任务 1 测量校准信号(电子测量技术)
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任务1 测量校准信号
示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。
示波器能在荧光屏上显示电信号图像,以方便人们研究电信号量随时间变化的过程。
研究信号随时间变化的测量称为时域测量,在示波器的荧光屏上,,轴(水平方向)代表时间,Y轴(垂直方向)代表信号大小,示波器荧光屏可以将电信号波形随时间变化的过程直观地显示出来。
利用各种传感器,示波器还可以测量各种非电量,所以在科学研究、航空航天、工农业生产、医疗卫生、地质勘探等方面,示波器已成为应用非常广泛的电子仪器。
示波器可以分为模拟式和数字式两大类,按示波器的用途可分为通用示波器、取样
示波器和特殊示波器。
示波器的种类很多,面板结构复杂,各种功能旋钮也很多。
模拟式示波器出现较早,目前仍然广泛使用,在实际使用之前,需要将模拟式示波
器调整到合适的工作状态,然后通过测量自带的校准信号来进行模拟式示波器的自身
校准。
1. CA9020D型通用示波器外形
CA9020D型通用示波器是一种常用的模拟式示波器,其外形如图3-1-1 所示。
图3-1-1 CA9020D型通用示波器外形
2. CA9020D型通用示波器面板
CA9020D型通用示波器面板按照功能划分,可分为主机系统(屏幕、电源及显示控制)、垂直系统、水平系统和触发部分,如图3-1-2 所示。
【任务分析】
【认识仪器】
水平系统
触发部
分
主机系
统
垂直系
统
图3-1-2 CA9020D型通用示波器面板
(1)主机系统
主机系统各部件如图3-1-3 所示,相关功能见表3-1-1。
辉度旋钮
校准信
号接
口
聚焦旋
钮
光迹旋
钮
电源按
键及指
示灯图3-1-3 主机系统各部件
表3-1-1 主机系统各部件相关功能
部件功能
显示
屏幕用于显示测量波形,屏幕具有坐标刻度,其上方的铭牌标示了模拟式示波器的品牌、型号和带宽(20 MHz)
续表
电源及显示控制
校准信号接口
辉度旋钮
聚焦旋钮
光迹旋钮
电源按键及指示灯
(2)垂直系统
垂直系统各部件如图3-1-4 所示,相关功能见表3-1-2。
垂直偏转因数调节旋钮垂直移
位旋
钮
垂直因
数微调
旋钮
输入端子
输入耦合方式选择开关显示方
式选择
开关
CH2反相按键
图3-1-4 垂直系统各部件
表3-1-2 垂直系统各部件相关功能
部件功能
垂直偏转因数调节旋钮可以设置屏幕在垂直方向上单位刻度代表的电压大小,逆时针旋转增大,顺时针旋转减小,按1—2—5 步进。
相应的设置值在数码管上显示,电压单位由点亮的指示灯显示
垂直移位旋钮
用于控制显示波形在屏幕上的垂直位置
垂直因数微调旋钮
逆时针旋转,使波形显示的幅度扩展,顺时针旋转到“CAL”为校准位置,此时垂直偏转因数指示值才有正确含义。
通道CH1、CH2 各有一个垂直因数微调旋钮
续表部件功能
输入端子通道CH1、CH2 各有一个输入端子。
当进行X-Y 方式显示时,CH1 作为X轴,CH2 作为Y轴
输入耦合方式选择开关①AC,电容耦合。
②GND,接地,输入信号不进入示波器Y通道。
③DC,直接耦合
显示方式选择开关①CH1,显示通道CH1 波形。
②CH2,显示通道CH2 波形。
③ALT,交替双踪显示。
④CHOP,断续双踪显示。
⑤ADD,显示两通道波形叠加后的波形
CH2 反相按键
按下该按键,CH2 信号反相后送入Y通道
(3)水平系统
水平系统各部件如图3-1-5 所示,相关功能见表3-1-3。
扫描时间
因数调节
旋钮
图3-1-5 水平系统各部件
水平移位旋钮
表3-1-3 水平系统各部件相关功能
部件功能
扫描时间因数调节旋钮可以设置屏幕水平方向单位刻度代表的时间,逆时针旋转增大,顺时针旋转减小,按1—2—5 步进。
相应的设置值在数码管上显示,时间单位由点亮的指示灯显示
扫描时间微调旋钮逆时针旋转调节,使波形在水平方向扩展;顺时针旋转调到“CAL”为校准位置,此时扫描时间因数指示值才有正确含义
水平扩展按键
按下该按键,波形在水平方向扩展10 倍水平移位旋钮
用于控制显示波形在屏幕上的水平位置
(4)触发部分
