在數(shù)字電路實驗中,需要使用若干儀器、儀表觀察實驗現(xiàn)象和結(jié)果.常用的電子測量儀器有萬用表、邏輯筆、普通示波器、存儲示波器、邏輯分析儀等.萬用表和邏輯筆使用方法比較簡單,而邏輯分析儀和存儲示波器目前在數(shù)字電路教學(xué)實驗中應(yīng)用還不十分普遍.示波器是一種使用非常廣泛,且使用相對復(fù)雜的儀器.本章從使用的角度介紹一下示波器的原理和使用方法.
1 示波器工作原理
示波器是利用電子示波管的特性,將人眼無法直接觀測的交變電信號轉(zhuǎn)換成圖像,顯示在熒光屏上以便測量的電子測量儀器.它是觀察數(shù)字電路實驗現(xiàn)象、分析實驗中的問題、測量實驗結(jié)果必不可少的重要儀器.示波器由示波管和電源系統(tǒng)、同步系統(tǒng)、X軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、Y軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、延遲掃描系統(tǒng)、標準信號源組成.
1.1 示波管
陰極射線管(CRT)簡稱示波管,是示波器的核心.它將電信號轉(zhuǎn)換為光信號.正如圖1所示,電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三部分密封在一個真空玻璃殼內(nèi),構(gòu)成了一個完整的示波管.
1.熒光屏
現(xiàn)在的示波管屏面通常是矩形平面,內(nèi)表面沉積一層磷光材料構(gòu)成熒光膜.在熒光膜上常又增加一層蒸發(fā)鋁膜.高速電子穿過鋁膜,撞擊熒光粉而發(fā)光形成亮點.鋁膜具有內(nèi)反射作用,有利于提高亮點的輝度.鋁膜還有散熱等其他作用.
當電子停止轟擊后,亮點不能立即消失而要保留一段時間.亮點輝度下降到原始值的10%所經(jīng)過的時間叫做“余輝時間”.余輝時間短于10μs為極短余輝,10μs—1ms為短余輝,1ms—0.1s為中余輝,0.1s-1s為長余輝,大于1s為極長余輝.一般的示波器配備中余輝示波管,高頻示波器選用短余輝,低頻示波器選用長余輝.
由于所用磷光材料不同,熒光屏上能發(fā)出不同顏色的光.一般示波器多采用發(fā)綠光的示波管,以保護人的眼睛.
2.電子槍及聚焦
電子槍由燈絲(F)、陰極(K)、柵極(G1)、前加速極(G2)(或稱第二柵極)、第一陽極(A1)和第二陽極(A2)組成.它的作用是發(fā)射電子并形成很細的高速電子束.燈絲通電加熱陰極,陰極受熱發(fā)射電子.柵極是一個頂部有小孔的金屬園筒,套在陰極外面.由于柵極電位比陰極低,對陰極發(fā)射的電子起控制作用,一般只有運動初速度大的少量電子,在陽極電壓的作用下能穿過柵極小孔,奔向熒光屏.初速度小的電子仍返回陰極.如果柵極電位過低,則全部電子返回陰極,即管子截止.調(diào)節(jié)電路中的W1電位器,可以改變柵極電位,控制射向熒光屏的電子流密度,從而達到調(diào)節(jié)亮點的輝度.第一陽極、第二陽極和前加速極都是與陰極在同一條軸線上的三個金屬圓筒.前加速極G2與A2相連,所加電位比A1高.G2的正電位對陰極電子奔向熒光屏起加速作用.
電子束從陰極奔向熒光屏的過程中,經(jīng)過兩次聚焦過程.第一次聚焦由K、G1、G2完成,K、K、G1、G2叫做示波管的第一電子透鏡.第二次聚焦發(fā)生在G2、A1、A2區(qū)域,調(diào)節(jié)第二陽極A2的電位,能使電子束正好會聚于熒光屏上的一點,這是第二次聚焦.A1上的電壓叫做聚焦電壓,A1又被叫做聚焦極.有時調(diào)節(jié)A1電壓仍不能滿足良好聚焦,需微調(diào)第二陽極A2的電壓,A2又叫做輔助聚焦極.
