電工儀器儀表與測量

一、電工儀表與測量

1.直流開爾文電橋的工作原理

直流開爾文電橋的工作原理如圖1-36所示。與惠斯頓電橋不同，被測電阻Rx與標(biāo)準(zhǔn)電阻R₄共同組成一個(gè)橋臂，標(biāo)準(zhǔn)電阻Rn和R₃組成另一個(gè)橋臂，Rx與Rn之間用一阻值為r的導(dǎo)線連接起來。為了消除接線電阻和接觸電阻的影響，Rx與Rn都采用兩對端鈕，即電流端鈕C1,C2,C。1,Ca2,電位端鈕P1,P2,Pn1,Pn2。橋臂電阻R₁、R₂、R₃、R₄都是阻值大于10Ω的標(biāo)準(zhǔn)電阻，R是限流電阻。調(diào)節(jié)各橋臂電阻，使檢流計(jì)指零，即Ip=0。則I₁=I2,I3=14。根據(jù)基爾霍夫第二定律可寫出三個(gè)回路電壓方程。

用開爾文電橋測量電阻時(shí)，Rx由兩項(xiàng)決定。其中第一項(xiàng)與惠斯頓電橋相同，第二項(xiàng)稱為“校正項(xiàng)”。為了使開爾文電橋平衡時(shí)，求解R的公式與惠斯頓電橋相同，必須使校正項(xiàng)等于零。所以，要求R₃/R₁=R4/R₂,同時(shí)使r→0。為滿足上述條件，開爾文電橋在結(jié)構(gòu)上采取了以下措施：

1)將R₁與R₃、R₂與R₄采用機(jī)械聯(lián)動(dòng)的調(diào)節(jié)裝置，使R₃/R,的變化和R₄/R₂的變化保持同步，從而滿足R₃/R₁=R₄/R₂。

2)連接Rx與Rn的導(dǎo)線，盡可能采用導(dǎo)電性良好的粗銅母線，使r→0。

用開爾文電橋測量小電阻時(shí)，接線電阻和接觸電阻的影響是怎樣被消除的呢?下面從三個(gè)方面加以分析：

1)電流端鈕C1和C1的接觸電阻以及接線電阻都串聯(lián)在電源電路中，它只影響電流I的大小，但不影響電橋的平衡，故與測量結(jié)果無關(guān)。

2)另一電流端鈕C2和C2的接觸電阻是與r串聯(lián)的，由于r很小，故也不會(huì)影響測量結(jié)果。

3)電位端鈕P1、P2、P1、P,2的接觸電阻和接線電阻可以分別歸并到標(biāo)準(zhǔn)電阻R₂、R₄、R,、R3中。而這四個(gè)電阻的阻值均大于10Ω,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電位端鈕的接觸電阻和接線電阻，從而使它們的影響小到可以忽略的程度。

綜上所述，直流開爾文電橋可以較好地消除接觸電阻和接線電阻的影響，從而在測量1Ω以下的小電阻時(shí)，能夠獲得較高的準(zhǔn)確度。

2.QJ103型直流開爾文電橋

QJ103型直流開爾文電橋的面板如圖1-37所示。四個(gè)橋臂電阻做成固定倍率形式，通過機(jī)械聯(lián)動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)的轉(zhuǎn)換，可得到×100、×10、×1、×0.1和×0.01五個(gè)固定倍率，并保持R₃/R₁=R₄/R₂。標(biāo)準(zhǔn)電阻R.的數(shù)值可在0.01-0.11Ω范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)旋鈕與讀數(shù)盤一起裝在面板上。測量時(shí)，調(diào)節(jié)倍率旋鈕和R。的調(diào)節(jié)旋鈕使電橋平衡。

檢流計(jì)指零時(shí)，被測電阻=倍率數(shù)×讀數(shù)盤讀數(shù)。

QJ103型直流開爾文電橋的測量范圍是0.0011~112,使用1.5～2V的直流電源，并備有外接電源用的接線端子。

直流開爾文電橋的使用方法如下：

1)被測電阻有電流端鈕和電位端鈕時(shí)，要與電橋上相應(yīng)的端鈕相連接。要注意電位端鈕總是在電流端鈕的內(nèi)側(cè)，且兩電位端鈕之間的電阻就是被測電阻。如果被測電阻沒有電流端鈕和電位端鈕，則應(yīng)自行引出電流和電位端鈕。用開爾文電橋測量導(dǎo)線電阻，注意盡量用短粗的導(dǎo)線接線，接線間不得絞合，并要接牢。

