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示波器的工作原理是什么?维修中如何运用?
示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。俗话说,电是看不见摸不着的。但是示波器可以帮我们“看见”电信号,便于人们研究各种电现象的变化过程。所以示波器的核心功能,就和他的名字一样,是显示电信号波形的仪器,以供工程师查找定位问题或评估系统性能等等。
而波形,也有多种定义,比如时域或者频域的波形,对于示波器而言,大多数时候测量的是电压随时间的变化,也就是时域的波形。因此,示波器可以分析被测点电压变化情况,从而被广泛的应用于各个电子行业及领域中。
一般我们业内对示波器的分类只按模拟示波器和数字示波器来分,有些厂家可能为了突出其示波器的某项功能给其命名为其他名字,比如数字荧光示波器等。但其本质原理依然逃不出这2大示波器类别。
模拟示波器是属于早期的示波器,主要基于阴极射线管(也叫显像管,曾广泛应用于早期的电视机、显示器)打出的电子束通过水平偏转和垂直偏转系统,打在屏幕的荧光物质上显示波形。
然而到了现在,模拟示波器所剩下的优点,似乎就只有价格了。它没有存储数据和分析波形能力,触发功能也有限,捕获单次和偶发信号的能力也不行,而且由于其内部采用了大量模拟器件,随着时间温度变化这些器件也会发生变化,因此性能也不稳定。现代电子测量中几乎已经淘汰了模拟示波器,因此我们今天主要讲的也是数字示波器。
早期的数字示波器,由于显示技术制约,使用的依然是模拟示波器上的CRT(Cathode Ray Tube,阴极射线管)显示屏。数字示波器区别于模拟示波器的最大不同,主要在于输入的信号不再直接打到显示屏上,而是通过ADC(Analog to Digital Converter,模数转换器)对信号采样和数字化处理后存入高速缓存里,再通过信号处理电路将数据读出来。
由于早期的数字示波器用CRT显示,因此还需要通过DAC数模转换器把数字量转换成模拟量显示到CRT显示屏上。现代化的数字示波器,也已经大多不再使用CRT显示屏,而是采用液晶显示屏,不但体积减少很多,有些还提供了更加操作便捷的触控功能,而且也不再需要把数字化的采样点转换成模拟信号了。由于这两者在功能结构上没有本质区别,所以业界一般也没有CRT示波器和LCD示波器的叫法。
数字示波器很多时候都被叫做数字存储示波器,因为数字示波器中重要的一环,就是把ADC采集的数据存储起来。现代数字示波器采集数据的主要过程我们通过这块麦科信STO1104C智能示波器的主板进行直观了解:
①信号通过探头衰减成合适比例送入示波器前端。示波器能测多大电压一般取决于探头,探头通过衰减可以把上万伏的电压信号变成几十伏。
②信号通过耦合电路到达前端衰减器和放大器,示波器软件上表现为调节垂直档位,使得波形尽量占满整个屏幕,从而提高垂直精度,使测量更准确。前端部分很大程度上决定了示波器的第一指标:带宽。
③ARM处理器控制FPGA调节ADC模数转换器采样率,示波器软件上表现为调节时基,由于存储深度为固定值,采样率 = 存储深度 ÷ 波形记录时长,通常时基设置的改变是通过改变采样率来实现的。因此厂家标注的采样率往往是在特定时基设置之下才有效的,在大时基下受存储深度的影响,采样率不得不降低。ADC模数转换器和RAM高速存储器影响着示波器的另外两大指标:采样率和存储深度。
④接下去,由FPGA驱动ADC同步采样,ADC将采集到的数据进行二进制数据化并写入高速缓存。存储器缓存即存储深度,一般存储器的大小是示波器标识存储深度大小的四倍,因为FPGA无法控制示波器的触发,因此采集的信号必定先是标识存储深度的2倍,然后再来根据触发筛选其中的一段波形,所以示波器可以看到触发位置之前的波形。又由于示波器在筛选之前采集的波形的时候,采集不能停,否则就会导致波形捕获率太低,因此同时还需要继续采集同样长度的采样点,如此反复,这样一来就是四倍了。
⑤收到触发指令后,存储器再把数据交给ARM处理器处理
⑥ARM处理器将数据处理后通过显示接口将数据输出至显示屏展示给使用者。通过计算,示波器还能模仿出类似模拟示波器的多级辉度显示,以及数字示波器特有的色温显示效果,余晖显示效果。
⑦示波器处理完数据后,可以把当前的波形图像或者是数据保存到存储器中,要注意这里的存储完全不同于存储深度的高速存缓,大多数示波器采用外部存储器如U盘,SD卡,电脑等,现在一些现代化的示波器会内置大存储可以直接保存在示波器里。
这个过程中,②③④都是并行处理的。
由于数字示波器处理速度的制约,所以它并不能保证被测信号的波形能连续不断地实时显示在屏幕上,显示的两个波形之间会有波形数据丢失,也即所说的死区时间,这也是数字示波器相比较于模拟示波器的最大缺点了。不过,随着示波器运算能力的增强,波形捕获率的不断上升,这一缺点也在被慢慢弥补。
维修相关的应用的话,不知道你是哪个行业的,示波器的使用只要学会了原理,操作其实不难。
如何用示波器检测逆变焊机故障维修?
