第三篇──基本測試篇

  一部功能完整的示波器,若能善用它的話,可以直接用來準確的量度電壓、電流、頻率、週期;間接的也可以量度電阻、相位等等。要想獲得準確的量度結果,除示波器本身的基本性能是個重要因素之外,熟戀的操作技巧和基本知識的了解也足以產生很大的影響。本篇將就以應用測試時所需的基本要領,概要的作一個說明,俾便將來應用時能夠得心應手。

  一般說來,每一種測試儀器都有其標稱的準確度,而且它也是影響機器售價的重要因素之一。經由某儀器測試出來之後,能得到怎樣精密的結果,必須視儀器本身的誤差而定。三用電表是最基本的測試儀器之一,使用者大都知道其刻度板上靠近中心大約全刻度五分之四的範圍內,才是它最精密的指示範圍,示波器所顯示的波形,也是在管面上的某個範圍內精密度較高,這個範圍是靠近刻度中心約70%之面積,亦即佔水平刻度的8.4格(垂直的6.7格)左右。所以不管量度的對象是什麼,最好把波型控制到出現於管面中心約70%面積的區域內,以確保量度的準確性。

測試前的準備:

  在測試之前最好先把機器的誤差大小弄清楚,以便了解儀器本身能達到預期效果的何種程度。由於波形出現時所欲量度的量之大小,都是以所佔刻度數來換算,因此垂直、水平兩組刻度所代表的精密度,是首先要了解的。以National的VP-5230為例,從操作手冊中得知,垂直軸偏向靈敏度的誤差,在Variable鈕置於CAL位置時,從2mV/DIV到10V/DIV的範圍,誤差都保持在±3%以內(包括×10開關所涵蓋的範圍),但要注意使用×10開關時,頻率響應將稍降些(×1時為30MHz,×10時為25MHz)。水平軸的掃描誤差,0.2uS/DIV到0.2S/DIV之範圍內為±3%;0.5S/DIV檔為±4%,(A B SWEEP皆同),在使用掃描擴大開關時,不管使用哪一檔,另外再加上±2%的誤差。在使用X-Y操作時,兩個放大器之間的相角差為3°(1MHz以下的頻率)。另外機器內有一個獨立的校正訊號源產生電路,輸出大約是1KHz的方波,用以校正試棒的頻率響應,也可以用來校正示波器內部的垂直軸靈敏度(這是在有相當的專業技術為基礎時才行),平常可以拿它當作是電壓的參考基準。根據手冊所載,這個校正訊號的波幅是0.1V±1%,頻率是1KHz±10%,上升時間小於10uS。

  另一個要事先準備的是測試棒的補償電容調整,一般示波器所附的試棒多半是10:1的或100:1的試棒,為了要對全頻帶內的響應都很平直,試棒上都有補償電容,並且其容量是可調的,俾於試棒接入示波器時,與其輸入分佈電容量取得一定的比率。試棒在使用之前一定要先調整這補償電容(1:1的試棒則不必)。在雙線示波器中有兩個垂直輸入軸,各輸入電路的總分佈電容量必不盡相同,因此每個輸入插孔一定要使用同一支試棒,不要互相換用,就可以免除每次使用前重新調整的工作。通常雙線示波器在所附的兩支試棒包裝裡還附有作記號用的小塑膠夾,其用意即在識別何者應用於哪一輸入。圖一是正確的調整波型。

電壓測試的基本概念

  電壓測量是根據波形在管面上所佔的格數,與Volt/DIV開關上所指示的值來計算出,但是基本的條件要先弄清楚,譬如說使用10:1試棒來測量時,則Volt/DIV的值要先乘上10倍,然後再乘上波形所佔的格數,裁示波形的真正電壓,如果使用×10開關,則Volt/DIV上的值要先除以10倍,然後再依格數多少求出電壓。如果兩者同時使用,亦即使用×10開關又用10:1試棒,則Volt/DIV上的讀數直接與格數相乘即可得出電壓,與使用1:1試棒(不用×10開關)的情況相同,但別忘了,此期間要考慮的因素是(a)使用10:1試棒可以使示波器的輸入阻抗提高,也使輸入分佈電容量降低(b)使用×10開關將使垂直放大器的頻寬減小。至於實測時得視需要而變更上述的測定條件。

  測量電壓時各旋鈕的操作順序是這樣的:

