常用电子仪器原理及使用技巧
常用电子仪器原理及使用技巧
5．1 低频信号发生器
低频信号发生器是一种多用途的RC信号发生器，它能产生从1Hz～1MHz的正弦波电信号（一般应用范围在20Hz～20kHz或200kHz），是工厂和实验室中用于调试相应频率段的放大器及电声设备的信号源。我们以XD-2型信号发生器为例介绍其工作原理。图5-1-1是XD-2型信号发生器的外型面板图。
图5-1-1 XD-2型信号发生器的外型面板图
5．1．1低频信号发生器的结构及工作原理
图5-1-2 XD-2型信号发生器的原理框图
低频信号发生器主要是由自激振荡器、电压放大器、输出衰减器、直流稳压电源等组成，若要求功率输出时，则需增加功率放大器、阻抗变换器等。XD-2型信号发生器的原理框图如图5-1-2所示。
1．自激振荡器
自激振荡器如图5-1-2中虚线框中所示，该电路又称文氏电桥振荡器。它由放大器、文氏电桥正反馈支路、热敏电阻负反馈支路组成。R1、C1与R2、C2组成桥路的正反馈桥臂，R3与R4构成桥路的负反馈桥臂。正反馈与负反馈之问信号的差值UCD送入放大器，使振荡器工作，产生一定频率的正弦波信号。振荡频率为：
当R1= R2=R，C1= C2= C时，自激振荡器的信号频率为：
信号发生器的输出频率通常以十倍频程分成几个频率段，频段的选择是通过波段开关Q改变电阻值实现的，如图5-1-3所示。每个频段范围内的频率细调（微调）是通过电位器RW1实现的。
图5-1-3 信号发生器频段选择
2．电压输出衰减
当低频信号发生器由自激振荡产生的正弦波信号经放大器放大又经过衰减器输出 时，一般不能带负载，只能提供电压信号，所以从这个输出端输出的信号称电压输出。XD-2信号发生器输出电压在1～5V范围内可调，并可通过电压表指示出来。如果需要小信号时可用粗衰减器进行适当的衰减，衰减是以dB值表示的。信号发生器在0dB时为无衰减输出，即此时输出电压最高。电压表的指示值就是实际输出值，输出衰减每增加10dB，最大输出电压降至上一档的1/3.16。衰减的dB数与电压衰减倍数A的关系可用下式表示 ：
5．1．2使用及注意事项
1．接入50Hz、220V交流电源，开机后预热10分钟，以使仪器产生较稳定的频率，这时再输出信号。
2．根据所使用的频率范围，将粗调旋钮（图5-1-3中调频率范围的波段开关）转向适当的位置，然后再调节面板上方三个细调频率旋钮，直到得到所需频率。
3．信号输出。仪器的正弦波电压由面板右下方两个接线柱输出（见图：5-1-1）。适当调节面板下方输出衰减波段开关和输出细调电位器，可在输出端获得所需电压值。
4．注意：当将信号引人调试的线路，并和其它电子仪器同时使用时，应注意共地。
 | |||
| 5．2 电子示波器 | |||
电子示波器是一种能直接观察和真实显示被测信号的综合性电子测量仪器。它不仅能定性观察电路的动态过程，例如观察电压、电流或经过转换的非电量等的变化过程；还可以定量测量各种电参数，如脉冲幅值、上升时间等。所以它是电工、电子实验中必不可少的重要测量仪器。
5．2．1示波器的工作原理
通用型示波器原理结构框图如图5-2-1。
图5-2-1 通用型示波器原理结构框图 图5-2-2 普通示波管的结构示意图
电子示波器主要是由主机（包括示波管显示电路、标准信号发生器、稳压电源等）、垂直偏转系统（Y轴信号通道）和水平偏转系统（X轴通道）等三大部分组成，其中示波管是示波器的核心部件。下面分别简要介绍。
1．示波管