3.偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)
偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制電子射線方向,使熒光屏上的光點隨外加信號的變化描繪出被測信號的波形.圖8.1中,Y1、Y2和Xl、X2兩對互相垂直的偏轉(zhuǎn)板組成偏轉(zhuǎn)系統(tǒng).Y軸偏轉(zhuǎn)板在前,X軸偏轉(zhuǎn)板在后,因此Y軸靈敏度高(被測信號經(jīng)處理后加到Y(jié)軸).兩對偏轉(zhuǎn)板分別加上電壓,使兩對偏轉(zhuǎn)板間各自形成電場,分別控制電子束在垂直方向和水平方向偏轉(zhuǎn).
4.示波管的電源
為使示波管正常工作,對電源供給有一定要求.規(guī)定第二陽極與偏轉(zhuǎn)板之間電位相近,偏轉(zhuǎn)板的平均電位為零或接近為零.陰極必須工作在負電位上.柵極G1相對陰極為負電位(—30V~—100V),而且可調(diào),以實現(xiàn)輝度調(diào)節(jié).第一陽極為正電位(約+100V~+600V),也應(yīng)可調(diào),用作聚焦調(diào)節(jié).第二陽極與前加速極相連,對陰極為正高壓(約+1000V),相對于地電位的可調(diào)范圍為±50V.由于示波管各電極電流很小,可以用公共高壓經(jīng)電阻分壓器供電.
1.2 示波器的基本組成
從上一小節(jié)可以看出,只要控制X軸偏轉(zhuǎn)板和Y軸偏轉(zhuǎn)板上的電壓,就能控制示波管顯示的圖形形狀.我們知道,一個電子信號是時間的函數(shù)f(t),它隨時間的變化而變化.因此,只要在示波管的X軸偏轉(zhuǎn)板上加一個與時間變量成正比的電壓,在y軸加上被測信號(經(jīng)過比例放大或者縮小),示波管屏幕上就會顯示出被測信號隨時間變化的圖形.電信號中,在一段時間內(nèi)與時間變量成正比的信號是鋸齒波.
示波器的基本組成框圖如圖2所示.它由示波管、Y軸系統(tǒng)、X軸系統(tǒng)、Z軸系統(tǒng)和電源等五部分組成.
被測信號①接到“Y"輸入端,經(jīng)Y軸衰減器適當衰減后送至Y1放大器(前置放大),推挽輸出信號②和③.經(jīng)延遲級延遲Г1時間,到Y(jié)2放大器.放大后產(chǎn)生足夠大的信號④和⑤,加到示波管的Y軸偏轉(zhuǎn)板上.為了在屏幕上顯示出完整的穩(wěn)定波形,將Y軸的被測信號③引入X軸系統(tǒng)的觸發(fā)電路,在引入信號的正(或者負)極性的某一電平值產(chǎn)生觸發(fā)脈沖⑥,啟動鋸齒波掃描電路(時基發(fā)生器),產(chǎn)生掃描電壓⑦.由于從觸發(fā)到啟動掃描有一時間延遲Г2,為保證Y軸信號到達熒光屏之前X軸開始掃描,Y軸的延遲時間Г1應(yīng)稍大于X軸的延遲時間Г2.掃描電壓⑦經(jīng)X軸放大器放大,產(chǎn)生推挽輸出⑨和⑩,加到示波管的X軸偏轉(zhuǎn)板上.z軸系統(tǒng)用于放大掃描電壓正程,并且變成正向矩形波,送到示波管柵極.這使得在掃描正程顯示的波形有某一固定輝度,而在掃描回程進行抹跡.
以上是示波器的基本工作原理.雙蹤顯示則是利用電子開關(guān)將Y軸輸入的兩個不同的被測信號分別顯示在熒光屏上.由于人眼的視覺暫留作用,當轉(zhuǎn)換頻率高到一定程度后,看到的是兩個穩(wěn)定的、清晰的信號波形.
示波器中往往有一個精確穩(wěn)定的方波信號發(fā)生器,供校驗示波器用.
2 示波器使用
本節(jié)介紹示波器的使用方法.示波器種類、型號很多,功能也不同.數(shù)字電路實驗中使用較多的是20MHz或者40MHz的雙蹤示波器.這些示波器用法大同小異.本節(jié)不針對某一型號的示波器,只是從概念上介紹示波器在數(shù)字電路實驗中的常用功能.
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,指示出信號波形的電壓和時間之間的關(guān)系.水平方向指示時間,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.垂直方向標有0%,10%,90%,100%等標志,水平方向標有10%,90%標志,供測直流電平、交流信號幅度、延遲時間等參數(shù)使用.根據(jù)被測信號在屏幕上占的格數(shù)乘以適當?shù)谋壤?shù)(V/DIV,TIME/DIV)能得出電壓值與時間值.
