示波器及探头使用(培训资料).doc

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1、示波器及探头使用公司目前使用的示波器以数字示波器为主，分为两类，一类是福禄克（FLUKE）数字示波器，另一类是泰克（Tektronix），另外还有一台建伍(KENWOOD)的模拟示波器。示波器在生产和研发中都是非常重要的一种仪器，而且也是非常昂贵的一种仪器，所以正确使用示波器不仅能提高工作效率，也能减小对示波器的不合理损耗。一、示波器基础知识什么叫示波器？示波器本质上是一种图形显示设备，它描绘电信号的图形曲线。在大多数应用中，呈现的图形能够表明信号随时间的变化过程：垂直（Y）轴表示电压，水平（X）轴表示时间。有时称亮度为Z 轴。这一简单的图形能够说明信号的许多特性，例如：信号的时间和电压值振荡

2、信号的频率信号所代表电路的“变化部分”信号的特定部分相对于其他部分的发生频率是否存在故障部件使信号产生失真信号的直流值 (DC) 和交流值 (AC)信号的噪声值和噪声是否随时间变化。波形测量频率和周期不断重复的信号具有频率特性。频率的单位是赫兹（Hz），表示一秒时间内信号重复的次数。成为周期每秒。重复信号也具有周期特性，即信号完成一个循环所需要的时间量。周期和频率互为倒数关系，即1/ 周期等于频率，同理1/ 频率等于周期。电压电压是电路两点间的电势能或信号强度。有时把地线或零电压作为参考点。如果测量的是波形从最高峰值到最低峰值的电压值，则称为电压的峰值- 峰值。幅度幅度是指电路两点间电压量。幅

3、度通常指被测信号以地或零电压为参考时的最大电压。其他有些示波器还提供了测量 相位、占空比、延时、上升时间等的功能。示波器的分类模拟示波器本质上，模拟示波器工作方式是直接测量信号电压，并通过从左到右穿过示波器屏幕的电子束在垂直方向描绘电压。示波器屏幕通常是阴极射线管（CRT）。电子束投到荧幕的某处，屏幕后面总会有明亮的荧光物质。当电子束水平扫过显示器时，信号的电压是电子束发生上下偏转，跟踪波形直接反映到屏幕上。在屏幕同一位置电子束投射频度越大，显示得也越亮。数字示波器与模拟示波器不同，数字示波器通过模数转换器（ADC）把被测电压转换为数字信息。它捕获的是波形的一系列样值，并对样值进行存储，存储限

4、度是判断累计的样值是否能描绘出波形为止。随后，数字示波器重构波形并在显示器上显示出来。相关术语带宽带宽决定示波器对信号的基本测量能力。随着信号频率的增加，示波器对信号的准确显示能力将下降。示波器带宽指的是正弦输入信号衰减到其实际幅度的70.7% 时的频率值。如果没有足够的带宽，示波器将无法分辨高频变化。幅度将出现失真，边缘将会消失，细节数据将被丢失。如果没有足够的带宽，得到的关于信号的所有特性，响铃和振鸣等都毫无意义。示波器所需带宽被测信号的最高频率成分 5。为了保证测试信号幅度和上升延的精度，选择示波器的带宽应为被测信号频率的3-5倍，精确测量要8-10倍或以上。一台典型为100MHz示波器

5、的频率响应曲线（简化的曲线和实际的曲线）采样率采样速率也称为数字化速率，是指单位时间内，对模拟输入信号的采样次数，常以MS/s或GS/s表示。采样速率是数字示波器的一项重要指标。如果采样速率不够，容易出现混迭现象。如果示波器的输人信号为一个100KHz的正弦信号，示波器显示的信号频率却是50KHz，这是怎么回事呢？这是因为示波器的采样速率太慢，产生了混迭现象。混迭就是屏幕上显示的波形频率低于信号的实际频率，或者即使示波器上的触发指示灯已经亮了，而显示的波形仍不稳定。根据奈奎斯特定理，采样速率至少高于信号高频成分的2倍才不会发生混迭，如一个500MHz的信号，至少需要1GS/s的采样速率。可以通

