|
|
' B' x- o+ n5 l0 s3 U4 U示波器的一些基本概念，包括常用功能、符号、信号、波形和探头，以及如何使用示波器实现基本的测量
: V& D- K3 o) j0 c
" u* F4 `& Y0 n0 L
# a/ d; J F; r
% f' C; e5 u/ y9 g# I示波器是电子工程领域中不可或缺的工具。通过掌握示波器的使用技巧和方法，工程师可以更好地应对各种挑战，提升自己的工作能力和专业水平。我们经常在设计研发过程中使用到示波器。本文将介绍示波器的一些基本概念，以及如何使用示波器实现基本的测量。. V2 V& r2 [! B
8 |; r( I' Z1 G: c1 x3 R
01+ Q) ]& B- Y0 k- w- r( c
) L* i1 D5 E3 b1 q: O) h什么是示波器？
0 A1 r+ |) w. I$ h! X& K& n5 }, ]) Y/ J1 y# h- h& k3 J1 i" ?
% I8 ], |4 b6 f( x. T" D2 Z: ~9 D
& C8 f. G( e% p1 O; p. h“示波器是一种电子测量装置，它可以显示电压随时间的函数图。这使用户能够同时观察电压和时间的变化。许多示波器可以在其屏幕上显示多个电压信号，这使我们具有比较这些信号行为的能力。”1 _7 A0 M, R# j
' R* T6 E! k8 n( A8 g
. Z! \: [; y, |! ]6 ^8 B. y
, G% l$ O# s ]* @: `
DigiKey示波器：" f* ]9 ?" O1 _% x; |
! Z, g/ z8 h D0 ^8 }# I+ W$ b
+ I1 ^7 U% h* v2 q. F
& O. s6 x+ Q8 E6 U
0 G( p2 d( x4 d$ I
上图，我们可以看到两个观察结果：
. k- d) N" e6 D3 r+ `7 n波形的峰对峰电压可以沿着纵轴测量。它是五个主要分区，垂直增益设置为200mv/分区(见黄色箭头)，这给出了1伏峰对峰的信号幅度。
s) t4 w& ?. N7 D9 g8 A' N横轴为时间，范围设置为200µs/分频(见白色箭头)。正弦波的一个周期跨越五个主要部分，所以周期是1毫秒，这意味着频率是1千赫。(这个特殊的示波器有一个计数器，在右上角显示信号的频率。)2 d. o& q7 U, r4 U4 j
u" j3 _0 s. w2 {* z) _
, I. |( L* f: r2 O4 `' I
示波器常用的功能：- ]& m" E1 E5 B8 `0 E; ]
. g0 C% ?$ f8 }, K& a' b7 g测量电压、电压差和时间间隔。
/ @% r- O1 E/ ^; x5 k" u8 Z: j2 |9 Q6 i6 H
测量重复信号的频率。
% v/ \, w4 ~. f0 s% c$ k l/ p. ]* u/ E6 `
比较两个或多个随时间变化的信号，并查看它们之间的关系(例如，一个波形上的特定特征是在另一个波形上的特征之前还是之后出现)。4 A3 H; w: D; C( `; P% f
6 E$ h/ o2 q- k捕捉瞬变，故障等特别的行为。
5 A+ A+ i5 h+ \+ |2 ?% t7 a; ~2 J @0 B+ n8 r- Q% [3 U
测量波形的直流和交流部分。
0 t% N2 M ]1 _6 C& k4 l+ [2 S7 [6 n) v, J, l* {
测量波形的各种特性，如峰对峰电压、均方根电压、周期、上升时间、下降时间等。
" e- [' e9 G& d! m8 G& A; Z3 W/ V9 R6 s9 Z- O& U/ ]. ~7 }
检查信号上的噪声，以及修改电路或电缆如何改变信号噪音。' ]! T# b) l: z5 l4 S% E/ ^
1 @! [) z; _, C, `- W通过直观地比较电路的输入和输出波形来寻找电路中的失真——或者使用示波器将它们相减并查看数学差异。& a5 `) J; o# A; ]/ t
