示波器的原理和使用方法

电子游戏老虎机

在数字电路实验中,需要使用若干仪器,仪表观察实验现象和结果。常用的电子测量仪器有万用表,逻辑笔,普通示波器,存储示波器,逻辑分析仪等。万用表和逻辑笔使用方法比较简单,而逻辑分析仪和存储示波器目前在数字电路教学实验中应用还不十分普遍。示波器是一种使用非常广泛,且使用相对复杂的仪器。本章从使用的角度介绍一下示波器的原理和使用方法

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。正如图1所示,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。

da28ae49a1e0496797b9f8f3374133b2

图1示波管的内部结构和供电图示

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。

XX当电子停止轰击时,亮点不会立即消失并保持一段时间。亮点亮度下降到原始值的10%后经过的时间称为“余辉时间”。对于非常短的余辉,余辉时间短于10μs,对于短余辉为10μs-1ms,对于中等余辉为1ms-0.1s,对于长余辉为0.1s-1s,对于极长余辉则为大于1s。一般示波器配有中等余辉示波器,高频示波器使用短余辉,低频示波器使用长余辉。

由于使用了不同的磷光材料,可以在屏幕上发射不同颜色的光。通常,示波器使用绿色发光示波器来保护人的眼睛。

2.电子枪和聚焦

电子枪由灯丝(F),阴极(K),栅极(G1),前加速极(G2)(或第二栅极),第一阳极(A1)和第二阳极( A2)。它的作用是发射电子并形成非常精细的高速电子束。灯丝使阴极通电,阴极通过加热发射电子。栅格是金属圆柱体,顶部有一个小孔,位于阴极外部。由于栅极电位低于阴极的栅极电位,因此控制从阴极发射的电子。通常,只有少量具有大初始速度的电子可以通过栅极孔并在阳极电压的作用下冲向荧光屏。初始速度小的电子仍然返回阴极。如果栅极电位太低,则所有电子都返回阴极,即管子关闭。调整电路中的W1电位器可以改变栅极电位并控制指向屏幕的电子通量密度,以达到亮点的亮度。第一阳极,第二阳极和前加速杆都是轴上的三个金属圆柱体。前加速极G2连接到A2,并且施加的电位高于A1。 G2的正电位将阴极电子加速到荧光屏。

电子束从阴极传播到屏幕并经历两个聚焦过程。第一个焦点由K,G1,G2和K完成,K,G1,G2被称为示波器的第一个电子透镜。第二焦点发生在G2,A1和A2区域中,并且调节第二阳极A2的电位,使得电子束可以刚好会聚在荧光屏上,这是第二焦点。 A1上的电压称为聚焦电压,A1称为聚焦极。有时调整A1电压仍然不能满足良好的聚焦。需要微调第二阳极A2的电压。 A2也称为辅助焦点。

3.偏转系统

偏转线圈控制电子束的方向,使得屏幕上的光点跟踪被测信号的波形,作为所施加信号的函数。在图8.1中,两对相互垂直的偏转板Y1,Y2和X1,X2构成偏转线圈。 Y轴偏转器位于前方,X轴偏转器位于后方,因此Y轴灵敏度较高(测量信号经过处理并添加到Y轴)。两对偏转板分别施加电压以在两对偏转板之间形成电场,分别控制电子束在垂直方向和水平方向上的偏转。

4.示波器管的电源

为了使示波器正常工作,对电源有一定的要求。规定第二阳极和偏转器之间的电势相似,并且偏转器的平均电位为零或接近零。阴极必须在负电位下工作。栅极G1相对于阴极相对负(-30V~-100V),并且可调节以实现亮度调节。第一个阳极是正电位(约+ 100V~ + 600V),也可以调节以用作焦点调节。第二阳极连接到前加速极并且具有到阴极的正高电压(大约+ 1000V),并且相对于地电位具有±50V的可调节范围。由于示波器管的每个电极的电流很小,所以它可以通过电阻分压器由公共高压供电。

1.2示波器的基本组成

从上一节可以看出,只要控制X轴偏转器和Y轴偏转器上的电压,就可以控制示波器显示器的形状。我们知道电子信号是时间f(t)随时间变化的函数。因此,只要将与时间变量成比例的电压添加到示波器的X轴偏转板,并将要测量的信号添加到y轴(比例放大或缩小),就在示波器上测量将显示屏幕。作为时间函数的信号图。在电信号中,与一段时间内的时间变量成比例的信号是锯齿波。