2.2 示波管和電源系統(tǒng)
1.電源(Power)
示波器主電源開關(guān).當此開關(guān)按下時,電源指示燈亮,表示電源接通.
2.輝度(Intensity)
旋轉(zhuǎn)此旋鈕能改變光點和掃描線的亮度.觀察低頻信號時可小些,高頻信號時大些.
一般不應(yīng)太亮,以保護熒光屏.
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)
在單位輸入信號作用下,光點在屏幕上偏移的距離稱為偏移靈敏度,這一定義對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.實際上因習(xí)慣用法和測量電壓讀數(shù)的方便,有時也把偏轉(zhuǎn)因數(shù)當靈敏度.
蹤示波器中每個通道各有一個垂直偏轉(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,如果屏幕上信號光點移動一格,則代表輸入信號電壓變化1V.
每個波段開關(guān)上往往還有一個小旋鈕,微調(diào)每檔垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù).將它沿順時針方向旋到底,處于“校準”位置,此時垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)值與波段開關(guān)所指示的值一致.逆時針旋轉(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,會造成與波段開關(guān)的指示值不一致,這點應(yīng)引起注意.許多示波器具有垂直擴展功能,當微調(diào)旋鈕被拉出時,垂直靈敏度擴大若干倍(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擴展狀態(tài)時,垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)是0.2V/DIV.
在做數(shù)字電路實驗時,在屏幕上被測信號的垂直移動距離與+5V信號的垂直移動距離之比常被用于判斷被測信號的電壓值.
2.時基選擇(TIME/DIV)和微調(diào)
時基選擇和微調(diào)的使用方法與垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)選擇和微調(diào)類似.時基選擇也通過一個波段開關(guān)實現(xiàn),按1、2、5方式把時基分為若干檔.波段開關(guān)的指示值代表光點在水平方向移動一個格的時間值.例如在1μS/DIV檔,光點在屏上移動一格代表時間值1μS.
“微調(diào)”旋鈕用于時基校準和微調(diào).沿順時針方向旋到底處于校準位置時,屏幕上顯示的時基值與波段開關(guān)所示的標稱值一致.逆時針旋轉(zhuǎn)旋鈕,則對時基微調(diào).旋鈕拔出后處于掃描擴展狀態(tài).通常為×10擴展,即水平靈敏度擴大10倍,時基縮小到1/10.例如在2μS/DIV檔,掃描擴展狀態(tài)下熒光屏上水平一格代表的時間值等于
2μS×(1/10)=0.2μS
示波器的標準信號源CAL,專門用于校準示波器的時基和垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù).示波器標準信號源提供一個VP-P的方波信號.(各品牌信號電壓/校正頻率點出入很大)
示波器前面板上的位移(Position)旋鈕調(diào)節(jié)信號波形在熒光屏上的位置.旋轉(zhuǎn)水平位移旋鈕(標有水平雙向箭頭)左右移動信號波形,旋轉(zhuǎn)垂直位移旋鈕(標有垂直雙向箭頭)上下移動信號波形.
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,示波器僅顯示通道1的信號.選擇通道2時,示波器僅顯示通道2的信號.選擇雙通道時,示波器同時顯示通道1信號和通道2信號.測試信號時,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.示波器探頭上有一雙位開關(guān).此開關(guān)撥到“×1”位置時,被測信號無衰減送到示波器,從熒光屏上讀出的電壓值是信號的實際電壓值.此開關(guān)撥到“×10"位置時,被測信號衰減為1/10,然后送往示波器,從熒光屏上讀出的電壓值乘以10才是信號的實際電壓值.
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).當選擇“地”時,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直流絕對值和觀測極低頻信號.交流耦合用于觀測交流和含有直流成分的交流信號.在數(shù)字電路實驗中,一般選擇“直流”方式,以便觀測信號的絕對電壓值.
2.5 觸發(fā)
第一節(jié)指出,被測信號從Y軸輸入后,一部分送到示波管的Y軸偏轉(zhuǎn)板上,驅(qū)動光點在熒光屏上按比例沿垂直方向移動;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,使光點沿水平方向移動,兩者合一,光點在熒光屏上描繪出的圖形就是被測信號圖形.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,則需將被測信號本身或者與被測信號有一定時間關(guān)系的觸發(fā)信號加到觸發(fā)電路.觸發(fā)源選擇確定觸發(fā)信號由何處供給.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)使用被測信號作為觸發(fā)信號,是經(jīng)常使用的一種觸發(fā)方式.由于觸發(fā)信號本身是被測信號的一部分,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.
