃描周期顯示出8’~11點間的曲線。三次顯示的波形并不重疊,這樣,熒光屏上顯示的波形好像是在向右跑動一樣。圖2.10TX=7TY/8時熒光屏上顯示的波形

3.連續(xù)掃描與觸發(fā)掃描

當(dāng)掃描電壓為周期性鋸齒波電壓時,即使沒有外加信號,熒光屏上也能顯示出一條時基線。這樣的掃描稱為連續(xù)掃描,前面介紹過的掃描即為連續(xù)掃描。只有在外加輸入信號(觸發(fā)信號)的作用下,掃描發(fā)生器才工作,熒光屏上才有時基線,而無觸發(fā)信號時,熒光屏上只顯示一個亮點的掃描,稱為觸發(fā)掃描。

觸發(fā)掃描不僅可用于觀察連續(xù)信號波形,而且也適用于觀測脈沖信號波形,特別是持續(xù)時間與重復(fù)周期比(tp/TY)很小的脈沖波。例如,觀測一個脈寬tp=10μs、周期TY

=500μs的窄脈沖信號,若采用連續(xù)掃描,只能采用以下兩種方法:

(1)使掃描電壓周期TX等于被測信號周期TY。若時基線長度為10cm,則脈沖波形在水平方向所占寬度X1=10×tp/TY=0.2cm,即圖像被“擠成”一條豎線,難以看清波形的細(xì)節(jié),如圖2.11(a)所示。

(2)使掃描電壓周期TX等于被測信號uY的脈寬tp,如圖2.11(b)所示。這時波形雖可以展開,但熒光屏上的脈沖部分暗淡,而圖像底部橫線卻非常明亮(被測信號uY原無此橫線)。

顯然,采用連續(xù)掃描來顯示窄脈沖波形是不合適的。若采用觸發(fā)掃描,便能有效地決上述問題,如圖2.11(c)所示。圖2.11連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描觀測電脈沖的比較

2.2.3示波器面板上的開關(guān)和旋鈕

1.電源與示波管部分

(1)電源開關(guān)和指示燈;

(2)輝度(¤)旋鈕:用來調(diào)節(jié)熒光屏上波形的亮度;

(3)聚焦(·)及輔助聚焦(○)旋鈕:兩者配合可以調(diào)節(jié)光點的聚焦,使光點直徑一般不大于1mm;

(4)亮度旋鈕:用來調(diào)節(jié)熒光屏前坐標(biāo)刻度片的照明亮度;

(5)尋跡按鍵:當(dāng)使用過程中出現(xiàn)光跡消失或找不到位置時,按下此鍵能使光跡暫時回到屏幕上來,以方便使用者判斷光跡偏離的方位。

(6)校準(zhǔn)信號輸出插座:如輸出1kHz、50mV的校正方波,可以用來校正Y軸的輸入靈敏度和X軸的掃描速度。

2.垂直(Y軸)通道部分

(1)Y軸輸入插座:用來從Y軸輸入被測信號,一般通過一根帶有探頭的電纜連接。注意其最大輸入電壓的限制。

(2)Y軸移位旋鈕。

(3)Y軸靈敏度選擇(V/DIV)開關(guān)及微調(diào)旋鈕:測量時可根據(jù)被測信號的電壓幅度選擇適當(dāng)?shù)膿跫?使熒光屏上顯示的波形幅度適當(dāng)。V/DIV的數(shù)字表示熒光屏上垂直方向每格距離代表的電壓值。靈敏度選擇一般分為10擋,按1、2、5進(jìn)制分擋,如從0.01V/DIV到5V/DIV有0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1、2、5九擋。微調(diào)旋鈕一般套于靈敏度選擇(V/DIV)開關(guān)上,用于在各擋之間微調(diào)Y軸電壓幅度。

(4)顯示方式開關(guān):一般雙蹤示波器的單蹤顯示有Y1、Y2;雙蹤顯示有交替、斷續(xù)、Y1+Y2等幾種方式。

(5)極性開關(guān):用于控制Y2通道信號在熒光屏上顯示波形相位的“+”或“-”,或與顯示方式開關(guān)配合顯示Y1+Y2或Y1-Y2。一般多為推拉式開關(guān)。

