1.3 示波器
1.3.1 单踪示波器
电子示波器是调试、检验、修理各种电子仪表设备时不可缺少的工具。随着各种换能技术的应用与发展,已使得温度、压力、振动、速度、声、光、磁等非电量的物理量可以转换为便于观察、记录和测量的电量,并以电子信号形式显示在电子示波器的屏幕上,家用维修中通常用示波器测量信号波形等。
单踪示波器的种类较多,本节介绍专为无线电修理设计的BS-7701/7702型多功能晶体管示波器。
1. BS-7701型示波器的主要技术指标
1)Y通道
● 带宽:0~7MHz±3dB;
● 灵敏度:10mV/格;
● 衰减挡:10mV/STK-30/格,按一、三进制共分8挡;
● 选购件:100:1 TV探头,可扩展到300V/格,最高测试电压峰-峰值为3000V。
2)X通道
● 扫描速度:10ms/格~0.3μs/格,按一、三进制共分10挡。
● 带宽:10Hz~500kHz,-3dB。
● 灵敏度:500mV±150mV/格。
● 输入阻抗:1MΩ/40pF。
● 同步选择:正、负极性触发。
3)校准信号
自校采用100μs(10kHz)、40mV峰-峰值方波进行校准,其频、幅精度优于±2%。
4)其他
● 示波管采用9SJ105Y14型矩形内刻度中余辉管,有效工作刻度为8格(垂直)×10格(水平)(48×60mm2);
● 电源电压:220V,50Hz;
● 外形:145mm×200mm×300mm;
● 重量:5kg。
2. 面板介绍
如图1-6所示是BS-7701型示波器的面板图。
图1-6 BS-7701型示波器的面板图
矩形内刻度示波管的显示屏:其工作面垂直刻度为8格,水平刻度为10格。
电源开关及指示灯:将该开关打开,电源接通,指示灯亮,示波器进入工作状态。
亮度调节钮:顺时针方向旋动,亮度增加,反之减弱,直至光点消失。
聚焦调节钮:调节聚焦按钮,使光点最小,或屏幕显示波形清晰。
Y位移调节钮:调节该钮可使光点垂直方向移动,顺时针方向旋动时,光点或波形向上移动,反之向下移动,一般应调到中间位置,顺时针方向或逆时针方向旋到头时,有可能使光点的扫描线偏出屏幕外而找不到光迹。
X位移调节钮:调节该钮可使光点或波形水平方向移动,顺时针方向旋动时光点或波形向右移动,反之向左移动,一般应该在中间位置。
同步调节钮:调节该钮可使扫描周期和被测信号周期保持在整数倍,使屏幕上显示稳定的波形。扫描电路较特殊,只调一个同步按钮就可以很容易地使被测信号波形稳定地显示,在同步按钮调节范围内,一般有几个同步点,因此调节起来非常方便。
同步选择按钮:该按钮控制内同步信号的正负极性,当被测信号为正极性脉冲时,应放开按钮,即在“+”位置,当被测信号为负脉冲时,应按下该按钮,即在“-”位置。
垂直通道(Y轴)衰减开关:用该开关可改变Y轴测程,其中第八挡为10mV/格。根据被测信号的幅度选择适当的挡位,若不知信号幅度大小,应尽量应先放在大挡,如3V/格,然后逐渐调至小挡位至屏幕显示合适的幅度。一般调节挡位使波形在垂直方向占4~5格为宜。第九挡为内部校正信号,频率为10kHz(周期100μs),幅度为40mV的峰-峰方波信号,输入Y轴,用该信号来检查示波器Y通道和X扫描的工作状态。
Y输入插座:被测信号由该插座输入Y放大器。
AC-DC选择按钮:按钮抬起(即AC位置),被测信号经隔直电容输入Y通道,信号波形位置不受直流成分影响,当按钮按下(即DC位置),被测信号的交流分量和直流分量均输入Y通道,适合于观察变化缓慢的信号或比较信号的直流成分。
