仪器仪表与测量
仪器仪表与测量
一、电工仪表与测量
1.直流开尔文电桥的工作原理
直流开尔文电桥的工作原理如图1-36所示。与惠斯顿电桥不同，被测电阻Rx与标准电阻R₄共同组成一个桥臂，标准电阻Rn和R₃组成另一个桥臂，Rx与Rn之间用一阻值为r的导线连接起来。为了消除接线电阻和接触电阻的影响，Rx与Rn都采用两对端钮，即电流端钮C1,C2,C。1,Ca2,电位端钮P1,P2,Pn1,Pn2。桥臂电阻R₁、R₂、R₃、R₄都是阻值大于10Ω的标准电阻，R是限流电阻。调节各桥臂电阻，使检流计指零，即Ip=0。则I₁=I2,I3=14。根据基尔霍夫第二定律可写出三个回路电压方程。
由式(1-5)可知，用开尔文电桥测量电阻时，Rx由两项决定。其中第一项与惠斯顿电桥相同，第二项称为“校正项”。为了使开尔文电桥平衡时，求解R的公式与惠斯顿电桥相同，必须使校正项等于零。所以，要求R₃/R₁=R4/R₂,同时使r→0。为满足上述条件，开尔文电桥在结构上采取了以下措施：
1)将R₁与R₃、R₂与R₄采用机械联动的调节装置，使R₃/R,的变化和R₄/R₂的变化保持同步，从而满足R₃/R₁=R₄/R₂。
2)连接Rx与Rn的导线，尽可能采用导电性良好的粗铜母线，使r→0。
用开尔文电桥测量小电阻时，接线电阻和接触电阻的影响是怎样被消除的呢?下面从三个方面加以分析：
1)电流端钮C1和C1的接触电阻以及接线电阻都串联在电源电路中，它只影响电流I的大小，但不影响电桥的平衡，故与测量结果无关。
2)另一电流端钮C2和C2的接触电阻是与r串联的，由于r很小，故也不会影响测量结果。
3)电位端钮P1、P2、P1、P,2的接触电阻和接线电阻可以分别归并到标准电阻R₂、R₄、R,、R3中。而这四个电阻的阻值均大于10Ω,远远大于电位端钮的接触电阻和接线电阻，从而使它们的影响小到可以忽略的程度。
综上所述，直流开尔文电桥可以较好地消除接触电阻和接线电阻的影响，从而在测量1Ω以下的小电阻时，能够获得较高的准确度。
2.QJ103型直流开尔文电桥
QJ103型直流开尔文电桥的面板如图1-37所示。四个桥臂电阻做成固定倍率形式，通过机械联动转换开关的转换，可得到×100、×10、×1、×0.1和×0.01五个固定倍率，并保持R₃/R₁=R₄/R₂。标准电阻R.的数值可在0.01-
0.11Ω范围内连续调节，其调节旋钮与读数盘一起装在面板上。测量时，调节倍率旋钮和R。的调节旋钮使电桥平衡。
检流计指零时，被测电阻=倍率数×读数盘读数。
QJ103型直流开尔文电桥的测量范围是0.0011~112,使用1.5～2V的直流电源，并备有外接电源用的接线端子。
直流开尔文电桥的使用方法如下：
1)被测电阻有电流端钮和电位端钮时，要与电桥上相应的端钮相连接。要注意电位端钮总是在电流端钮的内侧，且两电位端钮之间的电阻就是被测电阻。如果被测电阻没有电流端钮和电位端钮，则应自行引出电流和电位端钮。图1-38所示为用开尔文电桥测量导线电阻，注意尽量用短粗的导线接线，接线间不得绞合，并要接牢。
2)直流开尔文电桥工作时的电流较大，故测量时导线电阻的接线动作要迅速，以免电池耗电量过大。
二、电子仪表与测量
1.通用示波器
电子示波器是一种能够直接显示电压(或电流)变化波形的电子仪器。使用示波器不仅可以直观地观察被测电信号随时间变化的全过程，而且还可以通过它显示的波形来测量电压或电流，以及进行频率和相位的比较、描绘特性曲线等。电子示波器的种类很多，除通用示波器外，还有能同时显示两个以上波形的多踪示波器；利用取样技术，将高频信号转换为低频信号进行显示的取样示波器；采用记忆示波管，具有储存和记忆信号功能的记忆示波器。此外，还有具有特殊功能的特种示波器，如电视示波器、矢量示波器、高压示波器等。
