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示波器的基本知识与工作原理介绍(7)

时间:2010-05-14 16:05来源:未知 作者:admin 点击:

  三、示波器的测试应用

  (一)电压的测量

  利用示波器所做的任何测量,都是归结为对电压的测量。示波器可以测量各种波形的电压幅度,既可以测量直流电压和正弦电压,又可以测量脉冲或非正弦电压的幅度。更有用的是它可以测量一个脉冲电压波形各部分的电压幅值,如上冲量或顶部下降量等。这是其他任何电压测量仪器都不能比拟的。

  1.直接测量法

  所谓直接测量法,就是直接从屏幕上量出被测电压波形的高度,然后换算成电压值。定量测试电压时,一般把Y轴灵敏度开关的微调旋钮转至“校准”位置上,这样,就可以从“V/div”的指示值和被测信号占取的纵轴坐标值直接计算被测电压值。所以,直接测量法又称为标尺法。

  (1)交流电压的测量

  将Y轴输入耦合开关置于“AC”位置,显示出输入波形的交流成分。如交流信号的频率很低时,则应将Y轴输入耦合开关置于“DC”位置。

  将被测波形移至示波管屏幕的中心位置,用“V/div”开关将被测波形控制在屏幕有效工作面积的范围内,按坐标刻度片的分度读取整个波形所占Y轴方向的度数H,则被测电压的峰-峰值VP-P可等于“V/div”开关指示值与H的乘积。如果使用探头测量时,应把探头的衰减量计算在内,即把上述计算数值乘10。

  例如示波器的Y轴灵敏度开关“V/div”位于0.2档级,被测波形占Y轴的坐标幅度H为5div,则此信号电压的峰-峰值为1V。如是经探头测量,仍指示上述数值,则被测信号电压的峰-峰值就为10V。

  (2)直流电压的测量

  将Y轴输入耦合开关置于“地”位置,触发方式开关置“自动”位置,使屏幕显示一水平扫描线,此扫描线便为零电平线。

  将Y轴输入耦合开关置“DC”位置,加入被测电压,此时,扫描线在Y轴方向产生跳变位移H,被测电压即为“V/div”开关指示值与H的乘积。

  直接测量法简单易行,但误差较大。产生误差的因素有读数误差、视差和示波器的系统误差(衰减器、偏转系统、示波管边缘效应)等。

  2.比较测量法

  比较测量法就是用一已知的标准电压波形与被测电压波形进行比较求得被测电压值。

  将被测电压Vx输入示波器的Y轴通道,调节Y轴灵敏度选择开关“V/div”及其微调旋钮,使荧光屏显示出便于测量的高度Hx并做好记录,且“V/div”开关及微调旋钮位置保持不变。去掉被测电压,把一个已知的可调标准电压Vs输入Y轴,调节标准电压的输出幅度,使它显示与被测电压相同的幅度。此时,标准电压的输出幅度等于被测电压的幅度。比较法测量电压可避免垂直系统引起和误差,因而提高了测量精度。

  (二)时间的测量

  示波器时基能产生与时间呈线性关系的扫描线,因而可以用荧光屏的水平刻度来测量波形的时间参数,如周期性信号的重复周期、脉冲信号的宽度、时间间隔、上升时间(前沿)和下降时间(后沿)、两个信号的时间差等等。

  将示波器的扫速开关“t/div”的“微调”装置转至校准位置时,显示的波形在水平方向刻度所代表的时间可按“t/div”开关的指示值直读计算,从而较准确地求出被测信号的时间参数。

  (三)相位的测量

  利用示波器测量两个正弦电压之间的相位差具有实用意义,用计数器可以测量频率和时间,但不能直接测量正弦电压之间的相位关系。利用示波器测量相位的方法很多,下面,仅介绍几种常用的简单方法。

  1.双踪法

  双踪法是用双踪示波器在荧光屏上直接比较两个被测电压的波形来测量其相位关系。测量时,将相位超前的信号接入YB通道,另一个信号接入YA通道。选用YB触发。调节“t/div”开关,使被测波形的一个周期在水平标尺上准确地占满8div,这样,一个周期的相角360°被8等分,每1div相当于45°。读出超前波与滞后波在水平轴的差距T,按下式计算相位差φ:

  φ=45°/div×T(div)

  如T==1.5div ,则φ=45°/div×1.5div=67.5°

  2.李沙育图形法测相位

  将示波器的X轴选择置于X轴输入位置,将信号u1接入示波器的Y轴输入端,信号u2接入示波器的X轴输入端。适当调节示波器面板上相关旋钮,使荧光屏上显现一个大小适宜的椭圆(在特殊情况下,可能是一个正圆或一根斜线)。