6、过调整扫速或采用自动设置（Autoset）来防止混迭的产生。触发功能要确保能捕获和同步被测信号，以利于观察和分析被测波形。触发方式一般有三种：自动触发、正常触发、单次触发。一般常用的触发方式为 边缘（Edge）触发，如上升沿触发或者下降沿触发。触发源有内部通道触发或者外部信号触发。扫描速度扫描速度表征轨迹扫过示波器显示屏的速度有多快，使您能够发现更细微的细节。示波器的扫描速度用时间 (秒) / 格表示。耦合耦合控制机构决定输入信号从示波器前面板上的BNC输入端通到该通道垂直偏转系统其它部分的方式。耦合控制可以有两种设置方式，即DC耦合和AC耦合。DC耦合方式为信号提供直接的连接通路。因此信号提

7、供直接的连接通路。因此信号的所有分量（AC和：DC）都会影响示波器的波形显示。AC耦合方式则在BDC端和衰减器之间串联一个电容。这样，信号的DC分量就被阻断，而信号的低频AC分量也将受阻或大为衰减。示波器的低频截止频率就是示波器显示的信号幅度仅为其直实幅度为71时的信号频率。示波器的低频截止频率主要决定于其输入耦合电容的数值。示波器的低频截止频率典型值为10Hz。和耦合控制机构有关的另一个功能是输入接地功能。这时，输入信号和衰减器断开并将衰减器输入端连至示波器的地电平。当选择接地时，在屏幕上将会看到一条位于0V电平的直线。这时可以使用位置控制机构来调节这个参考电平或扫描基线的位置。说明AC及D

8、C耦合、输入接地以及50输入阻抗功能选择的简化输入电路输入阻抗 多数示波器的输入阻抗为1M和大约25pF相关联。这足以满足多数应用场合的要求，因为它对多数电路的负载效应极小。有些信号来自50输出电阻的源。为了准确的测量这些信号并避免发生失真，必须对这些信号进行正确的传送和端接。这时应当使用50特性阻抗的电缆并用50的负载进行端接。二、探头的基础知识从本质上讲，探头是在一个测试点或信号源和一台示波器之间做的物理及电路的连接。依据你的测量需求，这个连接能象一段电线一样简单或者会非常的精密复杂，例如一根有源差分探头。这一点，我们可以充分地说，示波器探头是的把信号源连结到示波器的输入通道的一种设备或电

9、路网络。探头的分类无源电压探头无源探头由电线和接头组成，并且，当需要补偿或衰减时，还有电阻器与电容器。探头没有有源的部件-晶体管或放大器，并且不需供电源给探头。因为他们相对简单，无源探头趋于是最粗劣且最经济的探头。他们易于使用并且也是探头中最广泛地被使用的类型。然而，不要被使用的简单或构造的简单所蒙骗，高质量的无源探头很少有简单的设计！，无源电压探头最通常是使用10X探头，并且作为示波器的一个代表性的标准附件。FET探头 这是一种可在高频下使用的有源探头，其使用频率可达650MHz。其输入电容可低达1.4pF，因此特别适合于在具有很高源阻抗的电路中测量快速瞬变，或者其它要求探头负载效应最小的场

10、合。由于采用有源设计方案，所以FET探头也可用于1：1的情况，仍具有极低的输入电容。电流探头电流通过导线引起导线周围电磁场的形成。电流探头感应这一场的强度， 并且转换为电压信号由示波器测量。这允许你用示波器观察并分析电流波形。交流电流探头，它通常是无源探头，AC/DC 电流探头，它通常是有源探头。两种类型都应用变压器原理，传感导线中的交流电。相关术语畸变畸变是对期望或理想的输入信号的响应信号的任何振幅的偏差。在实际中，畸变通常是在快速波形转换后及有时涉及“阻尼振荡”时出现。衰减因数所有的探头有衰减因数，并且一些探头具有可选的衰减因数。典型的衰减因数是 1X ,10X, 100X和1000X（高