(1)通用示波器的组成如图1-39所示，它主要由示波管、Y轴偏转系统、X轴偏转系统、扫描及整步系统、电源五部分组成。
1)示波管：是示波器的核心，其作用是把所需观测的电信号变换成发光的图形。
2)Y轴偏转系统：由衰减器和Y轴放大器组成，其作用是放大被测信号。
3)X轴偏转系统：由衰减器和X轴放大器组成，其作用是放大锯齿形扫描信号或外加电压信号。X轴放大器把由扫描发生器送来的扫描信号放大后送到X偏转板，并控制电子束在水平方向的运动。
4)扫描及整步系统：扫描发生器的作用是产生频率可调的锯齿波电压，作为X轴偏转板的扫描电压。整步系统的作用是引入一个幅度可调的电压，用以
控制扫描电压与被测信号电压保持同步，使屏幕上显示出稳定的波形。
5)电源：由变压器、整流及滤波等电路组成，其作用是向整个示波器供电。
(2)示波管的基本结构示波管是示波器的核心。它由电子枪、荧光屏和偏转系统三大部分组成，如图1-40所示。
1)电子枪的作用是发射电子束，轰击荧光屏使之发光。电子枪由灯丝、阴极、控制栅极、第一阳极和第二阳极组成。灯丝主要用于加热阴极。阴极的主要作用是在灯丝加热作用下发射电子。控制栅极是通过调节负电压的高低，来控制通过小孔的电子束强弱，从而改变荧光屏上光点的亮度。第一阳极A1和第二阳极A2上加的是正电压，它们的作用：一是吸引由阴极发射来的电子，使之加速；二是使电子束聚焦。这是由于阴极发射的电子束受到阳极正电压的吸引，一方面产生加速运动，另一方面各电子之间要相互排斥而散开，使得电子束在荧光屏上不能聚成焦点，造成图像模糊不清。第一阳极与第二阳极之间形成的空间电场，可以把电子束聚焦成一个细束，使荧光屏上电子束所到之处呈现一细小清晰的亮点，这个过程叫“聚焦”。改变A1与A2之间的电位差，其空间电场分布会发生变化，能改变聚焦的效果。
2)荧光屏的作用是显示被测波形。荧光屏位于示波管的前端，在玻璃内壁上涂有一层荧光粉，荧光粉在高速电子束的撞击下能发光。发光的强弱与激发的电子数量多少和速度快慢有关。电子数量越多、速度越快，产生的光点越亮，否则反之。荧光粉在电子束停止撞击后，其发光仍能持续一段时间，这种现像
叫“余辉”。荧光粉的余辉时间及发光的颜色也不同。常见的颜色有绿色、蓝色和白色。余辉时间分为短余辉、中余辉、长余辉，对应了不同的示波器的种类。
3)偏转系统的作用是使电子束有规律地移动，从而在荧光屏上显示出被测波形。目前示波管大多采用静电偏转系统，它包括垂直偏转板Y和水平偏转板X。靠近电子枪垂直放置的一对偏转板为Y轴偏转板，离电子枪较远水平放置的一对为X轴偏转板。
(3)示波原理电子束从电子枪中发射出来后，受到阳极正电压的吸引，经偏转系统向荧光屏方向加速前进，若偏转板上不加电压，则电子束只能直射向荧光屏的中央，使荧光屏中央出现一个光点。
若在Y轴偏转板上加直流电压，则在两块偏转板之间就会产生一个自上而向下的电场。当电子束向荧光屏方向加速运动穿过该电场时，受到电场力的作用产生向上的偏转；如果所加偏转电压的极性改变，则电子束将向下偏转。X轴偏转的原理与Y轴偏转的原理相同，可使电子束向左或向右偏转。在X轴偏转板和Y轴偏转板同时施加电压后，在两个电场力的共同作用下，电子束就可以上下左右的移动。由于荧光屏的余辉和眼睛视觉暂留的综合作用，就能在荧光屏上看到亮点所描绘出的各种波形。
