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電源工程師該如何選擇和使用示波器?
發(fā)布時(shí)間:2019-08-12 責(zé)任編輯:xueqi
【導(dǎo)讀】在實(shí)際使用中,不同觸發(fā)模式的選擇要依據(jù)被觀測(cè)信號(hào)特性和要觀測(cè)的內(nèi)容作出判斷,并沒有什么固定的規(guī)則,而往往是一個(gè)交互的過程,即通過選擇不同的觸發(fā)模式了解信號(hào)的特性,又根據(jù)信號(hào)的特性和想要觀測(cè)的內(nèi)容選擇有效的觸發(fā)模式。在這個(gè)過程中最重要的是要理解不同觸發(fā)模式的工作機(jī)制,了解被觀測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)以及明確所要觀測(cè)的內(nèi)容。
Part 1 示波器的觸發(fā)模式
一、什么是示波器的觸發(fā)模式?
示波器的“觸發(fā)”就是使得示波器的掃描與被觀測(cè)信號(hào)同步,從而顯示穩(wěn)定的波形。為滿足不同的觀測(cè)需要,需要不同的“觸發(fā)模式”。示波器的基本觸發(fā)模式有三種:
第一種是“自動(dòng)模式(AUTO)”,在這種模式下,當(dāng)觸發(fā)沒有發(fā)生時(shí),示波器的掃描系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)定的掃描速率自動(dòng)進(jìn)行掃描;而當(dāng)有觸發(fā)發(fā)生時(shí),掃描系統(tǒng)會(huì)盡量按信號(hào)的頻率進(jìn)行掃描,所以在這種模式下不論觸發(fā)條件是否滿足,示波器都會(huì)產(chǎn)生掃描,都可以在屏幕上可以看到有變化的掃描線,這是這種模式的特點(diǎn)。
第二種是“正常模式/常規(guī)模式(NORM)”,這種模式與自動(dòng)模式不同,在這種模式下示波器只有當(dāng)觸發(fā)條件滿足了才進(jìn)行掃描,如果沒有觸發(fā),就不進(jìn)行掃描。因此在這種模式下如果沒有觸發(fā)的話,對(duì)于模擬示波器會(huì)看不到掃描線,屏幕上什么都沒有,對(duì)于數(shù)字示波器會(huì)看不到波形更新,不了解這一點(diǎn)常常會(huì)以為是信號(hào)沒連上或什么其他故障。
第三種是“單次模式(SINGLE)”,這種模式與“正常模式”有點(diǎn)類似,就是只有當(dāng)觸發(fā)條件滿足時(shí)才產(chǎn)生掃描,否則不掃描。而不同之處在于,這種掃描一但產(chǎn)生并完成后,示波器的掃描系統(tǒng)即進(jìn)入一種休止?fàn)顟B(tài),即使后面再有滿足觸發(fā)條件的信號(hào)出現(xiàn)也不再進(jìn)行掃描,也就是觸發(fā)一次只掃描一次,即單次,必須通過手工的方法將掃描系統(tǒng)重啟,才能產(chǎn)生下一次觸發(fā)。顯然,對(duì)于普通模擬示波器而言在這種模式下您經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)什么也看不到,因?yàn)椴ㄐ我婚W而過,示波器不能將其保留,在多數(shù)場(chǎng)合這種模式?jīng)]有什么用。以上三種觸發(fā)模式是絕大多數(shù)示波器都會(huì)提供。
二、在實(shí)際中該如何選擇和使用呢?
