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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析實(shí)驗(yàn)中的問題、測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果必不可少的重要儀器。示波器主要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(biāo)準(zhǔn)信號源組成。圖1-9所示為示波器。
圖1-9 示波器
示波器主要的功能是觀察和測量電信號的波形，不但能觀察到電信號的動(dòng)態(tài)過程，而且還能定量地測量電信號的各種參數(shù)，如交流電的周期、幅度、頻率、相位等。在測試脈沖信號時(shí)，響應(yīng)非常迅速，而且波形清晰可辨。另外，它還可將非電信號轉(zhuǎn)換為電信號，用來測量溫度、壓力、聲、熱等，因此它的用途非常廣泛。
示波器的種類很多，按其用途和特點(diǎn)可分為以下幾種。
1)通用示波器：它是采用單束示波管的寬帶示波器，常見的有單時(shí)基單蹤或雙蹤示波器。
2)多蹤示波器：又稱多線示波器。它能同時(shí)顯示兩個(gè)以上的波形，并對其進(jìn)行定性、定量的比較和觀測，而且每個(gè)波形都是由單獨(dú)的電子束產(chǎn)生的。
3)取樣示波器：這種示波器采用取樣技術(shù)，把高頻信號模擬轉(zhuǎn)換成低頻信號，再用通用示波器的原理顯示其波形。
4)記憶、存儲示波器：這種示波器不但具有通用示波器的功能，而且還具有存儲信號波形的功能。記憶示波器是利用記憶示波管組成的示波器，記憶時(shí)間可達(dá)數(shù)天。存儲示波器是利用數(shù)字電路的存儲技術(shù)實(shí)現(xiàn)存儲功能的，其存儲時(shí)間在理論上是無限的。
5)專用示波器，這些示波器是具有特殊用途的示波器，如矢量示波器、心電示波器等。
一般示波器都會提供一個(gè)簡單且功能明晰的前面板，以進(jìn)行基本的操作。面板上包括功能旋鈕和功能按鍵。圖1-10所示為示波器的前面板。
圖1-10 示波器的前面板
1.顯示屏
顯示屏是示波器的顯示部分。顯示屏上水平方向和垂直方向各有多條刻度線，用來指示信號波形的電壓和時(shí)間之間的關(guān)系，水平方向指示時(shí)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(biāo)有0%、10%、90%、100%等標(biāo)志，水平方向標(biāo)有10%、90%標(biāo)志，供測量直流電平、交流信號幅度、延遲時(shí)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(dāng)?shù)谋壤?shù)(VOLTS/DIV、TIME/DIV)就能得出電壓值與時(shí)間值，如圖1-11所示。
圖1-11 示波器的顯示屏
2.電源開關(guān)(POWER)按鈕
此按鈕是示波器主電源開關(guān)，見圖1-12，當(dāng)此開關(guān)按下時(shí)，電源指示燈亮，表示電源接通。
圖1-12 POWER按鈕、FOCUS旋鈕等
3.輝度(INTEN SITY)旋鈕
旋轉(zhuǎn)此旋鈕能改變光點(diǎn)和掃描線的亮度，見圖1-12。觀察低頻信號時(shí)可將亮度調(diào)小些，觀察高頻信號時(shí)可將亮度調(diào)大些，一般不應(yīng)太亮，以保護(hù)熒光屏。
4.聚焦(FOCUS)旋鈕
聚焦旋鈕用來調(diào)節(jié)電子束截面大小，將掃描線聚焦成最清晰狀態(tài)，見圖1-12。
5.標(biāo)尺亮度旋鈕
此旋鈕用來調(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較好，室內(nèi)光線不足的情況下可適當(dāng)調(diào)亮照明燈。
6.垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)(VOLTS/DIV)旋鈕
在單位輸入信號的作用下，光點(diǎn)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)。垂直靈敏度的單位為cm/V、cm/mV或者DIV/mV、DIV/V，垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)的單位為V/cm、mV/cm或者V/DIV、mV/DIV。實(shí)際上，因習(xí)慣用法和便于測量電壓讀數(shù)，有時(shí)也把偏轉(zhuǎn)因數(shù)當(dāng)作靈敏度。
