電源工程師如何用好示波器？

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Part 1 示波器的觸發(fā)模式


一、什么是示波器的觸發(fā)模式？


示波器的“觸發(fā)”就是使得示波器的掃描與被觀測信號同步，從而顯示穩(wěn)定的波形。為滿足不同的觀測需要，需要不同的“觸發(fā)模式”。示波器的基本觸發(fā)模式有三種：


第一種是“自動模式（AUTO）”，在這種模式下，當觸發(fā)沒有發(fā)生時，示波器的掃描系統(tǒng)會根據(jù)設(shè)定的掃描速率自動進行掃描；而當有觸發(fā)發(fā)生時，掃描系統(tǒng)會盡量按信號的頻率進行掃描，所以在這種模式下不論觸發(fā)條件是否滿足，示波器都會產(chǎn)生掃描，都可以在屏幕上可以看到有變化的掃描線，這是這種模式的特點。


第二種是“正常模式/常規(guī)模式（NORM）”，這種模式與自動模式不同，在這種模式下示波器只有當觸發(fā)條件滿足了才進行掃描，如果沒有觸發(fā)，就不進行掃描。因此在這種模式下如果沒有觸發(fā)的話，對于模擬示波器會看不到掃描線，屏幕上什么都沒有，對于數(shù)字示波器會看不到波形更新，不了解這一點常常會以為是信號沒連上或什么其他故障。


第三種是“單次模式（SINGLE）”，這種模式與“正常模式”有點類似，就是只有當觸發(fā)條件滿足時才產(chǎn)生掃描，否則不掃描。而不同之處在于，這種掃描一但產(chǎn)生并完成后，示波器的掃描系統(tǒng)即進入一種休止狀態(tài)，即使后面再有滿足觸發(fā)條件的信號出現(xiàn)也不再進行掃描，也就是觸發(fā)一次只掃描一次，即單次，必須通過手工的方法將掃描系統(tǒng)重啟，才能產(chǎn)生下一次觸發(fā)。顯然，對于普通模擬示波器而言在這種模式下您經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)什么也看不到，因為波形一閃而過，示波器不能將其保留，在多數(shù)場合這種模式?jīng)]有什么用。以上三種觸發(fā)模式是絕大多數(shù)示波器都會提供。


二、在實際中該如何選擇和使用呢？


在實際使用中，不同觸發(fā)模式的選擇要依據(jù)被觀測信號特性和要觀測的內(nèi)容作出判斷，并沒有什么固定的規(guī)則，而往往是一個交互的過程，即通過選擇不同的觸發(fā)模式了解信號的特性，又根據(jù)信號的特性和想要觀測的內(nèi)容選擇有效的觸發(fā)模式。在這個過程中最重要的是要理解不同觸發(fā)模式的工作機制，了解被觀測信號的特點以及明確所要觀測的內(nèi)容。


一般來說，在對信號的特點不是很了解的時候，應(yīng)該選擇自動模式，因為這時不管信號是什么樣示波器都會掃描，您至少能在屏幕上看到一些東西，那怕僅僅是掃描線也好，而不會什么都沒有。
有掃描線后可以通過調(diào)節(jié)垂直增益、垂直位置、時基速率等參數(shù)“找到”波形，然后通過選擇觸發(fā)源、觸發(fā)邊沿、觸發(fā)電平等穩(wěn)定波形。對于模擬示波器來說，只要信號是周期性的，其頻率在適合相應(yīng)示波器觀測的范圍內(nèi)并且不太復(fù)雜的話，通過這樣的步驟一般能達到對信號的大體了解，然后根據(jù)需要可作進一步的觀測。


對于正常模式，許多朋友可能會覺得與自動模式在觀測效果上沒有什么區(qū)別，常常有這樣的情況，將觸發(fā)模式在自動與正常之間切換，屏幕波形并沒有什么變化，不過這種情形往往只發(fā)生在被觀測信號是一些比較簡單的周期性信號的情況下。正常模式的作用在于觀測波形的細節(jié)，特別是對于比較復(fù)雜的信號，例如視頻同步信號。為什么這樣說呢？


