示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像,便于人们研究各种电现象的变化过程。在开始选择之初,你心中已大概有一价格范围。示波器的价格取决于多方面因素,包括带宽、采样率、通道数以及存储深度等。如果你只以价格为依据来购买,最终你有可能买不到你所需要的性能。所以当购买设备时,首先需要确定一些因素,具体如下:
1、确定你需要模拟还是数字示波器
数字示波器和模拟示波器各有其优缺点。现代技术的发展使数字正确选用示波器的十个步骤示波器功能更强,响应更快而且价格也逐渐降低。这些优势使得模拟示波器很难与先进的数字示波器相匹敌。
2、确定你对带宽的要求
测量交流波形的仪器通常都一频率上限,如果波形的频率在此之上则测量精度会变差。这频率上限就是仪器的带宽。通常用仪器响应降低3bB处的频率来定义,你所需仪器带宽的数值取决于被测信号的特征以及你希望得到的测量精度。示波器有两重类型的宽度,即重复(或模拟)带宽及实时带宽。很多数字示波器提供的模拟带宽比其基本采样率要高。这一点是可能的,如果一信号重复出现,示波器并不一定要在一次完成所有的采集,而可以通过在每—次触发发生时获取波形的一部分,在多次循环触发之后构成显示波形。(这过程通常很快,以致你不会注意到它的发生),重复带宽指标独立于示波器的采样速率。事实上,这一指标通常用来衡量示波器模拟放大器部分的带宽。实时带宽适用于非重复或单次信号。示波器在一次触发过程中完成数字化,所以实时带宽取决于示波器的采样率,采样率与带宽之间的比值不是固定的。如果示波器有数字重构能力,这比值接近于4:1,如果没有重构,这比值通常是10:l。
3.确定你所需要的通道数
一般来讲,你所需要的通道数取决于被测对象。目前以双通道示波器较为流行。然而对大多数工程师来讲,对于某些应用,四通道示波器更为有用。
下面几点应该予以考虑:你需要在同一触发事件捕获多通道信号吗?如果是这样的话,请选用每个通道可以同时采样或独立A/D变换的示波器。如果你观测的信号是重复信号,那么就不一定要求同时采集了。某些示波器是2+2形式的,也就是说,其中两个通道是全功能的,而另外两个通道是衰减范围受限制的辅助通道。在这种情况下,两个A/D变换器由四个通道共享。辅助通道在你观测数字信号时可以提供额外的灵活性。对于双通道示波器,外触发可能很有用处。它可以用一无需观测的信号作为外触发源,而不占用示波器的输入通道。如果你要进行数字定时测量,要求超过四个通道的示波器时,你不妨考虑使用逻辑分析仪。尽管此时你放弃了测量的垂直分辨率,但你获得了多个通道以及额外的触发及分析能力。
4.确定你所需要的采样速率
对于单次信号测量,最关键的性能指标是采样速率,即示波器对于输入信号进行“快速拍照”的速率。高采样速率可以产生高实时带宽以及高的实时分辨率。大多数示波器生产厂商采用采样速率与实时带宽为4:l(如果采用数字重构技术)或10:1(没有数字重构)的比例来防止出现假波。某些示波器提供了独立控制采样速率的功能,这样你可以同时调节采样速率和屏幕显示的数据量(时基),使二者设置不必互相牵制。这一特征可以使你保持你所希望的时间分辨率来观测波形。
5、确定你所需要的存储深度
你所需要的示波器存储深度取决于要求的总时间测量范围以及要求的时间分辨率。如果你想以高分辨率存储长时间段信号,那么你需要选择深存储示波器。这样,你可以在水平扫描速度低的情况下,采用高采样速率。由此将大大减少出现假波的机会,并且获得更多的波形细节信息。
下列算式可以帮助你计算你所希望的存储深度。
6、考察评估触发能力
很多通用示波器用户习惯于采用边沿触发。在某些应用场合,如果示波器具有其它触发能力,你将会发现它对你的测量会很有帮助。先进的触发功能可以隔离出你所希望观测的事件。在数字应用领域,使示波器触发在多通道之间的特定模式对解决问题很有用处。此外,状态触发可以用来使模式触发与外时钟沿同步。毛刺触发在正或负毛刺发生的时刻或者一脉冲宽于或窄于设定的宽度。这些特征对故障查错尤其重要,触发在错误发生的时刻,观察前向事件(采用延时或水平位置旋钮)来确定问题产生的原因。如果需要更高级的逻辑触发功能,你仍然可以考虑采用逻辑分析仪。电视信号触发可以触发在场以及你需要观测的特定行上。在某些示波器上,该特征是选项功能。