在實(shí)際使用中,不同觸發(fā)模式的選擇要依據(jù)被觀測(cè)信號(hào)特性和要觀測(cè)的內(nèi)容作出判斷,并沒有什么固定的規(guī)則,而往往是一個(gè)交互的過程,即通過選擇不同的觸發(fā)模式了解信號(hào)的特性,又根據(jù)信號(hào)的特性和想要觀測(cè)的內(nèi)容選擇有效的觸發(fā)模式。在這個(gè)過程中最重要的是要理解不同觸發(fā)模式的工作機(jī)制,了解被觀測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)以及明確所要觀測(cè)的內(nèi)容。
一般來(lái)說,在對(duì)信號(hào)的特點(diǎn)不是很了解的時(shí)候,應(yīng)該選擇自動(dòng)模式,因?yàn)檫@時(shí)不管信號(hào)是什么樣示波器都會(huì)掃描,您至少能在屏幕上看到一些東西,那怕僅僅是掃描線也好,而不會(huì)什么都沒有。有掃描線后可以通過調(diào)節(jié)垂直增益、垂直位置、時(shí)基速率等參數(shù)“找到”波形,然后通過選擇觸發(fā)源、觸發(fā)邊沿、觸發(fā)電平等穩(wěn)定波形。對(duì)于模擬示波器來(lái)說,只要信號(hào)是周期性的,其頻率在適合相應(yīng)示波器觀測(cè)的范圍內(nèi)并且不太復(fù)雜的話,通過這樣的步驟一般能達(dá)到對(duì)信號(hào)的大體了解,然后根據(jù)需要可作進(jìn)一步的觀測(cè)。
對(duì)于正常模式,許多朋友可能會(huì)覺得與自動(dòng)模式在觀測(cè)效果上沒有什么區(qū)別,常常有這樣的情況,將觸發(fā)模式在自動(dòng)與正常之間切換,屏幕波形并沒有什么變化,不過這種情形往往只發(fā)生在被觀測(cè)信號(hào)是一些比較簡(jiǎn)單的周期性信號(hào)的情況下。正常模式的作用在于觀測(cè)波形的細(xì)節(jié),特別是對(duì)于比較復(fù)雜的信號(hào),例如視頻同步信號(hào)。為什么這樣說呢?
這是因?yàn)闉榱擞^測(cè)細(xì)節(jié),我們必須將時(shí)基掃描速率調(diào)高,以便將波形展開。而當(dāng)我們這樣做的時(shí)候,就會(huì)使得被觀測(cè)信號(hào)的頻率相對(duì)于示波器掃描速率而言變低,也就是說,在兩次觸發(fā)之間示波器可能會(huì)作很多次掃描。在這種情形下,如果這時(shí)我們選擇的是自動(dòng)模式,則示波器會(huì)實(shí)際進(jìn)行所有這些掃描,其結(jié)果是使這些掃描(它們不是由觸發(fā)產(chǎn)生)所對(duì)應(yīng)的波形與觸發(fā)掃描所對(duì)應(yīng)的波形一起顯示,造成顯示波形的混疊,因而不能清晰地顯示我們想看的波形。而如果我們選擇的是正常模式,則這些在觸發(fā)之間的掃描示波器實(shí)際不會(huì)進(jìn)行,只進(jìn)行那些因觸發(fā)而產(chǎn)生的掃描,因而只顯示我們想看到的與觸發(fā)相聯(lián)系的波形,從而使波形會(huì)比較清晰,這就是正常觸發(fā)模式的功用。
圖1 是這種情況的圖解,在圖1 中,左側(cè)上方是被觀測(cè)的波形,下方是掃描波形,右側(cè)是波形的顯示。圖1a中掃描速率較低,不便于觀察波形的細(xì)節(jié);圖1b將掃描速率提高,采用自動(dòng)觸發(fā)模式,這時(shí)顯示的波形是不清晰的,有混疊現(xiàn)象;圖1c中的掃描速率與圖1b相同,但采用正常觸發(fā)方式,僅在有觸發(fā)時(shí)才進(jìn)行掃描,因而顯示清晰的波形。
對(duì)于單次模式,如上所述就普通模擬示波器而言我們基本上是難以利用的,但對(duì)于數(shù)字存儲(chǔ)示波器來(lái)說它是一種非常有用的觸發(fā)模式。在數(shù)字存儲(chǔ)示波器中,使用單次觸發(fā)模式可以捕捉單次出現(xiàn)或多次出現(xiàn)但不太具有周期性的信號(hào)。雖然使用正常模式也能夠捕捉單次的信號(hào),但如果信號(hào)是多次而非單次時(shí),在正常模式下后面出現(xiàn)的信號(hào)所觸發(fā)的掃描就會(huì)將前面捕獲的結(jié)果抹去,因此反而得不到穩(wěn)定的波形。在這種時(shí)候如果采用單次模式就沒有這個(gè)問題,也就是說,單次模式的觸發(fā)具有從多次出現(xiàn)的信號(hào)中挑選一個(gè)的能力。
以上我們簡(jiǎn)述了示波器的基本觸發(fā)模式以及它們?cè)趯?shí)際使用中的考慮,以期對(duì)初學(xué)者掌握示波器有幫助。除了本文所討論的內(nèi)容外,示波器的其他參數(shù)的調(diào)節(jié)也非常重要,使用者一方面要對(duì)各種參數(shù)調(diào)節(jié)的含義有清晰的理解,另一方面也要了解被觀測(cè)信號(hào)的特性和明確所要觀察目標(biāo),才能真正有效使用示波器達(dá)到測(cè)量測(cè)試的目的。
Part 2 如何用好用活示波器?