接地按钮:按钮抬起时,正常工作;按下时,Y放大器输入接地,便于寻找扫描基地。
扫描速度开关:扫描速度从10ms/格~0.3μs/格共10挡,根据被测信号频率的高低选择适当的扫描速度。当不知道被测信号频率时,可先放在扫描速度较慢的挡,调“同步”按钮,使屏幕显示稳定波形;若显示的波形过密,再增加扫描速度,因为在某扫描挡内至少要有一个被测信号的波形产生同步信号,不然仪器将无法同步。扫描速度开关的第一挡为X输入,这时,X输入插座与X放大器连接。
X输入插座:被测信号由该输入X放大器。
3. 使用前的准备
(1)将面板各旋钮放下述位置:
● Y位移钮:居中;
● X位移钮:居中;
● AC-DC按钮:放开(AC位置);
● 扫速开关:放X输入;
● Y衰减开关:放10V/格;
● 亮度钮:顺时针旋到头。
(2)打开电源开关,电源指示灯亮,示波管屏幕上应有光点,调整亮度、聚焦钮,使光点最小,调Y位移钮,光点应能上下移动,调X位移钮,光点应左右移动,然后将光点调到屏幕中央(注意:上述操作应尽量迅速,不能长时间将光点停在一固定位置,以免灼伤屏幕)。
(3)将Y衰减开关放到校正位置,扫速开关放在0.1ms/格,调节同步钮使波形稳定,微调Y位移和X位移钮,应有如图1-7所示的波形在屏幕上出现,其垂直方向应占4格,水平方向有10个完整方波,这时BS-7701示波器便可正常投入使用。
图1-7 校准信号波形
4. 使用方法
1)在示波器屏幕上如何读数
本示波器采用矩形屏幕示波管,垂直方向(Y 轴)为8格,它表示被测波形的幅度,垂直衰减开关与万用表的测程开关相似,它用V/格或mV/格表示,被测信号在垂直方向所占的格值d乘以垂直衰减开关挡位c(cm/格或V/格),其积就是被测信号的幅值V,用公式表示:
图1-7为校正信号在示波器屏幕上显示的图形,垂直方向占4格,即d=4格,Y衰减挡位c=10mV/格,则其幅值为4格×10mV/格=40mV。
水平方向(X轴)为10格,它表示时间,也用“格”为单位,扫描速度开关挡位B以ms/格或μs/格表示,被测信号一个完整波形(一个周期)所占的格值为t,则其周期T为:
还以图1-7为例,t=1格,B=0.1ms/格,则T=1格×0.1ms/格=0.1ms。
若用频率表示,则f=1/T=1/0.1ms=10kHz。
为了提高测量精度,也可以用 n 个完整波形所占的格值 t′乘以扫速开关挡位 B,其结果再除以n,如上例t′=10格,n=10,则
T=(10格×0.1ms/格)÷10=0.1ms
2)电压测量
利用本示波器的Y轴放大器配合衰减开关可以对幅度在10mV~240V之间的信号进行测量。
(1)直流电压测量
本机Y轴放大器频带是从DC开始的,故只要将AC-DC按钮开关按下,放在DC位置就可对直流电压进行测量。直流电压从Y输入,扫描基线放在中间,当直流电压输入时,扫描线向上移为正电压,向下移为负电压,其值可用式(1-1)计算。扫描线向上(或向下)偏移的格值乘以衰减挡位即可得出其电压值(X扫描开关可放在任意位置,例如0.1ms/格挡)。
(2)交流电压测量
在工作中,常要测量交流信号的峰-峰之间或波形上某两点之间的电压幅值,这时应将信号从Y端输入,AC-DC开关置AC位置(若被测信号频率很低时也可放在DC位置,但这时应注意其直流分量),调节Y衰减开关、X扫速开关和同步钮,使示波器得到稳定的波形。从屏幕上读出该信号峰-峰之间所占的格值d,其值乘以Y衰减开关挡位c(按式(1-1)),即可求得其电压值。
以图1-8为例,其正弦信号的峰-峰所占的格值为4格,Y衰减开关在1V/格,则幅值VP-P为