一.逆变焊机产生故障的原因
由于逆变焊机属于电子类产品,其复杂的结构和工艺,加上一些元器件的不稳定性都会使焊机发生故障。
常见的引发故障的起因大致有:
a. 运输振动
b. 工作电压超过使用范围
c. 过载
d. 不正当使用
e. 使用环境恶劣如高温潮湿等
f. 个别元器件品质不良等。
二.逆变焊机的常用维修方法
1. 电阻法。
就是用万用表测量电路中各个器件的电阻值。检查电路中是否短路,开路。如电阻是否有变值损坏的,电容失容,晶体管击穿损坏短路或开路等。这种方法最为简单,也最常用,适用于电阻,电容,电感,晶体管,集成电路等的初步故障判断。
2. 电压法。
就是在电路加电的状态下,测量电路各个工作点的工作电压是否正常。这种方法需要对电路比较熟悉。但是其测量判断结果会比较准确。
3. 替换法。
就是将电路中的一些无法确定是否正常的元器件,用好的元器件将其替换,以此来判断和排除故障的方法。这种方法一般用于可以大致确定故障部位的机器上,它一般作为电阻法的后续判断方法。
4. 波形判断法。
在有一定的条件下,可以借助示波器等仪器,观察各个工作点的工作波形,从波形上分析电路的故障部位。这个是最直观的故障分析方法,用于分析一些疑难杂症。
三.逆变焊机的常见故障及处理
1.开机保护
造成这个故障的原因有以下几个:
A. 场管损坏,为过流保护。
B. 二次整流管损坏,为过流保护。
C. 中板变压器损坏,为过流保护。
D. 温控开关损坏,为错误保护。
E. 控制板保护电路损坏,为错误保护。
当焊机保护电路不工作时,出现焊机出现过流时,会造成炸机。在维修时一定要特别注意保护电路是否正常。
故障处理:
对于场管和二次整流管的损坏,一般用电阻法测量场管的电阻,是否有短路或场管和二次整流管电阻有异常。在判断中板变压器是否损坏是,一般是拔去变压器插头看焊机是否还出现保护故障,如果拔去中板变压器,就不出现保护故障,就可以大致确定是否是中板变压器损坏了,不过判断这个故障的前提是二次整流管没有损坏还有焊机输出没有短路。金属加工微信内容不错,值得关注。判断温控开关的故障,只要拔掉控制板上的温控开关的连接线,如果故障消失,那就是温控开关引起的故障。保护电路的故障,排除其他故障的情况下,故障还是没有消失,保护灯还是亮着的情况下,我们就可以确定是保护电路出现了故障。排除这个故障一般也是用电阻法,测量保护电路的元器件是否正常。以此来修复故障。
2. 无输出
原因分析:
A. 底板(电源板)供电问题,没有300伏直流输出。
B.辅助电源损坏。
C. 没有驱动脉冲。
D. 出现了故障保护。
E. 焊机内部连接线有脱落。
故障处理:
底板(电源板)故障一般是由一些器件损坏引起的,比如是主继电器,辅助继电器,热敏电阻等。检查方法一般用电阻法和替换法。辅助电源损坏,也可以用电阻法和替换法测量辅助电源中的元器件有没有损坏,有条件可以使用波形法观测辅助电源的工作波形,看看是否有存在隐藏故障。在排除了以上故障后就可以判断是否出现没有驱动脉冲的故障,其中涉及了是否出现了保护,在一些焊机中,还有枪开关电路,它的工作异常也会出现没有输出脉冲。金属加工微信内容不错,值得关注。对于这个问题一般要借助于示波器,观测驱动脉冲的情况。在这个故障中我们也可以使用电压法,检查焊机各个部分的供电情况,以帮助排除故障。
3.无高频
这个故障针对于氩弧焊和切割机。
故障分析:A. 无输出引起的无高频。B. 高频电路损坏引起的无高频。C. 连接线脱落或松动引起的无高频。
故障处理:
对于无输出引起的无高频,修复无输出故障就可以输出高频。高频电路损坏的情况下,一般可采用电阻法和替换法检测高频电路,查出损坏器件以修复故障。由连接线脱落引起的故障,则检查连接线,确保连接线连接正常就可以排除故障。
再补充几个简易分析解决技巧
1.故障现象:亮电压异常指示灯
引起原因1:由于开机动作过慢,开关接触不同步引起。
解决方法:可关机后重新再开机。
引起原因2:供电电压缺相或输入电压过高或过低(大于440V,或低于320V),超出焊机正常工作范围。
解决方法:用万用表测量输入电压,交流三相380V是否正常?
