示波器，第二部分

本系列的第一部分（《电梯世界》，2016 年 XNUMX 月）探讨了示波器的历史根源，包括一些早期的创新和理论基础，例如傅里叶变换。这篇总结性文章将快进到现在，引导读者完成示波器练习，从简单开始，逐渐深入到更复杂的部分。

学习目标

阅读本文后，您应该了解：
♦ 使用示波器访问电信号
♦ 避免故障电流
♦ 如何补偿示波器的探头以及为什么需要该过程
♦ 在示波器上显示直流和交流波形
♦ 使用数字电压表功能

示波器本质上是一个电压表，尽管与任何此类仪器一样，它可以配置和校准以读取电流和电阻。 作为我们的示例仪器的示波器 Tektronix MDO3104 包含一个内置的数字电压表。 电压显示在屏幕顶部的读数中，精确到千分之一伏。 这避免了通过计算标线中的分度数来估计电压的需要，尽管如果需要，仍然可以这样做。

在继续之前，如果示波器是新的或需要验证，则有必要对设备的探头进行补偿。 由于制造过程中的细微变化，任何给定探头的阻抗都不会与模拟通道的阻抗完全匹配。 如果这些值不同，方波信号（具有非常快的上升和下降时间）将在显示中表现出相当大的失真。 补偿不佳的探头会引入测量误差。

当探头连接到模拟输入通道之一时，探头变为 the source，该模拟输入通道的前端电路成为负载。 有必要使每个探头的阻抗与其要连接的任何模拟通道的阻抗相匹配。 如果这些阻抗没有恰好重合，则需要调整探头的阻抗以使其匹配良好。 有一次，这是通过使用非金属螺丝刀转动探头主体上的螺钉来完成的。 MDO3104 按照屏幕提示自动执行此操作。

将探头连接到所需的模拟输入通道，并将探头尖端和接地参考线连接到示波器前面板右侧的正确端子。 这些端子标有“Probe Comp”，其中之一标有接地符号。 按下所需模拟输入通道的前面板按钮。 下方菜单将显示探头终止值。 反复按“更多”选择“探头设置”，然后按“补偿探头”。

四个模拟输入通道中的每一个都可以存储多达 10 个独立探头的补偿值。 除此之外，最旧的存储值将被删除以支持额外的探头补偿，并且示波器将在新探头补偿时添加这些值。 必须对每个探头/通道组合重复此过程。 或者，可以补偿每个通道的单个专用探针，在这种情况下，必须标记探针。

基本练习

我们的第一个连接将是 9 伏电池。 由于它与地面完全隔离，因此没有大故障电流的危险，例如当被调查的电气设备连接到房屋的公用事业电源时。 因此，允许将探头尖端和接地参考线连接到正极或负极。 无需使用差分探头或未接地的手持示波器。

请注意，显示由一条水平线组成。 它的颜色与所用通道的专用颜色相匹配。 例如，第一频道是黄色的。 电压电平可以通过计算沿 Y 轴的主要分区和沿显示器任一侧的刻度来估计。 使用内置的数字电压表可以进行更准确的测量。 为此，请按前面板“Wave Inspector”部分中的“Measure”。 显示屏底部将出现一个菜单栏。 按下“DVM”对应的软键，DVM 菜单栏出现在显示屏的右侧。 最上面的项目是“模式”。 按下软键可以将“关”切换为“开”。 小写字母“a”表示多用途旋钮“a”用于滚动模式，包括“关”、“AC + DC RMS”、“DC”、“AC RMS”和“频率”。 （由于仪器连接到直流信号，“频率”不适用。）

除“模式”外，右侧菜单栏上的菜单项可以使用软键进行选择。 在“来源”下，小写字母“b”表示可以使用多功能旋钮“b”选择选项。 The sources 是四个可用的模拟通道输入，每个都以专用颜色显示。 “显示样式”旁边的软键在“完整”和“最小化”之间切换，后者消除了显示中的一些项目。

我们现在准备观察波形。 在这种情况下，由于信号是直流，所以显示一条水平直线。 如果接地参考线接负极，X轴上方会出现这条线，可以通过计算分划板上显示的分度和刻度来估计电压。 或者，可以通过使用示波器的 DVM 功能获得更精确的测量（精确到千分之一伏）。 如果探头尖端和接地参考引线在 9 V 电池上接反，水平电压线将出现在 X 轴下方。