VP-P=4格×1V/格
图1-8 交流电压测量
应注意的是,上述测量结果是该正弦信号的峰-峰值,一般正弦信号用有效值Vrms表示,应按式(1-3)换算
若用本机100:1探头测量时,则测量结果乘以100。
(3)瞬时电压测量
它和交流分量电压测量的区别在于测量时要有一个基准电平线,通常以地电位作为参考点。具体方法如下:
将AC-DC按钮按下(放DC位置),将Y放大器输入接地,调节Y位移钮,使扫描线移动某一固定电平线上(这要根据被测信号极性和幅度决定)。为了方便,常使扫描线和某一格坐标重合(如图1-8所示,参考电平线和屏幕自下向上第二格坐标线重合);在参考电平线确定以后,Y位移钮不能再动,以后一切测量均以此线为基准,信号送入Y输入端,调节扫速开关和同步钮,使屏幕上得到稳定波形,如图1-8所示。若这时Y衰减开关在1V/格,则:
A点瞬时电压=d1×1V/格=5×1=5V
B点瞬时电压=d2×1V/格=1×1=1V
交流分量VAC=(d1-d2)×1V/格=(5-1)×1=4V
直流分量CDC=d3×1V/格=3×1=3V
3)时间的测量
用扫速开关挡位值与屏幕上光点水平方向的偏转格值,可以测量信号的重复周期或波形上任意两点A和B之间的时间间隔。具体方法如下:被测信号送Y输入端,调节Y衰减挡位、X扫速开关和同步钮,使屏幕上得到稳定清晰的波形,读出一个完整的波形(一个周期)在水平方向上所占的格值t,如图1-9所示,t=4格,X扫速开关为0.3ms/格,则其周期T=4格×0.3ms/格=1.2ms。
测量图1-9中A、B两点的时间间隔TAB,从图1-9中测得
TAB=2格×0.3ms/格=0.6ms
图1-9 瞬时电压测量
4)频率的测量
要测信号的重复频率f,方法同上。只需要将测量值换算成频率即可,f=1/T。
5. 应用举例
1)测量功放集成块的质量和放大倍数
以测量175功放集成块为例,若用一般数字式或指针式万用表,因其频带宽度太狭窄(一般只有几百赫兹)而无能为力,若用BS-7701示波器来测量就很容易。下面介绍其具体方法。
按图1-10连接好175功放块(必须加大于20cm×15cm×0.3cm的散热片)、±32V电源、BS-7701示波器、低频信发生器和8Ω负载(功率大于50W)。
图1-10 测量功放集成块音频信号
(1)检查小信号工作状态
将信号源频率放在1kHz,BS-7701示波器X扫速开关放在0.3ms/格,Y衰减开关放在3V/格,逐步增大信号源输出,使BS-7701示波器屏幕上有3~4格幅度的波形,调节同步钮,使波形稳定,这时有2W左右的输出功率。正品175均能正常工作,波形不失真,从示波器屏幕上显示的波形应该是正弦波,没有明显的失真,若是伪劣产品,波形失真严重,有的正弦波变成三角波,有的出现振荡现象。
(2)检查输出失调电压
线路连接同上,将175功放块输入端对地短路,将B-7701示波器AC-DC按钮按下(在DC位置),将Y衰减开关逐步减小至10mV/格挡,这时扫描线与零线的偏转格值应小于5格,即5格×10mV/格。正品175均能满足输出失调电压小于50mV的要求,而伪劣产品失调电压有时很大,根本无法使用。
(3)检查额定输出功率和放大倍数
线路连接同上,信号源频率入1kHz,BS-7701示波器X扫速开关放在0.3ms/格,Y衰减开关放在10V/格,调节信号源输出,使示波器屏幕垂直方向上有5格左右的波形,调同步按钮,使波形稳定,这时输出功率已达到35W左右。正品175功放块显示的波形稳定清晰,不失真,波形上没有振荡,记下这时波形正峰-负峰所占的格值。实测某175功放块为4.8格,VP-P=4.8格×10V/格=48V;Vrms=48V/2.828=16.97V;已知RL=8Ω,输出功率P=V2/R=16.972/8=36W(175指标为35W)。