(6)耦合方式(AC、DC、⊥)選擇開關(guān):可根據(jù)輸入信號的類型選擇交流耦合(AC)、直流耦合(AD)或接地(⊥)。

(7)Y軸直流平衡電位器旋鈕:使Y軸通道的直流電平保持平衡狀態(tài)。

3.水平(X軸)通道與掃描部分

(1)掃描速度選擇(T/DIV)開關(guān):一般從0.2μs/div至1s/div按1、2、5進(jìn)制分20擋,可根據(jù)被測信號的頻率高低或速度快慢選擇適當(dāng)?shù)膿跫?方便對波形進(jìn)行觀測。

(2)掃描速度微調(diào)旋鈕:用于各擋掃描速度選擇之間的微調(diào)。一般套于T/DIV開關(guān)之上。

(3)掃描校正電位器:借助機(jī)內(nèi)的1kHz校正方波對掃描速度進(jìn)行校正。

(4)掃描擴(kuò)展開關(guān):它可以使掃描標(biāo)稱值擴(kuò)展10倍,一般是采用按拉式開關(guān)。

(5)X軸移位旋鈕。

4.觸發(fā)同步電路部分

(1)觸發(fā)源選擇(內(nèi)+、內(nèi)-、外)開關(guān):“內(nèi)+”、“內(nèi)-”取自示波器內(nèi)部Y通道的被測信號?！巴狻眮碜浴巴庥|發(fā)式輸入,X外接”插座的觸發(fā)信號。

(2)外觸發(fā)式輸入,X外接插座:此旋鈕有兩個作用,一是供接入外觸發(fā)信號用,外觸發(fā)信號與被測信號具有相應(yīng)的時間關(guān)系;二是作X軸輸入端用,一般外接信號應(yīng)小于12V(指直流電壓加交流峰峰值電壓)。

(3)觸發(fā)電平旋鈕:用以調(diào)節(jié)觸發(fā)信號的電平大小,從而決定掃描鋸齒波信號從哪一點上被觸發(fā),或者說是調(diào)節(jié)開始掃描的時間。

(4)觸發(fā)耦合方式(AC、AC(H)、DC)開關(guān):AC擋與DC擋分別是交、直流耦合狀態(tài),AC(H)抑制了低頻噪音信號的交流耦合狀態(tài)。

(5)觸發(fā)方式選擇(高頻、常態(tài)、自動)開關(guān):“高頻”觸發(fā)是示波器內(nèi)部產(chǎn)生的200kHz的自激信號與被測信號同步;“常態(tài)”為通常觸發(fā)方式;“自動”觀察波形時,不必調(diào)整電平旋鈕,它有利于觀測低頻信號。

(6)觸發(fā)極性(+、-)開關(guān):用以決定觸發(fā)信號是從被測信號波形的上半部還是下半部開始掃描。

(7)穩(wěn)定度電位器:用以改變掃描電路的工作狀態(tài),一般應(yīng)是示波器處于待觸發(fā)狀態(tài)。具體調(diào)整方法為:先將Y軸輸入耦合方式置于“⊥”,將V/DIV開關(guān)置于最高靈敏度,用小

螺絲刀將此電位器順時針旋到底,使掃描電路處于自激掃描狀態(tài),此時,屏幕上會出現(xiàn)一條掃描線。然后,再將電位器逆時針慢慢旋轉(zhuǎn)使掃描線剛好消失,此時掃描電路處于待觸發(fā)狀態(tài)。在此狀態(tài)下使用示波器,只需調(diào)節(jié)電平旋鈕,即能在屏幕上獲得穩(wěn)定的波形,并能隨意調(diào)節(jié)選擇屏幕上波形的起點。