触发部分各部件如图3-1-6 所示,相关功能见表3-1-4 。
触发方式选择开关
触发按键及触
发极性选择按
键
触发电平
触发输入端子调节旋钮
图3-1-6 触发部分各部件
触发源选择开关
表3-1-4 触发部分各部件相关功能触发方式选择开关
触发指示灯
触发源选择开关
触发电平调节旋钮
触发按键
触发极性选择按键
触发输入端子
3. CA9020D型通用示波器的性能指标
CA9020D型通用示波器的性能指标见表3-1-5 。
表3-1-5 CA9020D型通用示波器的性能指标
【任务实施】
1.熟悉仪器
对照模拟式示波器实物,熟悉各功能旋钮。
2.测量前准备
模拟式示波器测量前的准备见表3-1-6 。
表3-1-6 模拟式示波器测量前的准备
活动一连接探头
探头的缺口
活动二设置垂直系统(使用模拟式示波器CH1 通道)
CH1
中间位置
活
动三 设置水平系统
中间位置
活动四 设置触发部分
活动五 设置主机系统
操作内容过程图示
步骤 4 若扫描线与屏幕水平线不平行,
可通过光迹旋钮调整光迹,使其与水平线
平行
至此,模拟式示波器测量前的准备工作完成,待模拟式示波器预热一段时间后,即可进行波形测量,若测量过程中短时不使用模拟式示波器,可将辉度旋钮逆时针旋转到底,使屏幕亮度降至最低而不必关闭电源。
3.测量校准信号
在完成测量前的准备工作后,可以利用模拟式示波器自带的校准信号进行测量校准,测量步骤见表3-1-7 。
表3-1-7 测量校准信号
操作内容过程图示
活动一测量连接
步骤将探头连接至校准信号接口上
活动二设置垂直系统(使用CH1 通道)CH1
活动三设置水平系统
活动四设置触发部分
活动五测量读数
5
在按照以上步骤完成校准信号的测量后,将测量的波形数据记录在表3-1-8 中。
表 3-1-8 校准信号波形数据记录
波形
周期
峰-峰值
扫描时间因数
垂直偏转因数
1.通用模拟式示波器的组成
通用模拟式示波器的组成框图如图 3-1-7 所示 。
Y 衰 Y 前置 - Y 后置 减器 放大器 - - 放大器 -
垂直系统 水平系统
内
电路 发生器
图 3-1-7 通用模拟式示波器的组成框图
(1)垂直系统( Y 通道)
垂直系统( Y 通道)是被测信号的通道,主要完成对被测信号的整形放大 、延时并送至示 波管的垂直偏转部分,同时还要为水平系统的扫描电路提供内触发同步信号 。
增辉
电
做中学
完成数据记录后,对照表 3-1-1~表 3-1-4 对模拟式示波器面板各按键 、旋钮的功能介 绍,尝试改变各按键 、旋钮,体会它们的作用,规范训练 、精准读数,提高实践能力 。
【知识链接】 X 输
入
外触发
校准
信号输出
探头
Y 输入
- 延迟线 - 校准信
号 发
生器
主机系统
电源
X 放 大器 外 、
- 触发 -
时基
①探头。
探头用于连接被测信号,还可以提高模拟式示波器的输入阻抗,减小波形失真,展宽模拟式示波器带宽。
无源RC探头如图3-1-8 所示,该探头根部带有补偿微调器,调整补偿微调器可以补偿由于模拟式示波器输入特性的差异而产生的误差,如图 3 - 1-9 所示。
探头手柄上带有衰减器,衰减比包括 1 :1 和10 :1 两种,读数时需要加以注意,例如,当衰减比为10 :1 时,被测信号被衰减10 倍后送入示波器Y通道。
图3-1-8 无源RC探头
(a) 补偿适中(b) 过补偿(c) 欠补偿
图3-1-9 探头补偿调整
②输入耦合方式。
输入耦合方式指被测信号与Y通道的连接耦合方式,一般有AC、DC、GND三种。
采用AC方式,输入信号经电容耦合,因此只有交流分量可通过,称为交流耦合或电容耦合;采用DC方式,输入信号直接通过,称为直流耦合或直接耦合;采
用GND方式,Y通道接地,输入信号不送入模拟式示波器,称为接地方式。
接地方式可以在不需要断开被测信号的情况下,为Y通道提供接地电平。
③垂直偏转因数。
垂直偏转因数又称为Y灵敏度,可通过垂直偏转因数调节旋钮
切换不同的挡位,实际上改变的是Y通道信号通路的步进衰减器衰减比,单位为
V/DIV,当垂直因数微调旋钮处于校准位置(CAL)时,该数值表示屏幕上垂直方向每格表
示的电压数值大小。
④显示方式。
显示方式一般有5 种,即CH1、CH2、ADD和ALT、CHOP,其中前 3