  (1)垂直顯示方式為CH1(或CH2)。

  (2)垂直輸入交連方式AC或DC。

  (3)垂直軸靈敏度視待測電壓大小而定。

  (4)掃描方式選擇為Auto或Normal。

  (5)處發源選擇開關置於INT的CH1或CH2(或NORM)

  (6)觸發源交連方式為AC或DC。

  (7)觸發電平至於約中間位置。

  (8)觸發斜率+或-皆可(常用+)。

  (9)其他控制用旋鈕視實際需要而調整。

  直流電壓的測量,在操作時有兩個限制:(1)掃描方式必須選在AUTO,即自由振盪的掃描方式,掃描時間為1或2mS/DIV以產生零電位基準線(2)輸入交連方式開關必須選在DC位置,如果以AC方式輸入,則直流將無法進入垂直軸。零電位基準線的設定法,是先把輸入交連方式選在GND位置,管面上此時將出現一條水平線,轉動垂直為宜控制,(Vertical Position或標示成),使水平線一到所欲的定點,然後再把輸入交連方式開關轉回DC處。如果水平基準線有點傾斜的話,可以調整Rotation使之成水平。通常在測量未知直流電壓時(電壓大小和極性皆未知),最好先把Volt/DIV設定在最大值上,零電位參考點則定在管面的水平中心線上,如此不管輸入何種極性的直流,只要看水平線偏擺的方向即可得知。前曾言及示波器管面中心大約70%面積範圍內是最精確的,因此在經過上述操作之後,已可約略測知該直流的大小及極性,把零位線移到離刻度邊緣一格的線上(視極性而定,欲測電壓為正時移向下方,反之亦同),轉動Volt/DIV開關盡量使待測電壓未在70%的範圍內,這時才讀取格數並算出電壓值。

  在測量低電平直流電壓時,應注意雜音或哼聲的干擾,作好接地的工作。如果混入高或低頻雜訊而難以觀測時,可以先在待測直流源上併聯濾波電容以消除之。

  測量交流電壓的要領大致與測直流差不多,對於一個未知的測試對象,最好先把Volt/DIV置於最大處,再視出現的波幅大小逐漸增大垂直軸靈敏度,直到管面波形最適宜為止。輸入交連方式應選在AC,掃描方式開關是NORM(除非是測量很低頻率的交流電壓才放在Auto)。從示波器上所測得的交流電壓波形是P-P值換算成RMS,必須把從管面上算得的P-P值除以22。圖二是家用AC電源電壓在示波器上出現的波形及電壓大小。測量本機頻率響應之高頻訊號時,因響應曲線的滑落(roll-off)效應,電壓的讀數可能比實際的要低些,這是使用時應予注意的。

  測量的脆向如果同時含有交流和直流的成分時,怎樣來測量呢?讓我們用實例來說明:從交流整流濾波後所得的直流,多少都有漣波的成分存在,圖三所示是一個含有漣波的直流電壓,齊連波成分很小,因此用DC交連方式輸入,可以測出其直流電壓值,但漣波成分卻看不出來,

欲測所含漣波成分時,必須把交連方式改為AC,如圖四所是為交連之結果,其直流成分已完全被除去,但漣波仍看不出來,

再轉動Volt/DIV開關,使波形成為圖五,就可以讀出漣波成分之大小了。

還有一種情況如圖六所示為一個正弦訊號疊加在某個直流電位上,欲測正弦波部份之電壓時,先使交連方式成為AC,正弦波部分將降至中心線上(圖七),在轉動Volt/DIV使它的幅度適宜觀測為止(圖八)。

若要測量其所疊加的直流電壓有多少該如何呢?回到圖六的波形看(輸入為DC交連),把正弦波的零位點移到水平中心線上(圖九),使波形看起來正負半波很對稱(注意!此時的交連方式仍是DC),然後輸入交連方式開關切到GND的位置(即讓垂直軸放大器的輸入端接地),水平線會出現在管面下方(圖十),計算這條水平線到中心線之間的格數,算出的電壓值就是其直流成分的大小了。

時間(週期)測定的基本概念

  一般要量度週期性的有規則交流電之頻率/週期,常使用週期/頻率表。示波器也可以用來量度交流訊號的頻率或週期,而且對於非規則形狀的波形也不會有誤量度的現象,如圖十一所示為40KHz的方波,當它對一個40KHz超音波換能器加載時,波型變成圖十二的樣子(在沒有考慮阻抗匹配的情況下),由於此波型的電平有兩處波峰,以一般Counter測其頻率時,很容易良得80KHz的結果,如果有示波器的幫助很容易發現這個現象的實際問題癥結,不會導致錯誤的量度結果。