如圖2.12所示,我們給出了巖崎(IWATSU)SS7802數(shù)字示波器的前面板圖。下面列出其英文旋鈕的中文名稱,方便使用者對照。巖崎(IWATSU)SS7806(/7810/7811)的面板也基本一樣,只是增加了一些輔助功能(如存儲功能),具體請參考其使用說明書。圖2.12-SS7802數(shù)字示波器前面板圖

2.2.4示波器的基本應(yīng)用與使用方法

1.電壓的測量

電子示波器可以用來測量直流、交流電壓的幅值和瞬時值以及脈沖電壓的上沖量、平頂和降落等。與普通電壓表相比,電子示波器具有形象、直觀的優(yōu)點。但是,由于視差和固

有誤差等因素的影響,利用示波器進(jìn)行測量也存在準(zhǔn)確度不高的缺點。

1)直流電壓的測量

測量直流電壓時,示波器的Y通道應(yīng)采用直接耦合輸入方式。如果示波器的下限頻率不為零,則不能用于測量直流電壓。測量前,還必須校準(zhǔn)Y軸靈敏度,并將其微調(diào)旋鈕旋至“校準(zhǔn)”位置。具體測量步驟如下:

(1)將Y軸輸入耦合選擇開關(guān)置于“⊥”,采用自動觸發(fā)掃描,使熒光屏上顯示一條掃描基線。根據(jù)被測電壓極性調(diào)節(jié)Y軸位移旋鈕,使掃描基線處于某一特定位置作為0V電壓基準(zhǔn)線;

(2)將Y軸輸入耦合選擇開關(guān)置于“DC”位置;

(3)將被測信號經(jīng)衰減探頭(或直接)接入示波器Y軸輸入端,調(diào)節(jié)Y軸靈敏度(V/cm)開關(guān),使掃描線有較大的偏移量,如圖2.13所示。圖2.13直流電壓的測量

(4)從屏幕上讀出直流電壓值。若熒光屏上顯示的直流電壓的坐標(biāo)刻度為H(cm),示波器的Y軸靈敏度為

SY=0.2V/cm,Y軸探頭衰減系數(shù)K=10(即用10∶1的衰減探頭),

則被測直流電壓為

2)交流電壓的測量

一般采用直接測量峰峰值UXpp的方法測量交流電壓。其具體測量步驟與直流電壓的測量基本相同,區(qū)別在于Y軸輸入耦合選擇開關(guān)應(yīng)該置于“AC”位置,0V的基準(zhǔn)線調(diào)到中間位置,如圖2.14所示。若熒光屏上顯示的信號波形的峰峰值坐標(biāo)刻度為A(cm),示波器的Y軸靈敏度為SY=0.1V/cm,Y軸探頭衰減系數(shù)K=10,則被測信號電壓的峰峰值為圖2.14直接測量UXpp值

3)瞬時電壓值的測量

若待測信號中含有直流分量和交流分量,用示波器測量某特定點瞬時電壓值的方法和直流電壓的測量方法相同。設(shè)待測點為R,其瞬時電壓值為uR,如圖2.15所示,則:圖2.15瞬時電壓值的測量

實際上,上述方法屬于直接測量法。它只有在示波器面板上標(biāo)出了Y軸靈敏度(而且經(jīng)校準(zhǔn))后才能進(jìn)行。用示波器測量電壓還可以采用比較的方法,其具體步驟為:

(1)按直接測量法在熒光屏上顯示出被測電壓波形(如圖2.16中的鋸齒波),調(diào)整Y軸靈敏度(或Y軸增益)旋鈕使波形的

峰峰值達(dá)到適當(dāng)?shù)臄?shù)值;

(2)保持Y軸靈敏度(或Y軸增益)不變,將Y軸輸入信號換成比較信號(或1kHz、0.6V的標(biāo)準(zhǔn)方波),調(diào)節(jié)掃描時間“t/cm”,使標(biāo)準(zhǔn)信號波形穩(wěn)定地顯示在熒光屏上(圖2.16中的方波)。