普通示波管的结构主要是由电子枪、偏转系统和显示部分组成，如图5-2-2所示，它是把电信号变成光信号的转换器。
（1）电子枪、 由灯丝（F）、阴极（C）、栅极（G1）、前加速极（G2）、第一阳极（A1）和第二阳极（A2）组成。
电子枪的作用是用来发射电子并形成很细的高速电子束。
示波管的灯丝用于加热阴极。阴极是一个表面涂有氧化物的金属圆筒，在灯丝加热下发射电子。栅极是一个顶端有小孔的圆筒，套在阴极外边，其电位比阴极低，对阴极发射出来的电子起控制作用，只有初速较大的电子才能穿过栅极顶端小孔射向荧光屏，初速较小的电子则折回阴极，如果栅极电位足够低，就会使电子全部返回阴极。因此，调节栅极电位可以控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变亮点的辉度（即示波器面板上“辉度”旋钮的作用）。如果用外加信号控制栅、阴极间电压，则可使亮点辉度随信号强弱而变化。
第一阳极也是一个与阴极同轴的比较短的金属圆筒，A1的电位远高于阴极。第二阳极A2也是与阴极同轴的圆筒，其电位高于A1。前加速极G2位于G1与A1之间，与A2相连，对电子束起加速作用。
由G1，G2，A1及A2 构成一个对电子束的控制系统，它对电子束有聚焦作用。改变第一阳极A1的电位（用面板上的“聚焦”旋钮）及第二阳极电位（用面板上的“辅助聚焦”旋钮），使电子束在荧光屏上会聚成细小的亮点，以保证显示波形的清晰度。
（2）偏转系统 在第二阳极的后面，由两对相互垂直的金属板构成示波器Y轴和X轴的偏转系统。Y轴偏转板在前，X轴偏转板在后，两对板间各自形成静电场。被测信号电压作用在Y轴偏转板上，X轴偏转板上作用着锯齿波扫描电压。通过作用在这两个偏转板上的电压控制着从阴极发射过来的电子束在垂直方向和水平方向的偏转。
（3）荧光屏 示波器的荧光屏一般为圆形曲面或矩形平面，在其内壁沉积有荧光物质，形成荧光膜。荧光膜受到电子冲击后能将电子的动能转化为光能，形成亮点。当电子束随信号电压偏转时，这个亮点的移动轨迹就形成了信号的波形并显示在荧光屏上。当电子束停止作用后的一段时间内，荧光膜仍保留一段发光过程，这种激励过后辉度所延续的时间称为余辉。余辉时间的长短与使用的荧光物质有关。余辉时间在0．1～1s 的称长余辉；1～100ms的称中余辉；0．01～1ms的称短余辉。一般低频示波器用于观察缓慢信号的，多用长余辉；观察高频信号宜用短余辉；一般用途多用中余辉。
为了测量波形的高度或宽度，在荧光屏玻璃内侧刻有垂直和水平方向的分刻度线，使测量准确度较高。
圆形荧光屏线性度较差，屏幕利用率低，中间比较平整的部分称有效面积，四周则较差，矩形荧光屏比较平整，有效面积较大。在使用示波器时应尽量使波形映在有效面积内。
2．波形显示原理
水平偏转系统由触发电路（同步电路）、扫描发生器和水平放大器等组成，如图5-2-1所示，由它产生时间基准的扫描电压ux(锯齿波形电压)。
在X轴偏转板加上线性扫描电压时，电子束在屏幕上按时间沿水平方向展开，形成时间基线。当仅在X轴偏转板加上锯齿波电压时，亮点沿水平方向作等速移动，当扫描电压达到最大值（Um）时，亮点亦达最大偏转，然后从该点迅速回到起始点，若扫描电压重复变化时，在屏幕上就显示一条水平亮线，这个过程称为扫描。在X偏转板有扫描电压作用的同时，在Y偏转板加上被测信号电压，就可以将其波形显示在荧光屏上。这样，电子束就可以随着输入电压的变化而形成图形。
（1）同步 为了在荧光屏上至少能看到被测电压以uy一个周期而且稳定的图形，要求扫描电压ux的周期Tx与Y轴输入的被测电压uy的周期Ty之比具有整数倍的关系。即：
