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  不管你對電子科技中的哪一項感興趣,遲早會需要一部示波器,此其時,你得下個決心去挑選。通常依個人的預算範圍和需用功能來挑選,將有上打不同性能的機種可供參考。毫無疑問的,這些機種中必有一種是合你要求的,如果你的要求較高的話,那麼得準備五萬元以上的投資。選擇一部示波器不同於其他一般測試儀,它是比較富於變化的,如果能先了解示波器「能」以及「應該能」做些什麼工作,那麼必能作一個明智的抉擇。

示波器是什麼?

  簡言之,它是一個「電子窗」,可以看出電路中任何一點的電壓或其變化之情形,示波器把電壓的實際波形,以波形對時間的關係描繪出來,尤有進者,它可以當作是一部準確的AC/DC電壓表或週期/頻率測試器。

  一部示波器大抵是由五個部分構成:垂直放大部分;水平放大部分;掃描時基和同步部分,CRT電路部份及電源供應部份。垂直放大部分接受外來輸入訊號之後將之放大到足以垂直向偏擺電子束之程度,實用上還要考慮放大器的頻寬,它必須夠寬到能放大信號的基本頻率及最少十倍的諧波(這是基本波的全部諧波部份)。輸入垂直放大器的訊號電平經由一個步進式有頻率補償的衰減器來控制。輸入阻抗通常至少1MΩ以上,併連著低至二三十pF的容量,使得測試器本身不會對待測電路構成負荷。掃描與同步電路CRT內的電子束從左掃到右,每當電子束這樣掃過之後就使螢光物質發光而留下一個光跡,這個光跡隨著垂直放大器的輸出訊號波形上下偏擺而劃出波形。當電子束到達螢光幕之右側時就被截止,水平偏向電壓立制反相並降低,使電子束回到螢光幕之左側起點,這個從右回到左的光跡是不會顯現出來。

  水平放大電路部份有兩個任務:首先它把掃描訊號放大並加給CRT的水平偏向板,另外它亦可當作第二個輸入訊號放大器,用來比較兩個輸入訊號的相位和頻率(即所謂的X-Y顯示),此時內部的掃描電路是不工作的。(注意:並非所有的示波器都具有這項功能,有這項功能的示波器在面板上的輸入插孔會標示出來)這項操作常用來檢查彩色電視機中的各色訊號之相位關係和立體聲音響電路中的相位關係。X-Y操作時要先確知水平放大級和垂直放大級的頻寬,以免超過它而得到不實的測量結果,尤其兩者的相位移之大小應盡量的配合才好。

  CRT通常是5吋直徑的圓管或長方形,後者可以使整個螢光面都能用來顯示而圓形不僅不能使用全螢光面還要扣掉四個角落不能用。CRT電子槍中的最後一個陽極通常加上數千伏的電壓,在電子束移動速度不非常快時,一般是可以獲得很均勻的亮度,在要顯示低頻率但上升速度很快的情況下,即使把亮度控制轉到最大也很難獲得足夠的亮度,因此有所謂的「後段加速偏向CRT」,使得全管面在任何情況下皆能獲得足夠的亮度。

  示波器中的電源供應部份是相當重要的,它的性能影響到準確的測試和量度,因為它供應全機器中每一個電路的電源,需具有穩壓的裝置才能避免電路間的相互干擾。在電源穩壓裝置不良(或沒有)的情況下,會產生例如改變亮度控制時波形的波幅會稍微變化的情況。

示波器的特性

  一部示波器的特性如何決定它能為你做些什麼,所謂「典型」的特性一廠商而異各有不同,甚至同一廠牌也不盡相同。在絕大多數的示波器中都有共同具有的特性如:BNC輸入接頭;CRT的亮度和散射調整控制;光跡位置控制(垂直和水平);垂直/水平放大器之增益控制;掃描速度選擇等等,很多示波器所共有但不是全有的特性如:雙線顯示功能;掃描時基擴大功能;觸發掃描;基準電壓/頻率產生電路;X-Y顯示功能等等。這些特性中很重要的一個是掃描的方式,尚存在一些較經濟型的機種中的掃描方式是自由振盪式,震盪頻率由面板上的控制器來控制,它的頻率可以調整到與輸入訊號、AC電源或外部輸入同步訊號相同步,當同步未達成之前,波形的光跡會左右漂移無法穩定下來。觸發方式的掃描只當有外部訊號輸入垂直軸時才開始掃描,沒有輸入訊號螢光幕上就沒有光跡,而且掃描訊號非常的線性而穩定,避免被測波形的漂移。