若是伪劣175功放块,波形上会振荡严重,有的无法得到稳定波形,而大部分输出不了这么大的功率。保持信号源输出不变,将示波器输入夹子接到175功放的输入端(图1-10虚线所示,),将Y衰减开关减小至100mV/格,调节同步按钮,使波形稳定,记下这时波形正峰-负峰所占的值,实测某175功放块为6.8格,则
VP-P=6.8格×100mV/格
Vrms=680mVP-P/2.828=240mV
该175功放块的放大倍数K=16.97/0.24=70.7倍,即增益=20 lg70.7=37dB(175指标:30dB)。
以上测试结果均达到了175功放块技术指标,证明其质量可靠。测试时应注意,测试时间不能过长,并注意175功放块温度,因为长时间满功率正弦波输出,175温升很快,容易被烧坏。
2)测量彩色电视机行输出管集电极高压脉冲波形
按图1-11(a)所示连接好线路,为了确保安全,彩电电源用1:1隔离变压器(不论彩色电视机是热底板或冷底板,因为有时要测开关电源和集电极波形),BC-7701示波器用100:1 TV探头,Y衰减放在3V/格,X扫速放在10μs/格,打开电视机,选一正在播放的电视台,使图像同步稳定,将100:1 TV探头地线接电视机地,探头探针接行输出管集电极,调节示波器同步钮,使波形同步,这时示波器屏幕上可得到如图1-11(b)所示的波形。这是长虹牌CJ-37A彩色电视机行输出管集电极波形,其脉冲峰值电压在示皮器屏幕上占2.9格,则其峰值电压为2.9格×3V/格×100=870V,与其标称电压880V相符。两个脉冲间隔为6.4格,则周期为6.4格×10μs/格=64μs。不同的彩色电视机,其脉冲峰值电压和波形略有差异,但其形态是一样的,示波器显示的波形应清晰,没有其他杂波。经常用示波器观察波形,可积累经验,快速找到故障点。
图1-11 测量彩色电视机行输出管集电极高压脉冲波形
1.3.2 双踪示波器
对于电器维修人员来说,掌握示波器的使用,将会大大加快诊断故障的速度,提高判断故障的准确率,特别是检测疑难故障,示波器将会成为得力工具。示波器不仅可以测量电压,还可以快速地把电压变化的幅值描绘成随时间变化的曲线,这就是常说的波形图。
熟悉和了解仪器的面板,这是人-机对话的第一步。通用示波器品种繁多,但基本功能相似,尽管仪器操作面板千差万别,但操作的基本方法是相同的。
1. 示波器的各操作功能
本文以常用的VP-5565A双踪示波器为例进行介绍。示波器的面板如图1-12所示,它由三个部分组成,显示部分、X轴插件和Y轴插件。
图1-12 双踪示波器面板图
(1)显示部分
显示部分包括示波管屏幕和基本操作旋钮两个部分。
示波管屏幕(见图1-12)为波形显示的地方,屏幕上刻有8×10的等分坐标刻度,垂直方向的刻度用电压定标,水平方向用时间定标。下面以方波波形为例,简单说明这个波形的基本参数。假如X轴插件中的TIME/DIV开关置于0.1ms/div,水平方向一个周期刚好;Y轴插件中的VOLTS/DIV开关置于0.2V/div,垂直方向为5格,可以算出,波形的周期为0.1ms/div×10div(格)=1ms,电压幅值为0.2V/div(格)×5div=1V,这是一个频率为1000Hz,电压幅值为1V的方波信号。