示波器中每個(gè)通道各有一個(gè)垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)旋鈕(即選擇波段開關(guān))。一般按1、2、5方式將5mV/DIV～5V/DIV分為10擋。旋鈕指示的值代表熒光屏上垂直方向一格的電壓值。例如，旋鈕置于1V/DIV擋時(shí)，如果屏幕上信號光點(diǎn)移動(dòng)一格，則代表輸入信號電壓變化為1V。
每個(gè)波段開關(guān)上都有一個(gè)微調(diào)小旋鈕，用于微調(diào)每擋垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)。將它沿順時(shí)針方向旋到底，處于“校準(zhǔn)”位置，此時(shí)垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)值與波段開關(guān)所指示的值一致。逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)此旋鈕，能夠微調(diào)垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)。微調(diào)垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)后會造成與波段開關(guān)的指示值不一致，這點(diǎn)應(yīng)引起注意。圖1-13所示為VOLTS/DIV旋鈕。
圖1-13 VOLTS/DIV旋鈕
7.時(shí)基(TIME/DIV)旋鈕
時(shí)基旋鈕的使用方法與垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)的類似。時(shí)基旋鈕也通過一個(gè)旋鈕實(shí)現(xiàn)，按1、2、5方式把時(shí)基分為若干擋。旋鈕的指示值代表光點(diǎn)在水平方向移動(dòng)一格的時(shí)間值。例如，在1μs/DIV擋，光點(diǎn)在屏幕上移動(dòng)一格代表時(shí)間值1μs。
時(shí)基旋鈕上有一個(gè)微調(diào)小旋鈕，用于時(shí)基校準(zhǔn)和微調(diào)。沿順時(shí)針方向旋到底，處于“校準(zhǔn)”位置時(shí)，屏幕上顯示的時(shí)基值與旋鈕所示的標(biāo)稱值一致。逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)旋鈕，則是對時(shí)基微調(diào)。旋鈕拔出后處于掃描擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，通常為“×10”擴(kuò)展，即水平靈敏度擴(kuò)大10倍，時(shí)基縮小為1/10。例如，在2μs/DIV擋，掃描擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)下熒光屏上水平一格代表的時(shí)間值為2μs×(1/10)=0.2μs。
TDS實(shí)驗(yàn)臺上有10MHz、1MHz、500kHz、100kHz的時(shí)鐘信號，由石英晶體振蕩器和分頻器產(chǎn)生，準(zhǔn)確度很高，可用來校準(zhǔn)示波器的時(shí)基。
示波器的標(biāo)準(zhǔn)信號源CAL，專門用于校準(zhǔn)示波器的時(shí)基和垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)。
8.位移(POSITION)旋鈕
此旋鈕調(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(biāo)有水平雙向箭頭)可左右移動(dòng)信號波形，旋轉(zhuǎn)垂直位移旋鈕(標(biāo)有垂直雙向箭頭)可上下移動(dòng)信號波形。
9.選擇輸入通道
輸入通道至少有3種選擇方式：通道1(CH1)、通道2(CH2)和雙通道(DUAL)。選擇通道1時(shí)，示波器僅顯示通道1的信號。選擇通道2時(shí)，示波器僅顯示通道2的信號。選擇雙通道時(shí)，示波器同時(shí)顯示通道1和通道2的信號。
測試信號時(shí)，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，然后將示波器探頭上的“地”與被測電路的“地”連接在一起，示波器探頭接觸被測點(diǎn)。示波器探頭上有一個(gè)雙位開關(guān)。此開關(guān)撥到“×1”位置時(shí)，被測信號會無衰減地送到示波器，從熒光屏上讀出的電壓值是信號的實(shí)際電壓值。此開關(guān)撥到“×10”位置時(shí)，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(shí)際電壓值。
10.選擇輸入耦合方式
輸入耦合方式有3種選擇：交流(AC)、地(GND)和直流(DC)。
當(dāng)選擇“地”時(shí)，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)字電路的實(shí)驗(yàn)中，一般選擇“直流”方式，以便觀測信號的絕對電壓值。