  對於一個週期性的交流訊號,要測知其頻率/週期的方法,是以出現在管面上每一個波形所佔的格數,和每格所代表的時間長短,兩者的相乘積即是其週期,頻率則是週期的倒數,亦即:

  週期(T)=掃描速度(TIME/DIV)×水平格數

  頻率(F)=1/T Hz

TIME/DIV如同垂直軸的Volt/DIV,是以1-2-5的倍率分段增減,再Vqriable至於CAL位置時,開關上所標示的掃描速度都是已校正的值,可據以計算波形之週期,一旦Variable離開CAL的位置,該數值就不準確了,所以操作時應特別注意。另外,掃描擴大機開關(×10)使用時,開關上的標示值應再除以10。在有延遲掃描的示波器裡,當進行延遲掃描時,週期的算法是一樣的,不過掃描速度可能不同同一個開關上。

  讀取單一個波形在水平軸上所佔格數多寡,在操作上的要領是:

  (1)使波幅的大小約佔管面中心70%的範圍。

  (2)轉動TIME/DIV使出現1~2個完整的波形。

  (3)調整垂直位移使波形的峰與谷以水平中心線為準,各佔相同的格數。

  (4)調整水平位移,把波形的起始點定在水平線左邊的起始點上。

  (5)計算一個波形所佔的格數。

  (6)從TIME/DIV讀取數值,再乘以格數即得。

請參閱圖十三的說明。

  對於非週期性如數位電路波形之觀測,通常要注意調整適當的觸發電平和斜率,比較容易取得同步。如果觀測目的只在觀察波形和時序(波寬大小不是主要觀測目的的話)可以轉動Variable以取得良好的同步。在設Hold-off調整功能的機器中,則只須適當調整Hold-off時間,即可獲得最佳同步。圖十四所示是一個脈衝訊號的例子,在沒有同步的情況下是很難看出什麼的(圖十五)。

  在數位電路及電腦硬體的應用中,脈波的波幅、波寬、上升/下降時間等等都是很重要的參數,這些參數的定義以及測量的方法,有必要事先了解,以便將來應用時才能事半功倍。一個脈波各部份的名稱和定義,參看圖十六,脈波波幅(Amplitude)是指最大和最小穩定電壓之間的大小,並且定義為100%和0%;上升時間(Rise Time)是指從波幅的10%上升到90%所需的時間;下降時間(Fall Time)剛好相反,是從90%波幅到下降緣的50%波幅間之寬度;脈波週期(Period)是指相鄰兩個上升緣的50%波幅間的寬度;佔空因素(或稱佔空比)(Duty Factor or Duty Cycle)是指脈波寬與脈波週期比值的百分數。

  在測量這些參數的時候,主要的要領在於如何控制脈波波幅在管面上所佔的格數,以便能夠很快的、準確的把數值讀出來。以絕大多數的示波器管面刻劃來講,其垂直、水平分別是8格和10格,每格刻劃成五小格,最理想的狀況是使脈波幅佔垂直6格的大小,亦即從最底線往上數一格訂為0%線,則往上算3格將是10%線(因為全部的小格數是5×6=30),而從100%線往下數三小格就是90%,水平中心線是50%,這麼一來,只要把脈波置於這個範圍內,只要稍稍移動水平位置定出一個起始點,就可以很快的讀出需要資料。比較高級的示波器所用的CRT(尤其是內刻度式的方形CRT),在刻度上甚至把這些數值直接標示在刻度上

,10%及90%處則用點線標示,在一般測試時不會影響到讀數的準確性,而在測試脈波時又能立時讀取,甚是方便(參見圖十七)。

  測量上升或下降時間,為求得較高的精確度,應想辦法把波形拉開,並且配合著×10開關、水平位移控制和觸發斜率切換等等幾個控制器,使待測部分在管面中間佔愈多愈好。在有延遲掃描(擴大掃瞄)的機器中,使用起來就更方便了(參見圖十八之說明)。

轉載音響技術第68期AUG. 1981 波型觀察/第三篇──基本測試篇(上)/嚴凱偉

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