模擬示波器的使用方法

模擬型示波器顯示波形及波形穩(wěn)定的原理
顯示波形原理：
　　當(dāng)被測信號(hào)接適應(yīng)癥示波器Y軸即示波管的Y軸偏轉(zhuǎn)板，例如正弦電壓，若X軸不加交變信號(hào)，從電子槍射出的電子束在垂直方向隨時(shí)間作正弦式上下往返運(yùn)動(dòng)，一般由于頻率較高，看到的實(shí)際就是一條直線。同理若只在X軸加有交變信號(hào)，看到的就只是一條水平亮線。只要是示波器，機(jī)內(nèi)都有一個(gè)鋸齒波信號(hào)電壓發(fā)生器，它的作用是專門可提供加在X軸，隨著鋸齒波電壓從低至高成正比變化，使得電子束從左至右在水平方勻運(yùn)動(dòng)，然后隨信號(hào)的變化立刻回到左邊，開始另一次從左至右的勻速運(yùn)動(dòng)，所以稱為掃描運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)的稱為掃描信號(hào)，這相當(dāng)于在示波器置X為時(shí)間軸，在它的作用下，Y軸原來直線的正弦信號(hào)被展開，若每掃描一周期，Y軸信號(hào)也剛好變化一個(gè)周期，不管頻率多高，因?yàn)槊看螔呙瓒甲呦嗤穆窂?，屏幕上就是一個(gè)完整的被測信號(hào)波形。同理可知當(dāng)T掃=nTy或fy=nf掃(n=1,2,3……)熒屏將顯示n個(gè)完整的Y軸信號(hào)波形，若fy≠nf掃或fy<f掃，由于每次掃描路徑不同，熒屏出現(xiàn)的將是雜亂的線條。因而理解以上原理，學(xué)會(huì)恰當(dāng)?shù)卣{(diào)整示波器上的掃描信號(hào)頻率，使得fy=nf掃是學(xué)會(huì)使用示波器的基礎(chǔ)。

使波形穩(wěn)定的原理：

由于電壓不穩(wěn)定或其它種種原因，被測信號(hào)和掃描信號(hào)的頻率各自隨時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生一些變化，因而單靠手動(dòng)來調(diào)節(jié)掃描信號(hào)，是無法始終保持fy≌nf掃的，所以的示波器內(nèi)還會(huì)有自動(dòng)頻率跟蹤裝置，它的作用就是控制掃描頻率跟隨被測信號(hào)一起變化，即使得兩者同步。顯示波形時(shí)一般是先調(diào)掃描頻率，若波形不穩(wěn)時(shí)，就應(yīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)觸發(fā)電平旋鈕，使波形完全穩(wěn)定。

下面將詳細(xì)講述示波器種類、型號(hào)很多,功能也不同。數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中使用較多的是20MHz或者40MHz的雙蹤示波器。這些示波器用法大同小異。本節(jié)不針對(duì)某一型號(hào)的示波器,只是從概念上介紹示波器在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中的常用功能。

2.1 熒光屏
熒光屏是示波管的顯示部分。屏上水平方向和垂直方向各有多條刻度線,指示出信號(hào)波形的電壓和時(shí)間之間的關(guān)系。水平方向指示時(shí)間,垂直方向指示電壓。水平方向分為10格,垂直方向分為8格,每格又分為5份。垂直方向標(biāo)有0％,10％,90％,100％等標(biāo)志,水平方向標(biāo)有10％,90％標(biāo)志,供測直流電平、交流信號(hào)幅度、延遲時(shí)間等參數(shù)使用。根據(jù)被測信號(hào)在屏幕上占的格數(shù)乘以適當(dāng)?shù)谋壤?shù)(V／DIV,TIME／DIV)能得出電壓值與時(shí)間值。

2．2 示波管和電源系統(tǒng)

1．電源(Power)

示波器主電源開關(guān)。當(dāng)此開關(guān)按下時(shí),電源指示燈亮,表示電源接通。

2．輝度(Intensity)

旋轉(zhuǎn)此旋鈕能改變光點(diǎn)和掃描線的亮度。觀察低頻信號(hào)時(shí)可小些,高頻信號(hào)時(shí)大些。一般不應(yīng)太亮,以保護(hù)熒光屏。

3．聚焦(Focus)

聚焦旋鈕調(diào)節(jié)電子束截面大小,將掃描線聚焦成最清晰狀態(tài)。

4．標(biāo)尺亮度(Illuminance)
此旋鈕調(diào)節(jié)熒光屏后面的照明燈亮度。正常室內(nèi)光線下,照明燈暗一些好。室內(nèi)光線不足的環(huán)境中,可適當(dāng)調(diào)亮照明燈。 