11.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(shí)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3種觸發(fā)源：內(nèi)觸發(fā)(INT)、電源觸發(fā)(LINE)和外觸發(fā)(EXT)。
1)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。
2)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(shí)是有效的。特別在測量音頻電路、閘流管的低電平交流噪聲時(shí)更為有效。
3)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)具有周期性關(guān)系。由于被測信號沒有用作觸發(fā)信號，所以何時(shí)開始掃描與被測信號無關(guān)。
正確選擇觸發(fā)信號與波形顯示的穩(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(gè)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(gè)具有復(fù)雜周期的信號，且存在一個(gè)與它有周期性關(guān)系的信號時(shí)，選用外觸發(fā)可能更好。
12.選擇觸發(fā)耦合(COUP)方式
觸發(fā)信號到觸發(fā)電路的耦合方式有多種，目的是為了使觸發(fā)信號穩(wěn)定、可靠。觸發(fā)耦合方式主要有AC耦合、直流(DC)耦合、低頻抑制(LFR)觸發(fā)、高頻抑制(HFR)觸發(fā)和電視(TV)同步觸發(fā)。
1)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(shí)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，則會造成觸發(fā)困難。
2)直流(DC)耦合不隔斷觸發(fā)信號的直流分量。當(dāng)觸發(fā)信號的頻率較低或者觸發(fā)信號的占空比很大時(shí)，使用直流耦合較好。
3)低頻抑制(LFR)觸發(fā)時(shí)，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。
4)高頻抑制(HFR)觸發(fā)時(shí)，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。
5)電視(TV)同步觸發(fā)用于電視維修。
13.觸發(fā)電平(TRIG LEVEL)旋鈕
觸發(fā)電平調(diào)節(jié)又稱同步調(diào)節(jié)，它使掃描與被測信號同步。觸發(fā)電平旋鈕用于調(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(shí)，掃描即被觸發(fā)。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)旋鈕，觸發(fā)電平上升;逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)旋鈕，觸發(fā)電平下降。當(dāng)觸發(fā)電平旋鈕調(diào)到電平鎖定位置時(shí)，觸發(fā)電平自動(dòng)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(gè)穩(wěn)定的觸發(fā)。當(dāng)信號波形復(fù)雜，用觸發(fā)電平旋鈕不能穩(wěn)定觸發(fā)時(shí)，用釋抑(HOLDOFF)旋鈕調(diào)節(jié)波形的釋抑時(shí)間(掃描暫停時(shí)間)，能使掃描與波形穩(wěn)定同步。
14.觸發(fā)極性(SLOPE)開關(guān)
觸發(fā)極性開關(guān)用來選擇觸發(fā)信號的極性。撥在“+”位置上時(shí)，在信號增加的方向上，當(dāng)觸發(fā)信號超過觸發(fā)電平時(shí)就產(chǎn)生觸發(fā)。撥在“-”位置上時(shí)，在信號減少的方向上，當(dāng)觸發(fā)信號超過觸發(fā)電平時(shí)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(diǎn)。
15.選擇掃描方式(SWEEPMODE)
掃描方式有自動(dòng)(AUTO)、常態(tài)(NORM)和單次(SGL/RST)3種。
1)自動(dòng)：當(dāng)無觸發(fā)信號輸入或者觸發(fā)信號頻率低于50Hz時(shí)，掃描為自動(dòng)方式。
2)常態(tài)：當(dāng)無觸發(fā)信號輸入時(shí)，掃描處于準(zhǔn)備狀態(tài)，沒有掃描線。觸發(fā)信號到來后，觸發(fā)掃描。