  由图可见,设Y轴偏转板上的信号u1导前于X轴偏转板上的信号u21/8周期,设u2的初相为零,即φ2=0,因此当u2为零时,u1为一个较大的值。如图中的“0”点。此时,荧光屏上的光点也相应地位于“0”点。随着时间的变化,u1上升,u2也上升,则荧光屏上的光点向右上方移动。当经1/8周期后,u1、u2分别到达“1”点,此时u1到达最大值,u2为一个较大的值,荧光屏上的光点位于相应的“1”。如此继续下去,荧光屏上的光点将描出一个顺时针旋转的椭圆。如果u1滞后于u2则形成一个逆时针旋转的椭圆。当然,这只有在信号频率很低时(如几赫兹),且在短余辉的荧光屏上便会清楚地看到荧光屏上的光点顺时针或逆时针旋转的现象。由上述可见椭圆的形状是随两个正弦信号电压u1、u2相位差的不同而不同。因此可以根据椭圆的形状确定两个正弦信号之间的相位差Δφ。在图5-13中设A是椭圆与Y轴交点的纵坐标,B是椭圆上各点坐标的最大值。由图可见,A是对应于t=0时u1的瞬时电压,即

  A=Um1sinφ1

  B是对应于u1的幅值,即

  B=Um1

  于是 A/B=(Um1sinφ1)/ Um1= sinφ1

  且由于假设φ2=0,所以

  Δφ=φ1-φ2=φ1

  由此可得

  Δφ=φ1=arc sin(A/B)

  同理,相位差Δφ也可用式

  Δφ=φ1=arc sin(C/D)

  来表示。在实际测试中为读数方便,常读取2A,2B(或2C,2D),按式

  Δφ=arc sin(2A/2B)或Δφ=arc sin(2C/2D)

  来计算相位差。

  图5-14所示的各种图形分别表示正弦信号电压在不同相位差时的情况。不难看出,如果椭圆的主轴在第1和第3象限内,则相位差在0°~90°或270°~360°之间;如果主轴在第2和第4象限内,相位差在90°~180°或180°~270°之间。

  (四)频率的测量

  用示波器测量信号频率的方法很多,下面介绍常用的两种基本方法。

  1.周期法

  对于任何周期信号,可用前述的时间间隔的测量方法,先测定其每个周期的时间T,再用下式求出频率f :f=1/T

  例如示波器上显示的被测波形,一周期为8div,“t/div”开关置“1μs”位置,其“微调”置“校准”位置。则其周期和频率计算如下:

  T=1us/div×8div = 8us

  f= 1/8us =125kHz

  所以,被测波形的频率为125kHz。

  2.李沙育图形法测频率

  将示波器置X-Y工作方式,被测信号输入Y轴,标准频率信号输入“X外接”,慢慢改变标准频率,使这两个信号频率成整数倍时,例如fx :

  fy=1:2,则在荧光屏上会形成稳定的李沙育图形。

  李沙育图形的形状不但与两个偏转电压的相位有关,而且与两个偏转电压的频率也有关。用描迹法可以画出ux与uy的各种频率比、不同相位差时的李沙育图形,几种不同频率比的李沙育图形如图5-15所示。

  利用李沙育图形与频率的关系,可进行准确的频率比较来测定被测信号的频率。其方法是分别通过李沙育图形引水平线和垂直线,所引的水平线垂直线不要通过图形的交叉点或与其相切。若水平线与图形的交点数为m,垂直线与图形的交点数n,则

  fy / fx=m / n

  当标准频率fx(或fy)为已知时,由上式可以求出被测信号频率fy(或fx)。显然,在实际测试工作中,用李沙育图形进行频率测试时,为了使测试简便正确,在条件许可的情况下,通常尽可能调节已知频率信号的频率,使荧光屏上显示的图形为圆或椭圆。这时被测信号频率等于已知信号频率。

  图5-16常用频率比的李沙育图形

  由于加到示波器上的两个电压相位不同,荧光屏上图形会有不同的形状,但这对确定未知频率并无影响。

  李沙育图形法测量频率是相当准确的,但操作较费时。同时,它只适用于测量频率较低的信号。

  示波器使用注意事项

  1. 为了仪器操作人员的安全和仪器安全,仪器在安全范围内正常工作,保证测量波形准确、数据可靠、降低外界噪声干扰;通用示波器通过调节亮度和聚焦旋钮使光点直径最小以使波形清晰,减小测试误差;不要使光点停留在一点不动,否则电子束轰击一点宜在荧光屏上形成暗斑,损坏荧光屏。

  2.测量系统- 例如示波器、信号源;打印机、计算机等设备等。被测电子设备- 例如仪器、电子部件、电路板、被测设备供电电源等设备接地线必须与公共地(大地)相连。

  3. TDS200/TDS1000/TDS2000 系列数字示波器配合探头使用时,只能测量(被测信号- 信号地就是大地,信号端输出幅度小于300V CAT II)信号的波形。绝对不能测量市电AC220V 或与市电AC220V 不能隔离的电子设备的浮地信号。(热地是不能接大地的,否则造成仪器损坏,如测试电磁炉。)

  4.通用示波器的外壳,信号输入端BNC 插座金属外圈,探头接地线,AC220V 电源插座接地线端都是相通的。如仪器使用时不接大地线,直接用 探头对浮地信号测量,则仪器相对大地会产生电位差;电压值等于探头接地线接触被测设备点与大地之间的电位差。这将对仪器操作人员、示波器、被测电子设备带来严重安全危险。

  5. 用户如须要测量开关电源(开关电源初级,控制电路) 、UPS(不间断电源)、电子整流器、节能灯、变频器等类型产品或其它与市电AC220V 不能隔离的电子设备进行浮地信号测试时, 必使用DP100高压隔离差分探头。

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