  觸發掃描的頻率範圍很寬,可以測定從很快到很慢的各種波形,同步源可取自垂直放大器之輸出、電源頻率或外部的觸發源,同時電路的設計也允許由輸入的正向或負向波形來觸發,換句話說,幾乎是要從輸入訊號波形上的任一點開始掃描都可以,也可以利用內藏的TV同步訊號分離電路,當觀察一個視頻訊號時能夠完完全全的同步。

  有些示波器具有「掃描擴大」的裝置,就是把水平掃描擴展5或10倍依設計而定。擴大的動作會使得掃描線超出螢幕範圍,但是欲觀察的部分已經被放大了,或者也可以利用水平位置控制器來調出欲觀察的波形部分。具有水平擴展功能的重要性是它能用來檢查脈波的上升和下降緣,但別忘了這個操作會使光跡的亮度也減低。

  單光跡示波器仍在流行之時,大量的雙光跡示波器也同時被推展出來,後者可以同時顯示兩個波形,但實際上它仍是由同一支電子槍射出來的,以下列兩種方式來顯示兩個光跡,一個是ALT(Alternate;交換)方式,每個光跡顯示的時間為原來的50%,在觀察極低頻的情況下,這兩個波形的交換會被人眼察覺出來,但交換速度快些的話電子束在螢光物質上暫留下的光跡使得人眼看起來似是連續的顯示,所以這個方式適用於觀察高頻。另一個是CHOP(切割)方式,有一內部的電子開關快速地使兩支電子槍交互切換,把兩個波形「切」成無數的小點,這些小點連接起來仍是原波形的樣子。不過這種方式會有一個問題,即當輸入訊號之頻率高到與切換頻率很相近時,光跡會有模糊不清的現象,有些示波器在CHOP方式觀測與CHOP頻率相近之訊號時,可以調整CHOP的切換頻率,以消除此現象,所以這個方式只是用來觀察低頻,沒有這種裝置時只好把顯示方式改用ALT。利用雙線顯示可以同時用來比較兩訊號波幅,相位之關係,或放大電路的輸入、出之波幅比從而得知其放大倍率。

  亮度調制功能 是目前的示波器中大都具有的功能,常設置在示波器的背板上,允許由外部輸入一訊號來調制光跡的亮度。

  延遲掃描 是直到近年來才出現在20萬元級實驗室用示波器中的功能,但最近已在少數低於10萬元級的機種中看到,它是一種非常好用的掃描放大功能,可以在任何掃描速度下觀察波形上的任一小段,大約到全螢幕的1%的程度而不會使亮度消失掉。

外加功能

  擴展基本示波器功能的一個很實際的方法是利用它的外加功能,大部分的示波器之垂直輸入容許電壓都在500Vp-p~1KVp-p之間,利用耐高壓的試棒時可以使示波器測試高達50KV的電壓;一般常用的10:1試棒可使量度電壓的最上限擴展10倍;高頻調制試棒可用來觀測高達250MHz的AM波形,凡此種種都能使示波器之測量功能增加,它們本身都有很高的輸入阻抗,以隔離示波器和待測電路,不會造成負載效應。

  另一個在觀測數位電路中很有用的附加裝置是多通路顯示附加裝置,如果你的示波器是單光跡的,可以利用一個雙光跡的附加器來顯示兩個波形,在有關電腦的工作中則至少要八個通路以上才夠用,附加裝置的輸出直接與示波器的垂直輸入相接,但每一個通路各需要一支試棒,有的附加器本身還附有可以調整光跡位置的功能。

  最近在中價格的機種中已開始有可以顯示觸發源訊號的三線顯示裝置,而且至少有一種具有遲延掃描功能的示波能同時把主掃描和觸發掃描的觸發源都顯示出來,共有四光跡之多!這個第三線(或第四線)訊號是由內部交連過去而顯示的,雖然它的頻寬有限、幅度也不能調整、位置也固定,但將它當作一個觸發的時序標誌可以使觸發的動作在任何情況下都很穩定。

  過去所稱的「便攜式」示波器充其量不過是多了一個可提的把手而已,現在的便攜式機種才是真正的可隨處攜用,它們具有量輕、體積小、電池供電和完全的操作功能。

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特性資料

  相細閱讀製造商所提供的各項說明文件,尤其是技術上的特性資料之後,這部示波器有什麼功能就大抵能夠摸清楚了,由於示波器是一種專門技術所使用的儀器,廠商公佈正式特性資料時就很慎重。