种是单踪显示,分别为只显示通道 1 输入信号、只显示通道 2 输入信号和显示 2 个通
道信号的叠加波形;ALT、CHOP分别为交替和断续双踪显示方式,双踪显示方式具体工作
原理如下:
● ALT交替双踪显示方式:模拟式示波器内部扫描电子开关的转换受扫描控
制电路控制,转换周期和扫描周期相等,即单周期显示CH1 波形,双周期显示CH2 波形,依此轮换,2 路被测信号按扫描周期轮流显示在屏幕上,对于频率较高的被测信号,不会产生明显的闪烁现象。
●CHOP断续双踪显示方式:和交替双踪显示方式不同,模拟式示波器内部扫描电子开关的转换不再受扫描控制电路控制,而是按照一个固定的转换频率自行切换,该转换频率一般为几百赫,然后轮流扫描显示CH1 和CH2 波形,这样2 路被测信号就被分为许多光点,轮流显示在屏幕上,因为转换频率较高,光点靠得很近,显示的波形看起来仍然是连续的,在断续显示模式下,每扫描 1 次(即 1 个周期),可同时完成2 个通道的显示。
(2)水平系统(X通道)
水平系统主要产生与时间呈线性关系的扫描锯齿波电压,并送至水平偏转部分,形成时间基线。
为了显示稳定且真实的输入信号,水平系统的触发部分必须选择适当的触发同步信号。
①扫描时间因数。
可通过切换扫描时间因数调节旋钮切换不同的挡位,单位为S/DIV,在扫描时间因数没有扩展、扫描时间微调旋钮处于校准位置(CAL)时,该数值表示在屏幕的水平方向上每格表示的时间。
②扫描时间因数扩展。
通过扫描时间因数扩展,屏幕上的波形可以在水平方向上得到扩展,以提高模拟式示波器观察高频率信号的能力。
③触发方式。
触发方式通常有自动、常态、电视和单次等几种。
●自动触发(AUTO):不论有无输入信号,模拟式示波器一直处于扫描状态,扫描线一直存在,一旦有触发信号,扫描脉冲由触发信号同步而形成触发扫描,一般测量均使用自动触发方式。
●常态触发(NORM):与自动触发不同,在这种触发方式下,如果没有输入信号或触发电平调节不适当,就没有触发脉冲,也无扫描基线。
●电视触发(TV):分为TV-H(电视行)、TV-V(电视场)触发,在原有触发扫描电路的基础上,插入电视行、场同步分立电路,利用电视信号中的行、场同步信号来实现电视信号的触发扫描,适合对电视信号进行检测。
●单次触发(SINGLE):是指满足触发条件时触发取样一次,然后停止,每次触发仅刷新屏幕一次,直到下一次满足触发条件。
采用该触发方式时,需要先设置好触发条件,然后按下触发按键,触发取样一次。
④触发极性。
触发极性是指使用触发信号的上升沿(正极性)还是触发信号的下降沿(负极性)触发。
触发电平和触发极性的不同,扫描的起始点就不同,显示的波形也就不同。
图3-1-10 所示为触发极性和触发电平与波形显示的示意图。
⑤触发源。
触发源的种类包括交替触发、内触发、外触发以及电源触发等。
交替触发(ALT)是指交替采用通道 1 和通道2 的信号作为触发信号,在双踪波形显示时,采用这种模式可以得到稳定的波形显示。
内触发(INT)是指用Y通道放大器输出的被测信号作为触发信号(如CH1、CH2);外触发(EXT)是指用从外触发输入端输入的信号作为触发信号;电源触发(LINE)是指使用示波器电源(50 Hz工频)的信号作为触发信号。
被测信号
触发脉冲
扫描电压
显示波形
(a) 正极性触发, 零电平(b) 正极性触发, 正电平(c) 负极性触发, 负电平
(d) 负极性触发, 正电平
图3-1-10 触发极性和触发电平与波形显示的示意图(3)主机系统(Z通道)
模拟式示波器主机系统主要包括电源、示波管及显示电路、校准信号发
生器电路等。
校准信号发生器可以产生基准方波信号,可以提供标准信号,用于模拟式示波器的校准。
2.通用模拟式示波器的主要技术性能
(1)带宽
模拟式示波器的带宽通常为 3 dB,决定模拟式示波器可以观测的信
号最高频率,一般要求带宽为被测信号频率的 3 倍以上。
(2)垂直灵敏度
垂直灵敏度是垂直偏转因数的倒数,决定模拟式示波器对被测信号
在垂直方向的展示能力,垂直灵敏度越高,对被测信号垂直方向的展示能力越强。
(3)扫描速度
扫描速度是扫描时间因数的倒数,决定模拟式示波器对被测信号在水平方向的
展示能力,扫描速度越快,对高频信号或窄脉冲的展示能力越强。