可以通过按“Wave Inspector”部分中的“Measure”来访问内部频率计数器。 在显示屏底部的菜单中，按下“DVM”下方的软键。 在显示屏的右侧是一个带有 DVM 项目的菜单。 注意小写的“a”。 这意味着可以通过旋转通用旋钮“a”访问子菜单中的项目。 这样做直到突出显示子菜单底部的“频率”。 在显示屏的顶部，会出现一个包含“频率”的菜单栏。 如前所述，频率显示为不适用，因为信号是直流。

大多数现代数字示波器都有两通道或四通道型号。 四通道型号通常会增加 50% 的价格，因此建议在做出购买决定之前预测使用情况。 MDO3104 有四个通道，从单个探头到通道输入、显示波形和出现在屏幕上的标签，所有内容都采用颜色编码。

进阶练习一

另一个练习包括获取现场可用交流公用电源的显示。 它被认为更先进，因为要测量的电路的一侧牢固接地，而另一侧则固定在高于地面的指定电压。

如果探头的接地参考引线连接到以地为参考但在除地电位以外的某个显着电压下浮动的电线或端子，则接地的台式仪器（例如 MDO3104）以及正在研究的电路可能会损坏. 将仪器插入已验证设备接地连续性的接地插座后，安全程序是将接地参考引线连接到未参考（完全隔离）接地的被调查电路的一部分或牢固接地并与示波器的电源接地具有相同的电位。 首先，检查示波器插座和为被调查设备供电的插座。 使用电路分析仪执行此测量。

首先，制作一根一端带有三相插头的短电源线。 在另一端，切开并去除一小段护套，然后剥去三个导体末端的绝缘层。 留下少量铜箔以减少接触或短路的风险。 确保正确端接插头的末端，以免接地（白色）和未接地（黑色）导体交叉。 把这根绳子放在一个安全的地方，因为如果落入坏人之手，它可能会很危险。

将探头连接到示波器的模拟输入通道之一。 通过按下带有颜色编码的编号按钮使其亮起，确保打开了正确的通道。 如果没有出现有意义的显示，请按“默认设置”、“菜单关闭”和“自动设置”。 如果需要“One”以外的模拟通道，则必须将其打开，因为“默认设置”总是将示波器带回到通道 XNUMX。

现在应该可以看到由实用程序生成的正弦波。 这种显示有几个方面值得注意。 首先，正弦波的特点是在较低电平（接近零）电压电平时变化率较大，而在较高电平电压电平时变化率较小。 这就是曲线趋于平稳并在峰值处变得平坦的原因。 这是产生动力的机器的旋转性质的结果。

显示的另一个值得注意的方面是，由于按下了“默认设置”和“自动设置”按钮，波形以 X 轴为中心。 这个位置可以通过转动通道选择按钮上方的小旋钮来调整。 按下此旋钮可使显示在 X 轴上重新居中。 通道选择按钮下方的大旋钮可更改垂直缩放。 请注意，完成此操作后，每格的伏特数（显示在显示屏的左下角）会相应更改。 按“自动设置”返回默认视图。

水平位置和刻度旋钮执行类似的更改，这里再次“自动设置”恢复默认设置。 在“触发”部分，触发电平可以从零电平升高或降低（参考 Y 轴）。 请注意，如果此电平移动到正峰值上方或负峰值下方，则不再发生触发，波形变得不稳定。 按“自动设置”将触发电平移回 0 V，波形重新稳定。 另一个有趣的实验是在黑（热）线中插入一个二极管。 这可以使用线螺母来完成，它会创建一个半波整流器。

如果二极管反接，被阻断的一半波形将具有相反的极性。 正弦波的剩余一半将出现在 X 轴的另一侧。 一个全波整流器可以用两个二极管和一个中心抽头的变压器或四个二极管和一个非中心抽头的变压器来构建。 整个波形将出现在 X 轴的一侧。 进一步的实验是使用电容器和/或电感器构建滤波器，以查看可以去除多少纹波。

在所有这些过程中，请记住不要将接地参考引线连接到任何相对于接地以不同电压浮动的电线或端子。 由于有意的内部连接或无意的短路，中心抽头变压器可能会将接地通过中心抽头。 可以通过霓虹灯测试灯验证与地面的隔离。 如果变压器输出的任何部分以地为参考并浮动在不同的电位，则有必要使用备用仪表。 进行此类测量的一种方法是使用高压差分探头，例如泰克 TMDPO200。 另一种选择是使用手持式、电池供电的示波器，例如泰克 THS3024。