本文作者是一位長(zhǎng)期在一線使用示波器的有經(jīng)驗(yàn)的電源工程師。以此身份,他提出在使用示波器的過程中要注意一些細(xì)節(jié),包括:在使用前對(duì)示波器進(jìn)行自校準(zhǔn),對(duì)探頭進(jìn)行補(bǔ)償;測(cè)量電源紋波時(shí)要限制帶寬,去掉探頭"帽子"和地線夾;測(cè)量電源的原、副邊時(shí)不能同時(shí)使用無(wú)源探頭。
本人從事電源行業(yè)有5-6年了,示波器就相當(dāng)于我的左右手。沒有它就感覺什么都做不了。有它的存在,能讓我能很順利完成很多項(xiàng)目設(shè)計(jì)和問題分析。對(duì)于我 來(lái)說,走到今天,它的功勞是不可替代的。對(duì)于電源工程師來(lái)說,一旦有產(chǎn)品有問題就需要抓波形,抓時(shí)序,測(cè)試準(zhǔn)確數(shù)值,以幫助工程師分析,處理。以事實(shí)說 話,看波形說話。如何使測(cè)試的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確和可靠是非常重要。準(zhǔn)確的數(shù)字能夠幫助我們,而失真的波形和數(shù)值只能誤導(dǎo)我們,讓我們背道而馳,讓我們失去方向,多 做很多無(wú)用功。
細(xì)細(xì)想想,自己雖然在示波器方面不是研究的那么精通,但是也看過不少關(guān)于示波器的文章,實(shí)踐中碰到不少問題,解決了不少問題,一路過來(lái)還是有點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)可以和大家分享的,希望對(duì)大家能有所幫助。如果寫的不好,請(qǐng)大家見諒。
我常??吹胶芏嘈」居玫氖静ㄆ鬟^于低端,帶寬低,采樣率底,認(rèn)為能抓到波形就行,認(rèn)為沒有必要買那么好的示波器,并且認(rèn)為示波器操作簡(jiǎn)單,沒有那么多 規(guī)范。看到他們對(duì)示波器的操作,不做測(cè)試之前的準(zhǔn)備,拿起來(lái)就用,其實(shí)那樣做是不正確的,可能往往就是這個(gè)操作不正確導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果失真,影響分析。即使一 些很資深的工程師可能也不會(huì)注意到一些細(xì)節(jié)。不少工程師對(duì)示波器的認(rèn)識(shí)度欠缺,如何更好的使用示波器還是有待提高的。下面就以我見到的很多工程師常犯的問 題予以糾正,分享一下我掌握的一些知識(shí)。
1.很多工程師直接拿起探頭就測(cè)試,根本不去檢查探頭是否需要補(bǔ)償,示波器是否需要校驗(yàn)。只有在一些大公司或經(jīng)過培訓(xùn)的工程師才會(huì)在使用前做準(zhǔn)備工作。示波器使用前需要自校準(zhǔn)和需要探頭補(bǔ)償調(diào)節(jié),執(zhí)行這種調(diào)節(jié)是使探頭匹配輸入通道。
首次操作儀器時(shí)以及同時(shí)顯示多個(gè)輸入通道的數(shù)據(jù)時(shí),可能需要在垂直和水平方向上校準(zhǔn)數(shù)據(jù),以使時(shí)基、幅度和位置同步。例如,發(fā)生明顯溫度變化(> 5°)時(shí)就需要進(jìn)行校準(zhǔn)。
1.從通道輸入連接器上斷開任何探頭或電纜。確保儀器運(yùn)行并預(yù)熱一段時(shí)間。R File(文件)菜單中,選擇Selfalignment(自校準(zhǔn))。
