5.1 低頻信號發生器
低頻信號發生器是一種多用途的RC信號發生器,它能產生從1Hz~1MHz的正弦波電信號(一般應用范圍在20Hz~20kHz或200kHz),是工廠和實驗室中用于調試相應頻率段的放大器及電聲設備的信號源。我們以XD-2型信號發生器為例介紹其工作原理。圖5-1-1是XD-2型信號發生器的外型面板圖。
圖5-1-1 XD-2型信號發生器的外型面板圖
5.1.1低頻信號發生器的結構及工作原理
圖5-1-2 XD-2型信號發生器的原理框圖
低頻信號發生器主要是由自激振蕩器、電壓放大器、輸出衰減器、直流穩壓電源等組成,若要求功率輸出時,則需增加功率放大器、阻抗變換器等。XD-2型信號發生器的原理框圖如圖5-1-2所示。
1.自激振蕩器
自激振蕩器如圖5-1-2中虛線框中所示,該電路又稱文氏電橋振蕩器。它由放大器、文氏電橋正反饋支路、熱敏電阻負反饋支路組成。R1、C1與R2、C2組成橋路的正反饋橋臂,R3與R4構成橋路的負反饋橋臂。正反饋與負反饋之問信號的差值UCD送入放大器,使振蕩器工作,產生一定頻率的正弦波信號。振蕩頻率為:
當R1= R2=R,C1= C2= C時,自激振蕩器的信號頻率為:
信號發生器的輸出頻率通常以十倍頻程分成幾個頻率段,頻段的選擇是通過波段開關Q改變電阻值實現的,如圖5-1-3所示。每個頻段范圍內的頻率細調(微調)是通過電位器RW1實現的。
圖5-1-3 信號發生器頻段選擇
2.電壓輸出衰減
當低頻信號發生器由自激振蕩產生的正弦波信號經放大器放大又經過衰減器輸出 時,一般不能帶負載,只能提供電壓信號,所以從這個輸出端輸出的信號稱電壓輸出。XD-2信號發生器輸出電壓在1~5V范圍內可調,并可通過電壓表指示出來。如果需要小信號時可用粗衰減器進行適當的衰減,衰減是以dB值表示的。信號發生器在0dB時為無衰減輸出,即此時輸出電壓最高。電壓表的指示值就是實際輸出值,輸出衰減每增加10dB,最大輸出電壓降至上一檔的1/3.16。衰減的dB數與電壓衰減倍數A的關系可用下式表示 :
5.1.2使用及注意事項
1.接入50Hz、220V交流電源,開機后預熱10分鐘,以使儀器產生較穩定的頻率,這時再輸出信號。
2.根據所使用的頻率范圍,將粗調旋鈕(圖5-1-3中調頻率范圍的波段開關)轉向適當的位置,然后再調節面板上方三個細調頻率旋鈕,直到得到所需頻率。
3.信號輸出。儀器的正弦波電壓由面板右下方兩個接線柱輸出(見圖:5-1-1)。適當調節面板下方輸出衰減波段開關和輸出細調電位器,可在輸出端獲得所需電壓值。
4.注意:當將信號引人調試的線路,并和其它電子儀器同時使用時,應注意共地。
電子示波器是一種能直接觀察和真實顯示被測信號的綜合性電子測量儀器。它不僅能定性觀察電路的動態過程,例如觀察電壓、電流或經過轉換的非電量等的變化過程;還可以定量測量各種電參數,如脈沖幅值、上升時間等。所以它是電工、電子實驗中必不可少的重要測量儀器。
5.2.1示波器的工作原理
通用型示波器原理結構框圖如圖5-2-1。
圖5-2-1 通用型示波器原理結構框圖 圖5-2-2 普通示波管的結構示意圖
電子示波器主要是由主機(包括示波管顯示電路、標準信號發生器、穩壓電源等)、垂直偏轉系統(Y軸信號通道)和水平偏轉系統(X軸通道)等三大部分組成,其中示波管是示波器的核心部件。下面分別簡要介紹。
1.示波管
普通示波管的結構主要是由電子槍、偏轉系統和顯示部分組成,如圖5-2-2所示,它是把電信號變成光信號的轉換器。