2.故障现象:风扇不转,同时亮电压异常指示灯
引起原因:供电电源缺相
解决方法:用万用表测量输入电压,交流三相380V是否正常?
3.故障现象:风扇不转,同时亮温度异常指示灯
引起原因:风扇损坏,引起IGBT模块发热。
解决方法:打开机箱,更换风扇。
4.故障现象:温度异常指示灯亮
引起原因:超过额定负载率使用,IGBT温度超出正常使用范围,自动报警。
解决方法:可空载开机,让风机自动散热,IGBT降温后即可恢复正常工作。
为避免IGBT升温过高,请按说明书标注的额定负载率使用。
5.故障现象:电流异常指示灯亮
引起原因一:如果是空载出现此现象,或焊接电流并不大却常常出现此现象。说明过流报警环节太灵敏。
解决方法:换电路板。
引起原因二:如果长时间工作于大电流状态,引起电流异常指示灯亮。请立即关机待机内温度下降后再开机,如重新开机后仍不能恢复正常,说明电焊机内IGBT或主变压器已经损坏。
6.故障现象:开机后电压表上空载电压指示值偏低(小于65V)
引起原因一:显示电压表指针有偏差。
解决方法:用万用表直流电压档测量(+),(—)两快速接头端之间电压值,在65V-75V之间。说明本机空载输出正常。换显示电压表头。
引起原因二:交流接触器不吸合。
解决方法:查出原因,代换相应元器件。
引起原因三:某一只IGBT开路。
解决方法:用万用表下流电压档测量(+),(—)两快速接头端之间电压值,在30V-45V。说明全桥方式的逆变电路中有一只IGBT管已经开路,查出损坏的模块,换新的模块。
7.故障现象:空载时显示电压值为0
引起原因一:电压表引线已断或显示表已坏。
解决方法:用万用表下流电压档测量(+),(—)两快速接头端之间电压值,在65V-75V之间。说明本机空载输出正常。关机后用万用表电阻档测量电压表两根引线分别到(+),(—)两快速接头端是接通的,说明引线未断,则可能是电压表已坏,换表。金属加工微信内容不错,值得关注。
引起原因二:电路和板上元件损坏。
解决方法:查出损坏的电路板,换电路板。
引起原因三:IGBT已损坏。
解决方法:关机拆下IGBT管,判别IGBT管是否已经损坏。并换之。
8.故障现象;电流不稳或焊接效果不好
引起原因一:焊机内某些零部件接触不良。(例:IGBT引线端松动。电解电容两端平衡电阻脱落等。)
解决方法:打开机箱,查找故障点,重新连接好。
引起原因二:面板上“推力电流”“引弧电流”旋钮调节得不合适。
解决方法:一般焊接时请把“推力电流”“引弧电流”旋钮调节到最小位置。
引起原因三:如果WSM型脉冲氩弧焊机在手工电弧焊时电流不稳。
解决方法:请查一下前面板上,“直流”,“脉冲”开关,在手工电弧时应当指向“直流”。否则要发生振荡.
9.一般常见电焊机(根据不同电焊机不同操作方式)维修步骤:
一、IGBT爆,主板LM317对地2.7K电阻变大导致22V电压升高后IGBT爆管,更换IGBT和改1/16W电阻为1/8W,是设计缺陷,如此修理2台后使用5年未坏!