11、压探头） 。衰减因数是探头衰减信号振幅的量。带宽所有的探头都有带宽。10 兆探头具有10兆赫带宽，100 兆探头具有100 兆赫带宽。探头的带宽是指探头的响应引起输出振幅降至70.7% 的频率。最大额定电压最大额定电压由探头本身和测量点的探头组合的额定击穿电压决定。应避免接近最大额定电压。温度范围电流探头有最大的操作温度指标，是由于引入绕组的磁通产生的热效应。温度增加，总损耗增加。因此，电流探头有最大振幅对频率的衰减曲线。精度(通用)对于电压探头，其精确度通常参考于探头对直流信号的衰减。探头补偿一个实际的10：1探头具有几个可调的电容和电阻以便在很宽的频率范围内获得正确的频率响应，这些可调元件

12、的大多数都是在制造探头时由工厂调好的。只有一个微调电容留给用户去调节。这个电容称为低频补偿电容，应当通过调节这个电容使得探头和与相配用的示波器匹配，使用示波器前面板上的信号输出可以很容易地进行这项调节工作，示波器的这个输出端标有探头调节、校准器CAL或者探头校准等标志，并能送出一个方波输出电压。方波中包含很多频率分量。当所有这些分量都以正确的幅度送至示波器时，就能在示流器屏幕上再现方波信号。下图示出探头欠补偿，正确补偿和过补偿的影响。在2kHz方波和1MHz正弦波之下观察不同探头补偿情况的影响三、示波器的操作在进行测量时，了解自己的示波器的能力是很重要的。不要试图在一个20MHz的示波器上观察

13、一个10MHz的方波，因为在这种情况下不可能看到方波的真实形状，10MHz的方波中包含有10MHz的正弦波基波，以及30MHz、50MHz、70MHz等的谐波。在10MHz的示波器上，也有可能看到30MHz谐波的部分效果（虽然其幅度不正确），但是下一个谐波分量的频率是示波器带宽的2.5倍！所以这时您在示波器上看到的波形将更象一个正弦波而不象方波（如下图）分别在20MHz和200MHz示波器上显示的10MHz方波的波形将示波器接地将示波器接地就是将它连接到一个不带电的参考点上，如地球地面（earth ground）。通过把三脚插头的电源线插入接地的电源插座，而将示波器接地。将示波器接地是为了安全

14、。如果高电压接触到了示波器的外壳外壳的任一部分，包括看似绝缘的按钮，示波器的用户就会遭到电击。然而，如果示波器正确接地，电流将会通过接地的路线而不是通过其用户流入地球地面。示波器是否接地还会影响到其测量的准确性。示波器必须和待测电路共地。一些示波器不要求单独接地。这些示波器的绝缘的外壳和按钮可以防止用户遭到电击。校正探头必须据示波器对无源衰减探头进行校正。在使用一个无源探头之前，必须对其进行校正使其电气特性与特定的示波器相平衡。应该养成每次开启示波器时校正探头的习惯。一个没有调好的探头会使测量结果不那么精确。探头校正方法：1 . 把探头接入示波器。2. 把探头尖接入示波器前面板上的探头补偿测试

15、点。3. 使用探头自带的调整工具或其他无感调节工具，来调节补偿网络，从而获得一个标准波形，这一波形应当具有平直的顶部，不能有过冲及圆弧 设置控制方式接通示波器电源之后，再来看一下前面板。如前所述，前面板可以划分为三个主要部分，分别标定为垂直，水平和触发器部分。取决于不同的样式和类型模拟的或数字的，示波器可能还会有其他的部分。示波器上的输入连接器是用来连接探头的。大多数示波器有两路输入，并且每一路都能在显示屏上显示一个波形。多路有助于不同波形之间的比较。一些示波器具有AUTOSET 和/ 或DEFAULT 按钮，仅通过一次调整操作就可以使其适应信号。反之，如果示波器没有此项功能，则需要在具体操作