进阶练习二

另一个有趣的实验（去掉之前实验中的二极管）是将仍然连接到市电交流电的探头连接到射频 (RF) 输入端。 显示器现在在频域中绘制正弦波，在 X 轴上显示相对于频率（而不是时间）绘制的功率分布。 底部的不规则轨迹是本底噪声，由电子的随机运动引起。 由于输入是没有谐波的纯正弦波，因此频域显示（下图）和频谱图（上图）中显示的功率分布是单个尖峰。 所有的信号功率都在一个频率上。 示波器能够进行这种转换，因为它以电子方式利用了快速傅立叶变换，这是一组相当复杂的计算（EW，2016 年 XNUMX 月）。

对于下一个实验，移除交流电源并将探头连接回模拟通道。 我们将配置乐器，使其可以显示任何声音，包括人声通过麦克风发出的声音。 首先要意识到有两种类型的麦克风——需要外部电源的和不需要外部电源的。 碳麦克风在这种应用中效果很好，但它的问题是它需要外部电源。 该装置由一个装有碳颗粒的小容器组成。 空气压力的变化连续压缩和解压碳，使整个装置的导电性越来越强。 由于示波器本质上是一个电压表（而不是欧姆表），因此需要外部直流电源。 一个 9V 电池工作良好，除了这样一个事实（如示波器所见，它是自动量程的），直流电压会压倒与声音相对应的电波动。 为了纠正这种影响，可以将一个电容器与麦克风串联以消除直流电流。

更简单的解决方案是使用不需要外部电源的麦克风。 这种麦克风实际上从内部产生电能。 扬声器实际上是一个线性或非旋转的外部换向直流电机。 和其他直流电机一样，它也是一个直流发电机。 锥体附近可能会产生噪音（例如语音），麦克风会将气压的变化转化为波动的电压。 因此，扬声器可以直接连接到示波器探头。

其他用途

许多虚拟乐器的波形可以通过将示波器连接到电子键盘来查看。 这些信号被认为含有丰富的谐波，可以在频域和频谱图中查看。 但是，请勿将示波器直接连接到耳机插孔。 这可能会烧毁输出晶体管（最终放大级）。 看到示波器探头的输入阻抗非常高，它们将进入基本开路并使电路过载。 另一个可能有问题的问题是输出的一侧可能以地面为参考，但浮动在其上方或下方。 相反，使用上面讨论的扬声器连接。 将其放置在键盘扬声器附近，示波器和键盘都不会受到损害。

示波器对于音频和视频设备的故障排除非常有用。 通常的程序是将信号注入输入，然后使用示波器查看连续阶段的信号。 一些电视原理图包括描绘电路中不同点的健康波形的图形。 示波器轨迹显示的信息比单纯的电压表读数要多，而且通常可以先将缺陷缩小到阶段，然后缩小到电路，最后缩小到坏元件。 传统上，为此目的使用信号发生器，也称为“函数发生器”。 这种特定的、不变的信号比使用通过天线传入的广播更可取，因为它不会变化并提供可以在各个点观看和比较的统一波形。

MDO3104 等高级数字示波器包含一个可选的内部函数发生器，能够合成各种信号。 可以修改频率、幅度、占空比和与 X 轴的偏移。 该型号在后面板上有两个端口，可以访问任意函数发生器 (AFG) 信号。 它可以被注入到正在研究的电路中，也可以通过任何模拟通道输入反馈到示波器中以进行查看。 为此，使用了较短的 Bayonet Neill-Concelman (BNC) 电缆。 这是具有特殊端部的标准同轴电缆，具有出色的频率响应，但与同轴电缆连接器不兼容。 适配器可用。

可以查看和修改多个波形。 正弦波、方波、脉冲、斜波、直流、噪声和其他可用。 此外，馈入四个模拟通道和 RF 通道的信号波形可以存储在示波器的存储器中，根据需要进行编辑，并在未来随时访问。 可以将噪声添加到感兴趣的信号中，以查看它是如何受到影响的。 可以使用泰克软件执行额外的信号修改，可在以下网址免费下载 www.Tektronix.com.

示波器是对故障电子设备进行故障排除和诊断的绝佳工具。 此外，查看电路中不同点的波形具有极大的指导意义，并且可以洞察我们神秘宇宙的一些基本物理特性。

学习强化问题

使用以下学习强化问题来学习继续教育评估考试，该考试可在 www.elevatorbooks.com 或 p. 上在线获得。 本期第137期。
♦ 如何保护示波器免受故障电流的影响？
♦ 如何访问AFG？
♦ 如何使用多功能旋钮“a”和“b”？
♦ 电路分析仪如何用于避免故障电流？
♦ 为什么正弦波在峰值处更平坦？