7、评价毛刺捕捉能力
三个重要因素影响示波器的毛刺捕捉能力:更新速率:数字示波器必须首先捕获数据然后进行处理,最后进行显示。示波器在一秒钟内可以完成这三个过程的次数称为更新速率。更新速率快的示波器捕捉偶发毛刺的机会比较高。采用多处理器结构的示波器比传统的单处理器结构示波器具有更快的更新速率,使它更适用于捕捉偶发事件。多处理器结构可以产生与模拟示波器相近的显示吞吐能力和响应速度。
峰值检测能力:大多数数字示波器在低扫速时将丢掉采样点,从而降低了有效采样速率。由此引发了这样一个问题,在设定成快速时基时很容易观察到的窄脉冲在扫速低时消失了。然而对于峰值检测或毛刺检测这一特殊采样模式,在所有的扫描速度下均维持最大采样速率,把每一采样周期获得的最大和最小值记录下来。可以检测到的最小毛刺只与示波器的采样速率有关。
毛刺触发:具有毛刺触发功能的示波器可使你隔离出难以发现的毛刺并且触发在毛刺发生时刻。这一功能可以帮助你发现电路运行过程中发生异常情况的原因。
8、确定你所需要的分析功能
利用自动测量以及示波器内置的分析能力,你可以即容易又省时地完成工作。数字示波器通常具有模拟示波器不可能拥有的顺序测量功能和分析选件。算术运算功能包括有加、减、乘、除、积分和微分。统计测量(最小、最大和平均)可以定量描述测量的不确定性,这在测量噪声特征以及定时容限时是很有价值的。有些数字示波器还可以提供FFT功能。具有—卜述所有先进功能的示波器可能在价格上要高一些,所以你自己应该决定花费额外的钱是否物有所值。你可以还是根据实际应用来选择拥有这些特征的示波器。
9、评价存档能力
大多数数字示波器可以通过GPIB、RS-232或者并行口与PC,打印机或绘图仪相连接。但你应弄清楚可以提供哪一种接口,可与哪种类型打印机相匹配。从激光和喷墨打印机输出的效果比热打印输出的质量要高得多,这一点你应该心中有数。利用带有软盘驱动器或软件包的数字示波器,你可以方便地将波形的图像和波形数据传送至PC机。如果你想在一份报告中包含一幅捕捉到的屏幕图像或者想要把波形数据转换成表格,那么这些特征会节省时间。
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示波器在用测量信号时,可以按以下方法操作。
1、切换开关的位置
将示波器的探头连接到垂直输入端( VERT、INPUT),并将切换开关的位置拨到AC(测交流信号波形),如同时检测直流分量,将此开关置于DC(直流)位置。
2、垂直轴灵敏度切换
将垂直轴灵敏度切换钮拨至衰减的位置(反时针旋转)。
3、探头连接与波形调整
将示波器的探头接到被测电路后,一边观察波形图像,一边调整垂直灵敏度,使波形大小适当。
4、时间轴切换
将示波器的时间轴切换钮左右旋转,使示波器上显示出比较清楚的波形,一般2~3个周期为宜。如果波形不容易同步,可微调触发电平钮(TRIGLEVEL),使示波稳定为宜。
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示波器是利用电子示波管的特性,将人眼无法直接观测的交变电信号转换成图像,显示在荧光屏上以便测量的电子测量仪器。
它是观察数字电路实验现象、分析实验中的问题、测量实验结果必不可少的重要仪器。
示波器由示波管和电源系统、同步系统、X轴偏转系统、Y轴偏转系统、延迟扫描系统、标准信号源组成。
1.1示波管
阴极射线管(CRT)简称示波管,是示波器的核心。它将电信号转换为光信号。电子枪、偏转系统和荧光屏三部分密封在一个真空玻璃壳内,构成了一个完整的示波管。
1.荧光屏
现在的示波管屏面通常是矩形平面,内表面沉积一层磷光材料构成荧光膜。在荧光膜上常又增加一层蒸发铝膜。高速电子穿过铝膜,撞击荧光粉而发光形成亮点。
铝膜具有内反射作用,有利于提高亮点的辉度。铝膜还有散热等其他作用。
当电子停止轰击后,亮点不能立即消失而要保留一段时间。亮点辉度下降到原始值的10%所经过的时间叫做“余辉时间”。