16、之前把控制按钮调整到标准位置。将示波器设置到标准位置的通用指令如下： 垂直系统和控制通用垂直控制包括： 端接设备：1M 欧、50 欧 耦合方式：DC 直流、AC 交流、GND 地线 带宽限制：20 MHz、250 MHz、全带宽 位置 偏移 转置开/关 标度 位置和每刻度电压调节每刻度电压值（通常记为volts/div，伏特/格），那么显示波形大小会随之改变伏特/ 格是一个标度因数。假设分为八个主要的刻度格子，如果伏特/格设置为5伏特，则八个垂直格中的每一个都表示5伏特，那么从下到上整个屏幕可以显示40伏特。如果设置的是0.5 伏特/格，那么从下到上可以显示4伏特，依此类推。屏幕显示的最大电压

17、是伏特/ 格乘上垂直刻度的数量。注意探头有1X 或10X，它也影响标度因数。 输入耦合耦合指的是一个电路与另外一个电路中的电信号的连接方式。既然这样，那么输入耦合就指测试电路与示波器的连接。耦合方式可以设置为DC、AC或者地线。DC耦合会显示所有输入信号。而AC 耦合去除信号中的直流成分，结果是显示的波形始终以零电压为中心。图23 图解了两者的不同之处。当整个信号（振荡的电流直接电流）大于伏特/ 格的设置时，AC 耦合非常适用。 地线地线的设置不需要输入信号与垂直系统相连。观察地线，就可以知道屏幕中零电压的位置。如果使用的是地线输入耦合和自动触发模式，那么屏幕中就有一条表示零电压值的水平线。测

18、试信号电压相对地的电平值的便捷方法为，把耦合从DC 转换到地，再重新转换回DC。 带宽限制大多数示波器中存在限制示波器带宽的电路。限制带宽后，可以减少显示波形中不时出现的噪声，显示的波形会显得更为清晰。请注意，在消除噪声的同时，带宽限制同样会减少或消除高频信号成分。 水平系统和控制示波器的水平系统与输入信号有更多的直接联系，采样速率和记录长度等需要在此设定。水平控制用来表示波形水平方向的位置和标度。通用的水平控制包括： 主时基 延迟时基 XY 模式 标度 波形踪迹区分 记录长度 分辨率 采样速率 触发位置 缩放 位置和秒/格 水平位置控制使波形在屏幕上左右准确移动。 秒/格设置秒/格设置（通常

19、记为sec/div，秒/ 格）可以使您选择波形描绘到屏幕上的速率（也被称为时基设置和扫描速度）。该设置是一个标度因数。如果设置为1ms，则表示水平方向每刻度表示1ms，而整个屏幕宽度代表10ms，或者10 格。改变sec/div 设置，可以看到输入信号的时间间隔作增长和缩短的变化。 缩放示波器可能有一种专门的水平放大设置，通过它，可以在屏幕上放大波形的一部分。数字存储示波器（DSO）在存储数字数据部分有对缩放的操作。 触发系统和控制示波器的触发功能可以在信号的正确点处同步水平扫描，这对表现清晰的信号特性非常重要。触发控制可以稳定重复波形，采集单脉冲波形。，边缘触发是最基本和常见的类型。模拟和数

20、字示波器都提供触发门限，除此之外，许多数字示波器提供许多特定的触发设置。 触发位置只有数字示波器才有水平触发位置控制。触发位置控制也许就在您的示波器的水平控制部分。它实际上代表的是波形记录中触发的水平位置。 触发电平和斜率触发电平和斜率控制定义基本的触发点，决定波形如何显示斜率控制决定触发点是位于信号的上升沿还是下降沿。上升沿具有正斜率，而下降沿是负斜率。电平控制决定触发点在边缘的何处发生。 触发源示波器没有必要对显示信号进行触发。可以触发扫描的触发源如下： 任何输入通道 不同于输入通道的外部源 电源信号 来自一个或多个通道，并由示波器内部定义的信号 触发模式触发模式决定示波器是否按照信号的条