2)直流開爾文電橋工作時(shí)的電流較大，故測量時(shí)導(dǎo)線電阻的接線動(dòng)作要迅速，以免電池耗電量過大。

二、電子儀表與測量

1.通用示波器

電子示波器是一種能夠直接顯示電壓(或電流)變化波形的電子儀器。使用示波器不僅可以直觀地觀察被測電信號隨時(shí)間變化的全過程，而且還可以通過它顯示的波形來測量電壓或電流，以及進(jìn)行頻率和相位的比較、描繪特性曲線等。電子示波器的種類很多，除通用示波器外，還有能同時(shí)顯示兩個(gè)以上波形的多蹤示波器；利用取樣技術(shù)，將高頻信號轉(zhuǎn)換為低頻信號進(jìn)行顯示的取樣示波器；采用記憶示波管，具有儲存和記憶信號功能的記憶示波器。此外，還有具有特殊功能的特種示波器，如電視示波器、矢量示波器、高壓示波器等。

(1)通用示波器的組成如圖1-39所示，它主要由示波管、Y軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、X軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、掃描及整步系統(tǒng)、電源五部分組成。

1)示波管：是示波器的核心，其作用是把所需觀測的電信號變換成發(fā)光的圖形。

2)Y軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)：由衰減器和Y軸放大器組成，其作用是放大被測信號。

3)X軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)：由衰減器和X軸放大器組成，其作用是放大鋸齒形掃描信號或外加電壓信號。X軸放大器把由掃描發(fā)生器送來的掃描信號放大后送到X偏轉(zhuǎn)板，并控制電子束在水平方向的運(yùn)動(dòng)。

4)掃描及整步系統(tǒng)：掃描發(fā)生器的作用是產(chǎn)生頻率可調(diào)的鋸齒波電壓，作為X軸偏轉(zhuǎn)板的掃描電壓。整步系統(tǒng)的作用是引入一個(gè)幅度可調(diào)的電壓，用以控制掃描電壓與被測信號電壓保持同步，使屏幕上顯示出穩(wěn)定的波形。

5)電源：由變壓器、整流及濾波等電路組成，其作用是向整個(gè)示波器供電。

(2)示波管的基本結(jié)構(gòu)示波管是示波器的核心。它由電子槍、熒光屏和偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)三大部分組成，如圖1-40所示。

1)電子槍的作用是發(fā)射電子束，轟擊熒光屏使之發(fā)光。電子槍由燈絲、陰極、控制柵極、第一陽極和第二陽極組成。燈絲主要用于加熱陰極。陰極的主要作用是在燈絲加熱作用下發(fā)射電子�？刂茤艠O是通過調(diào)節(jié)負(fù)電壓的高低，來控制通過小孔的電子束強(qiáng)弱，從而改變熒光屏上光點(diǎn)的亮度。第一陽極A1和第二陽極A2上加的是正電壓，它們的作用：一是吸引由陰極發(fā)射來的電子，使之加速；二是使電子束聚焦。這是由于陰極發(fā)射的電子束受到陽極正電壓的吸引，一方面產(chǎn)生加速運(yùn)動(dòng)，另一方面各電子之間要相互排斥而散開，使得電子束在熒光屏上不能聚成焦點(diǎn)，造成圖像模糊不清。第一陽極與第二陽極之間形成的空間電場，可以把電子束聚焦成一個(gè)細(xì)束，使熒光屏上電子束所到之處呈現(xiàn)一細(xì)小清晰的亮點(diǎn)，這個(gè)過程叫“聚焦”。改變A1與A2之間的電位差，其空間電場分布會(huì)發(fā)生變化，能改變聚焦的效果。

2)熒光屏的作用是顯示被測波形。熒光屏位于示波管的前端，在玻璃內(nèi)壁上涂有一層熒光粉，熒光粉在高速電子束的撞擊下能發(fā)光。發(fā)光的強(qiáng)弱與激發(fā)的電子數(shù)量多少和速度快慢有關(guān)。電子數(shù)量越多、速度越快，產(chǎn)生的光點(diǎn)越亮，否則反之。熒光粉在電子束停止撞擊后，其發(fā)光仍能持續(xù)一段時(shí)間，這種現(xiàn)像

叫“余輝”。熒光粉的余輝時(shí)間及發(fā)光的顏色也不同。常見的顏色有綠色、藍(lán)色和白色。余輝時(shí)間分為短余輝、中余輝、長余輝，對應(yīng)了不同的示波器的種類。