(3)若標(biāo)準(zhǔn)方波電壓的峰峰值為U2pp,則被測信號電壓的峰峰值為圖2.16用比較法測量電壓

2.時間的測量

1)周期的測量

(1)測量前先對示波器的掃描速度進(jìn)行校準(zhǔn)。具體做法是:在未接入被測信號時,先將掃描微調(diào)置于校準(zhǔn)位置,再用儀器本身的校準(zhǔn)信號對掃描速度進(jìn)行校準(zhǔn);

(2)接入被測信號,將圖形移至熒光屏中心,調(diào)節(jié)Y軸靈敏度和X軸掃描速度,使波形的高度和寬度合適,如圖2.17(a)所示;

(3)讀出信號的周期T。設(shè)掃描速度t=10ms/cm,擴(kuò)展倍數(shù)K=5,則

為了減少讀數(shù)誤差,也可采用圖2.17(b)所示的多周期法進(jìn)行測量。設(shè)N為周期數(shù),則被測信號的周期為圖2.17周期的測量

2)脈沖前沿時間與脈沖寬度的測量

調(diào)節(jié)Y軸靈敏度使脈沖幅度適當(dāng),調(diào)節(jié)掃描速度(t/cm)使脈沖前沿展開一些,根據(jù)熒光屏上坐標(biāo)刻度讀出信號波形在垂直幅度方向的10%與90%兩位置之間的時間間隔所對應(yīng)的距離X,如圖2.18所示。若t的標(biāo)稱值為0.1μs/cm,X=1.5cm,擴(kuò)展倍數(shù)K=5,則脈沖的上升時間為圖2.18脈沖上升時間的測量

因為示波器存在輸入電容,使熒光屏上顯示的上升時間比信號的實際上升時間要大一些。若考慮到示波器本身的固有上升時間tr0的影響,則信號的實際上升時間為

如果tr?tr0,則trx=tr。

脈沖寬度是指脈沖前、后沿與0.5Um線的兩個交點之間的時間間隔tp,假設(shè)它在示波器的熒光屏上對應(yīng)的長度為X(cm),由圖2.19可得圖2.19脈沖寬度的測量

3)脈沖時間間隔的測量

按圖2.20(a)接線,在熒光屏上顯示出u1的波形,記下圖2.20(b)中t1時刻的位置。然后將S指向2,使Y軸輸入u2,再記下u2-波形的相同時刻的位置t2,則所測的時間間隔為圖2.20用單蹤示波器測量脈沖時間間隔示意圖

3.頻率的測量

在無專門的頻率測量儀器的情況下,利用示波器測量周期性信號的頻率簡單而又靈活。其具體方法有兩種:

(1)測周期法確定頻率。

(2)用李沙育圖形測量頻率。將被測信號接入Y通道,斷開機(jī)內(nèi)掃描信號,將已知、頻率可調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)信號接入X通道,如圖2.21(a)所示。當(dāng)調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器的頻率fX使fY∶fX=1∶2時,示波器顯示的波形如圖2.21(b)所示,為某一李沙育圖形。

當(dāng)fY

與fX之比不同時,李沙育圖形的形狀也不相同。若在熒光屏上作相互垂直的兩條直線X和Y,則這兩條直線與李沙育圖形相切,他們與李沙育圖形的交點數(shù)目之比就是兩信號頻率之比。設(shè)水平線與李沙育圖形的交點數(shù)為NX,垂直線與李沙育圖形的交點數(shù)為NY,則有:圖2.21用李沙育圖形測量頻率

當(dāng)兩個信號頻率相同而初相位不同時,李沙育圖形也不同,可能為一條直線、一個圓或一個橢圓等,相應(yīng)的波形如圖2.22中的第一行波形所示。圖2.22中還列出了其他不同頻率比和不同相位差時的李沙育圖形。圖2.22-不同頻率比和相位差的李沙育圖形