6 v5 h$ S$ m5 n! J5 N6 I
符号的解释
# u- l) x: B! ]# U. u| 符号 | 含义 | G | 千兆 | Hz | 频率单位 | k | 千 | m | 毫 | M | 兆 | n | 纳 | p | 皮 | s | 秒 | S/div | 秒/格（division），示波器的时基设置(即扫描速度) | V/div | V/格（division），示波器垂直放大器的垂直增益 | Vpp | 峰对峰电压(V) | Vrms | RMS(均方根)电压(V) | Ω | 欧姆 | µ | 微 |
7 H8 N# S- i! A, e1 `$ p
1 y6 L9 J+ w; }9 [2 ]2 T* l* y
' R, w2 `" r( u9 O4 `$ o3 U* g02% X: D6 T. C1 Y+ z; o* @9 i8 H
5 q7 Q+ h6 A' o读取示波器基本信息- {! l8 J2 l( L# }9 I- t5 u: }
+ ~3 A$ T1 f% b( n; b2 r
, {' v) R. F( r
信号与波形8 j9 Q( o# l0 P& ^: H7 K0 G2 ^* A
4 E. \8 w. c3 K; c5 I6 G
就示波器而言，“信号”一词是指可能随时间变化的电压。其中一个区别是信号是否具有周期性。周期性意味着信号在不同的间隔内重复地取相同的一组值。正弦波是周期性波形的一个例子。让我们来看看它的一些特征：
# g5 x4 I7 R7 Y
8 \, p. w. l2 p2 ~8 D5 {0 r* m! v% m正弦波：& c2 `% S* ? U/ T8 m1 a0 q' t
+ K( l, g9 P1 F3 B
& h8 _1 h3 _. E) a# _; b- H& Q J7 m7 ?/ D5 D6 V8 P- g6 X
非正弦波形：) Q, W0 u# L' s. E8 \
" Q, }; B* x" _8 K8 z! O
( u% A& `2 `0 v0 Z4 e7 ^A - 方波2 H! h7 y2 ]: H. {
B - 脉冲波
6 K1 ]7 n* ~, p ], f
0 O) _& c( A" F ~/ n: R" ? n) wC - 三角波* s7 y* ~% z$ G2 T& h
8 L& d' b2 j; \
D - 斜波（也叫锯齿波）
7 K) s$ m3 Y7 e4 }! e- s. V- M* B* ?+ c
E - 整流正弦波( E( H/ L; X2 x/ |+ L9 i' x/ Y
' d: b, D, I6 m; C8 HF - 平方根波（振幅与波周期开始时间的平方根成正比）
) t' @& t* v. O Q& l. m+ L3 \- j: N3 t' B |
屏幕格线
/ ~) `6 d3 S# B( f: Y- x" P
6 F4 E$ B, T& D9 x* a最原始的测量技术是使用屏幕上的格线和计算格数。
9 `9 W: s/ b6 F5 `6 H2 a
2 Z R% G" z" N* X% n9 [/ w' i举例：
7 ^5 n c5 f# N. X
. H+ H2 K9 x I" g: ITeledyne的HDO4104A7 x' e; J' A& n: _" @
4 d2 ?4 j% k2 L4 v% s z/ }! C! K
下图显示了五个周期的正弦波：
5 V/ K( ^7 P- [5 K" E1 H: ]! D; f. y& T \ ?
# a0 C: v' Z( z8 L6 G( b
$ i3 e3 m; l6 b( V0 H8 q! S正弦波轨迹在垂直方向上覆盖六格，乘以每格50毫伏(mV)的垂直比例系数（见通道1描述符方框），即可算出正弦波振幅为300mV（峰峰值）。同样，正弦波的周期覆盖了两个水平的栅格，时基描述符方框中的每格为100纳秒(ns)，因而周期为200ns。* Z, C, D3 F7 u# Z# q7 w5 m+ ?