2.在Control(控制)選項(xiàng)卡上,點(diǎn)擊Start Alignment(開始校準(zhǔn))。
3.R alignment state(整體校準(zhǔn)狀態(tài))字段中。每個(gè)輸入通道各個(gè)校準(zhǔn)步驟的結(jié)果會(huì)顯示在Results(結(jié)果)選項(xiàng)卡中。
探頭補(bǔ)償調(diào)節(jié)的操作步驟如下: 1.將示波器探頭連接到通道,按前面板上的PRESET(預(yù)設(shè))按鍵(左側(cè)面板設(shè)置區(qū)域中)。將探頭信號(hào)端和參考地連接到示波器面板上的參考輸出,然后按 Autoset(自動(dòng)設(shè)置)。如果使用探頭鉤式前端附件,請(qǐng)將信號(hào)針前端牢固連接在探頭上,確保正確連接。如組圖一所示:
組圖一 探頭補(bǔ)償調(diào)節(jié)
2.檢查所顯示波形的形狀??赡軙?huì)出現(xiàn)的情況如圖二。
圖二 補(bǔ)償過度,不足和正確補(bǔ)償
過度和不足都需要調(diào)節(jié)探頭。以能更好的測(cè)試準(zhǔn)確值。
3.如果波形不正確,請(qǐng)調(diào)整探頭。如下圖三所示,直至波形為上面的補(bǔ)償正確波形。
圖三 補(bǔ)償探頭方法
以上兩點(diǎn)看似簡(jiǎn)單,但往往是工程師忽略的。為了使測(cè)量更精確,請(qǐng)一定要注意檢驗(yàn)。這兩個(gè)校準(zhǔn)功能在任何示波器都應(yīng)該有。
2 測(cè)試電壓紋波
很多電源工程師在紋波的測(cè)量的時(shí)候,也不會(huì)關(guān)注那么多,想當(dāng)然的測(cè)試。示 波器的使用方法不同導(dǎo)致測(cè)試的結(jié)果差異很大。如下組圖四和組圖五,對(duì)于同一個(gè)產(chǎn)品同一個(gè)測(cè)試點(diǎn),由于測(cè)試方法的差異,導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果的差異很大。紋波對(duì)于電 源來(lái)說是個(gè)重要參數(shù),但是由于自己的操作問題而導(dǎo)致做測(cè)試不通過,又浪費(fèi)大量的人力和成本去整改是很不值得的。
有時(shí)候您的客戶由于對(duì)儀器的使用和注意不夠,導(dǎo)致測(cè)試的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。但是自己這邊產(chǎn)品又是沒有問題的,弄的怎么說也說不通,以至于客戶還以為是在欺騙他們,所以測(cè)試方法很重要。注意這些細(xì)節(jié),可以節(jié)省很多時(shí)間,讓自己的能力更上一層。
示波器測(cè)試的值本身就存在誤差的(這里我就暫時(shí)不講解了)?,F(xiàn)在很多公司要求測(cè)試波形圖的值作為判定依據(jù)。其實(shí)示波器只是測(cè)試電壓隨著時(shí)間變化的過程, 主要是調(diào)試中捕獲波形。具體測(cè)量直流電壓有效值額度準(zhǔn)確度還不如數(shù)字萬(wàn)用表的值。示波器的直流精度的指標(biāo)標(biāo)定也是以萬(wàn)用表做參考的。但是越來(lái)越多公司和工 程師以示波器的值當(dāng)作真實(shí)值,那么我們就只能盡力作到是測(cè)試誤差最少。
下面是測(cè)試紋波的圖解和分析:
組圖四
組圖五