2．3 垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)和水平偏轉(zhuǎn)因數(shù)

1．垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)選擇(VOLTS／DIV)和微調(diào)

在單位輸入信號(hào)作用下,光點(diǎn)在屏幕上偏移的距離稱為偏移靈敏度,這一定義對(duì)X軸和Y軸都適用。靈敏度的倒數(shù)稱為偏轉(zhuǎn)因數(shù)。垂直靈敏度的單位是為cm/V,cm／mV或者DIV／mV,DIV／V,垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)的單位是V／cm,mV／cm或者V／DIV,mV／DIV。實(shí)際上因習(xí)慣用法和測量電壓讀數(shù)的方便,有時(shí)也把偏轉(zhuǎn)因數(shù)當(dāng)靈敏度。

蹤示波器中每個(gè)通道各有一個(gè)垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)選擇波段開關(guān)。一般按1,2,5方式從 5mV／DIV到5V／DIV分為10檔。波段開關(guān)指示的值代表熒光屏上垂直方向一格的電壓值。例如波段開關(guān)置于1V／DIV檔時(shí),如果屏幕上信號(hào)光點(diǎn)移動(dòng)一格,則代表輸入信號(hào)電壓變化1V。

每個(gè)波段開關(guān)上往往還有一個(gè)小旋鈕,微調(diào)每檔垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)。將它沿順時(shí)針方向旋到底,處于“校準(zhǔn)”位置,此時(shí)垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)值與波段開關(guān)所指示的值一致。逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)此旋鈕,能夠微調(diào)垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)。垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)微調(diào)后,會(huì)造成與波段開關(guān)的指示值不一致,這點(diǎn)應(yīng)引起注意。許多示波器具有垂直擴(kuò)展功能,當(dāng)微調(diào)旋鈕被拉出時(shí),垂直靈敏度擴(kuò)大若干倍(偏轉(zhuǎn)因數(shù)縮小若干倍)。例如,如果波段開關(guān)指示的偏轉(zhuǎn)因數(shù)是1V/DIV,采用×5擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)時(shí),垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)是0．2V／DIV。

在做數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)時(shí),在屏幕上被測信號(hào)的垂直移動(dòng)距離與+5V信號(hào)的垂直移動(dòng)距離之比常被用于判斷被測信號(hào)的電壓值。

2．時(shí)基選擇(TIME／DIV)和微調(diào)

時(shí)基選擇和微調(diào)的使用方法與垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)選擇和微調(diào)類似。時(shí)基選擇也通過一個(gè)波段開關(guān)實(shí)現(xiàn),按1、2、5方式把時(shí)基分為若干檔。波段開關(guān)的指示值代表光點(diǎn)在水平方向移動(dòng)一個(gè)格的時(shí)間值。例如在1μS／DIV檔,光點(diǎn)在屏上移動(dòng)一格代表時(shí)間值1μS。
“微調(diào)”旋鈕用于時(shí)基校準(zhǔn)和微調(diào)。沿順時(shí)針方向旋到底處于校準(zhǔn)位置時(shí),屏幕上顯示的時(shí)基值與波段開關(guān)所示的標(biāo)稱值一致。逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)旋鈕,則對(duì)時(shí)基微調(diào)。旋鈕拔出后處于掃描擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)。通常為×10擴(kuò)展,即水平靈敏度擴(kuò)大10倍,時(shí)基縮小到1／10。例如在2μS/DIV檔,掃描擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)下熒光屏上水平一格代表的時(shí)間值等于2μS×(1/10)=0.2μS。

TDS實(shí)驗(yàn)臺(tái)上有10MHz、1MHz、500kHz、100kHz的時(shí)鐘信號(hào),由石英晶體振蕩器和分頻器產(chǎn)生,準(zhǔn)確度很高,可用來校準(zhǔn)示波器的時(shí)基。
示波器的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源CAL,專門用于校準(zhǔn)示波器的時(shí)基和垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)。例如COS5041型示波器標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源提供一個(gè)VP-P=2V,f=1kHz的方波信號(hào)。
示波器前面板上的位移(Position)旋鈕調(diào)節(jié)信號(hào)波形在熒光屏上的位置。旋轉(zhuǎn)水平位移旋鈕(標(biāo)有水平雙向箭頭)左右移動(dòng)信號(hào)波形,旋轉(zhuǎn)垂直位移旋鈕(標(biāo)有垂直雙向箭頭)上下移動(dòng)信號(hào)波形。