式中，n应为正整数。当n=1,即Tx=Ty时，荧光屏显示的波形如图5-2-3（a）所示；当Tx=2Ty时，波形显示如图5-2-3（b）。如不满足为整数倍关系，每次扫描的起始点将对应着被测电压uy的不同相位点，蒂光屏上显示的波形是不断滚动的不稳定图形，如图5-2-3（c）所示。
图5-2-3 示波器显示波形原理
由此可见，为了在屏幕上获得稳定的图形，Tx与Ty必须为整数倍关系，即Tx= nTy，以保证每次扫描起始点都对应信号电压uy的相同相位点上，这种过程称为同步。
（2）扫描发生器 扫描发生器电路产生线性锯齿波，其斜率由“时间／格”开关决定。
扫描系统的核心部分是扫描发生器、扫描闸门及释抑电路所组成的闭环电路。扫描闸门的主要作用是将输入信号变换成正向矩形脉冲，控制锯齿波的起始点和终止点。释抑电路的作用是控制锯齿波的幅度，达到等幅扫描，保证扫描的稳定性。
扫描方式有连续扫描和触发扫描两种。连续扫描是扫描的正程（由左向右）接着回程（至右端最大偏转位置又回到起始出发点），回程结束又接着正程，使扫描连续地进行。触发扫描的特点是只有在被测信号出现的时刻，受触发信号的作用而启动扫描，每到来一个触发信号只扫描一次，第二次扫描须在第二个触发信号作用下才能发生。若无触发信号时，只呈现一个亮点，处于等待扫描状态。一般情况下，触发信号与被测信号是相关的，这样就可以使扫描电压与被测信号保持严格的同步关系。
触发扫描方式中又分为常态、自动（高频）等几种方式。常态触发扫描方式是只有触发信号作用后扫描电路才工作，无触发信号时．荧光屏上见不到扫描线。自动触发扫描方式是当没有触发信号时，扫描系统仍然工作，荧光屏上仍显示出扫描的基线，当加触发信号后，可自动改为触发扫描工作方式。
（3）水平放大器 水平放大器进行锯齿波信号的放大，或在X-Y方式下对X轴信号进行放大，使示波器中的电子束产生水平偏转。
（4）Z轴放大器电路（见图5-2-1）决定示波管的辉度和消隐。这个电路把来自辉度控制器、扫描发生器门电路和Z轴外输入端的电流相加。该电路的输出端与示波管的控制栅极相连。
（5）触发信号源 在触发扫描工作方式时，触发信号可分为内触发、外触发和电源触发三种。
内触发：触发信号来自被测信号。通过示波器内部电路将此信号取出，作用于触发电路。
外触发：触发信号来自外部输入的某一信号。多用来观测脉冲波形或某个非重复性变化的波形。
电源触发：触发信号来自50Hz的交流电源。多用于观测交流电整流电路波形。
触发信号的耦合方式又分为：直接耦合（DC），用于接入直流或缓慢变化的信号；交流耦合（AC），触发信号经示波器内部电容接至触发电路，用于观测低频到较高频信号；高频耦合（HF），多用于观测频率高干5MHz的信号。
在示波器面板上设有触发电平和触发极性的调节旋钮，用来控制显示波形的起始点。
触发极性控制是指在触发信号的上升沿触发、还是下降沿触发。用上升沿触发称为正极性触发，下降沿触发称负极性触发。
3．垂直偏转系统
示波器的垂直偏转系统的作用是将被测信号输送到示波管垂直偏转板的通道，然后准确地再现输入信号的波形。这部分电路主要由衰减器、延迟和放大器组成。
SS-5702示波器的垂直偏转系统包括两套独立的增益控制器和前置放大器以及一个主放大器（垂直放大器），见图5-2-1，需要在示波管上显示的信号送到输入端后，先在前置放大器中转换成推挽输出信号并经放大，然后送到下一级放大（主放大器），最后送到示波管的垂直偏转板。
垂直通道各部分的作用如下：