3)單次：單次按鈕類似復(fù)位開關(guān)。在單次掃描方式下，按單次按鈕時(shí)掃描電路復(fù)位，此時(shí)“準(zhǔn)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(zhǔn)備好”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。
1.示波器接入信號
下面以DS1000示波器為例，講解信號的接入方法(DS1000為雙通道輸入加一個(gè)外觸發(fā)輸入通道，以及16個(gè)數(shù)字輸入通道的數(shù)字示波器)。
接入信號的方法如下：
1)首先將探頭上的開關(guān)設(shè)定為“10X”，然后將示波器探頭與通道1連接。將探頭連接器上的插槽對準(zhǔn)CH1同軸電纜插接件(BNC)上的插孔并插入，然后向右旋轉(zhuǎn)以擰緊探頭。
2)示波器需要輸入探頭衰減系數(shù)。此衰減系數(shù)改變儀器的垂直擋位比例，從而使得測量結(jié)果正確反映被測信號的電平(默認(rèn)的探頭衰減系數(shù)設(shè)定值為“1X”)。設(shè)置探頭衰減系數(shù)的方法為：按CH1功能按鈕顯示通道1的操作菜單，應(yīng)用與探頭項(xiàng)目平行的3號菜單操作鍵，選擇與使用的探頭同比例的衰減系數(shù)。這里設(shè)定為“10X”。
3)把探頭端部和接地夾接到探頭補(bǔ)償器的連接器上。按AUTO按鈕，幾秒鐘內(nèi)可見到方波顯示(1kHz，約3V，峰到峰)。
4)以同樣的方法檢查通道2(CH2)。按OFF功能按鈕或再次按下CH1功能按鈕以關(guān)閉通道1，按CH2功能按鈕以打開通道2，重復(fù)步驟2和步驟3。
2.探頭補(bǔ)償
在首次將探頭與任一輸入通道連接時(shí)，進(jìn)行此項(xiàng)調(diào)節(jié)，使探頭與輸入通道相配。未經(jīng)補(bǔ)償或補(bǔ)償偏差的探頭會導(dǎo)致測量誤差或錯(cuò)誤。
下面以DS1000示波器為例，講解調(diào)整探頭補(bǔ)償?shù)姆椒ā?/p>
1)將探頭衰減系數(shù)設(shè)定為“10X”，將探頭上的開關(guān)設(shè)定為“10X”，并將示波器探頭與通道1連接。如果使用探頭鉤形頭，應(yīng)確保與探頭接觸緊密。
將探頭端部與探頭補(bǔ)償器的信號輸出連接器相連，基準(zhǔn)導(dǎo)線夾與探頭補(bǔ)償器的地線連接器相連，打開通道1，然后按AUTO按鈕。
2)檢查所顯示波形的形狀，如圖1-14所示。
3)如有必要，用非金屬的螺絲刀調(diào)整探頭上的可變電容，直到屏幕顯示的波形如圖1-14b所示。
圖1-14 顯示波形的形狀
1.按下電源開關(guān)后示波器仍然黑屏，沒有任何顯示
按下電源開關(guān)后示波器仍然黑屏，沒有任何顯示的故障處理方法如下：
1)檢查電源接頭是否接好。
2)檢查電源開關(guān)是否按下。
3)做完上述檢查后，重新啟動(dòng)示波器。
4)如果仍然無法正常使用示波器，則可能是示波器內(nèi)部有故障，請送專業(yè)維修公司修理。
2.采集信號后，畫面中并未出現(xiàn)信號的波形
采集信號后，畫面中并未出現(xiàn)信號的波形的故障處理方法如下：
1)檢查探頭是否正常接在信號連接線上。
2)檢查信號連接線是否正常接在BNC(即通道連接器)上。
3)檢查探頭是否與待測物正常連接。
4)檢查待測物是否有信號產(chǎn)生(可將有信號產(chǎn)生的通道與有問題的通道接在一起來確定問題所在)。
5)再重新采集一次信號。
3.測量的電壓幅度值比實(shí)際值大10倍或?yàn)閷?shí)際值的1/10
檢查通道衰減系數(shù)是否與實(shí)際使用的探頭衰減比例相符。
4.有波形顯示，但不能穩(wěn)定下來
有波形顯示，但不能穩(wěn)定下來的故障處理方法如下：
1)檢查觸發(fā)面板的信號源選擇項(xiàng)是否與實(shí)際使用的信號通道相符。
2)檢查觸發(fā)類型，一般的信號應(yīng)使用“邊沿觸發(fā)”方式，視頻信號應(yīng)使用“視頻觸發(fā)”方式。只有應(yīng)用適合的觸發(fā)方式，波形才能穩(wěn)定顯示。
3)嘗試改變“耦合”為“高頻抑制”或“低頻抑制”顯示，以濾除干擾觸發(fā)的高頻或低頻噪聲。
5.按下RUN/STOP按鈕無任何顯示
按下RUN/STOP按鈕無任何顯示的故障處理方法如下(以DS1000示波器為例)：檢查觸發(fā)面板(TRIGGER)的觸發(fā)方式是否為“普通”或“單次”擋，且觸發(fā)電平超出波形范圍。如果是，將觸發(fā)電平居中，或者設(shè)置觸發(fā)方式為“自動(dòng)”擋。另外，按AUTO按鈕可自動(dòng)完成以上設(shè)置。
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