2.4 輸入通道和輸入耦合選擇

1．輸入通道選擇

輸入通道至少有三種選擇方式：通道1(CH1)、通道2(CH2)、雙通道(DUAL)。選擇通道1時(shí),示波器僅顯示通道1的信號(hào)。選擇通道2時(shí),示波器僅顯示通道2的信號(hào)。選擇雙通道時(shí),示波器同時(shí)顯示通道1信號(hào)和通道2信號(hào)。測試信號(hào)時(shí),首先要將示波器的地與被測電路的地連接在一起。根據(jù)輸入通道的選擇,將示波器探頭插到相應(yīng)通道插座上,示波器探頭上的地與被測電路的地連接在一起,示波器探頭接觸被測點(diǎn)。示波器探頭上有一雙位開關(guān)。此開關(guān)撥到“×1”位置時(shí),被測信號(hào)無衰減送到示波器,從熒光屏上讀出的電壓值是信號(hào)的實(shí)際電壓值。此開關(guān)撥到“×10"位置時(shí),被測信號(hào)衰減為1／10,然后送往示波器,從熒光屏上讀出的電壓值乘以10才是信號(hào)的實(shí)際電壓值。

2．輸入耦合方式
輸入耦合方式有三種選擇：交流(AC)、地(GND)、直流(DC)。當(dāng)選擇“地”時(shí),掃描線顯示出“示波器地”在熒光屏上的位置。直流耦合用于測定信號(hào)直流絕對(duì)值和觀測極低頻信號(hào)。交流耦合用于觀測交流和含有直流成分的交流信號(hào)。在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中,一般選擇“直流”方式,以便觀測信號(hào)的絕對(duì)電壓值。 

2.5 觸發(fā)

第一節(jié)指出,被測信號(hào)從Y軸輸入后,一部分送到示波管的Y軸偏轉(zhuǎn)板上,驅(qū)動(dòng)光點(diǎn)在熒光屏上按比例沿垂直方向移動(dòng);另一部分分流到x軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖,觸發(fā)掃描發(fā)生器,產(chǎn)生重復(fù)的鋸齒波電壓加到示波管的X偏轉(zhuǎn)板上,使光點(diǎn)沿水平方向移動(dòng),兩者合一,光點(diǎn)在熒光屏上描繪出的圖形就是被測信號(hào)圖形。由此可知,正確的觸發(fā)方式直接影響到示波器的有效操作。為了在熒光屏上得到穩(wěn)定的、清晰的信號(hào)波形,掌握基本的觸發(fā)功能及其操作方法是十分重要的。

1．觸發(fā)源(Source)選擇

要使屏幕上顯示穩(wěn)定的波形,則需將被測信號(hào)本身或者與被測信號(hào)有一定時(shí)間關(guān)系的觸發(fā)信號(hào)加到觸發(fā)電路。觸發(fā)源選擇確定觸發(fā)信號(hào)由何處供給。通常有三種觸發(fā)源：內(nèi)觸發(fā)(INT)、電源觸發(fā)(LINE)、外觸發(fā)EXT)。
內(nèi)觸發(fā)使用被測信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào),是經(jīng)常使用的一種觸發(fā)方式。由于觸發(fā)信號(hào)本身是被測信號(hào)的一部分,在屏幕上可以顯示出非常穩(wěn)定的波形。雙蹤示波器中通道1或者通道2都可以選作觸發(fā)信號(hào)。

電源觸發(fā)使用交流電源頻率信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)。這種方法在測量與交流電源頻率有關(guān)的信號(hào)時(shí)是有效的。特別在測量音頻電路、閘流管的低電平交流噪音時(shí)更為有效。
外觸發(fā)使用外加信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào),外加信號(hào)從外觸發(fā)輸入端輸入。外觸發(fā)信號(hào)與被測信號(hào)間應(yīng)具有周期性的關(guān)系。由于被測信號(hào)沒有用作觸發(fā)信號(hào),所以何時(shí)開始掃描與被測信號(hào)無關(guān)。

正確選擇觸發(fā)信號(hào)對(duì)波形顯示的穩(wěn)定、清晰有很大關(guān)系。例如在數(shù)字電路的測量中,對(duì)一個(gè)簡單的周期信號(hào)而言,選擇內(nèi)觸發(fā)可能好一些,而對(duì)于一個(gè)具有復(fù)雜周期的信號(hào),且存在一個(gè)與它有周期關(guān)系的信號(hào)時(shí),選用外觸發(fā)可能更好。

