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示波器的原理

更新时间:2023-03-21      点击次数:776

示波器是设计和测试电子设备和器件常用的工具。数字储存示波器(简称DSO)和混合信号示波器(简称MSO)都是强大的仪器,用于显示及测量随时间变化的电子信号,并且能有助于确定哪一个器件运行正常,而哪一个器件出现故障。示波器还能帮助您确定新近设计的器件是否能按照您想要的方式运行。


本文简要介绍示波器原理,让您了解什么是示波器,以及如何操作示波器。我们将会探讨示波器的应用,并概括介绍其基本的测量和性能特征。本文还将介绍不同类型的探头,并讨论它们的优缺点。


。每天都有上百万人使用电子产品,例如手机、电视和计算机。随着电子技术的进步,这些产品的工作速度也变得越来越快。如今,大多数电子产品都采用了高速数字技术。

工程师们应当能够精确地设计和测试他们在高速数字产品中所使用的元器件。他们在设计和测试元器件时所使用的仪器必须特别适合处理高速和高频的特性才行,而示波器正好是这样的一种仪器。

示波器是一种功能强大的工具,在设计和测试电子器件方面很有用。它们在您判定系统器件是否正常方面扮演极为重要的角色,而且还能帮助您确定新设计的元器件是否按照预想的方式进行工作。示波器的功能远比数字万用表更强大,因为它们可以使您观察电子信号的实际情况。

示波器的应用极为广泛,包括通用电子测试、工业自动化、汽车、大学的研究实验室以及航空航天 / 国防产业等。许多公司都依赖示波器来查找缺陷,从而制造出质量过硬的产品。


电子信号

示波器的主要用途是显示电子信号。通过观察示波器上显示的信号,您可以确定电子系统的某个元器件是否在正常工作。因此,要想了解示波器的工作方式,必须先要了解信号的基本示波器原理。

波形特性

电子信号会以波形或脉冲的形式出现。波形的基本特性包括:

幅度 - 在工程应用中经常使用的幅度定义主要有两个。第一种通常称为峰值幅度,定义为干扰信号的最大位移量。第二种是均方根(RMS)幅度。要计算波形的 RMS 电压,必须将波形值平方并求出平均电压,然后再求平方根。对正弦波来说,RMS 幅度等于峰值幅度的 0.707 倍。

相移 - 相移是指两个其他条件都相同的波形之间的水平位移量,以度或弧度为单位。正弦波的周期以 360 度来表示。因此,如果两个正弦波相差半个周期,那么它们的相对相移就是 180 度。

周期 - 波形的周期是指波形重复出现一次所花费的时间,以秒为单位。

频率 - 每个周期性波形都有一个频率。频率是指波形在一秒内重复出现的次数(如果您使用 Hz 为单位)。频率与周期互为倒数。


图 1. 正弦波的峰值幅度和 RMS 幅度
图 2. 三角波的周期


波形

波形是指波的形状或图像。波形可以提供许多有关信号的信息,例如,它可以告诉您电压是否突然发生改变、呈线性变化或保持不变。标准的波形有很多种,本节仅介绍您最常遇到的几种。

正弦波 - 正弦波通常与交流(AC)电源有关,例如您屋内的电源插座。正弦波的峰值幅度并非一直恒定,如果峰值幅度会随着时间不断地下降,我们就称这种波形为阻尼正弦波。


图 3. 正弦波


方波 / 矩形波 - 方波会在两个不同的值之间周期性地跳动,因此在高点和低点部分的长度会相等。矩形波不同的地方在于高、低点部分的长度并不相等。


图 4. 方波


三角波 / 锯齿波 - 在三角波中,电压会随着时间呈线性变化。它的信号边沿称为斜波,这是因为其波形会斜升或斜降到某个电压。由于锯齿波前面或后面的信号沿会随着时间产生线性的电压响应,所以看起来与三角波类似。但对面的信号沿几乎是立即下降的。

脉冲 - 脉冲是指突然出现在固定电压中的干扰,就像在一个房间中突然打开电灯,然后迅速熄灭电灯的情形。一连串的脉冲被称为脉冲串。延续前面的比喻,这就好比不断重复快速开灯与关灯的动作一样。脉冲是信号中常见的毛刺或错误波形。如果信号只传送一条信息,那么脉冲也可看作是一个波形。


图 5. 三角波
图 6. 锯齿波
图 7. 脉冲


复合波

波形也可以是以上各种波形的混合。它们不一定要具备周期性,而且可以是非常复杂的波形。

模拟信号与数字信号的比较

模拟信号代表给定范围内的任意值。您不妨想象一下模拟时钟,时针每隔 12 个小时旋转 1 周。在此期间,时针一直不断移动,不会出现读值跳动或不连续的情形。现在将它与数字时钟比较一下。数字时钟仅显示小时和分钟,因此是以分钟作为间隔时间。它会一下子从 11:54 跳至 11:55。数字信号同样具备离散和量化的特性。通常,离散信号具有两个可能的值(高或低,1 或 0 等),因此信号会在这两个可能的值之间上下跳动。



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