電源觸發(fā)使用交流電源頻率信號作為觸發(fā)信號.這種方法在測量與交流電源頻率有關(guān)的信號時是有效的.特別在測量音頻電路、閘流管的低電平交流噪音時更為有效.
外觸發(fā)使用外加信號作為觸發(fā)信號,外加信號從外觸發(fā)輸入端輸入.外觸發(fā)信號與被測信號間應(yīng)具有周期性的關(guān)系.由于被測信號沒有用作觸發(fā)信號,所以何時開始掃描與被測信號無關(guān).
正確選擇觸發(fā)信號對波形顯示的穩(wěn)定、清晰有很大關(guān)系.例如在數(shù)字電路的測量中,對一個簡單的周期信號而言,選擇內(nèi)觸發(fā)可能好一些,而對于一個具有復(fù)雜周期的信號,且存在一個與它有周期關(guān)系的信號時,選用外觸發(fā)可能更好.
2.觸發(fā)耦合(Coupling)方式選擇
觸發(fā)信號到觸發(fā)電路的耦合方式有多種,目的是為了觸發(fā)信號的穩(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)信號的交流分量觸發(fā),觸發(fā)信號的直流分量被隔斷.通常在不考慮DC分量時使用這種耦合方式,以形成穩(wěn)定觸發(fā).但是如果觸發(fā)信號的頻率小于10Hz,會造成觸發(fā)困難.
直流耦合(DC)不隔斷觸發(fā)信號的直流分量.當觸發(fā)信號的頻率較低或者觸發(fā)信號的占空比很大時,使用直流耦合較好.
低頻抑制(LFR)觸發(fā)時觸發(fā)信號經(jīng)過高通濾波器加到觸發(fā)電路,觸發(fā)信號的低頻成分被抑制;高頻抑制(HFR)觸發(fā)時,觸發(fā)信號通過低通濾波器加到觸發(fā)電路,觸發(fā)信號的高頻成分被抑制.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.
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同步.電平調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)觸發(fā)信號的觸發(fā)電平.一旦觸發(fā)信號超過由旋鈕設(shè)定的觸發(fā)電平時,掃描即被觸發(fā).順時針旋轉(zhuǎn)旋鈕,觸發(fā)電平上升;逆時針旋轉(zhuǎn)旋鈕,觸發(fā)電平下降.當電平旋鈕調(diào)到電平鎖定位置時,觸發(fā)電平自動保持在觸發(fā)信號的幅度之內(nèi),不需要電平調(diào)節(jié)就能產(chǎn)生一個穩(wěn)定的觸發(fā).當信號波形復(fù)雜,用電平旋鈕不能穩(wěn)定觸發(fā)時,用釋抑(Hold Off)旋鈕調(diào)節(jié)波形的釋抑時間(掃描暫停時間),能使掃描與波形穩(wěn)定同步.
極性開關(guān)用來選擇觸發(fā)信號的極性.撥在“+”位置上時,在信號增加的方向上,當觸發(fā)信號超過觸發(fā)電平時就產(chǎn)生觸發(fā).撥在“-”位置上時,在信號減少的方向上,當觸發(fā)信號超過觸發(fā)電平時就產(chǎn)生觸發(fā).觸發(fā)極性和觸發(fā)電平共同決定觸發(fā)信號的觸發(fā)點.
2.6 掃描方式(SweepMode)
掃描有自動(Auto)、常態(tài)(Norm)和單次(Single)三種掃描方式.
自動:當無觸發(fā)信號輸入,或者觸發(fā)信號頻率低于50Hz時,掃描為自激方式.
常態(tài):當無觸發(fā)信號輸入時,掃描處于準備狀態(tài),沒有掃描線.觸發(fā)信號到來后,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,按單次按鈕時掃描電路復(fù)位,此時準備好(Ready)燈亮.觸發(fā)信號到來后產(chǎn)生一次掃描.單次掃描結(jié)束后,準備燈滅.單次掃描用于觀測非周期信號或者單次瞬變信號,往往需要對波形拍照.
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)字電路實驗中,判斷一個脈寬較窄的單脈沖是否發(fā)生時,用邏輯筆就簡單的多;測量單脈沖脈寬時,用邏輯分析儀更好一些.
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