4.相位的測量

相位的測量通常是指兩個相同頻率的信號之間相位差的測量。

相位測量的方法一般有多種,下面介紹線性掃描法和橢圓法。

(1)線性掃描法。圖2.23被測信號在熒光屏上顯示的波形圖2.24用內(nèi)外同步測量相位關(guān)系的示意圖

(2)橢圓法。橢圓法也稱李沙育圖形法。用李沙育圖形法測量相位差是示波器作為圖形顯示儀的基本用法。其具體方法是:圖2.25用李沙育圖形法測量相位差

2.3低頻信號發(fā)生器

信號發(fā)生器(SignalGenerator)是一種能提供正弦波、方波等信號電壓和電流的電子測量儀器,一般作標(biāo)準(zhǔn)信號源使用。

信號發(fā)生器的種類很多,依據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)有不同的分類,如根據(jù)測量目的的不同,一般將信號發(fā)生器分為通用信號發(fā)生器和專用信號發(fā)生器兩大類。通用信號發(fā)生器用于普通的測量目的,具有一定的通用性,應(yīng)用面比較廣;而專用信號發(fā)生器則用于某種特殊測量目的,如電視圖像信號發(fā)生器、編碼脈沖信號發(fā)生器等,應(yīng)用面比較窄,是一種專門化的電子測量儀器。

通用信號發(fā)生器根據(jù)其輸出波形的不同,又可分為正弦波信號發(fā)生器和非正弦波信號發(fā)生器。正弦波信號發(fā)生器用于產(chǎn)生正弦波信號,是電子測量中應(yīng)用最為廣泛的一種信號

源,如最常見的音頻信號發(fā)生器。非正弦波信號發(fā)生器則用于產(chǎn)生非正弦波信號,如方波、三角波、鋸齒波等,函數(shù)信號發(fā)生器、脈沖信號發(fā)生器、噪聲發(fā)生器等都屬于非正弦波信

號發(fā)生器。

2.3.1低頻信號發(fā)生器

低頻信號發(fā)生器也叫音頻信號發(fā)生器(AudioSignalGenerator),它能輸出較低頻率的正弦波信號,其頻率和幅度在一定的范圍內(nèi)可以調(diào)整,旨在為生產(chǎn)、科研和教學(xué)實驗提供一種標(biāo)準(zhǔn)的低頻正弦波信號。

作為標(biāo)準(zhǔn)信號源,首先要求其輸出信號的頻率準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好(即在規(guī)定時間內(nèi)頻率的變化率低),且頻譜純度高(即輸出信號的波形接近正弦的程度高);其次要求其輸出幅度范圍寬且連續(xù)可調(diào)(即在小至微伏級,大至幾百伏的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào))、輸出幅度均勻穩(wěn)定(即在整個頻段內(nèi)輸出幅度不發(fā)生變化)、電平指示正確;第三,要求設(shè)備輸出阻抗匹配(低頻信號發(fā)生器為600Ω,高頻信號發(fā)生器為75Ω或50Ω)。有些設(shè)備如高頻信號發(fā)生器還要求能夠輸出已被調(diào)制(調(diào)幅或調(diào)頻)的正弦波信號

1.基本組成

圖2.26是XD-1型低頻信號發(fā)生器的組成方框圖,它主要由RC振蕩器、電壓放大器、輸出衰減器、功率放大器、阻抗變換器、輸出電壓表和穩(wěn)壓電源等部分組成。不同型號的低頻信號發(fā)生器,其組成稍有不同。圖2.26低頻信號發(fā)生器基本組成方框圖

2.基本工作原理

RC自激振蕩器產(chǎn)生的低頻正弦波信號經(jīng)電壓放大器放大到一定的幅度之后,由電平調(diào)節(jié)電位器W和輸出衰減器調(diào)節(jié)后,可直接向負(fù)載提供一定頻率、一定幅度的電壓信號

(如XD-2型低頻信號發(fā)生器)。但是,該自激振蕩器負(fù)載能力較差。

3.面板各主要旋鈕

為了正確地使用低頻信號發(fā)生器,我們必須先弄清楚低頻信號發(fā)生器面板上的各主要旋鈕及其作用。下面以固緯的GAG809/810型音頻信號發(fā)生器為例進(jìn)行介紹。

為了使用方便,低頻信號發(fā)生器的各旋鈕主要集中在其前面板(FrontPanel)上,在后面板(RearPanel)上很少有,如圖2.27所示。圖2.27音頻信號發(fā)生器(GAG809/810)的前面板