3)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的作用是使電子束有規(guī)律地移動(dòng)，從而在熒光屏上顯示出被測波形。目前示波管大多采用靜電偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，它包括垂直偏轉(zhuǎn)板Y和水平偏轉(zhuǎn)板X�？拷�電子槍垂直放置的一對偏轉(zhuǎn)板為Y軸偏轉(zhuǎn)板，離電子槍較遠(yuǎn)水平放置的一對為X軸偏轉(zhuǎn)板。

(3)示波原理電子束從電子槍中發(fā)射出來后，受到陽極正電壓的吸引，經(jīng)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)向熒光屏方向加速前進(jìn)，若偏轉(zhuǎn)板上不加電壓，則電子束只能直射向熒光屏的中央，使熒光屏中央出現(xiàn)一個(gè)光點(diǎn)。

若在Y軸偏轉(zhuǎn)板上加直流電壓，則在兩塊偏轉(zhuǎn)板之間就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)自上而向下的電場。當(dāng)電子束向熒光屏方向加速運(yùn)動(dòng)穿過該電場時(shí)，受到電場力的作用產(chǎn)生向上的偏轉(zhuǎn)；如果所加偏轉(zhuǎn)電壓的極性改變，則電子束將向下偏轉(zhuǎn)。X軸偏轉(zhuǎn)的原理與Y軸偏轉(zhuǎn)的原理相同，可使電子束向左或向右偏轉(zhuǎn)。在X軸偏轉(zhuǎn)板和Y軸偏轉(zhuǎn)板同時(shí)施加電壓后，在兩個(gè)電場力的共同作用下，電子束就可以上下左右的移動(dòng)。由于熒光屏的余輝和眼睛視覺暫留的綜合作用，就能在熒光屏上看到亮點(diǎn)所描繪出的各種波形。

一般情況下，被測電壓都加在Y軸偏轉(zhuǎn)板上，而在X軸偏轉(zhuǎn)板上加隨時(shí)間線性變化的鋸齒波掃描電壓；這時(shí)，由于電子束在作垂直運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，又勻速沿水平方向移動(dòng)，因而在熒光屏上掃描出被測電壓隨時(shí)間變化的波形。如果鋸齒波掃描電壓的周期與被測電壓的周期完全相等，掃描電壓每變化一次，熒光屏上就出現(xiàn)一個(gè)完整的被測波形。如果鋸齒波掃描電壓周期是被測電壓周期的整數(shù)倍，熒光屏上會(huì)穩(wěn)定地顯示出若干個(gè)被測信號的波形。為達(dá)到上述目的，調(diào)節(jié)掃描電壓的頻率可以通過調(diào)節(jié)示波器面板上的“掃描范圍”和“掃描微調(diào)”旋鈕來實(shí)現(xiàn)。

實(shí)際上，由于鋸齒波掃描電壓和被測電壓來自兩個(gè)電源，兩個(gè)電壓周期的整數(shù)倍關(guān)系很難長時(shí)間保持絕對穩(wěn)定，因此，需要利用同步作用來保持上述整數(shù)倍關(guān)系。同步作用是把信號電壓送入掃描發(fā)生器，使鋸齒波掃描電壓的頻率受到被測信號的控制而使兩者同步。這個(gè)起同步作用的信號電壓叫做“同步電壓”。同步電壓越大，同步作用越強(qiáng)。同步電壓除可取自被測信號外，還可以取自示波器內(nèi)部的正、負(fù)電源。同步電壓的選擇和大小調(diào)節(jié)由示波器面板上的“同步選擇”和“同步調(diào)節(jié)”旋鈕來實(shí)現(xiàn)。