這是因為為了觀測細節(jié)，我們必須將時基掃描速率調(diào)高，以便將波形展開。而當我們這樣做的時候，就會使得被觀測信號的頻率相對于示波器掃描速率而言變低，也就是說，在兩次觸發(fā)之間示波器可能會作很多次掃描。
在這種情形下，如果這時我們選擇的是自動模式，則示波器會實際進行所有這些掃描，其結(jié)果是使這些掃描（它們不是由觸發(fā)產(chǎn)生）所對應(yīng)的波形與觸發(fā)掃描所對應(yīng)的波形一起顯示，造成顯示波形的混疊，因而不能清晰地顯示我們想看的波形。
而如果我們選擇的是正常模式，則這些在觸發(fā)之間的掃描示波器實際不會進行，只進行那些因觸發(fā)而產(chǎn)生的掃描，因而只顯示我們想看到的與觸發(fā)相聯(lián)系的波形，從而使波形會比較清晰，這就是正常觸發(fā)模式的功用。


圖1 是這種情況的圖解，在圖1 中，左側(cè)上方是被觀測的波形，下方是掃描波形，右側(cè)是波形的顯示。圖1a中掃描速率較低，不便于觀察波形的細節(jié)；圖1b將掃描速率提高，采用自動觸發(fā)模式，這時顯示的波形是不清晰的，有混疊現(xiàn)象；圖1c中的掃描速率與圖1b相同，但采用正常觸發(fā)方式，僅在有觸發(fā)時才進行掃描，因而顯示清晰的波形。







對于單次模式，如上所述就普通模擬示波器而言我們基本上是難以利用的，但對于數(shù)字存儲示波器來說它是一種非常有用的觸發(fā)模式。在數(shù)字存儲示波器中，使用單次觸發(fā)模式可以捕捉單次出現(xiàn)或多次出現(xiàn)但不太具有周期性的信號。
雖然使用正常模式也能夠捕捉單次的信號，但如果信號是多次而非單次時，在正常模式下后面出現(xiàn)的信號所觸發(fā)的掃描就會將前面捕獲的結(jié)果抹去，因此反而得不到穩(wěn)定的波形。在這種時候如果采用單次模式就沒有這個問題，也就是說，單次模式的觸發(fā)具有從多次出現(xiàn)的信號中挑選一個的能力。



以上我們簡述了示波器的基本觸發(fā)模式以及它們在實際使用中的考慮，以期對初學者掌握示波器有幫助。除了本文所討論的內(nèi)容外，示波器的其他參數(shù)的調(diào)節(jié)也非常重要，使用者一方面要對各種參數(shù)調(diào)節(jié)的含義有清晰的理解，另一方面也要了解被觀測信號的特性和明確所要觀察目標，才能真正有效使用示波器達到測量測試的目的。Part 2 如何用好用活示波器？
本文作者是一位長期在一線使用示波器的有經(jīng)驗的電源工程師。以此身份，他提出在使用示波器的過程中要注意一些細節(jié)，包括：在使用前對示波器進行自校準，對探頭進行補償；測量電源紋波時要限制帶寬，去掉探頭"帽子"和地線夾；測量電源的原、副邊時不能同時使用無源探頭。


本人從事電源行業(yè)有5-6年了，示波器就相當于我的左右手。沒有它就感覺什么都做不了。有它的存在，能讓我能很順利完成很多項目設(shè)計和問題分析。對于我 來說，走到今天，它的功勞是不可替代的。對于電源工程師來說，一旦有產(chǎn)品有問題就需要抓波形，抓時序，測試準確數(shù)值，以幫助工程師分析，處理。以事實說 話，看波形說話。如何使測試的數(shù)據(jù)準確和可靠是非常重要。準確的數(shù)字能夠幫助我們，而失真的波形和數(shù)值只能誤導我們，讓我們背道而馳，讓我們失去方向，多 做很多無用功。