（1）衰减器 是一个电阻分压器又称示波器灵敏度粗调开关。Y轴的输入信号变化较大，可能是几个毫伏的小信号也可能是上百伏的高电压信号。当测量幅度大的信号时，必须将输入进来的被测信号进行衰减，否则幅度过大，荧光屏上显示的波形会出现失真。
（2）放大器 Y轴输入通道的放大器作为显示波形幅度的微调（面板上Y轴增益旋钮）。它与衰减器配合使用，可以将显示的波形调至便于观察的适当幅度。
（3）延迟 当输入信号经衰减、放大后作用于垂直偏转板时，从Y轴放大器取出的信号也作用于触发电路，使触发电路产生触发信号，以便使扫描电路开始扫描，但因触发电路和扫描发生器工作都需要一定时间，这就使扫描信号出现时刻晚于作用于垂直偏转板上的被测信号，因而荧光屏上显示的波形就会缺少被测信号在开始部分的图形，所以在垂直偏转系统加入延迟电路，以使作用于垂直偏转板上的被测信号延迟到扫描电压出现后到达，这样就可以保证输入信号的全貌无失真地显示在荧光屏上。
（4）垂直工作波形选择方式 SS5702双踪示波器垂直工作方式有下述四种：
①CHI只显示通道1的输入信号。
②CH2只显示通道2的输入信号。
③ADD显示两通道输入信号的代数和（相加）。
④DUAL CH1，CH2两通道信号电子切换显示（双踪）。这种显示方式又分为交替方式和断续方式两种。
交替方式：当“时间／格”开关置于高于或等于0．5ms／格的位置时实行交替方式显示。此种方式适用于观察测量频率较高的信号波形，因为扫描频率高，从示波器荧光屏上将显示出两个通道的信号波形。在交替方式下，主放大器中的垂直方式开关电路由来自扫描发生器的交替信号驱动，引起CH1和CH2的信号以完整的扫描交替显示。
断续方式：当“时间／格”开关置于低于或等于1ms/格位置时实行断续方式显示。在此种方式下，垂直方式开关电路以大约100kHz的重复频率自激振荡去切换二极管门电路（开或关），使得无论扫描速度如何，示波器都以大约100kHz的重复频率断续显示两通道的输出信号，垂直方式开关电路送出断续消隐信号到Z轴放大器，以消隐切换动作的暂态过程。这时，显示在荧光屏上的图象是由一些断续的虚线构成，如图5-2-4所示，断续工作方式一般用于输入信号频率较低时，采用断续方式同时显示两个通道的波形。
图5-2-4 断续工作方式
5．2．2示波器的使用及注意事项
示波器的应用范围十分广泛，除了用于显示被测电压波形外，还可以进行各种测量。
如幅值、频率、相位等。所以正确地使用示波器非常重要。
1．示波器的使用
以SS-5702型双踪示波器为例，说明使用及测量方法。其面板布置如图5-2-5所示。
（1）电压的定量测量 将“伏／格”微调旋钮置于CAL位置，用探头的×1位置测量，测量值可以用：电压（U）=“伏／格”设定值（V／格）×输入信号显示幅度（格）来计算。若用探头×l0档位置进行测量，则最后求出的电压（U）要再乘10。
测直流电压时需将“扫描方式”开关置“AUTO”位置，扫描速度应调节到使屏幕上的扫描线不发生闪烁为止。先将“交流-地-直流”开关置GND，将基准扫描线移到水平刻度线上，再将“交流一地一直流”开关置DC，并输入被测电压，扫描线在垂直方向上的位移即为被测信号的电压幅度。如扫描线上移为正，下移为负。定量值可根据所选用的“V／格”旋钮的刻度值去计算。
（2）时间的测量 可以通过扫描速度测量时间，示波器的X轴是时间轴，经过定量校准，在一定的扫描速度下，X轴每厘米长度对应着的时间是一定的。根据选定的扫描速度ms／cm档（或μs／cm档），再从示波器荧光屏上的X轴坐标读出厘米数（格数），即可以求出时间。