一般情况下，被测电压都加在Y轴偏转板上，而在X轴偏转板上加随时间线性变化的锯齿波扫描电压；这时，由于电子束在作垂直运动的同时，又匀速沿水平方向移动，因而在荧光屏上扫描出被测电压随时间变化的波形。如果锯齿波扫描电压的周期与被测电压的周期完全相等，扫描电压每变化一次，荧光屏上就出现一个完整的被测波形。如果锯齿波扫描电压周期是被测电压周期的整数倍，荧光屏上会稳定地显示出若干个被测信号的波形。为达到上述目的，调节扫描电压的频率可以通过调节示波器面板上的“扫描范围”和“扫描微调”旋钮来实现。
实际上，由于锯齿波扫描电压和被测电压来自两个电源，两个电压周期的整数倍关系很难长时间保持绝对稳定，因此，需要利用同步作用来保持上述整数倍关系。同步作用是把信号电压送入扫描发生器，使锯齿波扫描电压的频率受到被测信号的控制而使两者同步。这个起同步作用的信号电压叫做“同步电压”。同步电压越大，同步作用越强。同步电压除可取自被测信号外，还可以取自示波器内部的正、负电源。同步电压的选择和大小调节由示波器面板上的“同步选择”和“同步调节”旋钮来实现。
(4)示波器的使用以CA8020A型示波器为例介绍其使用方法及注意事项，其面板如图1-41所示。
1)面板说明：
①示波管：
电源主电源开关，当此开关开启时发光二极管发亮。
辉度——调节轨迹或亮点的亮度。
聚焦——用于聚焦轨迹或亮点。
光迹旋转——用来调整水平轨迹与刻度线平行。
辅助聚焦——与聚焦配合，调节光迹的清晰度。
②垂直轴：
Y1(X)输入在X-Y模式下，作为X轴输人端。
Y2(Y)输入在X-Y模式下，作为Y轴输入端。
AC垂直轴输入信号的交流耦合输入方式。
GND——垂直放大器的输入接地，同时与示波器输入端断开。
DC——垂直轴输入信号的直流耦合输入方式。
垂直衰减开关——调节垂直偏转灵敏度为5mV/div~5V/div,分10挡。
Y1移位调节通道1光迹在屏幕上的垂直位置。
Y2移位调节通道2光迹在屏幕上的垂直位置。
③触发：
触发源选择——选择内或外触发源。
极性——触发信号的极性选择。“+”为上升沿触发，“-”为下降沿触发。
触发电平——显示一个同步稳定的波形，并设定一个波形的起始点。
触发方式选择触发扫描的方式。
④时基：
水平扫描速度开关水平扫描速度为0.2μs/div～0.5s/div。
水平微调——微调水平扫描时间。当顺时针旋转到底为校正位置。
扫描扩展×1时未被扩展，×10时扫描倍率被扩展10倍。
2)单通道测量电压幅值的操作：将开关和控制部分的旋钮置于适当位置后，接通电源，测量前应调整。
①接通电源，电源指示灯亮约20s后，屏幕出现光迹。如果60s后还没有出现光迹，应检查开关和控制旋钮的设置。
②分别调节亮度、聚焦，使光迹亮度适中清晰。
③调节通道位移旋钮，用螺钉旋具调节光迹旋转电位器使光迹与水平刻度平行。
④用10:1探头将信号输入至Y1(或Y2)输入端。
⑤根据输入信号的幅度，适当调节Y1衰减挡位，使信号在垂直方向幅度
适中；调节水平扫描速度开关，使信号在水平方向能显示出一个或几个周期的
波形；调节触发电平使波形稳定(如果是峰值自动，无需调节)。
⑥调节水平移位旋钮，使波形底部在屏幕上的某一水平坐标上；调节垂直移位旋钮，使波形在顶部屏幕垂直方向的坐标上，从而读出底部和顶部之间的格数，按下面的公式计算被测信号的幅度，即
Vp=垂直方向的格数×垂直偏转因数
式中垂直偏转因数由垂直衰减挡位决定。
3)时间差的测量：对两个相关信号时间差的测量，可以按下列步骤进行：