細細想想，自己雖然在示波器方面不是研究的那么精通，但是也看過不少關(guān)于示波器的文章，實踐中碰到不少問題，解決了不少問題，一路過來還是有點經(jīng)驗可以和大家分享的，希望對大家能有所幫助。如果寫的不好，請大家見諒。


我常�？吹胶芏嘈」�司用的示波器過于低端，帶寬低，采樣率底，認為能抓到波形就行，認為沒有必要買那么好的示波器，并且認為示波器操作簡單，沒有那么多 規(guī)范�？吹剿麄儗κ静ㄆ鞯牟僮�，不做測試之前的準備，拿起來就用，其實那樣做是不正確的，可能往往就是這個操作不正確導致測試結(jié)果失真，影響分析。即使一 些很資深的工程師可能也不會注意到一些細節(jié)。不少工程師對示波器的認識度欠缺，如何更好的使用示波器還是有待提高的。下面就以我見到的很多工程師常犯的問 題予以糾正，分享一下我掌握的一些知識。


1.很多工程師直接拿起探頭就測試，根本不去檢查探頭是否需要補償，示波器是否需要校驗。只有在一些大公司或經(jīng)過培訓的工程師才會在使用前做準備工作。示波器使用前需要自校準和需要探頭補償調(diào)節(jié)，執(zhí)行這種調(diào)節(jié)是使探頭匹配輸入通道。


首次操作儀器時以及同時顯示多個輸入通道的數(shù)據(jù)時，可能需要在垂直和水平方向上校準數(shù)據(jù)，以使時基、幅度和位置同步。例如，發(fā)生明顯溫度變化（> 5°）時就需要進行校準。


1.從通道輸入連接器上斷開任何探頭或電纜。確保儀器運行并預(yù)熱一段時間。R File（文件）菜單中，選擇Selfalignment（自校準）。
2.在Control（控制）選項卡上，點擊Start Alignment（開始校準）。
3.R alignment state（整體校準狀態(tài)）字段中。每個輸入通道各個校準步驟的結(jié)果會顯示在Results（結(jié)果）選項卡中。　探頭補償調(diào)節(jié)的操作步驟如下：1.將示波器探頭連接到通道，按前面板上的PRESET（預(yù)設(shè)）按鍵（左側(cè)面板設(shè)置區(qū)域中）。將探頭信號端和參考地連接到示波器面板上的參考輸出，然后按 Autoset（自動設(shè)置）。如果使用探頭鉤式前端附件，請將信號針前端牢固連接在探頭上，確保正確連接。如組圖一所示：








　　組圖一 探頭補償調(diào)節(jié)


2.檢查所顯示波形的形狀�？赡軙�出現(xiàn)的情況如圖二。




　　圖二 補償過度，不足和正確補償
過度和不足都需要調(diào)節(jié)探頭。以能更好的測試準確值。


3.如果波形不正確，請調(diào)整探頭。如下圖三所示，直至波形為上面的補償正確波形。

　　圖三 補償探頭方法


以上兩點看似簡單，但往往是工程師忽略的。為了使測量更精確，請一定要注意檢驗。這兩個校準功能在任何示波器都應(yīng)該有。


2 測試電壓紋波


很多電源工程師在紋波的測量的時候，也不會關(guān)注那么多，想當然的測試。示 波器的使用方法不同導致測試的結(jié)果差異很大。如下組圖四和組圖五，對于同一個產(chǎn)品同一個測試點，由于測試方法的差異，導致測試結(jié)果的差異很大。紋波對于電 源來說是個重要參數(shù)，但是由于自己的操作問題而導致做測試不通過，又浪費大量的人力和成本去整改是很不值得的。


有時候您的客戶由于對儀器的使用和注意不夠，導致測試的數(shù)據(jù)錯誤。但是自己這邊產(chǎn)品又是沒有問題的，弄的怎么說也說不通，以至于客戶還以為是在欺騙他們，所以測試方法很重要。注意這些細節(jié)，可以節(jié)省很多時間，讓自己的能力更上一層。