屏幕下方的旋钮为仪器的基本操作旋钮,其名称和作用如图1-13(a)所示。
(2)X轴插件
X轴插件是示波器控制电子束水平扫描的系统,该部分旋钮的作用如图1-13(b)所示。
图1-13 示波器的旋钮及各插件的作用
图1-13 示波器的旋钮及各插件的作用(续)
这里对“扫描扩展”加以说明。“扫描扩展”是加快扫描的装置,可以将水平扫描速度扩展10倍,扫描线长度也扩展相应的倍数,主要用于观察波形的细节。比如,当仪器测试接近带宽上限的信号时,显示的波形周期太多,单个波形相隔太密不利于观察,如将几十个周期的波形扩展之后,显示的就只有几个波形了。适当调节X轴位移旋钮,使扩展之后的波形刚好落在坐标定度上,即可方便读出时间。扩展之后扫描时间误差将会增大,光迹的亮度也将变暗,测试时应当予以注意。
(3)Y轴插件
VP-5565A是双踪单时基示波器,可以同时测量两个相关的信号。它在电路结构上多了一个电子开关,且有相同的两套Y轴前置放大器,后置放大器是公用的,因此,面板上有CH1和CH2两个输入插座、两个灵敏度调节旋钮及一个用来转换显示方式的开关等。Y轴插件旋钮名称和作用如图1-13(c)所示。
单踪测量时,选择CH1通道或CH2通道均可,输入插座、灵敏度微调和V/div开关、Y轴平衡、Y轴位移等与之对应就行了。
“VOLTS/DIV”旋钮用于垂直灵敏度调节,单踪或双踪显示时操作方法是相同的。该仪器最高灵敏度为5mV/div,最大输入电压为440V。为了不损坏仪器,操作者测试前应对被测信号的最大幅值有明确的了解,正确选择垂直衰减器。示波器测试的是电压幅值,其值与直流电压等效,与交流信号峰-峰值等效。
双踪显示时,根据被测信号或测试需要,有交替、相加、断续三种方式可供选择。
所谓的交替工作方式,就是把两个输入信号轮流地显示在屏幕上,当扫描电路第一次扫描时,示波器显示出第一个波形;第二次扫描时,显示出第二个波形;以后的各次扫描,只是轮流重复显示这两个被测波形。这种显示电路技术,在扫描时间长时,不适宜观测频率较低的信号。所谓的断续工作方式,就是在第一次扫描的第一瞬间显示出第一个被测波形的某一段,第二个瞬间显示出第二个被测信号的某一段,以后的各个瞬间,轮流显示出这两个被测波形的其余各段,经过若干次断续转换之后,屏幕上就可以显示出两个完整的波形。由于断续转换频率较高,显示每小段靠得很近,人眼看起来仍然是连续的波形。与交替显示方式刚好相反,这种方式不适宜观测较高频率的信号。相加工作方式实际上是把两个测试信号代数相加,当CH1和CH2两个通道信号同相时,总的幅值增加;当两个信号反相时,显示的是两个信号幅值之差。
双踪示波器一般有四根测试电缆,两根直通电缆,两根带有10:1衰减的探头。直通电缆只能用于测量低频小信号,如音频信号,这是因为电缆本身的输入电容太大。衰减探头可以有效地将电缆的分布电容隔离,还可以大大提高仪器接入电路时的输入阻抗,当然输入信号也受到衰减,在读取电压幅值时要把衰减考虑进去。
2.示波器应用
了解仪器面板上操作旋钮的功能,只能说明为实际操作做好了准备,要想实际维修,还必须进行一些基本的测试演练。维修中需要测试的信号波形千差万别,不可能全部列出来,因此,从一些基本波形测试入手,学会识读,掌握测试方法和要领,这样才能举一反三地用于维修实践。
示波器使用时应放在工作台上,屏幕要避开直射光,检测彩色电视机之类的电器时还要用隔离变压器与市电隔离;有些场合,为了避免干扰,仪器面板上专用接地插口要妥善接地。打开仪器之后,不要忙于接上测试信号,首先要将光点或光迹亮度、清晰度调节好,并将光迹移至合适位置,根据被测信号的幅值和时间选择好t/div与V/div旋钮,连接好测试电缆或探头,在与电路中的待测点连接时,应在电路测试点附近找到连接地线的装置,以便固定地线鳄鱼夹。