(4)示波器的使用以CA8020A型示波器為例介紹其使用方法及注意事項(xiàng)，其面板如圖1-41所示。

1)面板說明：

①示波管：

電源主電源開關(guān)，當(dāng)此開關(guān)開啟時(shí)發(fā)光二極管發(fā)亮。

輝度——調(diào)節(jié)軌跡或亮點(diǎn)的亮度。

聚焦——用于聚焦軌跡或亮點(diǎn)。

光跡旋轉(zhuǎn)——用來調(diào)整水平軌跡與刻度線平行。

輔助聚焦——與聚焦配合，調(diào)節(jié)光跡的清晰度。

②垂直軸：

Y1(X)輸入在X-Y模式下，作為X軸輸人端。

Y2(Y)輸入在X-Y模式下，作為Y軸輸入端。

AC垂直軸輸入信號的交流耦合輸入方式。

GND——垂直放大器的輸入接地，同時(shí)與示波器輸入端斷開。

DC——垂直軸輸入信號的直流耦合輸入方式。

垂直衰減開關(guān)——調(diào)節(jié)垂直偏轉(zhuǎn)靈敏度為5mV/div~5V/div,分10擋。

Y1移位調(diào)節(jié)通道1光跡在屏幕上的垂直位置。

Y2移位調(diào)節(jié)通道2光跡在屏幕上的垂直位置。

③觸發(fā)：

觸發(fā)源選擇——選擇內(nèi)或外觸發(fā)源。

極性——觸發(fā)信號的極性選擇�！�+”為上升沿觸發(fā)，“-”為下降沿觸發(fā)。

觸發(fā)電平——顯示一個(gè)同步穩(wěn)定的波形，并設(shè)定一個(gè)波形的起始點(diǎn)。

觸發(fā)方式選擇觸發(fā)掃描的方式。

④時(shí)基：

水平掃描速度開關(guān)水平掃描速度為0.2μs/div～0.5s/div。

水平微調(diào)——微調(diào)水平掃描時(shí)間。當(dāng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到底為校正位置。

掃描擴(kuò)展×1時(shí)未被擴(kuò)展，×10時(shí)掃描倍率被擴(kuò)展10倍。

2)單通道測量電壓幅值的操作：將開關(guān)和控制部分的旋鈕置于適當(dāng)位置后，接通電源，測量前應(yīng)調(diào)整。

①接通電源，電源指示燈亮約20s后，屏幕出現(xiàn)光跡。如果60s后還沒有出現(xiàn)光跡，應(yīng)檢查開關(guān)和控制旋鈕的設(shè)置。

②分別調(diào)節(jié)亮度、聚焦，使光跡亮度適中清晰。

③調(diào)節(jié)通道位移旋鈕，用螺釘旋具調(diào)節(jié)光跡旋轉(zhuǎn)電位器使光跡與水平刻度平行。

④用10:1探頭將信號輸入至Y1(或Y2)輸入端。

⑤根據(jù)輸入信號的幅度，適當(dāng)調(diào)節(jié)Y1衰減擋位，使信號在垂直方向幅度

適中；調(diào)節(jié)水平掃描速度開關(guān)，使信號在水平方向能顯示出一個(gè)或幾個(gè)周期的

波形；調(diào)節(jié)觸發(fā)電平使波形穩(wěn)定(如果是峰值自動(dòng)，無需調(diào)節(jié))。

⑥調(diào)節(jié)水平移位旋鈕，使波形底部在屏幕上的某一水平坐標(biāo)上；調(diào)節(jié)垂直移位旋鈕，使波形在頂部屏幕垂直方向的坐標(biāo)上，從而讀出底部和頂部之間的格數(shù)，按下面的公式計(jì)算被測信號的幅度，即

Vp=垂直方向的格數(shù)×垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)

式中垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)由垂直衰減擋位決定。

3)時(shí)間差的測量：對兩個(gè)相關(guān)信號時(shí)間差的測量，可以按下列步驟進(jìn)行：

①將參考信號和一個(gè)待比較信號分別饋人“Y1”和“Y2”輸入插座。

②根據(jù)信號頻率，將垂直方式置于“交替”或“斷續(xù)”。

③設(shè)置觸發(fā)源至參考信號通道。

④調(diào)節(jié)電壓衰減器和微調(diào)控制器，使其顯示合適的幅度。

⑤調(diào)節(jié)電平使波形顯示穩(wěn)定。

⑥調(diào)節(jié)T/DIV,使兩個(gè)波形的測量點(diǎn)之間有一個(gè)能方便觀察的水平距離。

⑦調(diào)節(jié)垂直位移，使兩個(gè)波形的測量點(diǎn)位于屏幕中央的水平刻度線上。

⑧計(jì)算時(shí)間差可按下面的公式進(jìn)行，即

時(shí)間差=水平距離(格)x掃描時(shí)間因數(shù)(時(shí)間/格)/水平擴(kuò)展倍數(shù)

4)示波器的維護(hù)：

①使用之前要先檢查儀器的熔體是否完好，面板上各旋鈕有無損壞，轉(zhuǎn)動(dòng)是否靈活。

②將電源插頭接到220V交流電源上并接通電源開關(guān)，指示燈應(yīng)發(fā)亮(表明示波器進(jìn)入預(yù)熱狀態(tài)),示波器預(yù)熱后才能正常使用。

