示波器在信号测量中的应用

摘 要:示波器是电子示波器的简称,是一种基本的、应用最广泛的时域测量仪器。它能让人们观察到信号波形的全貌,能测量信号的幅度、频率、周期等基本量,能测量脉冲信号的脉宽、占上升、下降时间、上冲、振铃等参数,还能测量两个信号的时间和相位关系。本文将分析电子示波器的工作原理、基本组成以及在信号测量中的应用。

关键词:示波器 幅度 频率 脉冲 相位

中图分类号:TM935 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2011)09(a)-0024-01

电子技术飞速发展,示波器从早期的定性观测,已发展到可以进行精确测量,其他非物理量亦可以转换成电量,使用示波器进行观测。示波器有几个特点是其它仪器不可替代了。由于电子束的惯性小,因而速度快,工作频率范围宽,适应于测试快速脉冲信号;灵敏度高,因为配有高增益放大器,所以能观测微弱信号的变化;输入阻抗小,对被测电路影响很小;随着计算机技术的发展,示波器的功能越来越大,测量电参量的数量越来越多。

1 示波器的原理及组成

1.1 基本种类

常用的示波器按技术原理可分为模拟示波器和数字示波器,模拟示波器可以分为通用示波器、多束示波器和取样示波器。而数字示波器可分为数字存储示波器和数字荧光示波器。

1.2 通用示波器的组成原理

通用示波器是示波器中应用最广泛的一种。通用示波器通常指采用单束示波管,除取样及专用或特殊示波器外的各种示波器。它主要由示波管、垂直通道和水平通道组成。此外,还包括电源电路,以及由它产生示波管和仪器电路中需要的多种电源。通用示波器中还常附有校准信号发生器,可以确定被测信号中任意两点间的电压或时间关系。

(1)示波管。示波管是示波器的核心部件,普通示波管的基本结构包括三部分:电子枪、偏转系统和显示部分(荧光屏)。这三部分被整个密封在玻璃壳内,就其用途而言,它是把电信号变成光信号的转换器。电子枪的作用是发射电子并形成很细的高速电子束。偏转系统是用电场来控制的,通过所加电压的大小来控制电子束的偏转方向和大小。荧光屏一般为圆形曲面或矩形平面,其内壁沉积有荧光物质,形成荧光膜。它的受到电子轰击后,将其动能转化为光能,形成亮点。当电子束随信号电压偏转时,这个亮点的移动就形成了信号的波形。

(2)Y通道。示波器的Y通道的任务是将被观测的信号尽量不失真地加到示波管Y偏转板上,通常包括探头、输入衰减器、Y前置放大器、延迟线和Y输出放大器等部分。

(3)X通道。X通道包括扫描电路、触发同步电路及X轴放大电路等,主要任务是形成、控制和放大锯齿波电压,使屏幕上稳定而准确地显示出被测信号的波形。

2 示波器在信号测量中的应用

2.1 电压的测量

利用示波器测电压有它独特的特点,除了可以测量各种波形的任何瞬时值(如电压幅度,包括测量脉冲和各种非正弦电压的幅度),还可以直接测量非正弦波形,这是其他电压测量仪表无法做到的。如利用示波器,可以测量一个脉冲电压波形的各部分的电压幅值,例如上冲量、顶部下降量等。

使用示波器测量交流电压的最大优点是可以直接观测到波形的形状,可看到波形是否失真,还可读出其频率和相位。但是,使用示波器只能测量交流电压的峰-峰值,或任意两点间电位差值,其有效值或平均值是无法直接示得的。

2.2 时间、周期和频率的测量

用示波器测量时间与用示波器测量电压的原理相同,只不过测量所关注的是X轴系统。将扫描微调旋钮置于校准位置,选用合适的Y轴输入耦合方式。

用示波器测量信号频率的方法基本上可分为两大类。一种是利用扫描工作方式;另一种是用示波器的X-Y工作方式。由于这种方式采用的是频率比,因而它的测量准确度取决于标准信号发生器的频率准确度和稳定度。这种方法一般适用于被测信号频率和标准频率十分稳定的低频信号,而且一般要求两频率比最大不超过10,否则图形过于复杂而难以测量。

时间间隔的测量与周期的测量方法完全相同,只不过X为波形两点(根据被测定具体的两个点)之间的水平距离。基于此方法,利用双踪示波器可测出两输入信号之间的时间差。

2.3 脉冲的测量

在脉冲和数字电路中,实际的脉冲(或方波)可能存在各种不完美的情况,理论上脉冲应是矩形,而在实际中并不完全如此。脉冲顶端并不完全平坦,有些倾斜,脉冲顶部的倾斜量叫做衰减(或SAG)。在波形中的电压陡变叫做尖脉冲,这在数字电路中尤为普通。尖脉冲足以大到使数字信号进入未明确规定的区域,严重时甚至使逻辑状态发生变化,破坏电路正常工作。利用示波器可观察、测量脉冲的上升、下降时间、测量脉冲的上升时间和测量时间间隔,可采用测量电压的方法进行,需注意的是测量所用的示波器的带宽和上升时间必须足够,以免影响测量脉冲。

2.4 频率响应的测量

利用示波器与信号发生器配合可以测量电路的频率响应。一种方法是利用示波器测量交流信号电压的方法逐点测出被测电路在不同频率点上的响应电压大小,然后据此绘出被测电路的频率响应曲线,这就是点频率测量法。它虽然是有效的,但由于测量点不可能很多,因而测量结果的细节不会很好,特别是有可能正好漏掉某些关键的转折点,并且测量时间较长,不利于自动测量。另一种利用示波器测量频率响应的方法是,运用扫频信号发生器加快测量速度。示波器以X-Y方式工作,扫频信号发生器输出的扫频正弦波连接到被测电路的输入端,被测电路的输出端被接到示波器的垂直信号道。扫频信号发生器的扫描电压驱动示波器的水平轴,当扫频信号发生器进行频率扫描时,该扫频信号发生器的扫描电压与频率成比例地迅速上升,示波器即显示被测电路的输出。用这种方法可将电路的全部频率响应迅速地显示在示波器上。

3 结语

总的来说,示波器在各种信号的测量上有着十分重要的地位。被广泛地应用于测量电压、同时、周期、频率、相位、脉冲、频率响应等方面,有着不可替代的作用。随着科技的进步,数字存储示波器也被广泛地用于测量,与模拟示波器相比,数字存储式示波器进行测量时不仅比较方便,而且有许多测量内容是模拟示波器达不到的,例如捕捉尖峰干扰信号,测量被测信号的平均值、频谱,测量和处理高速数字系统信号等。掌握示波器的使用,对于电路中的各项指标的测量是十分重要的,在电子测量中有着广泛的用途。

参考文献

[1] 梁驹.示波器的发展与合理选择[J].现代仪器,2006(6).

[2] 邰贵江.示波器使用实验的教学探讨[J].硅谷,2009(16).

[3] 王全宇.示波器扫描与触发方式的选择[J].物理大学实验,2010(23).

[4] 祁丹.浅谈示波器幅度测量误差的校准[J].科协论坛,2010(11).

[5] 陈宝彤.示波器X-Y方式应用初探[J].中国科技博览,2010(31).