附錄、示訊(波)器的介紹及應用

 

【目的】:

學習示訊(波)器(oscilloscope)的原理及功能,並做簡單的運用。

1是一個較接近實際設計的陰極射線管圖。陰極射線管是示波器的心臟。陰極受到燈絲加熱產生熱游子。這些因受熱而脫離陰極的電子經控制柵極的吸引或抑制後,受到加速陽極吸引,而通過聚焦陽極與加速陽極,再經過垂直及水平偏向板,受到偏向後打到螢光幕上。電子打到螢光幕放出螢光並形成一亮點,然後經由管壁塗料回到陰極而構成一迴路。

 水平偏向電壓是示波器本身所提供的鋸齒波(2),垂直偏向電壓則為外界輸入的待測電壓訊號。

3為舉一實例說明。

3(a)是加在示波器的垂直偏向板上的輸入的正弦電壓波形。

3(b)則是示波器本身所提供加在水平偏向板上的鋸齒波。

這兩個時變電壓波在示波器上的合成效果為圖3(c)的正弦波。

如果取消示波器的水平偏向電壓,則螢光幕上將顯示如圖3(d)的波形。

一般示波器的水平掃描電壓之掃描週期是可調的,如果我們將鋸齒波的週期由原來的8ms(圖3(b))增加為16ms而垂直輸入維持原來的圖形(圖3(a))不變則兩者在示波器上的合成圖形為圖3(e)。

讓我們現在更詳細討論,如何把在螢幕上所顯示的波形換算成真正的待測信號的電壓及頻率。如表一所述。

以下是用方塊圖對示波器的整個結構作一概略性描述(4)。我們分成幾個子系統來說明:

陰極射線管:如前所述,包括燈絲、陰極、控制柵極、聚焦及加速 陽極、水平及垂直偏向板以及螢光幕。

(一)     垂直訊號系統:垂直訊號系統是由很多級放大器所組成的。放大器忠實地放大或衰減輸入訊號,使示波器能夠接受很大範圍的輸入電壓。

(二)     水平訊號系統:水平訊號系統包括時基產生器、同步線路和水平訊號放大器。同步線路從垂直放大器取出放大的輸入電壓信號,選取一定的電壓點(例如零點、正斜率等等),並命令時基產生器(產生鋸齒波)開始掃描 ¾ 這個作用即是「觸發」¾ 以使水平偏向電壓能和垂直偏向電壓的步調一致。

(三)高壓和低壓電源:高壓源主要提供陰極管的加速電壓(直流高壓),通常是1200 ~ 2000伏特的DC。低壓電源則供應示波器內其它電路操作所需要的電源。如果示波器的水平偏向電壓由外來訊號輸入取代示波器內部產生的鋸齒波時,則示波器可以變成一部「X-Y作圖機」。

接著我們來討論李沙育圖形法(Lissajous pattern method)應用於測量頻率的原理。如果我們在示波器的垂直與水平偏向板上,分別輸入正弦波電壓時,示波器所顯示的圖形,我們稱之為李沙育圖形。

假設我們在輸入頻率相等的兩個訊號於水平和垂直偏向板,則螢幕上可能出現:圓形、橢圓或是一條傾斜的直線。至於是哪一種圖形,則端視兩輸入電壓之大小和其相位(phase)而定。

假若垂直與水平偏向板均不加入任何訊號的話,螢幕的光點將出現於固定的位置(如圖5所示)

假設垂直與水平偏向板上的輸入訊號頻率相同,且電場分別為ExEy

                (1)

              (2)

化簡後,得       (3)

     (4)

(3)´cosθ2 ¾ 式(4)´cosθ1,得

     (5)

(3)´sinθ2 ¾ 式(4)´sinθ1,得

          (6)

(5)平方,

  (7)

(6)平方,得

   (8)

(7) + 式(8),得

所以                              

     (9)

(9)即為當有頻率相同的訊號加在垂直與水平偏向板上時,光點在營幕所顯示的圖形的軌跡方程式。接著讓我們來略分析波形於螢幕的軌跡形狀。設△θ=θ1–θ2

(1)若△θ= 0ºE1 = E2

(9)變成

[

為傾斜直線方程式

(2)若△θ=π/2,E1 = E2=E,則(9)變成

為一圓形方程式

(3)若△θ=π/2,E1 ≠E2,則(9)變成

 

為一橢圓方程式

6所示,為E1 E2時,各種△θ數值所形成的李沙育圖形。

若加於垂直及水平的訊號頻率不同的時候,螢幕上的軌跡會有不同的型態。假設加於垂直輸入端的訊號頻率為fV,加於水平輸入端為fHfH則與fV之比將成各種不同形狀的軌跡(7)

  fVfH=圖形上(下)邊之切點數:圖形左(右)邊之切點數

我們可以從一已知頻率的訊號,推演另一未知頻率的高低。例如我們從示波器的垂直輸入端輸入待測訊號,而水平訊號則由訊號產生器處加入1000週的正弦訊號;且螢光幕上的軌跡若為8字形,則

因此未知的待測信號頻率為500Hz

【儀器面板介紹】:

這裡只作概略性的介紹,因為不同型號的示波器細部功能及板面設計都不盡相同(參見圖8)