二、电流时有时无电流调节不起作用!检查换向无极电容380V0.56UF爆,更换正常,修理3台
三、电焊机无电流或很小输出其它正常,检查面板遥控和机控开关是否坏,修理4台
四、无输出检查电焊机主板上IR9630,IR630,4个MOS是否坏了2个更换,修理2台
五、过热风机坏!
如何使用示波器快速维修与CPU及总线相关电路
用普通万用表无法判断CPU的时钟振荡是否建立。更无法测量时钟频率
,对于总线信号以及其他辅助脉冲信号也无法直观测量。所以往往采取大致判断,逐个更换的办法,维修效率自然不高,如果是遇到疑难故障,还会耗用大量的时间。但是用示波器来检测,我们将会发现,检测时间大大缩短。故障定位速度和准确度比用其他传统方式高得多。
检修CPU和总线电路故障的基本检测点如附图所示(A~N为检测顺序)。
附图比较全面地反映了彩电CPU与其他电路的相互关系,但是一台具体的电视机不会包括框图中的全部电路。例如有的电视机只有一对读写EEPROM总线。又例如有的电视机全部采用总线控制,没有PWM控制信号,现在的单片机没有独立的字符振荡电路等。
对各检测点的检测要点简要说明
(1)CPU的工作电源主要观察电源纹波,如果发生电源滤波电容失效、稳压电路异常等故障,将会导致CPU工作异常。可能发生开机速度慢。或者CPU出现反复复位,导致CPU的待机控制输出电压在待机与开机之间反复转换,或者继电器抖动并发出异常响声。可以用示波器DC耦合方式直接读取VCC电压值,方法是“数垂直方向的格子”再折算电压值,而不必再换用万用表去测量电压。
(2)复位电路 一般只需要测直流电压。如果需要观察复位过程,则需要用双踪示波器进行观察,由于复位时间在毫秒数量级,观测时有一定的操作难度。
(3)时钟振荡电路 其观察到的信号频率就是石英晶体上面的标称值。我们应该学会数水平方向的格子,读取信号的周期后就可以计算其频率。注:测量时应该将示波器的探头衰减开关置于10:1的位置,提高探头的输入阻抗(10MΩ),否则由于探头的负栽效应导致时钟电路停止振荡。
(4)总线信号SDA、SCL,在开机的瞬间,CPU一定需要通过总线读取EEPROM里面的数据。决定电视机的开机工作状态(节目位置、音量等模拟量的太小)。其幅度的大小就是电源VCC,例如CPU为5V供电,SDA、SCL波形幅度则为5Vp-p(峰-峰值)。
(5)第二对总线用于控制除EEPROM以外的其他电路,开机的时候CPU需要通过该总线将控制数据传送到相应电路单元,例如光栅几何失真校正电路、AV/TV转换电路、音效处理电路、频率合成高频头等。
(6)键盘控制电路 早期的电视机采用键盘扫描控制方式,用示波器测量该信号非常方便。其波形也是幅度为VCC的脉冲。目前的电视机多数是电压比较输入方式,也可以用示波器进行测量,观察直流电压的幅度和稳定性。如果电路异常,将会产生波动,例如按键漏电等故障。
(7)遥控信号 幅度等于VCC的脉冲。
(8)PWM信号,即脉冲宽度调制信号 幅度等于VCC的脉冲。
(9)字符定位脉冲信号 分别输入经过整形的行、场脉冲,幅度约等于VCC的脉冲。
(10)字符振荡信号 一般是在需要显示字符并同时输入了字符定位脉冲信号的条件下才发生振荡。如果满足上述条件仍无振荡。则是CPU或者外围电路故障。
(11)CPU输出的字符显示信号 幅度等于VCC的脉冲。
(12)AFT输入信号 在检修自动搜索不能保存节目的故障时,观察该信号的变化幅度及变化范围有一定的帮助。
(13)节目识别信号CPU的节目识别一般有两种方式,即脉冲计数方式(检测单位时间内行同步信号的个数)和电压识别方式。在检修自动搜索不能保存节目的故障时,观察该信号波形或者电压变化范围十分方便。
(14)保护控制输入端 通常为高电平输入,发生故障时则输入低电平。测量直流电压即可分析是否进入保护状态(注:常见CPU的工作电源VCC为5V或3.3V)。
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