組圖四的測(cè)試紋波的結(jié)果值3.9921V比圖五0.126V大很多,但是組圖四的測(cè)試值是不真實(shí)的。問題分析:其實(shí)產(chǎn)品沒有問題。只是測(cè)試方法有問題而已。現(xiàn)在我們就來(lái)指出問題點(diǎn):
第一個(gè)錯(cuò)誤是使用了長(zhǎng)的接地線。
第二個(gè)錯(cuò)誤是將探頭形成的環(huán)路和接地線均置于電源變壓器和開關(guān)元件附近。
第三個(gè)錯(cuò)誤是示波器探頭和輸出電容之間存在多余電感。
由于這些不注意,導(dǎo)致拾取了很多高頻信號(hào),變壓器的磁場(chǎng),開關(guān)的電場(chǎng),以至于示波器抓出來(lái)的波形有高頻雜訊摻雜在里面顯示出來(lái)。
第四個(gè)錯(cuò)誤是量程太大。
準(zhǔn)確地測(cè)試紋波需要做到:
使用帶寬限制來(lái)測(cè)量紋波,以防止拾取并非真正存在的高頻雜訊。示波器帶寬設(shè)置為20M即可。去掉探頭"帽子"和地線夾,以防止長(zhǎng)地線形成的天線效應(yīng)。用 近地線纏繞在探頭和地之間。羅德與施瓦茨公司有專門提供配套的短地線??梢钥紤]在信號(hào)與地之間并聯(lián)一個(gè)0.1uf和一個(gè)10uf電容做去耦。電容的PIN 腳的長(zhǎng)短也影響了測(cè)試的值。
Part3 誤操作怎么辦
由于很多工程師對(duì)示波器的不了解,導(dǎo)致誤操作,損壞示波器或電源之后還搞不清楚為什么
很多初級(jí)工程師在用多個(gè)探頭測(cè)量電源的時(shí)候,剛一開機(jī),電源產(chǎn)品就"炸機(jī)",甚至損害示波器。他們會(huì)問我,示波器不是直接把探頭接到要測(cè)試的元件之間 嗎?我好像沒有接錯(cuò)啊,為什么會(huì)這樣啊?那是由于對(duì)示波器的通道和地的接法不了解。示波器的多個(gè)探頭在示波器內(nèi)部是共地。所以在同時(shí)測(cè)量電源的原邊和副邊 的時(shí)候,如果用一根探頭接原邊的地,另一個(gè)探頭接副邊的地,由于示波器的內(nèi)部通道的地連接在一起,相當(dāng)于把電源的原邊和副邊的地短路在一起了,然而原邊和 副邊地之間是有電壓差的,那么短路后的大電流容易燒壞產(chǎn)品和探頭,甚至也可能損壞示波器。在測(cè)試原邊和副邊電壓的時(shí)候應(yīng)該一側(cè)用差分探頭,一側(cè)用普通探 頭。即使測(cè)試同一側(cè)線路,探頭的地線也要是共參考點(diǎn)。示波器的地又是通過電源地連接的。很多公司基本上都會(huì)在示波器前面加一個(gè)隔離變壓器,這種方法挺好。 有些公司直接剪斷電源三相地的PIN腳,那樣沒有接地,用手摸示波器機(jī)殼,漏電流會(huì)加大。建議不要這樣使用。
其實(shí)問題還不止是這些,如在動(dòng)態(tài)的應(yīng)用,探頭之間運(yùn)算的應(yīng)用,測(cè)試電壓值注意的事項(xiàng)等。大家都知道示波器的功能很強(qiáng)大,幾乎沒有不使用示波器的電子工程師,所以自己在使用示波器的時(shí)候一定要多想想,多試驗(yàn),多了解示波器的功能,內(nèi)部選項(xiàng)鍵之間的差別,了解不同示波器參數(shù)對(duì)測(cè)量的影響,那樣就能更好的幫助我們。不要只是為了完成任務(wù),隨意為之。認(rèn)真做起,細(xì)心觀察,這樣我們的進(jìn)步才會(huì)很大。經(jīng)驗(yàn)是一步一步積累起來(lái)的。
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