示波器在使用时,常常会忽视一些细节,从而导致测量上的误差。下面主要介绍一下,在使用示波器的过程中,
应该要注意的问题:
1、探头
为具体的测量任务选用合适的探头总会得到可以的测量结果。通常,对于通用测量,10:1探头就足够了;但对于低幅度信号测量,您可能要考虑使用1:1探头。在进行高速测量时,应该着重考虑探头电容。具有大电容值的探头会减缓上升和下降沿,而且在检测某些器件(例如高速运放)的输入或输出端时,甚至会引起这些器件产生振荡。因此,测量高速电路的另外一点考虑是使用有源FET探头。有源探头通常具有较低的触点电容(通常为几个pF)和极高的阻抗,因此有源探头对任何被测节点都呈现极小的负载。
2、探头接地
在进行高速测量时,可能犯的最大错误是使用探头接地夹,造成示波器探头问题。使用接地夹相当于在接地路径中加入了一个串联电感。这个串联电感和探头电容共同作用,就会引入振荡和过冲。可以的接地连接方法是使用探头内部的接地屏蔽网,只是您得拆开探头。不过,这不难做到。首先,从探头探针上松开塑料外皮,把它从探头上褪下。这时探头的金属接地屏蔽网就露出来了。然后,把接地夹从探头上取下,就完成了。现在可以进行测量了,简单地测一个节点,将探头的金属接地屏蔽网接到最接近的被测电路接地点。这种方法可以排除任何串联电感,几乎消除了所有的振荡和过冲。如果您找不到最接近的接地点,就将一段总线在示波器探头的金属接地屏蔽网上绕几圈,然后再接地。您可以使用几乎所有的小金属物件来做接地连接,我使用过改锥、纸夹和镊子。我最喜欢用的是镊子,因为镊子的尖端可以戳到接地平面上,也能插到PCB板的元件密集区域内。
3、校准
在使用示波器进行测量时最容易忽视的步骤之一是校准。校准是一种简单易行的方法,可以确保您的每次测量都是从头开始,不受上次测量的影响。在开始测量前应该进行手动校准,如果示波器带有自校准功能,您在测量前应该运行这个功能。欠补偿或过补偿的探头会引入幅度、上升时间和被测信号波形失真测量的严重误差。
4、兼容性
有一种情况非常普遍,人们使用X公司生产的示波器却配Y公司生产的探头进行测量。事实上,示波器和探头并不总是可互换或可兼容的。可以的做法是使用同一家公司生产的示波器和探头,从而排除任何潜在的冲突问题。
5、带宽
为了精确地测量频率响应和快速上升沿,示波器和探头必须具有足够的带宽。一个好的经验规则是示波器和探头(探头也有带宽限制)的带宽应该是被测信号最高频率的3~5倍。-3dB带宽衰减会引入30%的幅度测量误差,因此示波器和探头的带宽越宽越好。
6、差分测量
在进行时差或传输延迟的测量时,请确保使用的是同样长度的两个探头。电缆的传输延迟大约为1.5ns/ft。电缆长度不一样会给你带来麻烦。例如,使用一根3英尺和一根6英尺长的电缆示波器探头测量传输延迟,电缆长度差会造成大约4.5纳秒(ns)的误差,当要分辨以1ns为单位的测量时,这是相当大的误差。
尽管以上这些提示和技巧单个看上去并不值得注意,但合在一起就能显着提高测量的精确度。即使您在测量中只用了其中几个方法但它们仍能确保您每次进入实验室都能得到快速而可靠的测量结果。
示波器的主要部分有示波管、带衰减器的Y轴放大器、带衰减器的X轴放大器、扫描发生器(锯齿波发生器)、触发同步和电源等,其结构方框图如图1所示。为了适应各种测量的要求,示波器的电路组成是多样而复杂的,这里仅就主要部分加以介绍:
一、示波管 如上图所示,示波管主要包括电子枪、偏转系统和荧光屏三部分,全都密封在玻璃外壳内,里面抽成高真空。下面分别说明各部分的作用。 1、荧光屏:它是示波器的显示部分,当加速聚焦后的电子打到荧光上时,屏上所涂的荧光物质就会发光,从而显示出电子束的位置。当电子停止作用后,荧光剂的发光需经一定时间才会停止,称为余辉效应。 2、电子枪:由灯丝H、阴极K、控制栅极G、第一阳极A1、第二阳极A2五部分组成。灯丝通电后加热阴极。阴极是一个表面涂有氧化物的金属筒,被加热后发射电子。控制栅极是一个顶端有小孔的圆筒,套在阴极外面。它的电位比阴极低,对阴极发射出来的电子起控制作用,只有初速度较大的电子才能穿过栅极顶端的小孔然后在阳极加速下奔向荧光屏。示波器面板上的“亮度”调整就是通过调节电位以控制射向荧光屏的电子流密度,从而改变了屏上的光斑亮度。阳极电位比阴极电位高很多,电子被它们之间的电场加速形成射线。当控制栅极、第一阳极、第二阳极之间的电位调节合适时,电子枪内的电场对电子射线有聚焦作用,所以第一阳极也称聚焦阳极。第二阳极电位更高,又称加速阳极。面板上的“聚焦”调节,就是调第一阳极电位,使荧光屏上的光斑成为明亮、清晰的小圆点。有的示波器还有“辅助聚焦”,实际是调节第二阳极电位。 3、偏转系统:它由两对相互垂直的偏转板组成,一对垂直偏转板Y,一对水平偏转板X。在偏转板上加以适当电压,电子束通过时,其运动方向发生偏转,从而使电子束在荧光屏上的光斑位置也发生改变。 容易证明,光点在荧光屏上偏移的距离与偏转板上所加的电压成正比,因而可将电压的测量转化为屏上光点偏移距离的测量,这就是示波器测量电压的原理。 二、信号放大器和衰减器 示波管本身相当于一个多量程电压表,这一作用是靠信号放大器和衰减器实现的。由于示波管本身的X及Y轴偏转板的灵敏度不高(约0.1—1mm/V),当加在偏转板的信号过小时,要预先将小的信号电压加以放大后再加到偏转板上。为此设置X轴及Y轴电压放大器。衰减器的作用是使过大的输入信号电压变小以适应放大器的要求,否则放大器不能正常工作,使输入信号发生畸变,甚至使仪器受损。对一般示波器来说,X轴和Y轴都设置有衰减器,以满足各种测量的需要。 三、扫描系统 扫描系统也称时基电路,用来产生一个随时间作线性变化的扫描电压,这种扫描电压随时间变化的关系如同锯齿,故称锯齿波电压,这个电压经X轴放大器放大后加到示波管的水平偏转板上,使电子束产生水平扫描。这样,屏上的水平坐标变成时间坐标,Y轴输入的被测信号波形就可以在时间轴上展开。扫描系统是示波器显示被测电压波形必需的重要组成部分。
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