4.低頻信號發(fā)生器的使用

無論是哪種低頻信號發(fā)生器,使用前均應(yīng)先仔細(xì)閱讀其使用說明書,熟悉面板上各旋鈕的位置、功能和操作方法。各種低頻信號發(fā)生器的使用大同小異,下面以GAG809/810

型音頻信號發(fā)生器為例介紹,其使用步驟如下:

(1)做好準(zhǔn)備工作。

(2)選擇輸出波形。

(3)選擇輸出頻率。

(4)調(diào)整輸出電壓。

2.3.2-函數(shù)信號發(fā)生器

函數(shù)信號發(fā)生器(FunctionGenerator)是一種能輸出正弦波、方波、三角波和脈沖波等多種函數(shù)波形的低頻信號發(fā)生器。有些函數(shù)信號發(fā)生器還包括數(shù)字頻率計等功能。

1.基本組成

函數(shù)信號發(fā)生器一般由信號的產(chǎn)生、變換和輸出電路等主要部分組成,其功能可以采用多種方法及相關(guān)電路來實現(xiàn)。圖2.28是一種函數(shù)信號發(fā)生器的基本組成原理框圖,它包括正、負(fù)恒流源、對稱控制電路、電子開關(guān)、緩沖器、正弦波整形電路、方波整形電路、輸出放大器和穩(wěn)壓電路等組成部分。圖2.28函數(shù)信號發(fā)生器基本組成原理框圖

2.基本工作原理

上述函數(shù)發(fā)生器的核心部件是三角波發(fā)生器。它利用正、負(fù)兩組恒流源分別經(jīng)過電阻RX向電容CX

充放電產(chǎn)生三角波。當(dāng)“電子開關(guān)”使得“正恒流源”向CX

充電時,其電壓將線性增加;當(dāng)“電子開關(guān)”使得“負(fù)恒流源”向CX

放電時,其電壓將線性減少。“電子開關(guān)”的往復(fù)動作可得到對稱的三角波。若由“對稱控制電路”改變正、負(fù)恒流源電流的大小,將產(chǎn)生不對稱的三角波———鋸齒波。

顯然,在“正、負(fù)恒流源”不變的前提下,只要我們選擇不同的電阻RX及電容CX,就可以得到不同頻率的三角波。

“緩沖器”起到隔離前、后級電路,使之正常工作的作用。

當(dāng)三角波通過“正弦波整形電路”(實際上是三組二極管組成的整形橋式電路)時,利用二極管的對數(shù)特性可以將之整形為正弦波;當(dāng)三角波通過“方波整形電路”(實際上是施密特觸發(fā)器SchmittTrigger)時,可將之整形為方波。順便指出,若使方波通過“微分電路”后,亦可得到正、負(fù)尖頂脈沖波形。這樣,在三角波的基礎(chǔ)上就派生出了多種函數(shù)波形。

“幅度調(diào)整電位器W”和“輸出放大器”可以控制所輸出信號的大小。

3.基本使用方法

函數(shù)信號發(fā)生器的使用方法與低頻信號發(fā)生器的差別不大。主要差別在于函數(shù)信號發(fā)生器多了幾種輸出信號波形的選擇,有的還包括一些其他功能,如GFC-801D6G函數(shù)信號發(fā)生器就包括“函數(shù)信號發(fā)生器”和“數(shù)字頻率計”兩個部分,因此其面板旋鈕開關(guān)也可分為兩個部分。

函數(shù)信號發(fā)生器部分有“波形輸出選擇”(Function)、“頻率范圍”(Range)、“頻率調(diào)整及倍乘器”(Mult)、“直流補(bǔ)償”(OffsetAdj)、“波形對稱”(Duty)旋鈕及“反相”(Inv)開關(guān)等。

實訓(xùn)2.2-常用電子儀器使用練習(xí)

