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示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像,便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束,打在涂有荧光物质的屏面上,就可产生细小的光点(这是传统的模拟示波器的工作原理)。在被测信号的作用下,电子束就好像一支笔的笔尖,可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线,还可以用它测试各种不同的电量,如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。
示波器探头的上升时间为:源端信号经过示波器探头以后的上升沿变为:
通常高带宽的探头寄生电容都比较小。理想情况下Cprobe 应该为0,但是实际做不到。一般无源探头的输入电容在10pf 至几百pf 间,带宽高些的有源探头输入电容一般在0.2pf 至几pf 间。
探头引线电感,探头输入端还会受到电感的影响。探头的输入电阻和电容都比较好理解,探头输入端的电感却经常被忽视,尤其是在高频测量的时候。电感来自于哪里呢?我们知道有导线就会有电感,探头和被测电路间一定会有一段导线连接,同时信号的回流还要经过探头的地线。通常1mm 探头的地线会有大约1nH 的电感,信号和地线越长,电感值越大。探头的寄生电感和寄生电容组成了谐振回路,当电感值太大时,在输入信号的激励下就有可能产生高频谐振,造成信号的失真。所以高频时需要严格控制信号和地线的长度,否则很容易产生振铃。
理想状态下,V_means应该等于V_source,但是实际上示波器和探头肯定会影响到信号幅度,所以大多数应用,示波器及探头会有很大的输入阻抗。比如我们通常用的低速单端探头一般会有10M欧姆的输入阻抗。而通常的信号接口走线会采用50欧姆,10M欧姆的探头输入阻抗就会对被测信号产生比较小的影响。另外对于电源信号,被测信号的源端阻抗会更低,甚至是几个毫欧。
模拟示波器要提高带宽,需要示波管、垂直放大和水平扫描全面推进。数字示波器要改善带宽只需要提高前端的A/D转换器的性能,对示波管和扫描电路没有要求。加上数字示波管能充分利用记忆、存储和处理,以及多种触发和触发能力。廿世纪八十年代数字示波器异军突起,成果累累,大有全面取代模拟示波器之势,模拟示波器的确从前台退到后台。
示波器本身不产生电流,它可以通过连接外部电路来测量电流信号。常见的测量电流信号的方法有:
1. 使用电流互感器(Current Transformer,简称CT):将被测电路中的电流通过电流互感器转换成安全可测的电流信号,再用示波器进行测量。
2. 使用直流电阻(Shunt Resistor):将被测电路中的电流通过直流电阻转换成电压信号,再用示波器进行测量。
3. 使用 Hall 效应传感器:Hall 效应传感器可以将被测电路中的电流转换成磁场信号,再用示波器进行测量。
需要注意的是,在测量电流信号时,要示波器和测量电路之间的连接良好,以避免电流信号的干扰和损失。同时,也要注意被测电路的电流大小和频率范围是否符合示波器的测量要求,以测量结果的准确性。
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