示波器的基本框图如图2所示。它由五部分组成:示波器,Y轴系统,X轴系统,Z轴系统和电源。

8e5bda020697450cb7f17a684a49281a

图2示波器基本组成框图

待测信号1连接到“Y”输入端,并由Y轴衰减器适当衰减,然后送到Y1放大器(前置放大器),推挽输出信号2和3。阶段延迟Г1时间到Y2放大器。之后,产生足够的信号4和5,以添加到示波器的Y轴偏转板。为了在屏幕上显示完整的稳定波形,Y轴的信号D被引入X轴系统的触发电路。引入一定水平的正(或负)极性信号以产生触发脉冲6,启动锯齿扫描电路(时基发生器),产生扫描电压7.由于从触发器到触发器有一个时间延迟Г2扫描开始,确保X轴在Y轴信号到达屏幕之前开始扫描。 Y轴的延迟时间Г1应略大于X轴的延迟时间Г2。扫描电压7由X轴放大器放大,以产生推挽输出9和10,它们被施加到示波器。 X轴偏转板。 z轴系统用于向前放大扫描电压,并成为发送到示波器门的正向矩形波。这允许向前扫描中显示的波形具有固定的亮度。在扫描回程中,磁带被擦除。

以上是示波器的基本工作原理。双迹线显示器使用电子开关显示输入到屏幕上Y轴的两个不同测量信号。由于人眼的视觉持久性,当开关频率高到一定程度时,可以看到两个稳定且清晰的信号波形。

示波器中通常有一个精确稳定的方波信号发生器,用于校准示波器。

本节介绍如何使用示波器。示波器有多种类型和型号,它们的功能不同。大多数使用的数字电路实验是20MHz或40MHz双轨示波器。这些示波器用法类似。本节不涉及某种型号的示波器,而只是概念性地介绍了示波器在数字电路实验中的常用功能。

2.1荧光屏

刻度标记,表示信号波形的电压与时间之间的关系。水平方向表示时间,垂直方向表示电压。水平方向分为10个网格,垂直方向分为8个网格,每个网格分为5个分区。垂直方向标有0%,10%,90%,100%等。水平方向标有10%,90%标记,用于测量直流电平,交流信号幅度,延迟时间等参数。电压值和时间值可以通过将被测信号占据的单元数乘以适当的比例常数(V/DIV,TIME/DIV)来获得。

2.2示波器和电源系统

1.功率(功率)

示波器主电源开关。按下此开关时,电源指示灯亮起表示电源已打开。

2.强度

旋转此旋钮可更改光斑和扫描线的亮度。观察低频信号时可以更小,而使用高频信号时可以更大。

一般不宜过亮以保护屏幕。

3.专注(

聚焦旋钮调整光束截面尺寸,以将扫描线聚焦到最清晰的状态。

4.标尺亮度(照度)

此旋钮可调节屏幕后面的灯光亮度。在正常室内光线下,灯光较暗。在室内光线不足的环境中,可以适当调节照明。

2.3垂直偏转系数和水平偏转系数

1.垂直偏转系数选择(VOLTS/DIV)和微调

在单位输入信号的作用下光点在屏幕上偏移的距离称为偏移灵敏度。该定义适用于X和Y轴。灵敏度的倒数称为偏转系数。垂直灵敏度的单位是cm/V,cm/mV或DIV/mV,DIV/V,垂直偏转系数的单位是V/cm,mV/cm或V/DIV,mV/DIV。实际上,由于习语的便利性和电压读数的测量,偏转系数有时被用作灵敏度。

示波器中的每个通道都有一个垂直偏转系数选择波段开关。通常,它分为10个文件,从5mV/DIV到5V/DIV,分别为1,2和5种方式。带开关指示的值表示屏幕上垂直方向上的一个网格的电压值。例如,当波段开关处于1V/DIV模式时,如果屏幕上的信号点移动一个网格,则意味着输入信号电压变化1V。