余辉时间短于10μs为极短余辉,10μs—1ms为短余辉,1ms—0.1s为中余辉,0.1s-1s为长余辉,大于1s为极长余辉。一般的示波器配备中余辉示波管,高频示波器选用短余辉,低频示波器选用长余辉。
由于所用磷光材料不同,荧光屏上能发出不同颜色的光。一般示波器多采用发绿光的示波管,以保护人的眼睛。
2.示波管的电源
为使示波管正常工作,对电源供给有一定要求。规定第二阳极与偏转板之间电位相近,偏转板的平均电位为零或接近为零。
阴极必须工作在负电位上。栅极G1相对阴极为负电位(—30V~—100V),而且可调,以实现辉度调节。
阳极为正电位(约+100V~+600V),也应可调,用作聚焦调节。
第二阳极与前加速极相连,对阴极为正高压(约+1000V),相对于地电位的可调范围为±50V。由于示波管各电极电流很小,可以用公共高压经电阻分压器供电。
3.偏转系统
偏转系统控制电子射线方向,使荧光屏上的光点随外加信号的变化描绘出被测信号的波形。
Y1、Y2和Xl、X2两对互相垂直的偏转板组成偏转系统。Y轴偏转板在前,X轴偏转板在后,因此Y轴灵敏度高(被测信号经处理后加到Y轴)。
两对偏转板分别加上电压,使两对偏转板间各自形成电场,分别控制电子束在垂直方向和水平方向偏转。
4.电子枪及聚焦
电子枪由灯丝(F)、阴极(K)、栅极(G1)、前加速极(G2)(或称第二栅极)、阳极(A1)和第二阳极(A2)组成。它的作用是发射电子并形成很细的高速电子束。灯丝通电加热阴极,阴极受热发射电子。
栅极是一个顶部有小孔的金属园筒,套在阴极外面。由于栅极电位比阴极低,对阴极发射的电子起控制作用,一般只有运动初速度大的少量电子,在阳极电压的作用下能穿过栅极小孔,奔向荧光屏。
初速度小的电子仍返回阴极。如果栅极电位过低,则全部电子返回阴极,即管子截止。
调节电路中的W1电位器,可以改变栅极电位,控制射向荧光屏的电子流密度,从而达到调节亮点的辉度。
阳极、第二阳极和前加速极都是与阴极在同一条轴线上的三个金属圆筒。前加速极G2与A2相连,所加电位比A1高。G2的正电位对阴极电子奔向荧光屏起加速作用。
电子束从阴极奔向荧光屏的过程中,经过两次聚焦过程。次聚焦由K、G1、G2完成,K、K、G1、G2叫做示波管的电子透镜。
第二次聚焦发生在G2、A1、A2区域,调节第二阳极A2的电位,能使电子束正好会聚于荧光屏上的一点,这是第二次聚焦。
A1上的电压叫做聚焦电压,A1又被叫做聚焦极。有时调节A1电压仍不能满足良好聚焦,需微调第二阳极A2的电压,A2又叫做辅助聚焦极。
1.2示波器的基本组成
从上一小节可以看出,只要控制X轴偏转板和Y轴偏转板上的电压,就能控制示波管显示的图形形状。
我们知道,一个电子信号是时间的函数f(t),它随时间的变化而变化。
因此,只要在示波管的X轴偏转板上加一个与时间变量成正比的电压,在y轴加上被测信号(经过比例放大或者缩小),示波管屏幕上就会显示出被测信号随时间变化的图形。
电信号中,在一段时间内与时间变量成正比的信号是锯齿波。
它由示波管、Y轴系统、X轴系统、Z轴系统和电源等五部分组成。
被测信号①接到“Y"输入端,经Y轴衰减器适当衰减后送至Y1放大器(前置放大),推挽输出信号②和③。
经延迟级延迟Г1时间,到Y2放大器。放大后产生足够大的信号④和⑤,加到示波管的Y轴偏转板上。
为了在屏幕上显示出完整的稳定波形,将Y轴的被测信号③引入X轴系统的触发电路;
在引入信号的正(或者负)极性的某一电平值产生触发脉冲⑥,启动锯齿波扫描电路(时基发生器),产生扫描电压⑦。
由于从触发到启动扫描有一时间延迟Г2,为保证Y轴信号到达荧光屏之前X轴开始扫描,Y轴的延迟时间Г1应稍大于X轴的延迟时间Г2。
扫描电压⑦经X轴放大器放大,产生推挽输出⑨和⑩,加到示波管的X轴偏转板上。
z轴系统用于放大扫描电压正程,并且变成正向矩形波,送到示波管栅极。这使得在扫描正程显示的波形有某一固定辉度,而在扫描回程进行抹迹。
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