(1)電源開關(POWER):控制示波器電源開關。

(2)2V校準端子(CAL 2V TERMINAL):提供1kHz的方波輸出;使用在檢查放大器增益及探針波形的補償。

(3)強度控制(INTENSITY):調整螢幕上光點的亮度。

(4)聚焦(FOCUS):調整螢幕上光點的清晰度。

(5)軌跡旋轉旋鈕(TRACE ROTATION):消除軌跡線中地球磁場的效應。

(6)尺度照明(SCALEILLUM)可於黑暗中照明螢幕上的尺度。

(7)垂直位置旋鈕(POSITION/PULL ADD):調整螢幕上CH1訊號光點的垂直位置。在X-Y mode中控制光點X軸的位置;當旋鈕向前拉起(ADD mode) 時,則CH1,CH2的輸入訊號加成。

(8)交直流開關(AC-GND-DC):

AC:只容許AC訊號輸入。

 GND:任何外接訊號均不能輸入。

DC:AC及DC訊號可同時輸入。

(9)CH1(X)接頭:可連接BNC接頭,使訊號輸入於第一波道(channel 1)。

(10)垂直衰減旋鈕(VOLTS/DIV):選擇螢幕上縱向尺度每格所對應的電壓。

(11)垂直衰減校準旋鈕(VARIABLE):可微調電壓控制旋鈕所顯示每格所對應的電壓大小。

(12)訊號選擇模式(VERT MODE):

CH1:螢幕上只顯示出CH1的輸入訊號。

DUAL:可同時顯示出CH1及CH2的輸入訊號。

CH2:只顯示出CH2的輸入訊號。

(13)接地端子(Ground Terminal):使示波器底座經由AC電源線接地。

(14)CH2(Y)接頭:可連接BNC接頭,使訊號輸入於第二波道(channel 2)。

(15)垂直位置旋鈕(POSITION/PUSH INV):調整螢幕上CH2訊號光點的垂直位置。X-Y mode中控制光點Y軸的位置;當旋鈕向前拉起,則CH2訊號反相。

(16)截留旋鈕(HOLD OFF):對一個複雜波形同調整掃描(sweep)的時間,使時基(timebase)能正確被觸發(tigger)。

(17)外部觸發源輸入接頭(EXT IN):可連接BNC接頭,作為外接觸發訊號輸入端。

(18)位準旋鈕(LEVEL):於觸發訊號波形中,選擇觸發起始點。

(19)觸發源選擇鈕(SOURCE):可選擇觸發源訊號如下。

CH1:以CH1輸入訊號為觸發源。

CH2:以CH2輸入訊號為觸發源。

LINE:以AC電源線之訊號為觸發源。

EXT:以外接觸發輸入為觸發源(和(14)項結合使用)。

(20)耦合選擇旋鈕(COUPLING):選擇觸發訊號如下:

AC:觸發訊號被耦合到觸發電路組件,訊號在10kHz以下被衰減。

HF/REJ:可衰減50kHz以上的觸發訊號。

TV:使用在TV訊號的觀測。

DC:所有的觸發訊號直接耦合到觸發電路組件。

(21)斜率選擇開關(SLOPE):選擇觸發點於觸發訊號正或負的部分。

(22)時基旋鈕(SEC/DIV):選擇螢幕上橫向尺度每格所對應的掃描時間,在X-Y檔為X-Y MODE的操作形式。

(23)掃描形式開關(SWEEP MODE):

AUTO:沒有適當觸發訊號也能正常掃描。

NORM:須有適當觸發訊號才能正常掃描於螢幕上。

SINGLE/RESET:觸發一次即掃描一次。

(24)水平位置旋鈕(POSITION):調整螢幕上光點水平位置。

(25)時基校準旋鈕(VARIABLE/PULL 5 10MAG):可微調時基旋鈕所顯示每格所對應掃描時間的大小。旋鈕拉起時,掃描速度放大10倍。

 

【儀器】:

示波器、訊號產生器兩台、測試棒兩根。

【步驟】:

(一)電壓及頻率的測量:

(1)將訊號產生器的電源插上,按下電源開關,選擇輸出訊號為正弦 波。設置頻率範圍在1kHz,並將頻率選擇鈕旋於1.0的位置。設定輸出振幅旋鈕於中間位置,直流補償鈕於CAL。

(2)按圖9連接線路。

(3)按下示波器的電源開關。旋轉垂直位置旋鈕及水平位置旋鈕,使基線出現在螢幕正中央的位置。

(4)調整亮度控制旋鈕,使時基線不要太亮(以免損壞示波器的螢幕),並改變聚焦控制旋鈕,使時基線清晰、亮度適宜。

(5)將時基旋鈕選擇置於0.2mS/cm的位置。垂直衰減範圍置於2.0V/cm的位置。交/直流開關至於DC位置。觸發源選擇置於CH1的位置。掃描形式開關置於AUTO位置。

(6)將訊號產生器頻率範圍置於10kHz、100Hz兩種刻度,將其測試結果紀錄於表中。

(7)將訊號產生器的波形選擇鈕置於正弦波、方波、三角波的位置,將所有看到的圖形完整地紀錄下來。

(二)頻率測量─李沙育圖形:

(1)將兩部訊號產生器的輸出均置於5VP-P的正弦波。

(2)將示波器調整適當亮度的時基線產生。

(3)並把時基旋鈕選擇開關轉至X-Y位置(最左)。

(4)這時螢幕上只出現一光點,請把這亮點轉至原點的位置亮度酌量降低些。

(5)如圖10連接線路。

(6)先定AF-Ⅰ(fH)的頻率是1kHz輸出,然後改變AF-Ⅱ(fV),使fVfH的切點數如圖7所示。觀察李沙育圖形,並繪於表中。

(7)如紀錄表中所示,任選fVfH的頻率比值,觀察李沙育圖形,並將圖形繪於表中。