每个带开关上通常有一个小旋钮,用于微调每个齿轮的垂直偏转系数。顺时针旋转到“校准”位置的末端,其中垂直偏转系数值与波段开关指示的值一致。逆时针旋转此旋钮可微调垂直偏转系数。在微调垂直偏转系数之后,将导致与频带开关的指示值不一致,应该注意。许多示波器都具有垂直扩展功能,可在拉出微调旋钮时将垂直灵敏度提高几倍(偏转系数会降低几倍)。例如,如果由带开关指示的偏转系数是1V/DIV,则当使用×5扩展状态时,垂直偏转系数是0.2V/DIV。

在进行数字电路实验时,屏幕上测量信号的垂直移动距离与+ 5V信号的垂直移动距离之比通常用于确定被测信号的电压值。

25807c7d-6c79-4f53-a3e3-9dd138a0a3f6

2.时基选择(TIME/DIV)和微调

时基选择和微调的使用类似于垂直偏转因子选择和微调。时基选择也通过波段切换实现,时基根据1,2和5方式分成几个文件。带开关的指示值表示光斑在水平方向上移动一个方格的时间值。例如,在1μS/DIV文件中,光点在屏幕上移动一帧以表示1μS的时间值。

Fine Tune旋钮用于时基校准和微调。顺时针旋转到校准位置时,屏幕上显示的时基值与波段开关显示的标称值相匹配。逆时针转动旋钮可微调时基。旋钮被拉出并处于扫描延伸状态。通常x10扩展,即水平灵敏度扩大10倍,时基减少到1/10。例如,在2μS/DIV文件中,扫描扩展状态下屏幕上水平电平表示的时间值等于

2μS×(1/10)=0.2μS

TDS测试台具有10MHz,1MHz,500kHz,100kHz时钟信号,由石英晶体振荡器和分频器产生。它具有高精度,可用于校准示波器的时基。

示波器的标准源CAL用于校准示波器的时基和垂直偏转系数。例如,COS5041示波器的标准信号源提供方波信号,VP-P=2V且f=1kHz。

示波器前面板上的位置旋钮可调整屏幕上信号波形的位置。旋转水平位移旋钮(用水平双箭头标记)左右移动信号波形,旋转垂直位移旋钮(标有垂直双箭头)上下移动信号波形。

2.4输入通道和输入耦合选择

1.输入频道选择

输入通道至少有三个选项:通道1(CH1),通道2(CH2)和双通道(DUAL)。选择通道1时,示波器仅显示通道1的信号。选择通道2时,示波器仅显示通道2的信号。选择双通道时,示波器同时显示通道1信号和通道2信号。测试信号时,首先将示波器的地线连接到被测电路的地。根据输入通道选择,将示波器探头插入相应的通道插座。示波器探头的接地连接到被测电路的接地,示波器探头接触测量点。示波器探头上有一个双位开关。当开关设置为“×1”位置时,测量信号将发送到示波器而不会衰减。从屏幕读取的电压值是信号的实际电压值。当开关设置为“×10”位置时,测量信号衰减到1/10,然后发送到示波器。从屏幕读取的电压值乘以10,即为信号的实际电压值。

2.输入耦合方法

输入耦合有三种选择:AC(AC),接地(GND)和DC(DC)。选择“接地”时,扫描线显示屏幕上“示波器”的位置。 DC耦合用于确定信号DC的绝对值并观察极低频信号。交流耦合用于观察带有直流分量的交流和交流信号。在数字电路实验中,通常选择“DC”模式来观察信号的绝对电压值。

2.5触发器

第一部分表示在从Y轴输入待测信号后,其部分被发送到示波器的Y轴偏转板,驱动点在屏幕上按垂直方向成比例移动;另一部分分流到x轴偏转系统以产生触发。脉冲触发扫描发生器产生重复的锯齿波电压,施加到示波器管的X偏转板上,使光点在水平方向上移动,两者相结合,并由荧光屏上的光点是要测量的信号。图形。可以看出,正确的触发模式直接影响示波器的有效运行。为了在屏幕上获得稳定和清晰的信号波形,掌握基本触发功能及其操作方法非常重要。

1.触发源(源)选择

内部触发(INT),电源触发(LINE),外部触发EXT)。

内部触发使用测量信号作为触发信号,这是一种经常使用的触发方法。由于触发信号本身是被测信号的一部分,因此可以在屏幕上显示非常稳定的波形。可以选择双迹线示波器中的通道1或通道2作为触发信号。