1)测试前的校准
测试之前应对仪器进行一些常规校准,如垂直平衡、垂直灵敏度、水平扫描时间校准。校准垂直平衡时,将扫描方式置于自动扫描状态,在屏幕上形成水平扫描基线,调节Y轴微调,正常时,扫描线沿垂直方向应当没有明显变化,如果变化较大,调节平衡旋钮予以校正。一般这种校正需要反复进行几次才能达到最佳平衡。对垂直灵敏度和扫描时间的校准,可输入频率为1000kHz,电压幅值为1V的方波信号,采用单踪显示方式(如图1-14所示)。调校时,如果显示的波形幅值、时间和形状总不能达到标准,表明该信号不准确或示波器存在问题。
图1-14 垂直灵敏度与扫描时间校准
2)波形测试的基本方法
(1)电压幅值的测量
测量电压实际上就是测量信号波形的垂直幅度。被测信号在垂直方向占据的格数与V/div所对应标称值的乘积为该信号的电压幅值。假设V/div开关置于0.5V/div,波形垂直方向占据5格,则这个信号的幅值为0.5V/div×5格=2.5V(定量测试电压时,垂直微调应当放在校准位置,在后面的文章中,凡是定量测试的就不再说明)。对于直流信号,由于电压值不随时间变化,其最大值和瞬时值是相同的,因此,示波器显示的光迹仅仅是一条在垂直方向产生位移的扫描直线。电压幅值包括直流幅值和交流幅值。
现代示波器垂直放大器都是直流器、宽带放大器,示波器测量电压的频率范围可以从零一直到数千兆赫兹,这是其他电压测量仪器很难实现的。图1-15为波形测试方法。
图1-15 波形测试方法
交流信号与直流电压不同,直流信号的幅值不随时间变化,交流信号则随着时间不断变化,对应不同的时间,幅值不同(表现在波形的形状上)。大多数情况下,这些信号都是周期性变化的,一个周期的信号波形就能够帮助我们了解这个信号。
比较简单和常见的有正弦波、方波、锯齿波等,这些波形变化单一。而电视机中的彩条视频信号、灰度视频信号等是典型的复合信号,在一个周期内往往是由几种不同的分量在幅度和时间上组合而成的,不仅需要测量它们的电压或时间,还要根据图形中的分量来具体区分。例如一个行扫描周期的视频信号,其中还包括同步信号、色度信号等。下面列举几种信号来具体说明。
波形幅值的测试是示波器最基本也是经常的操作。有些时候只需要测量幅值,操作过程相对可以简化。测试时先根据待测信号的可能幅度初步确定垂直衰减,并将后期垂直微调置于校准,实际显示的波形以占据坐标的70%左右为宜(过小则分辨率降低,过大则由于示波管屏幕的非线性也会增大误差)。在不需要准确读出时间时,扫描时间等的设置可以随意一些,只要能够显示一个周期以上的波形,即使没有稳定同步,都是可以读出幅值的。
(2)信号周期、时间间隔和频率的测试
大多数交流信号都是周期性变化的,如我国的市电,变化(一个周期)的时间为20ms,电视机的场扫描信号一个周期也是20ms,行扫描信号的周期为64μs。当把这些信号用示波器显示出来之后,依据扫描速度开关(t/div)对应的标称值和波形在屏幕上占据的水平格数,就能读出这个信号的周期。周期和频率互为倒数关系,即f=1/T,因此,周期与频率之间是可以相互转换的。
3.双踪波形信号相位比较
在实际应用中,有时需要比较两个信号相位,此时需用CH1、CH2同时输入信号,则相位显示如图1-16所示,通过图1-16即知道两信号的相位差值。
图1-16 两个信号的相位差值