1.實訓(xùn)目的(1)加深對示波器、低頻信號發(fā)生器原理的認(rèn)識。(2)熟悉示波器、信號發(fā)生器面板上各控制旋鈕的名稱、作用和調(diào)節(jié)方法。(3)初步掌握示波器和信號發(fā)生器的使用方法。

2.實訓(xùn)設(shè)備與器材

(1)示波器、低頻信號發(fā)生器、萬用表各1臺。

(2)面包板,電阻、電容等元器件。

3.實訓(xùn)電路與說明

按圖2.29所示連接電路。圖2.29常用儀器使用練習(xí)實訓(xùn)裝置圖

4.實訓(xùn)內(nèi)容及步驟

1)信號發(fā)生器的使用練習(xí)

先不接信號發(fā)生器2,打開信號發(fā)生器1的電源開關(guān)預(yù)熱5min。

(1)調(diào)節(jié)輸出信號的頻率。

(2)調(diào)節(jié)輸出信號的幅度。

(3)用毫伏表測試信號發(fā)生器的輸出電壓。

用毫伏表直接測量信號發(fā)生器在不同“輸出衰減”位置時的輸出信號電壓值,填入表2-7中。

將信號發(fā)生器的“輸出衰減”旋鈕置于-20dB,改變信號發(fā)生器輸出信號的頻率,用毫伏表測量相應(yīng)的電壓值,填入表2-8中。

2)用示波器觀察信號波形

(1)接通示波器的電源預(yù)熱5min左右。

(2)將“觸發(fā)電平”旋鈕順時針旋到底,觸發(fā)沿選擇開關(guān)置于“+”或“-”,觸發(fā)信號源選擇開關(guān)置于“INT”(或相應(yīng)的輸入信號通道,如CH1)。

(3)調(diào)節(jié)“輝度”、“聚焦”和“輔助聚焦”等旋鈕(調(diào)節(jié)輝度時,以看清掃描基線為準(zhǔn),切莫把亮度調(diào)得過大),使屏幕上顯示一條細(xì)而清晰的掃描基線。

(4)將被測信號從Y輸入端輸入,其輸入耦合方式開關(guān)置于“AC”(或任選一通道如CH1)。

(5)調(diào)節(jié)Y軸輸入靈敏度選擇開關(guān)“V/DIV”及其“微調(diào)”旋鈕,控制顯示波形的高度。

3)用示波器測量信號電壓

(1)使信號發(fā)生器1的輸出信號頻率固定在1kHz,并保持其輸出幅度不變。

(2)將示波器靈敏度“微調(diào)”旋鈕旋至“校準(zhǔn)”位置(此時屏幕上顯示的“V/DIV”值代表屏幕上縱向每格的電壓值)。

(3)根據(jù)屏幕上顯示波形高度的格數(shù)直接讀出被測信號的幅度值,即電壓數(shù),將測量結(jié)果填入表2-9中。

4)用示波器測量信號的周期

(1)使信號發(fā)生器1的輸出電壓固定為1V。

(2)將掃描速率“微調(diào)”旋鈕旋至“校準(zhǔn)”位置(此時屏幕上顯示的“T/DIV”值代表屏幕上水平每格的時間值)。

(3)根據(jù)示波器屏幕上一個周期波形在水平軸上所占的格數(shù)直接讀出被測信號的周期,將測量結(jié)果填入表2-10中。

5)用示波器測量信號頻率

信號的頻率可由測得的周期的倒數(shù)求出。此外,還可以用李沙育圖形來測量,其具體方法如下:

(1)按照圖2.29連接好兩個信號發(fā)生器。

(2)信號發(fā)生器1輸出信號的頻率為未知頻率fY,從示波器的Y軸輸入端輸入;信號發(fā)生器2輸出信號的頻率為已知頻率fX,從X輸入端輸入。

(3)調(diào)節(jié)信號發(fā)生器2的頻率,當(dāng)fY與fX成一定比例時,屏幕上將出現(xiàn)一個李沙育圖形。

(4)根據(jù)李沙育圖形和fX的讀數(shù),計算出被測信號的頻率fY。圖2.30李沙育圖形