2 D W5 d. }( ]5 M2 i
计算格数的方法似乎有些原始，但它是进行基本测量的非常快捷的方法。
3 [5 M) B0 Q, j- o% y" e0 `! N" s/ `- l7 F
. V5 Z* Q' ]* f( ]& G1 i, S03* l* i, d Y/ o6 R: [4 `8 _
3 w# i: z+ R/ [7 d; k3 V0 O( p) N示波器探头
- o) {9 _7 a" p3 A$ _# G+ B" M# e8 k2 B& q" e' l; W, u$ C: A
/ m! O r+ Z! ]$ b1 A
探头分为很多类型，包括：高阻抗无源、低电容、单端有源、差分有源、高电压和电流探头。其中，无源探头很常见。
3 O/ u; `3 q7 @- a: U3 r0 M* ]; l" ^9 C" p
实际测量信号，有可能会很大，超出了示波器的输入阈值。这时就需要一个带有衰减器的探头，比如常见的10X探头，可以使输入信号衰减10倍。
& A8 {* F F9 L- L0 b) ?# ?1 c% B4 I" x
; U& h- x6 N1 W" Z s2 H1 tDigilent的460-004示波器探头1X/100X- b3 H) r" f& M- j* l: G! O, X
/ U! U" }9 r, f9 ? F# B还有一种1X/10X探头也很受欢迎，因为它们在探头体内包含一个开关，可以让您在1X位置，10X位置和输入线连接到地线的位置之间切换。然而，1X/10X探头的一个缺点是：当您需要它处于10X位置时，您可能会意外地将它留在1X位置。这可能导致定性和定量测量误差，因为衰减不是您所期望的，频率响应与10X位置的频率响应有很大不同。- E& h( {1 w% ~) G/ r' p2 D9 b
3 @1 m, m L& ?/ a- O示波器通常提供50Ω或1MΩ的输入端口。50Ω端口通常与匹配的同轴电缆配合使用，以连接到带50Ω电流源的电路元件。6 H1 h1 t7 N: \' q4 A- x% B$ h
# d2 K4 v2 p7 X4 G
# K7 _; X' S4 d2 ?+ k0 D( x
2 ?2 A! {) s0 S9 Y# n! V3 W# O0 c使用1MΩ输入端接来连接电路时，源阻抗更高。这种连接可以通过多种方式实现，包括直接使用电缆或X1探头，或者使用高阻抗探头。: s7 ?6 |4 N2 h* L
8 c4 D7 u$ e/ ?7 j. D/ KDigiKey示波器探头：
4 b: ]6 A6 O! L- W/ [' _$ a: D4 g: T8 y
探头连接$ Q i* ?" a) t' h6 S# o
% D0 ^) \. x. z& H( M$ C3 o4 v4 T1 E
! }: ?7 `7 T3 d将探头上的开关设为1X，将探头连接到示波器上的通道1。要做到这一点，将探头连接器中的槽与CH 1 BNC上的键对齐，推动连接，并向右扭转以将探头锁定到位。将探头尖端和参考导线连接到probe COMP连接器上。2 q; m* q4 R6 ~% j
+ u4 V4 w$ c4 O
3 X D; x6 h! i
高阻抗探头的低频率补偿
+ ~! e' l0 M0 v/ h# \2 S/ t( y: {& b! W7 y) O5 `8 t
w3 t! k8 S, W0 R% O6 \+ _5 X高阻抗探头通过低频率补偿过程，与它们连接到的通道相匹配。对于这个过程，所有示波器都提供低频率方波，一般频率为1kHz，通常称为CAL输出。要利用这项功能，请首先将探头连接到所需的通道，然后将探头尖端连接到CAL输出端。触发示波器并在屏幕上查看选定通道轨迹。使用调节工具，在探头连接器盒中更改补偿调节，以获取方波轨迹上的方角，如中间的轨迹所示。
5 |% A+ {* |6 R7 `4 w# p
* n3 f! j- P$ W t& a: t* ]) D
! H D5 X4 a7 R* k/ R* k9 h/ }
每当探头连接到不同通道时，就应该进行补偿，特别是在任何关键测量之前。很多高阻抗探头还提供高频补偿调节。通常不需要执行这种调节。探头手册提供了此测试的详细信息。
( A3 [1 A, ~( W
7 x2 B; S8 l7 G3 m! n
1 \ R8 }2 z' M. \+ j: E: q9 K E* W! {% H6 Q& U
04
8 N" t+ U( ^- Y1 m( X/ c: d( _- b7 u' U5 O& u* ^
如何使用示波实现基础的测量？
2 z5 p- h- C$ X9 v U. f5 a( U8 h
; r+ `3 @0 o- r9 T2 e y
示波器显示电压与时间的关系，并测试所显示的波形。不同的测量技术，如刻度，游标和自动测量模式的使用。4 |8 L" N( Q y- Z% `+ m8 i" t0 c
" @/ u6 j+ K3 L5 l5 e
我们使用B&K的2190E来举例：
, T0 B( o$ h9 [# v: [
. y* X4 W1 z% M3 a5 A, l1 r2 N4 D& ~7 {! c% B
) h5 B4 x5 j K G% ]0 o' w/ F1 ?2 X. v0 X& D1 [- e) W. V
自动测量模式：