21、件描绘波形。通用触发模式包括正常和自动。对于正常模式，只有当输入信号满足设置的触发点时，才进行扫描即使没有触发，自动模式也能引起示波器的扫描。如果没有信号输入，示波器中的定时器触发扫描。这使得即使信号并不引起触发，显示也总不会消失。 其他示波器控制示波器有相加波形的操作，形成新的波形显示。模拟示波器组合信号，而数字示波器通过数学运算创建新的波形。波形相减是另外一种数学操作。模拟示波器实现减法运算采用的方法是把一个通道的信号反转，然后再采用加法操作。数字示波器一般也能完成减法操作。数字示波器利用内部处理器，提供许多高级数学操作：相乘、相除、积分、快速傅立叶变换，等等。示波器还具有许多对其他功能的

22、控制如：自动参数测量、测量光标、打印能力、磁盘操作、与计算机的接口等。四、我公司示波器使用说明公司现有示波器型号及说明：型号通道带宽采样率最大测量电压说明X1X10万用表FLUKE 1962隔离100M1G/S300V1000V1100VFLUKE 1992隔离200M2.5G/S300V1000V1100VFLUKE 1232非隔离20M25M/S300V600V1250VTDS10022非隔离60M1G/S300VTDS30144非隔离100M1.25G/S150VTDS2102非隔离60M1G/S300VCS-41352非隔离40M400V表1公司现有示波器探头型号及说明型号带宽衰减度最

23、大测量电压说明VP200100M10：11000VFLUKE190系列 原配探头STL120100M10：1600VFLUKE123 原配探头P2200200M1：11：10150V300VTDS1002原配探头P6109B100M1:10300VTDS210原配探头P3010100M1：10300VTDS3014原配探头P601575M1:100020KV大炮PC-5420M1：10400V建伍CS-4135原配表2示波器与探头的使用注意事项：1 示波器与探头测量电压示波器和探头都有一定的测量电压范围。示波器能测量的最大电压包括：用1X的探头或导线直接接入示波器的电压大小，用X10的探头接入

24、示波器的电压大小。如FLUKE能直接测量的电压大小为300V，如果用X10的探头能够测量的最大电压为1000V。探头也有最大测量电压的范围，在示波器使用非原配探头时要特别注意。另外，FLUKE示波器还可以当作万用表来用，其测量电压范围如上表所示。2 隔离在同时测量两路不共地的信号时，必须使用带隔离的示波器（FLUKE）或使用两个示波器，所以在测量之前必须搞清楚信号是否隔离。厂内测量时，常见的需要使用隔离功能测量的信号有：两个单元（包括小系统单元）的输出电压信号、驱动板的不同路的驱动信号等。3 测量电压范围测量之前必须搞清楚要测量目标的电压范围，超出示波器电压测量范围不仅可能导致仪器损坏，还会危

25、及人身安全。由于我公司产品属于高压产品，所以只点尤为重要。下面列举出公司产品涉及到测量的电压范围：板件级：除单元上的一次电源板外，板件上的电压的范围一般为5V24V。小系统：小系统的输入电压范围在20V50V之间，小系统单元的输出电压有效值范围为30V60V，小系统串连后相电压范围为0V220V，线电压范围为0V380V。单元：6和10级系统中，单元输入线电压有效值范围为600V620V，单元输出电压有效值范围为0580V，母线电压800V820V。8级系统中，单元输入线电压范围为：440V460V，单元输出电压有效值范围为：430V440V。6KV系统输出电压为0V6KV，10K系统输出电压约为0V10KV在测量以上电压时请根据表1和表2进行选择。4 探头大小选择示波器探头一般都配备了几种探针，如泰克示波器探头的探针一般由可伸缩的勾尖和带夹钳的接地线组成，可伸缩的勾尖是可以取下的。FLUKE探头一般还配备了鳄鱼夹子以便用于测量体积较大的端子。根据端子的体积大小来选择探针也是非常重要的，选择不适当的探针容易导致探针的物理损坏。如在测量单元出波形时就必须使用鳄鱼夹子或引出接线用带勾尖的探针测量。