?。?)電子槍、 由燈絲(F)、陰極(C)、柵極(G1)、前加速極(G2)、第一陽極(A1)和第二陽極(A2)組成。
電子槍的作用是用來發射電子并形成很細的高速電子束。
示波管的燈絲用于加熱陰極。陰極是一個表面涂有氧化物的金屬圓筒,在燈絲加熱下發射電子。柵極是一個頂端有小孔的圓筒,套在陰極外邊,其電位比陰極低,對陰極發射出來的電子起控制作用,只有初速較大的電子才能穿過柵極頂端小孔射向熒光屏,初速較小的電子則折回陰極,如果柵極電位足夠低,就會使電子全部返回陰極。因此,調節柵極電位可以控制射向熒光屏的電子流密度,從而改變亮點的輝度(即示波器面板上“輝度”旋鈕的作用)。如果用外加信號控制柵、陰極間電壓,則可使亮點輝度隨信號強弱而變化。
第一陽極也是一個與陰極同軸的比較短的金屬圓筒,A1的電位遠高于陰極。第二陽極A2也是與陰極同軸的圓筒,其電位高于A1。前加速極G2位于G1與A1之間,與A2相連,對電子束起加速作用。
由G1,G2,A1及A2 構成一個對電子束的控制系統,它對電子束有聚焦作用。改變第一陽極A1的電位(用面板上的“聚焦”旋鈕)及第二陽極電位(用面板上的“輔助聚焦”旋鈕),使電子束在熒光屏上會聚成細小的亮點,以保證顯示波形的清晰度。
?。?)偏轉系統 在第二陽極的后面,由兩對相互垂直的金屬板構成示波器Y軸和X軸的偏轉系統。Y軸偏轉板在前,X軸偏轉板在后,兩對板間各自形成靜電場。被測信號電壓作用在Y軸偏轉板上,X軸偏轉板上作用著鋸齒波掃描電壓。通過作用在這兩個偏轉板上的電壓控制著從陰極發射過來的電子束在垂直方向和水平方向的偏轉。
?。?)熒光屏 示波器的熒光屏一般為圓形曲面或矩形平面,在其內壁沉積有熒光物質,形成熒光膜。熒光膜受到電子沖擊后能將電子的動能轉化為光能,形成亮點。當電子束隨信號電壓偏轉時,這個亮點的移動軌跡就形成了信號的波形并顯示在熒光屏上。當電子束停止作用后的一段時間內,熒光膜仍保留一段發光過程,這種激勵過后輝度所延續的時間稱為余輝。余輝時間的長短與使用的熒光物質有關。余輝時間在0.1~1s 的稱長余輝;1~100ms的稱中余輝;0.01~1ms的稱短余輝。一般低頻示波器用于觀察緩慢信號的,多用長余輝;觀察高頻信號宜用短余輝;一般用途多用中余輝。
為了測量波形的高度或寬度,在熒光屏玻璃內側刻有垂直和水平方向的分刻度線,使測量準確度較高。
圓形熒光屏線性度較差,屏幕利用率低,中間比較平整的部分稱有效面積,四周則較差,矩形熒光屏比較平整,有效面積較大。在使用示波器時應盡量使波形映在有效面積內。
2.波形顯示原理
水平偏轉系統由觸發電路(同步電路)、掃描發生器和水平放大器等組成,如圖5-2-1所示,由它產生時間基準的掃描電壓ux(鋸齒波形電壓)。
在X軸偏轉板加上線性掃描電壓時,電子束在屏幕上按時間沿水平方向展開,形成時間基線。當僅在X軸偏轉板加上鋸齒波電壓時,亮點沿水平方向作等速移動,當掃描電壓達到最大值(Um)時,亮點亦達最大偏轉,然后從該點迅速回到起始點,若掃描電壓重復變化時,在屏幕上就顯示一條水平亮線,這個過程稱為掃描。在X偏轉板有掃描電壓作用的同時,在Y偏轉板加上被測信號電壓,就可以將其波形顯示在熒光屏上。這樣,電子束就可以隨著輸入電壓的變化而形成圖形。
?。?)同步 為了在熒光屏上至少能看到被測電壓以uy一個周期而且穩定的圖形,要求掃描電壓ux的周期Tx與Y軸輸入的被測電壓uy的周期Ty之比具有整數倍的關系。即:
式中,n應為正整數。當n=1,即Tx=Ty時,熒光屏顯示的波形如圖5-2-3(a)所示;當Tx=2Ty時,波形顯示如圖5-2-3(b)。如不滿足為整數倍關系,每次掃描的起始點將對應著被測電壓uy的不同相位點,蒂光屏上顯示的波形是不斷滾動的不穩定圖形,如圖5-2-3(c)所示。
圖5-2-3 示波器顯示波形原理
由此可見,為了在屏幕上獲得穩定的圖形,Tx與Ty必須為整數倍關系,即Tx= nTy,以保證每次掃描起始點都對應信號電壓uy的相同相位點上,這種過程稱為同步。
(2)掃描發生器 掃描發生器電路產生線性鋸齒波,其斜率由“時間/格”開關決定。
掃描系統的核心部分是掃描發生器、掃描閘門及釋抑電路所組成的閉環電路。掃描閘門的主要作用是將輸入信號變換成正向矩形脈沖,控制鋸齒波的起始點和終止點。釋抑電路的作用是控制鋸齒波的幅度,達到等幅掃描,保證掃描的穩定性。
掃描方式有連續掃描和觸發掃描兩種。連續掃描是掃描的正程(由左向右)接著回程(至右端最大偏轉位置又回到起始出發點),回程結束又接著正程,使掃描連續地進行。觸發掃描的特點是只有在被測信號出現的時刻,受觸發信號的作用而啟動掃描,每到來一個觸發信號只掃描一次,第二次掃描須在第二個觸發信號作用下才能發生。若無觸發信號時,只呈現一個亮點,處于等待掃描狀態。一般情況下,觸發信號與被測信號是相關的,這樣就可以使掃描電壓與被測信號保持嚴格的同步關系。
觸發掃描方式中又分為常態、自動(高頻)等幾種方式。常態觸發掃描方式是只有觸發信號作用后掃描電路才工作,無觸發信號時.熒光屏上見不到掃描線。自動觸發掃描方式是當沒有觸發信號時,掃描系統仍然工作,熒光屏上仍顯示出掃描的基線,當加觸發信號后,可自動改為觸發掃描工作方式。
?。?)水平放大器 水平放大器進行鋸齒波信號的放大,或在X-Y方式下對X軸信號進行放大,使示波器中的電子束產生水平偏轉。
?。?)Z軸放大器電路(見圖5-2-1)決定示波管的輝度和消隱。這個電路把來自輝度控制器、掃描發生器門電路和Z軸外輸入端的電流相加。該電路的輸出端與示波管的控制柵極相連。
?。?)觸發信號源 在觸發掃描工作方式時,觸發信號可分為內觸發、外觸發和電源觸發三種。
內觸發:觸發信號來自被測信號。通過示波器內部電路將此信號取出,作用于觸發電路。
外觸發:觸發信號來自外部輸入的某一信號。多用來觀測脈沖波形或某個非重復性變化的波形。
電源觸發:觸發信號來自50Hz的交流電源。多用于觀測交流電整流電路波形。
觸發信號的耦合方式又分為:直接耦合(DC),用于接入直流或緩慢變化的信號;交流耦合(AC),觸發信號經示波器內部電容接至觸發電路,用于觀測低頻到較高頻信號;高頻耦合(HF),多用于觀測頻率高干5MHz的信號。
在示波器面板上設有觸發電平和觸發極性的調節旋鈕,用來控制顯示波形的起始點。
觸發極性控制是指在觸發信號的上升沿觸發、還是下降沿觸發。用上升沿觸發稱為正極性觸發,下降沿觸發稱負極性觸發。
3.垂直偏轉系統
示波器的垂直偏轉系統的作用是將被測信號輸送到示波管垂直偏轉板的通道,然后準確地再現輸入信號的波形。這部分電路主要由衰減器、延遲和放大器組成。
SS-5702示波器的垂直偏轉系統包括兩套獨立的增益控制器和前置放大器以及一個主放大器(垂直放大器),見圖5-2-1,需要在示波管上顯示的信號送到輸入端后,先在前置放大器中轉換成推挽輸出信號并經放大,然后送到下一級放大(主放大器),最后送到示波管的垂直偏轉板。
垂直通道各部分的作用如下:
(1)衰減器 是一個電阻分壓器又稱示波器靈敏度粗調開關。Y軸的輸入信號變化較大,可能是幾個毫伏的小信號也可能是上百伏的高電壓信號。當測量幅度大的信號時,必須將輸入進來的被測信號進行衰減,否則幅度過大,熒光屏上顯示的波形會出現失真。
(2)放大器 Y軸輸入通道的放大器作為顯示波形幅度的微調(面板上Y軸增益旋鈕)。它與衰減器配合使用,可以將顯示的波形調至便于觀察的適當幅度。
(3)延遲 當輸入信號經衰減、放大后作用于垂直偏轉板時,從Y軸放大器取出的信號也作用于觸發電路,使觸發電路產生觸發信號,以便使掃描電路開始掃描,但因觸發電路和掃描發生器工作都需要一定時間,這就使掃描信號出現時刻晚于作用于垂直偏轉板上的被測信號,因而熒光屏上顯示的波形就會缺少被測信號在開始部分的圖形,所以在垂直偏轉系統加入延遲電路,以使作用于垂直偏轉板上的被測信號延遲到掃描電壓出現后到達,這樣就可以保證輸入信號的全貌無失真地顯示在熒光屏上。
(4)垂直工作波形選擇方式 SS5702雙蹤示波器垂直工作方式有下述四種:
①CHI只顯示通道1的輸入信號。
②CH2只顯示通道2的輸入信號。
③ADD顯示兩通道輸入信號的代數和(相加)。
④DUAL CH1,CH2兩通道信號電子切換顯示(雙蹤)。這種顯示方式又分為交替方式和斷續方式兩種。
交替方式:當“時間/格”開關置于高于或等于0.5ms/格的位置時實行交替方式顯示。此種方式適用于觀察測量頻率較高的信號波形,因為掃描頻率高,從示波器熒光屏上將顯示出兩個通道的信號波形。在交替方式下,主放大器中的垂直方式開關電路由來自掃描發生器的交替信號驅動,引起CH1和CH2的信號以完整的掃描交替顯示。
斷續方式:當“時間/格”開關置于低于或等于1ms/格位置時實行斷續方式顯示。在此種方式下,垂直方式開關電路以大約100kHz的重復頻率自激振蕩去切換二極管門電路(開或關),使得無論掃描速度如何,示波器都以大約100kHz的重復頻率斷續顯示兩通道的輸出信號,垂直方式開關電路送出斷續消隱信號到Z軸放大器,以消隱切換動作的暫態過程。這時,顯示在熒光屏上的圖象是由一些斷續的虛線構成,如圖5-2-4所示,斷續工作方式一般用于輸入信號頻率較低時,采用斷續方式同時顯示兩個通道的波形。
圖5-2-4 斷續工作方式
5.2.2示波器的使用及注意事項
示波器的應用范圍十分廣泛,除了用于顯示被測電壓波形外,還可以進行各種測量。
如幅值、頻率、相位等。所以正確地使用示波器非常重要。
1.示波器的使用
以SS-5702型雙蹤示波器為例,說明使用及測量方法。其面板布置如圖5-2-5所示。
?。?)電壓的定量測量 將“伏/格”微調旋鈕置于CAL位置,用探頭的×1位置測量,測量值可以用:電壓(U)=“伏/格”設定值(V/格)×輸入信號顯示幅度(格)來計算。若用探頭×l0檔位置進行測量,則最后求出的電壓(U)要再乘10。
測直流電壓時需將“掃描方式”開關置“AUTO”位置,掃描速度應調節到使屏幕上的掃描線不發生閃爍為止。先將“交流-地-直流”開關置GND,將基準掃描線移到水平刻度線上,再將“交流一地一直流”開關置DC,并輸入被測電壓,掃描線在垂直方向上的位移即為被測信號的電壓幅度。如掃描線上移為正,下移為負。定量值可根據所選用的“V/格”旋鈕的刻度值去計算。
?。?)時間的測量 可以通過掃描速度測量時間,示波器的X軸是時間軸,經過定量校準,在一定的掃描速度下,X軸每厘米長度對應著的時間是一定的。根據選定的掃描速度ms/cm檔(或μs/cm檔),再從示波器熒光屏上的X軸坐標讀出厘米數(格數),即可以求出時間。