用SS-5702示波器测量时间的方法：置“时间／格微调”旋钮于CAL位置，读取x轴上的格数，即“时间／格”，再用时间（s）＝时间／格（设定值）×被测信号的时间长度（格）。若拉出了“×5扩展开关”则其时间值还要乘上1／5。
（3）频率的测量 频率测量有两种计算方法，第一种是用上述测量时间的方法求出
输入信号一个周期的时间，然后用：频率＝1/周期（f=1／T）的方法算出频率；第二种方法是数出有效区域中10格内的信号重复数N，再用 
算出频率，N越大，第二种方法的精确度越高。
2．注意事项
（1）示波器正常使用温度应在0°C至40°C。使用时不要将其它仪器或杂物盖在示波器的通风孔上，以免影响散热，造成仪器过热而发生故障。
（2）使用时示波器的辉度不要过高，因为过亮的光点或扫描迹会使操作者感到刺眼。而且这样的亮点或扫描轨迹长时间停留在同一位置上会导致示波管荧光屏涂层灼伤。
（3）不要加过高的输入电压。一般示波器对于每个信号的输入，都有额定的最高允许电压范围，应根据该示波器的技术说明书上规定的范围使用。
| |||
| 5．3 直 流 稳 压 电 源 | |||
在许多电子线路中，往往要求输入的电压稳定、连续可调并有较大工作电流的直流电源，可采用直流稳压电源求。
常用的串联型直流稳压电源电路一般都由两大部分组成：一部分是整流滤波电路；另一部分是串联型直流稳压电路，图5-3-1是HT一1712型直流稳压电源的电路框图。
5．3．1直流稳压电源工作原理
图5-3-2 整流滤波电路及输出
1．整流滤波电路
直流稳压电源的输出电压要求为纹波小的、可调的稳定的直流电压，但稳压电源的输入电压通常都是不稳定的、其数值随着交流电网电压的波动而有土10％左右的波动的交流电。因此要利用二极管的单向导电性将交流电变为直流电，如图5-3-2（a）所示为一单相桥式整流滤波电路，其输出波形为一脉动的直流电压，如图5-3-2（b）所示。
2．直流稳压电路
稳压电源要能做到无论是由于电网电压波动还是因负载的变化都能保持输出电压的稳定,电路必须是一个闭环系统。为叙述方便，以图5-3-3简单稳压电源为例说明该系统各部分的工作原理。
图5-3-3 稳压电源
（1）电压采样 由电阻R1，R2组成的分压器构成了稳压电源的采样电路，它使三极管的基极电位，即VB2与输出电压Uo有关，当输出电压Uo偏离预定值时，通过
电阻分压可使输出电压的变化反映到三极管T2的基极，因而三极管T2的基极电位就不断的反映着输出电压的变化情况（采样）。
（2）基准电压 由稳压管DZ和稳压电阻RZ组成的稳压电路用来产生基准信号Uz（即稳压管的稳压值），并作用在三极管T2的发射极，即UE=UZ。
（3）比较放大器 采样电压UB2和基准电压UZ 分别作用在三极管的基极和发射极上，
如图5-3-3所示，发射极上的电压UZ （即稳压管上的电压）值是不变的，用来作为标准与采样的电压（即负载或电网电压）相比较。
（4）调整管 图5-3-3中的三极管T1称为调整管。它的调整过程如下：如果电源电压升高或负载变动使稳压电路输出电压U0升高，这时通过分压电路采集的电压UB2增大，而稳压管电压UZ 值是不变的，所以使得三极管T2的发射结电压UBE2增加引起一系列反映过程：
从而使输出电压降低下来，保持输出电压的稳定。同样，如果输出电压U0下降了，通过上面类似的分析可以得出三极管T1的管压降UCE1将会减小，从而使输出电压增加。
（5）稳压电源输出电压的调节 在图5-3-3所示电路中，若UB2>>UBE2，则可以认为UB2≈UE2 =UZ，则稳压电路输出电压
