電流測量的基本概要

  用示波器測量直流電流是採用間接的方法,就是在欲測的電流會路內串入一只小值但精密的已知電阻,從這電阻上量取電壓,即可依I=E/R的公式解出I的大小,為了防止串聯電阻引起原電路狀態的變出化,這個電阻值必須要小,通常取電路內負荷阻抗的十分之一即很適當。相對的示波器之靈敏度要高,才能達到理想的測試結果。在測大電流時還要注意參考電阻的瓦特數至少要在額定功率的1.5倍以上,方有足夠的安全係數。

  測量電流時的接線示於圖十九,圖二十則是幾個簡單的實測波形照片。


  特別要注意的是,如果參考電阻的兩端都不在地電位上時,示波器本身必須要浮接於地電位,此時得注意耐壓的情況,以免造成危險。

  對於十分微小的電流,可以使用差動輸入式試棒(其實就是在試棒的輸入端加上差動放大器),把待測電流所引起的微小壓降先放大某個倍數,再予測量。這個方式可以用來測試低阻抗電路,像開關的接觸情形、地迴路電流的大小等等(參看圖二十一),它的好處是不必把電路斷開就可測量,在操作上省事多了。

  在這種情況下使用的差動放大器,它的共態排斥比率(CMRR)要很大,才能有效的排除雜音干擾,其他方面的特性,諸如偏置電壓、偏置電流、輸入阻抗、響應頻寬等因素,也對測試的準確度有很大的影響。IC OP Amp.中有一種稱為Instrumentation Amp.(有人譯為「測儀放大器」)或稱Precision Amp.(精密放大器)都是這種用途的。測量電流的大小也可以使用專用的電流試棒,它的構造是在棒端有一環型鐵心(或鐵粉心),上面部分繞著線圈,測試時是讓導線穿過環型鐵心的中間,當電流流過導線時其周圍建立起的磁場將經由鐵心感應到線圈上變成電壓的變化(參看圖二十二)只要線圈和鐵心設計得宜,電流換算成電壓後可以很快的讀出來(動作原理類似卡流表)。

電流試棒的棒端結構實體如圖二十三,環型鐵心實際上是設計成可斷開的形式,在測試時把待測訊號線從滑開的鐵心細縫伸進去,然後鐵心再歸位成一個完整的環型,這樣一來就不必把待測訊號線剪斷了。

  上述這種方式的測試法由於是用感應的方式,線路中的直流成分是撿拾不到的,交流部分頻率響應,低頻端的100Hz~30KHz,高頻端的50MHz~1GHz,視實際需要而定。而電流變換成電壓的靈敏度通常有1mA/1mV及10mA/1mV兩種,以配合不同的示波器之靈敏度。

李沙育圖形(Lissajou's Figure)觀測的基本概念

  在CRT的垂直、水平偏向板上同時分別加於兩個波形、頻率、相位都不相同的訊號(亦即X-Y操作),將會產生許許多多複雜的波形,這些圖形都稱為Lissajou's圖形,其中水平軸若加上鋸齒波,則垂直軸加上什麼樣的訊號,管面上就會出現什麼波形,這就是平常操作時示波器所做的動作(也是示波器的根本原理),除此之外,最常被使用的是在X、Y軸各加上正弦波,以便從管面上顯示的圖形判斷這兩個正弦波之間的頻率和相位關係,尤其用來測量像放大器的輸入出之間的相移大小是非常有用的。在垂直、水平兩軸都輸入正弦波時會出現怎樣的波形呢?現以圖二十四來說明:設垂直與水平軸的正弦波波幅一樣大,垂直軸的頻率是水平軸的兩倍,而且兩波型都是在零點開始掃描。

如果把垂直軸的波形依正弦的角度標出16個點,則在水平軸的一整週也可以找出對應於相同的時間之16個點,兩者分別予以編號。在管面上掃描的進行是這樣的:設波形的起始點是打在CRT刻度的原點上,掃描時間到時,垂直軸上的與水平軸上的共同作用使電子束偏掃到管面上的位置,依照這個順序,可以逐點的把CRT上的波形描繪出來,成為一個橫的8字形。顯然的當這兩者之一或同時改變頻率或起始點時,掃瞄出來的波形就不會相同。圖二十五是幾個典型的例子。

  從上圖中,同頻率的兩正弦訊號之間的相位差是怎樣算出來的呢?以圖二十六的例子來說明,在圖中波形的最高點到中心線之間的格數定為A,波形與垂直中心線之間所佔的格數為B,則兩者之相位差以下式表示: θ=sin⁻¹B/A 波形右傾者,其相角大於90°,左傾者為小於90°,左傾的斜線表示同相位(0°),正圓圖形表示相差90°,右傾的斜線表示反相位(180°)。

  頻率的比數之算法,是在波形的邊緣處所算得的波峰數之比值。像圖二十七中在波形的最底下邊緣劃一條水平線,它與波形的交點數就是波峰數,從波形的最右緣劃一條垂直線一樣可以算出垂直向的波峰數,兩者一比就一目了然。

雙線顯示在測量上的運用

  雙線顯示的功能,除了把兩個波形的形狀和兩者之間的關係顯示出來之外,有些機種還能做其他的操作,像「加」的操作,能把兩輸入訊號,按照所出現的波形和相位關係相加起來,如圖二十八所示,兩波形分別是半格及兩格,相位相同,當兩者相加之後波幅佔了兩格半,相減之後(即把其中之一反相後再相加)成為一格半的波幅。當兩個波形不都是方波時結果亦同。

  在測量兩個有關係的波形時,不管是CHOP或ALT通常都沒有什麼問題,這種情形下不管選何者為觸發源都無所謂,原則上是選波形中有較大斜率的波形者(例如方波與正弦波,應選方波為觸發源)。

圖二十九是一個舒密特觸發電路的輸入出波形比較,把兩者疊在一起就很容易測知其臨界電壓的大小,使得設計電路時很容易定出零件的值。像這樣的波形若由輸出的波形來觸發時,即使在低電平也不會有觸發不良的毛病。

  對於兩個毫無關係的波形通常很難穩定的來同時觀測,在有些高級機種中,以雙線的ALT方式掃描並且把觸發源選為NORM時可以把兩個毫無關係之波形穩定的同時顯示出來(這也意味著它只適用在較高頻率者),不過此時出現的兩波形間之關係,並不是像管面所出現者,因為它是交互的掃描,則每條掃描線是以其本身最易觸發的點為起點,而不是以某一波形為觸發參考點,所以其波形間的相差並無參考價值。是故在測定兩個有關係的波形而且測量的目的正是要測知其相位關係時,觸發源必定要選在CH1或CH2,而不應選為NORM,否則測出的相位關係將不準確。

圖三十(a)表示兩個有相位關係之波形由CH1觸發之結果,如果改用NORM觸發,將會出現(b)圖的波形,從這波形中可看出起始掃描點的電位已經變高了(為了取得最佳觸發狀況),此時的相位關係已不準確。

轉載音響技術第68期AUG. 1981 波形觀測/第三篇──基本測試篇(下)/嚴凱偉

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