用SS-5702示波器測量時間的方法:置“時間/格微調”旋鈕于CAL位置,讀取x軸上的格數,即“時間/格”,再用時間(s)=時間/格(設定值)×被測信號的時間長度(格)。若拉出了“×5擴展開關”則其時間值還要乘上1/5。
?。?)頻率的測量 頻率測量有兩種計算方法,第一種是用上述測量時間的方法求出
輸入信號一個周期的時間,然后用:頻率=1/周期(f=1/T)的方法算出頻率;第二種方法是數出有效區域中10格內的信號重復數N,再用 算出頻率,N越大,第二種方法的精確度越高。
2.注意事項
?。?)示波器正常使用溫度應在0°C至40°C。使用時不要將其它儀器或雜物蓋在示波器的通風孔上,以免影響散熱,造成儀器過熱而發生故障。
?。?)使用時示波器的輝度不要過高,因為過亮的光點或掃描跡會使操作者感到刺眼。而且這樣的亮點或掃描軌跡長時間停留在同一位置上會導致示波管熒光屏涂層灼傷。
(3)不要加過高的輸入電壓。一般示波器對于每個信號的輸入,都有額定的最高允許電壓范圍,應根據該示波器的技術說明書上規定的范圍使用。
在許多電子線路中,往往要求輸入的電壓穩定、連續可調并有較大工作電流的直流電源,可采用直流穩壓電源求。
常用的串聯型直流穩壓電源電路一般都由兩大部分組成:一部分是整流濾波電路;另一部分是串聯型直流穩壓電路,圖5-3-1是HT一1712型直流穩壓電源的電路框圖。
5.3.1直流穩壓電源工作原理
圖5-3-2 整流濾波電路及輸出
1.整流濾波電路
直流穩壓電源的輸出電壓要求為紋波小的、可調的穩定的直流電壓,但穩壓電源的輸入電壓通常都是不穩定的、其數值隨著交流電網電壓的波動而有土10%左右的波動的交流電。因此要利用二極管的單向導電性將交流電變為直流電,如圖5-3-2(a)所示為一單相橋式整流濾波電路,其輸出波形為一脈動的直流電壓,如圖5-3-2(b)所示。
2.直流穩壓電路
穩壓電源要能做到無論是由于電網電壓波動還是因負載的變化都能保持輸出電壓的穩定,電路必須是一個閉環系統。為敘述方便,以圖5-3-3簡單穩壓電源為例說明該系統各部分的工作原理。
圖5-3-3 穩壓電源
(1)電壓采樣 由電阻R1,R2組成的分壓器構成了穩壓電源的采樣電路,它使三極管的基極電位,即VB2與輸出電壓Uo有關,當輸出電壓Uo偏離預定值時,通過
電阻分壓可使輸出電壓的變化反映到三極管T2的基極,因而三極管T2的基極電位就不斷的反映著輸出電壓的變化情況(采樣)。
(2)基準電壓 由穩壓管DZ和穩壓電阻RZ組成的穩壓電路用來產生基準信號Uz(即穩壓管的穩壓值),并作用在三極管T2的發射極,即UE=UZ。
?。?)比較放大器 采樣電壓UB2和基準電壓UZ 分別作用在三極管的基極和發射極上,
如圖5-3-3所示,發射極上的電壓UZ (即穩壓管上的電壓)值是不變的,用來作為標準與采樣的電壓(即負載或電網電壓)相比較。
(4)調整管 圖5-3-3中的三極管T1稱為調整管。它的調整過程如下:如果電源電壓升高或負載變動使穩壓電路輸出電壓U0升高,這時通過分壓電路采集的電壓UB2增大,而穩壓管電壓UZ 值是不變的,所以使得三極管T2的發射結電壓UBE2增加引起一系列反映過程:
從而使輸出電壓降低下來,保持輸出電壓的穩定。同樣,如果輸出電壓U0下降了,通過上面類似的分析可以得出三極管T1的管壓降UCE1將會減小,從而使輸出電壓增加。