电源触发器使用AC电源频率信号作为触发信号。当测量与AC电源的频率有关的信号时,该方法是有效的。在测量音频电路和晶闸管的低电平AC噪声时尤其有效。

外部触发使用外部信号作为触发信号,外部信号从外部触发输入输入。外部触发信号和被测信号之间应该存在周期性关系。由于被测信号不用作触发信号,因此何时开始扫描与被测信号无关。

正确选择触发信号与波形显示的稳定性和清晰度有很大关系。例如,在数字电路的测量中,为简单的周期信号选择内部触发可能更好,对于具有复周期和与周期关系的信号的信号,外部触发可能更多很好。

2.触发耦合(耦合)模式选择

There are many ways to couple the trigger signal to the trigger circuit, in order to stabilize and reliably trigger the signal. Here are a few of the commonly used ones.

AC coupling is also called capacitive coupling. It is only allowed to be triggered by the AC component of the trigger signal, and the DC component of the trigger signal is blocked. This coupling is typically used when DC components are not considered to form a stable trigger. However, if the frequency of the trigger signal is less than 10 Hz, it will cause difficulty in triggering.

DC coupling (DC) does not block the DC component of the trigger signal. DC coupling is preferred when the frequency of the trigger signal is low or the duty cycle of the trigger signal is large.

When the low frequency suppression (LFR) is triggered, the trigger signal is added to the trigger circuit through the high-pass filter, and the low-frequency component of the trigger signal is suppressed. When the high-frequency rejection (HFR) is triggered, the trigger signal is added to the trigger circuit through the low-pass filter, and the trigger signal is High frequency components are suppressed. There is also a TV sync (TV) trigger for TV repair. These trigger coupling methods each have their own scope of application and need to be experienced in use.

3. Trigger level (Level) and trigger polarity (Slope)

Trigger level adjustment, also known as sync adjustment, causes the sweep to be synchronized with the signal under test. The level adjustment knob adjusts the trigger level of the trigger signal. The scan is triggered as soon as the trigger signal exceeds the trigger level set by the knob. Rotate the knob clockwise to raise the trigger level; turn the knob counterclockwise to decrease the trigger level. When the level knob is adjusted to the level lock position, the trigger level is automatically maintained within the amplitude of the trigger signal, and a level adjustment is not required to generate a stable trigger. When the signal waveform is complicated and the level knob cannot be used for stable triggering, use the HoldOff knob to adjust the holdoff time of the waveform (scan pause time) to synchronize the sweep with the waveform.

xx极性开关用来选择触发信号的极性拨在“+”位置上时,在信号增加的方向上,当触发信号超过触发电平时就产生触发拨在。“ - ”位置上时,在信号减少的方向上,当触发信号超过触发电平时就产生触发。触发极性和触发电平共同决定触发信号的触发点。

2.6扫描方式(SweepMode)

扫描有自动(自动),常态(标准)和单次(单)三种扫描方式。

自动:当无触发信号输入,或者触发信号频率低于50Hz的时,扫描为自激方式

常态:当无触发信号输入时,扫描处于准备状态,没有扫描线触发信号到来后,触发扫描

单次:单次按钮类似复位开关单次扫描方式下,按单次按钮时扫描电路复位,此时准备好(就绪)灯亮触发信号到来后产生一次扫描单次扫描结束后,准备灯灭。单次扫描用于观测非周期信号或者单次瞬变信号,往往需要对波形拍照。

上面扼要介绍了示波器的基本功能及操作。示波器还有一些更复杂的功能,如延迟扫描,触发延迟,XY工作方式等,这里就不介绍了。示波器入门操作是容易的,真正熟练则要在应用中掌握。值得指出的是,示波器虽然功能较多,但许多情况下用其他仪器,仪表更好。例如,在数字电路实验中,判断一个脉宽较窄的单脉冲是否发生时,用逻辑笔就简单的多;测量单脉冲脉宽时,用逻辑分析仪更好一些

前言

XX数字示波器由于其独特的优势,如波形触发,存储,显示,测量和波形数据分析和处理,已经变得越来越流行。由于数字示波器和模拟示波器之间存在较大的性能差异,如果使用不当,将会出现较大的测量误差,这将影响测试任务。