  頻寬(指垂直軸)視這些資料中最常被提及也是最重要的特性,這項頻率響應參數可說是全世界皆通用的特性,意指垂直放大器所顯示的高頻波形,再波幅降至只剩一半時之頻率點(-3dB點),絕大部分的示波器都能顯示-3dB點以上頻率的波形,尤其是在低電平的情況下幾乎能與額定頻帶內的頻率顯示得一樣好。

  使用峯化網路的示波器通常能把頻率響應擴展到10至15MHz之譜,因此在觀察快速上升的高頻脈波時,很容易引起「振鈴」現象,尤其是以觀察短脈波時為甚,所以這種示波器大都有高頻限制電路,使-3dB點在5MHz左右,然後響應曲線緩慢下滑。這類示波器仍能顯示高頻波形,甚至失真還會比具有兩倍額定頻寬但是高頻端為快速滑落型的示波器之失真小,但仍別忘記,要合理的顯示一個脈波波形時,示波器之垂直軸放大器頻寬一定得是欲觀察的脈波之基本頻率十倍以上才足夠。

  掃描速度之最快值與能通過垂直軸的最高頻率大約相當,它是指CRT中之電子束水平掃過螢幕的速度,以DIV/Time表示,一個DIV是水平軸上的一小段(通常水平軸可分為10DVI),它的長度通常是0.5cm~1Cm之間,只有極少數實驗室級的貴重示波器中,每DIV的長度大於1cm。通常最快掃描速度是介於50nS到5μS之間,最慢速度則是0.2或0.5S/DVI。開關是以1-2-5的順序加倍上去。如果量度一個波形的週期時,只要讀取掃描時間和波形所佔格數及可得知。

  掃描起始時後之每一點波形都很重要,平常的示波器在內部觸發掃描方式時,波形之起始點都很難觀察得到,因為掃描是在訊號輸入之後稍遲才開始的,有些示波器針對這個缺點,在垂直軸上加有延遲線,使輸入訊號到達垂直偏向板的時間與掃描訊號到達水平偏向板的時間同時,使觸發前的波形都能顯示出來,像數位脈波的上升緣可以完全的顯示。另一個重要的參數是要多大的輸入才足以進行穩定的觸發工作,如果低電平的觀測很重要時應檢查一下特性表以確知其特性。

  輸入的靈敏度是說多少電壓使垂直軸偏向一刻度,最大靈敏度通常介於2mV~5mV之間,而最小可達100V/DIV,各段也是以1-2-5的倍率增加。有些示波器其高靈敏度的特徵重於頻寬之大小,則在高頻率下最高靈敏度之檔位可能是未經校正的,在頻寬減低時該檔位才可以直讀。

  在許多應用中,最大靈敏度(即最少要多大的電壓才能使垂直軸偏向一格)是很重要的,有些示波器除了已校正的靈敏度刻度之外,還有一個倍乘開關(五倍或十倍),能使最大靈敏度再擴展五或十倍,不過此時頻寬會相對地損失些。有些運用中最小靈敏度也很重要,它代表示波器每刻度能正確顯示的最大電壓是多少,已5V/DIV來講,通常垂直分為8個刻度,則能測電壓的p-p值只有40V,加上10:1的試棒時能使範圍擴展10倍,成為400Vp-p。

如何選示波器

  從能符合你的需要到機器的壽命各種觀點去思考,然後參照預算買真正合於需要的機型是選購的基本的法則,然而每一種特別的功能──像更大頻寬、更高靈敏度、掃描放大功能、X-Y功能等等,都要花更多的錢,所謂一分錢一分貨是也!譬如說假如只從事音頻方面的電路工作,決不需買50MHz的機種;如果所作的工作與數位電路有關,那麼10MHz的頻寬是少不了的。

  以預算的多少來衡量時可能會發生像某機種頻寬合你要求,但靈敏度不足;而這兩者皆合意時價格卻又超出甚多,此時不妨兩者折衷一下,犧牲些頻寬換取高一點的靈敏度,以符合預算。如果預算內的某機型各特性都已符合要求,只不過是單光跡而已,這也無妨,再添加一個雙線附加器就可以當雙線使用了,而且所費不多。

  在比較各種機型時別忘了注意它的附加功能,因為這個能力常可因添加小的附件或稍加修改即可使一部基本功能的示波器變得能與更貴的機種相抗衡。

  總之,不管你做了怎樣的選擇,示波器的確能使你在電子電路的工作上獲益不少!

  (譯自Popular Electronics 1981 四月號)

轉載音響技術第67期JULY. 1981 如何選購示波器/朱家仁

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