(5)穩壓電源輸出電壓的調節 在圖5-3-3所示電路中,若UB2>>UBE2,則可以認為UB2≈UE2 =UZ,則穩壓電路輸出電壓
可見,只要改變采樣電路的電阻R1,R2的分壓比就可以改變穩壓電路的輸出電壓UO的大小。
為了使穩壓電源的輸出電壓連續可調,可以在采樣電路的電阻R1、R2之間接入一個電位器,如圖所5-3-4所示。因為R1+Rw+R2的總值是個常數,所以電位器滑動端上移時,電阻R2部分增大,輸出電壓Uo將減小;相反,若電位器滑動端下移,穩壓電源輸出電壓將升高。
在常見的HT-1712型穩壓電路中采用了運算放大器、輔助電源,并設有限流保護和限功率保護兩套保護系統。當負載超過額定值時,電流進入限流狀態。負載過分超出額定值甚至輸出端短路,則限功率保護動作,調整器截止,電源無輸出。故障排除后,按“啟動”按鈕則電路恢復正常工作狀態。
5.3.2使用及注意事項
HT-1712F型穩壓電源為雙路輸出電流1A;輸出電壓范圍0~30V,連續可調。面板設置較為簡單,使用時應根據要求操作。
1.開啟電源開關,指示燈亮表示電源接通。應預熱30分鐘。
2.面板上設有一塊電壓表和一塊電流表,為兩路電源公用。當“電壓監視”和“電流監視”開關撥到第Ⅰ路時可監視第Ⅰ路的電壓和電流。開關轉換到第Ⅱ路時可監視第Ⅱ路的電壓和電流。
3.若需監視第1路電壓、電流時,把電壓、電流監視開關放在Ⅰ位置,調節“電壓粗調”、“電壓細調”旋鈕即可得到所需電壓值。
4.若過載或短路,電源保護無輸出時,此時,應排除過載或短路故障,然后按“啟動”按鈕,電源即可輸出。
5.輸出電壓由接線柱“十”、“一”端供給,“地”接線柱僅與機殼相連;
6.與其它儀器連用時需注意共地問題。
晶體管毫伏表是用來測量低頻交流電壓必不可少的儀器。低頻電壓(一般指1MHZ 以下)多用平均值電壓表。圖5-4-1是一典型的均值表(DA-16型晶體管毫伏表)電路圖。
5.4.1晶體管毫伏表工作原理
晶體管毫伏表測量交流電壓主要有檢波-放大式和放大—檢波式兩種。前者由于具有寬廣的頻率響應而被廣泛地用于超高頻毫伏表;放大一檢波式具有較高的靈敏度和穩定而且檢波級置于最后,由于用大信號檢波,因而有良好的指示線性。DA-16型晶體管毫伏表采用的是放大一檢波的形式。
整流電路輸出的直流電流(或電壓)與輸入電壓(絕對值)的平均值成正比。如圖5-4-1虛線框部分所示。圖中是半橋式全波整流電路,以電阻R1,R2代替二極管D3和D4,這在實際電路中是常見的。
DA-16的前置級用場效應管組成阻抗變換器,獲得低噪聲電平及高輸入阻抗。步進分壓器用于選擇量程。放大電路A與由T5、T6組成的串聯電壓負反饋電路構成寬頻帶放大器。二極管D1、D2及電阻R1、R2組成全波檢波(整流)電路,微安表及附屬元件構成指示電路。
由于將檢波電路置于放大電路之后,并采用深度負反饋電路,有效地解決了溫度影響及測量指示的非線性問題。
圖5-4-1 DA-16型均值表電路
5.4.2使用注意事項
1.交流毫伏表測量交流電壓范圍:100μV~300V,使用時注意不要超出此范圍。
2.使用此表測量電壓時,應注意根據被測電路的實際情況正確地選擇量程。例如,被測電壓在100~240mV之間,應該選擇300mV的量程。
3.接通電源,等電表指針擺動數次后,將兩輸入端短路,調校正零點旋鈕,調至零位后再進行測量。輸入端短路時,指針稍有噪聲偏轉是正常的。
5.由于電表靈敏度較高,使用時接地點必須良好,與其它儀器共用時,應正確共地。
共地點接觸不良或不正確都會影響測量效果。