示波器測試的值本身就存在誤差的（這里我就暫時不講解了）。現(xiàn)在很多公司要求測試波形圖的值作為判定依據(jù)。其實示波器只是測試電壓隨著時間變化的過程， 主要是調(diào)試中捕獲波形。具體測量直流電壓有效值額度準確度還不如數(shù)字萬用表的值。示波器的直流精度的指標標定也是以萬用表做參考的。但是越來越多公司和工 程師以示波器的值當作真實值，那么我們就只能盡力作到是測試誤差最少。


下面是測試紋波的圖解和分析：




　　組圖四






組圖五


組圖四的測試紋波的結(jié)果值3.9921V比圖五0.126V大很多，但是組圖四的測試值是不真實的。問題分析：其實產(chǎn)品沒有問題。只是測試方法有問題而已�，F(xiàn)在我們就來指出問題點：



第一個錯誤是使用了長的接地線。
第二個錯誤是將探頭形成的環(huán)路和接地線均置于電源變壓器和開關(guān)元件附近。
第三個錯誤是示波器探頭和輸出電容之間存在多余電感。
由于這些不注意，導致拾取了很多高頻信號，變壓器的磁場，開關(guān)的電場，以至于示波器抓出來的波形有高頻雜訊摻雜在里面顯示出來。
第四個錯誤是量程太大。


準確地測試紋波需要做到：


使用帶寬限制來測量紋波，以防止拾取并非真正存在的高頻雜訊。示波器帶寬設(shè)置為20M即可。去掉探頭"帽子"和地線夾，以防止長地線形成的天線效應(yīng)。用 近地線纏繞在探頭和地之間。羅德與施瓦茨公司有專門提供配套的短地線。可以考慮在信號與地之間并聯(lián)一個0.1uf和一個10uf電容做去耦。電容的PIN 腳的長短也影響了測試的值。


Part3 誤操作怎么辦


由于很多工程師對示波器的不了解，導致誤操作，損壞示波器或電源之后還搞不清楚為什么


很多初級工程師在用多個探頭測量電源的時候，剛一開機，電源產(chǎn)品就"炸機"，甚至損害示波器。他們會問我，示波器不是直接把探頭接到要測試的元件之間 嗎？我好像沒有接錯啊，為什么會這樣��？那是由于對示波器的通道和地的接法不了解。示波器的多個探頭在示波器內(nèi)部是共地。
所以在同時測量電源的原邊和副邊 的時候，如果用一根探頭接原邊的地，另一個探頭接副邊的地，由于示波器的內(nèi)部通道的地連接在一起，相當于把電源的原邊和副邊的地短路在一起了，然而原邊和 副邊地之間是有電壓差的，那么短路后的大電流容易燒壞產(chǎn)品和探頭，甚至也可能損壞示波器。
在測試原邊和副邊電壓的時候應(yīng)該一側(cè)用差分探頭，一側(cè)用普通探頭。即使測試同一側(cè)線路，探頭的地線也要是共參考點。示波器的地又是通過電源地連接的。很多公司基本上都會在示波器前面加一個隔離變壓器，這種方法挺好。有些公司直接剪斷電源三相地的PIN腳，那樣沒有接地，用手摸示波器機殼，漏電流會加大。建議不要這樣使用。


其實問題還不止是這些，如在動態(tài)的應(yīng)用，探頭之間運算的應(yīng)用，測試電壓值注意的事項等。大家都知道示波器的功能很強大，幾乎沒有不使用示波器的電子工程師，所以自己在使用示波器的時候一定要多想想，多試驗，多了解示波器的功能，內(nèi)部選項鍵之間的差別。
了解不同示波器參數(shù)對測量的影響，那樣就能更好的幫助我們。不要只是為了完成任務(wù)，隨意為之。認真做起，細心觀察，這樣我們的進步才會很大。經(jīng)驗是一步一步積累起來的。


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