可见，只要改变采样电路的电阻R1，R2的分压比就可以改变稳压电路的输出电压UO的大小。
为了使稳压电源的输出电压连续可调，可以在采样电路的电阻R1、R2之间接入一个电位器，如图所5-3-4所示。因为R1＋Rw＋R2的总值是个常数，所以电位器滑动端上移时，电阻R2部分增大，输出电压Uo将减小；相反，若电位器滑动端下移，稳压电源输出电压将升高。
在常见的HT-1712型稳压电路中采用了运算放大器、辅助电源，并设有限流保护和限功率保护两套保护系统。当负载超过额定值时，电流进入限流状态。负载过分超出额定值甚至输出端短路，则限功率保护动作，调整器截止，电源无输出。故障排除后，按“启动”按钮则电路恢复正常工作状态。
5．3．2使用及注意事项
HT-1712F型稳压电源为双路输出电流1A；输出电压范围0～30V，连续可调。面板设置较为简单，使用时应根据要求操作。
1．开启电源开关，指示灯亮表示电源接通。应预热30分钟。
2．面板上设有一块电压表和一块电流表，为两路电源公用。当“电压监视”和“电流监视”开关拨到第Ⅰ路时可监视第Ⅰ路的电压和电流。开关转换到第Ⅱ路时可监视第Ⅱ路的电压和电流。
3．若需监视第1路电压、电流时，把电压、电流监视开关放在Ⅰ位置，调节“电压粗调”、“电压细调”旋钮即可得到所需电压值。
4．若过载或短路，电源保护无输出时，此时，应排除过载或短路故障，然后按“启动”按钮，电源即可输出。
5．输出电压由接线柱“十”、“一”端供给，“地”接线柱仅与机壳相连；
6．与其它仪器连用时需注意共地问题。
| |||
| 5．4 晶 体 管 毫 伏 表 | |||
晶体管毫伏表是用来测量低频交流电压必不可少的仪器。低频电压（一般指1MHZ 以下）多用平均值电压表。图5-4-1是一典型的均值表（DA-16型晶体管毫伏表）电路图。
5．4．1晶体管毫伏表工作原理
晶体管毫伏表测量交流电压主要有检波-放大式和放大—检波式两种。前者由于具有宽广的频率响应而被广泛地用于超高频毫伏表；放大一检波式具有较高的灵敏度和稳定而且检波级置于最后，由于用大信号检波，因而有良好的指示线性。DA-16型晶体管毫伏表采用的是放大一检波的形式。
整流电路输出的直流电流（或电压）与输入电压（绝对值）的平均值成正比。如图5-4-1虚线框部分所示。图中是半桥式全波整流电路，以电阻R1，R2代替二极管D3和D4，这在实际电路中是常见的。
DA-16的前置级用场效应管组成阻抗变换器，获得低噪声电平及高输入阻抗。步进分压器用于选择量程。放大电路A与由T5、T6组成的串联电压负反馈电路构成宽频带放大器。二极管D1、D2及电阻R1、R2组成全波检波（整流）电路，微安表及附属元件构成指示电路。
由于将检波电路置于放大电路之后，并采用深度负反馈电路，有效地解决了温度影响及测量指示的非线性问题。
图5-4-1 DA-16型均值表电路
5．4．2使用注意事项
1．交流毫伏表测量交流电压范围：100μV～300V，使用时注意不要超出此范围。
2．使用此表测量电压时，应注意根据被测电路的实际情况正确地选择量程。例如，被测电压在100～240mV之间，应该选择300mV的量程。
3．接通电源，等电表指针摆动数次后，将两输入端短路，调校正零点旋钮，调至零位后再进行测量。输入端短路时，指针稍有噪声偏转是正常的。
5．由于电表灵敏度较高，使用时接地点必须良好，与其它仪器共用时，应正确共地。
共地点接触不良或不正确都会影响测量效果。
|
|