2．觸發(fā)耦合(Coupling)方式選擇

觸發(fā)信號(hào)到觸發(fā)電路的耦合方式有多種,目的是為了觸發(fā)信號(hào)的穩(wěn)定、可靠。這里介紹常用的幾種。

AC耦合又稱電容耦合。它只允許用觸發(fā)信號(hào)的交流分量觸發(fā),觸發(fā)信號(hào)的直流分量被隔斷。通常在不考慮DC分量時(shí)使用這種耦合方式,以形成穩(wěn)定觸發(fā)。但是如果觸發(fā)信號(hào)的頻率小于10Hz,會(huì)造成觸發(fā)困難。

直流耦合(DC)不隔斷觸發(fā)信號(hào)的直流分量。當(dāng)觸發(fā)信號(hào)的頻率較低或者觸發(fā)信號(hào)的占空比很大時(shí),使用直流耦合較好。

低頻抑制(LFR)觸發(fā)時(shí)觸發(fā)信號(hào)經(jīng)過高通濾波器加到觸發(fā)電路,觸發(fā)信號(hào)的低頻成分被抑制;高頻抑制(HFR)觸發(fā)時(shí),觸發(fā)信號(hào)通過低通濾波器加到觸發(fā)電路,觸發(fā)信號(hào)的高頻成分被抑制。此外還有用于電視維修的電視同步(TV)觸發(fā)。這些觸發(fā)耦合方式各有自己的適用范圍,需在使用中去體會(huì)。

3．觸發(fā)電平(Level)和觸發(fā)極性(Slope)

觸發(fā)電平調(diào)節(jié)又叫同步調(diào)節(jié),它使得掃描與被測信號(hào)同步。電平調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)觸發(fā)信號(hào)的觸發(fā)電平。一旦觸發(fā)信號(hào)超過由旋鈕設(shè)定的觸發(fā)電平時(shí),掃描即被觸發(fā)。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)旋鈕,觸發(fā)電平上升;逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)旋鈕,觸發(fā)電平下降。當(dāng)電平旋鈕調(diào)到電平鎖定位置時(shí),觸發(fā)電平自動(dòng)保持在觸發(fā)信號(hào)的幅度之內(nèi),不需要電平調(diào)節(jié)就能產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的觸發(fā)。當(dāng)信號(hào)波形復(fù)雜,用電平旋鈕不能穩(wěn)定觸發(fā)時(shí),用釋抑(Hold Off)旋鈕調(diào)節(jié)波形的釋抑時(shí)間(掃描暫停時(shí)間),能使掃描與波形穩(wěn)定同步。

極性開關(guān)用來選擇觸發(fā)信號(hào)的極性。撥在“+”位置上時(shí),在信號(hào)增加的方向上,當(dāng)觸發(fā)信號(hào)超過觸發(fā)電平時(shí)就產(chǎn)生觸發(fā)。撥在“-”位置上時(shí),在信號(hào)減少的方向上,當(dāng)觸發(fā)信號(hào)超過觸發(fā)電平時(shí)就產(chǎn)生觸發(fā)。觸發(fā)極性和觸發(fā)電平共同決定觸發(fā)信號(hào)的觸發(fā)點(diǎn)。

2.6 掃描方式(SweepMode)

掃描有自動(dòng)(Auto)、常態(tài)(Norm)和單次(Single)三種掃描方式。

自動(dòng)：當(dāng)無觸發(fā)信號(hào)輸入,或者觸發(fā)信號(hào)頻率低于50Hz時(shí),掃描為自激方式。

常態(tài)：當(dāng)無觸發(fā)信號(hào)輸入時(shí),掃描處于準(zhǔn)備狀態(tài),沒有掃描線。觸發(fā)信號(hào)到來后,觸發(fā)掃描。

單次：單次按鈕類似復(fù)位開關(guān)。單次掃描方式下,按單次按鈕時(shí)掃描電路復(fù)位,此時(shí)準(zhǔn)備好(Ready)燈亮。觸發(fā)信號(hào)到來后產(chǎn)生一次掃描。單次掃描結(jié)束后,準(zhǔn)備燈滅。單次掃描用于觀測非周期信號(hào)或者單次瞬變信號(hào),往往需要對(duì)波形拍照。

上面扼要介紹了示波器的基本功能及操作。示波器還有一些更復(fù)雜的功能,如延遲掃描、觸發(fā)延遲、X-Y工作方式等,這里就不介紹了。示波器入門操作是容易的,真正熟練則要在應(yīng)用中掌握。值得指出的是,示波器雖然功能較多,但許多情況下用其他儀器、儀表更好。例如,在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中,判斷一個(gè)脈寬較窄的單脈沖是否發(fā)生時(shí),用邏輯筆就簡單的多;測量單脈沖脈寬時(shí),用邏輯分析儀更好一些。