; }0 Z: Z: P1 ]) R6 L! m3 f, k; D. ?. ?. y" [1 d' i. ]; [9 L3 u7 o' _4 t
此模式将在自动测量时生效。仪器在自动测量参数时将显示光标。这些游标显示了这些测量的物理意义。
! \1 N/ d0 d9 v+ O( p% {( J# p* s2 I( w. _" ?' o- e3 Y
要进行自动游标测量，请遵循以下步骤：
' n# ~: ?& {/ y4 n
l5 @- ~' b* V9 c. ]) B1. 按光标键，进入“游标测量菜单”。
, M9 q, Y& w. v6 w+ s8 M1 S3 }
. D* e4 F8 e& O# m+ O2 @7 r* \2. 按“游标模式”单选按钮选择“自动”。$ p! ?: q N |. \* M, M
1 h1 T4 W" e7 w% L3. 按“MEASURE”键，进入“自动光标测量模式菜单”，选择要测量的参数。) {+ V: ^$ M, C2 D A! t
' T! q* w2 U; _8 _! `+ d6 R4 @图片/ `+ }$ \* B# d
. Z9 Y W- A' b: g3 Y7 c7 B T
当你进行自动测量时，示波器会为你完成所有的计算。测量使用内存中所有记录的点，这比使用光栅线或光标测量更准确，因为这些测量仅限于使用显示器上的点，而不是示波器记录的所有数据点。
+ }1 f2 i3 t2 J$ }5 e: e
, K7 h" S+ ?, X4 C7 T按“MEASURE”键，自动测试。
( j l I' d4 u$ q
G# D5 z( }" v有三种自动测量类型:电压测量，时间测量和延迟测量。总共有32个测量参数。
" U+ k' G, G4 w w
O. b3 r9 L1 H5 K3 m6 A如果要测量电压参数，请按照以下步骤进行：
- |; P& S2 S7 T! F; l* x$ B0 ^
9 e3 S: w2 k7 n$ t- {/ r1. 按“MEASURE”键，进入“自动测量”菜单。- @' r4 J) N& C
$ ?1 J4 q7 ^3 U+ E$ p( V2. 按下第一个单选键，进入“二次测量”菜单。
/ L0 U! P! X+ p n- p
* D% K. I, {! }3. 选择测量类型。如果按下“电压”单选按钮，屏幕上会显示“电压测量”菜单。- u) @+ m: w0 b, i$ M- v5 a) u
6 k. C- D% H9 w, x" s3 v/ b6 ~5 i
4. 按“信号源”单选按钮，根据输入信号通道选择“CH1”、“CH2”。) Z7 N% V. U4 ~$ J4 K6 i# {7 Z9 F
9 M$ ~* e+ U& Q& m) b, s d% l# V/ k
5. 按“类型”单选按钮，选择要测量的参数类型。测量参数下方会显示相应的图标和数值。2 b. t( F, G) T( o$ E \
9 @) `) V' o8 e. V9 b1 w0 K1 {- b
4 T7 S! I% O& r7 Q) Y& J; m
, M" |# F! W) M-测量Vpp参数
0 a. s* E* D% C/ A, ?% z: |5 w. {9 i4 q- |6 B
6. 按“返回”单选键，返回“自动测量”菜单首页。选中的参数和对应的数值将显示在首页的顶部位置。
( H4 @/ [6 P9 v4 I6 _% ]: ?5 E
* }/ T2 W# a5 l8 A您也可以用同样的方式在相应位置显示其他参数及其值。屏幕可以同时显示5个参数。0 v1 T) I' x! m
2 e1 i) f) l! }- f5 V' l, @6 U V如果想使用所有测量功能测量时间参数，请按照以下步骤操作：
8 e) K! W* o3 [+ E) S
& V3 _2 T0 ], X; N. _1. 按“MEASURE”键，进入“自动测量菜单”。
% T. A; ]; S! _2. 按顶部单选按钮，进入“自动测量菜单”第二页。
) q1 B; U% V' X+ b3. 按“All Measure”单选按钮进入“All Measure菜单”。' G* [' E% D# |9 e
4. 按“信号源”单选按钮，选择输入信号通道。
* ^* _" w% B2 R) ^5 x }( e( k: Y5. 按“时间”单选按钮选择“开”。现在所有的时间参数值会同时显示在屏幕上，如下图所示。
- B0 a* B2 w7 u" G8 h( d; L
( O5 s+ [# m3 V, k- n: k" ^7 l6 w3 \. b8 M, E" J- l. i5 q9 N
' v9 [8 L$ O, ?$ I h3 H+ U; l9 J$ t9 f5 W& e9 U' \
测量所有时间参数+ k" e" w/ I: |- L5 O& y
最后
8 p" M9 H7 W, q5 W: B E3 Q0 x
掌握示波器的使用对于工程师来说具有重要的意义。通过示波器，工程师可以更加深入地了解电路的工作原理，提高故障排查的效率，优化电路性能。同时，示波器的自动测量功能能够大大节省工程师的时间和精力，使其更加专注于解决实际问题。因此，作为一名工程师，学会使用示波器是必备的技能之一。
0 |& ]: i) E$ O7 C5 S# L7 ~9 ?
|
|
发表于 2008-5-15 21:26:12