③調(diào)節(jié)“輝度”旋鈕，使亮度適中。光點(diǎn)不宜太亮，也不宜長時(shí)間停留在一點(diǎn)上，以免影響示波管的使用壽命。

④調(diào)節(jié)“聚焦”旋鈕，使屏幕上呈現(xiàn)的光點(diǎn)直徑不大于1mm。

⑤當(dāng)Y軸輸人信號時(shí)，應(yīng)將被測信號接在“Y軸輸入”和“接地”端，再根據(jù)被測信號幅度，選擇適當(dāng)?shù)摹癥軸衰減”擋位。

⑥在觀測Y軸輸入信號的波形時(shí)，應(yīng)取機(jī)內(nèi)掃描，將“X軸衰減”置于“掃描”位置，然后將"掃描范圍”置于所選擇的頻率擋。掃描頻率應(yīng)根據(jù)“Y軸輸人電壓的頻率為掃描頻率的整數(shù)倍”原則來選擇，該倍數(shù)就是能在熒光屏上看到完整被測波形的個(gè)數(shù)。

⑦為使波形穩(wěn)定，掃描信號必須與輸入信號同步。

⑧觀測波形時(shí)，應(yīng)避免人體觸及Y軸輸入端。

⑨示波器應(yīng)置于通風(fēng)干燥處，防止受潮。保管示波器時(shí)，要定期(如三個(gè)月)通電工作一段時(shí)間(2h)。

2.晶體管特性圖示儀

晶體管特性圖示儀是一種能在熒光屏上直接顯示晶體管特性曲線的專用儀器，通過熒光屏上的刻度及旋鈕位置可以直接讀出晶體管的各項(xiàng)運(yùn)用參數(shù)和極限參數(shù)。通過晶體管圖示儀不僅可以觀測到PNP型或NPN型晶體管的共射、共基或共集接法的輸出、輸入等特性曲線和參數(shù)，還可以對二極管、穩(wěn)壓管、晶閘管等器件進(jìn)行測定。下面以JT—1型圖示儀為例，介紹晶體管特性圖示儀的使用方法及注意事項(xiàng)。

(1)使用方法

1)接通電源，指示燈發(fā)亮，預(yù)熱5min后使用。

2)調(diào)節(jié)標(biāo)尺亮度旋鈕，一般觀測時(shí)用紅色標(biāo)尺，攝影時(shí)用黃色標(biāo)尺。調(diào)節(jié)輝度、聚焦與輔助聚焦旋鈕，使光點(diǎn)清晰，調(diào)節(jié)方法同示波器。

3)將集電極掃描的全部旋鈕調(diào)到需要的范圍，通常將峰值電壓范圍旋鈕置于0~20擋，峰值電壓旋鈕旋于0擋，功耗限制電阻置于比較大的擋(如1kΩ以上);測試時(shí)根據(jù)需要再作相應(yīng)的調(diào)整。

4)將Y軸作用部分的毫安-伏/度與倍率調(diào)到需讀測的范圍。通常倍率開關(guān)先置于x1擋，當(dāng)測試微電流時(shí)，倍率置于×0.1擋。

5)將X軸作用部分的伏/度調(diào)到需讀測的范圍。

6)將基極階梯信號部分的極性、串聯(lián)電阻、階梯選擇(毫安/級或伏/級)調(diào)到被測器件需讀測的范圍；階梯作用視需要選擇，通常置于重復(fù)擋，級/秒一般選200為宜。

(2)注意事項(xiàng)

1)X軸和Y軸的靈敏度校正：利用X軸和Y軸放大器校正開關(guān)，使它從“零點(diǎn)”扳至“-10度”時(shí)，屏面上光點(diǎn)正好跳動(dòng)10格。

2)在測試中應(yīng)特別注意階梯選擇、功耗限制電阻和峰值電壓范圍這三個(gè)開關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)的位置。這三個(gè)開關(guān)的位置不當(dāng)容易造成被測器件損壞。

3)在測試前應(yīng)對被測管的性能和極限參數(shù)有所了解，測試中應(yīng)注意被測管是否過熱。

4)測試結(jié)束后，應(yīng)將集電極掃描的峰值電壓范圍置于0~20V擋，峰值電壓旋至0擋，功耗限制電阻置于比較大的位置，基極階梯信號的階梯選擇開關(guān)置于小于0.01毫安/級擋，并切斷電源，以防下次使用儀器時(shí)因不慎而損壞被測器件。