①将参考信号和一个待比较信号分别馈人“Y1”和“Y2”输入插座。
②根据信号频率，将垂直方式置于“交替”或“断续”。
③设置触发源至参考信号通道。
④调节电压衰减器和微调控制器，使其显示合适的幅度。
⑤调节电平使波形显示稳定。
⑥调节T/DIV,使两个波形的测量点之间有一个能方便观察的水平距离。
⑦调节垂直位移，使两个波形的测量点位于屏幕中央的水平刻度线上。
⑧计算时间差可按下面的公式进行，即
时间差=水平距离(格)x扫描时间因数(时间/格)/水平扩展倍数
4)示波器的维护：
①使用之前要先检查仪器的熔体是否完好，面板上各旋钮有无损坏，转动是否灵活。
②将电源插头接到220V交流电源上并接通电源开关，指示灯应发亮(表明示波器进入预热状态),示波器预热后才能正常使用。
③调节“辉度”旋钮，使亮度适中。光点不宜太亮，也不宜长时间停留在一点上，以免影响示波管的使用寿命。
④调节“聚焦”旋钮，使屏幕上呈现的光点直径不大于1mm。
⑤当Y轴输人信号时，应将被测信号接在“Y轴输入”和“接地”端，再根据被测信号幅度，选择适当的“Y轴衰减”挡位。
⑥在观测Y轴输入信号的波形时，应取机内扫描，将“X轴衰减”置于“扫描”位置，然后将"扫描范围”置于所选择的频率挡。扫描频率应根据“Y轴输人电压的频率为扫描频率的整数倍”原则来选择，该倍数就是能在荧光屏上看到完整被测波形的个数。
⑦为使波形稳定，扫描信号必须与输入信号同步。
⑧观测波形时，应避免人体触及Y轴输入端。
⑨示波器应置于通风干燥处，防止受潮。保管示波器时，要定期(如三个月)通电工作一段时间(2h)。
2.晶体管特性图示仪
晶体管特性图示仪是一种能在荧光屏上直接显示晶体管特性曲线的专用仪器，通过荧光屏上的刻度及旋钮位置可以直接读出晶体管的各项运用参数和极限参数。通过晶体管图示仪不仅可以观测到PNP型或NPN型晶体管的共射、共基或共集接法的输出、输入等特性曲线和参数，还可以对二极管、稳压管、晶闸管等器件进行测定。下面以JT—1型图示仪为例，介绍晶体管特性图示仪的使用方法及注意事项。
(1)使用方法
1)接通电源，指示灯发亮，预热5min后使用。
2)调节标尺亮度旋钮，一般观测时用红色标尺，摄影时用黄色标尺。调节辉度、聚焦与辅助聚焦旋钮，使光点清晰，调节方法同示波器。
3)将集电极扫描的全部旋钮调到需要的范围，通常将峰值电压范围旋钮置于0~20挡，峰值电压旋钮旋于0挡，功耗限制电阻置于比较大的挡(如1kΩ以上);测试时根据需要再作相应的调整。
4)将Y轴作用部分的毫安-伏/度与倍率调到需读测的范围。通常倍率开关先置于x1挡，当测试微电流时，倍率置于×0.1挡。
5)将X轴作用部分的伏/度调到需读测的范围。
6)将基极阶梯信号部分的极性、串联电阻、阶梯选择(毫安/级或伏/级)调到被测器件需读测的范围；阶梯作用视需要选择，通常置于重复挡，级/秒一般选200为宜。
(2)注意事项
1)X轴和Y轴的灵敏度校正：利用X轴和Y轴放大器校正开关，使它从“零点”扳至“-10度”时，屏面上光点正好跳动10格。
2)在测试中应特别注意阶梯选择、功耗限制电阻和峰值电压范围这三个开关转动的位置。这三个开关的位置不当容易造成被测器件损坏。
3)在测试前应对被测管的性能和极限参数有所了解，测试中应注意被测管是否过热。
4)测试结束后，应将集电极扫描的峰值电压范围置于0~20V挡，峰值电压旋至0挡，功耗限制电阻置于比较大的位置，基极阶梯信号的阶梯选择开关置于小于0.01毫安/级挡，并切断电源，以防下次使用仪器时因不慎而损坏被测器件。