区分模拟带宽和数字实时带宽

带宽是示波器最重要的指标之一。模拟示波器的带宽是固定值,而数字示波器的带宽具有模拟带宽和数字实时带宽。数字示波器通过顺序采样或随机采样技术实现重复信号的最大带宽是示波器的数字实时带宽。数字实时带宽与最高数字化频率和波形重建因子K(数字实时带宽=最高数字化率/K)有关。通常不直接作为指标给出。从两个带宽的定义可以看出,模拟带宽仅适用于重复周期信号的测量,而数字实时带宽适用于重复信号和单个信号的测量。制造商声称示波器的带宽可以达到兆字节。实际上,它指的是模拟带宽,而数字实时带宽低于此值。例如,TEK的TES520B带宽为500MHz,这意味着其模拟带宽为500MHz,最高的数字实时带宽只能达到400MHz,远低于模拟带宽。因此,在测量单个信号时,请务必参考数字示波器的数字实时带宽,否则会给测量带来意外错误。

关于采样率

采样率,也称为数字化率,是指每单位时间模拟输入信号的采样数,通常以MS/s表示。采样率是数字示波器的重要指标。

359ed766-ae15-4202-867d-05d360566d80

1.如果采样率不够,则容易产生混叠

如果示波器的输入信号是100KHz正弦信号,示波器将显示50KHz的信号频率。到底是怎么回事?这是因为示波器的采样率太慢,导致混叠。混叠是屏幕上显示的波形频率低于信号的实际频率,或者即使示波器上的触发指示灯已经点亮,显示的波形仍然不稳定。混叠的产生如图1所示。因此,对于频率未知的波形,如何判断显示的波形是否有锯齿?您可以通过将扫描速度t/div缓慢更改为更快的时基来查看波形的频率参数是否突然发生变化。如果是,则表示发生了波形混叠;或者摇摆的波形处于更快的时基。稳定性还表明发生了波形混叠。根据奈奎斯特定理,采样率至少比信号的高频分量高2倍,因此不会出现混叠。例如,500 MHz信号要求采样率至少为1 GS/s。有几种方法可以简单地防止出现混叠:

调整扫描速度;

采用自动设置(自动设置);

尝试将收集方法切换到包络模式或峰值检测模式,因为包络方法是在多个收集记录中查找极值,峰值检测方法是在单个收集记录中查找最大值和最小值。两种方法都可以检测更快的信号变化

如果示波器具有InstaVu采集模式,则可以使用它。由于此方法以较快的速度采集波形,因此以这种方式显示的波形类似于模拟示波器显示的波形。

2.采样率与t/div之间的关系

每个数字示波器的最大采样率是固定值。但是,在任何扫描时间t/div,采样率fs由下式给出:

Fs=N /(t/div)N是每格的采样点

当采样点数N是特定值时,fs与t/div成反比,并且扫描速度越大,采样率越低。以下是TDS520B的一组扫描和采样率数据:

表1扫描速率和采样率

吨/格(NS)1252550100200fs(GS/s)的502510210.50.25

总之,当使用数字示波器时,为了避免混叠,扫描速度优选地以更快的速度放置。如果你想捕捉一个短暂的毛刺,扫描最好放在较慢的主扫描上。

数字示波器的上升时间

在模拟示波器中,上升时间是示波器的一个非常重要的指示器。在数字示波器中,上升时间甚至不作为指标。由于数字示波器的测量方法,自动测量的上升时间不仅与采样点的位置有关,如图2所示,上升沿恰好落在两个采样点之间,上升时间为0.8乘以数字化间隔。在图2中b的上升沿中间,有一个采样点,同一波形的上升时间是数字化间隔的1.6倍。此外,上升时间也与扫描速度有关。下面是TDS520B测量相同波形时的一组扫描速度和上升时间的数据:

表2扫描和上升时间

吨/格(MS)502010521tr(微秒)800320160803216

从上述数据可以看出,虽然波形的上升时间是固定值,但由于扫描速度不同,数字示波器测量的结果相差很远。模拟示波器的上升时间与扫描速度无关,数字示波器的上升时间不仅与扫描速度有关,而且与采样点的位置有关。使用数字示波器时,我们无法像模拟示波器那样反转测量时间。信号的上升时间被推出。

网络整理,如果涉及版权问题,请及时联系并删除。