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作者:楊哲彰(2005-01-17)﹔推薦:徐業良(2005-01-17);最後更新(2006-02-16)
附註:本文為九十三學年度元智大學機械系「自動化機械設計」課程教材。

電路檢測基本工具操作介紹

在機電整合產品設計中,設計者必須具備基本的電路設計與檢測工具操作的能力。本文介紹電路檢測中經常使用的基本工具,包括三用電表、電源供應器、示波器、和信號產生器,並說明其操作方式。

1.     三用電表

三用電表是電路設計與製作時不可或缺的基本檢測工具,大部分的電路檢測項目都可藉由三用電表達成。圖1為數字顯示型與指針式三用電表,由於目前新式的數位式三用電表較為準確,因此傳統指針式的三用電表已較少使用,但指針式的電表仍比數位式電表耐用,在不確定情形下較不容易因為人為的操作失誤而損壞,仍然有實用的優點。各廠牌型號功能以及配置上可能有所出入,但皆具備最基本的電壓、電流、與電阻量測功能。

1. 三用電表

使用電路量測儀器時,首先需注意絕緣安全性,檢查探棒是否有電線外漏、絕緣包覆部分破損等情況,且使用時使用者最好穿著鞋子,不可赤腳,以避免意外電擊發生的可能。

(1)   電阻量測

將探棒插入三用電表插孔上(黑→COM,紅→VW),接著將中央旋鈕撥至W區域(如圖2),此區域提供各個不同的量測阻值範圍(即上限),使用者可撥選至適當的檔位,再將探棒跨接(並聯)至電阻或待測電路兩端即可。良好的使用習慣應先將檔位調至最大值,再逐漸往下調整至適當的檔位以獲得較佳的解析度;此外若待測電阻值超過檔位上限,字幕則通常會顯示1OL表示超出量測範圍。若要量測電路阻值,需將電路上的電源切斷,以免造成量測結果誤差或損毀電表

2. 電阻檔位切換與操作示意

(2)   短路測試

短路測試的概念與電阻量測相似,當待測物的電阻值很低的時候,即可視為短路。短路測試選項功能位於W區域內(如圖2最下端檔位),此檔位通常與二極體檢測功能合併,若待測物兩端為通路時,電表會發出嗶嗶聲,表示短路。

(3)   電壓量測

三用電表的電壓量測方式與上述電阻量測相似,將檔位換撥至V區域即可,使用時須注意選擇為直流或交流模式,如同電阻量測時的安全使用習慣也必須再次強調,應先將電壓檔位撥至最大值,再依序下降至適當檔位。以三用電表量測變壓器線圈電壓時,在電表未移開前切勿將變壓器電源切斷,因為線圈切斷電源的瞬間其感應電壓可能會損害電表。

(4)   電流量測

量測電流時須將紅色探棒換插入至三用電表電流插孔(標示為mA或數A不等),為求電流量測的準確度與安全性,三用電表通常會設計兩個電流量測插孔,一個用於較小的電流量測(通常不超過數百毫安培),以及另一個較大的、通常可達10A20A的插孔。量測電流時,電表需與待測電路串聯才可量測(將電路斷開,如圖3),需特別注意的是,量測電流時先使用安培數較大的插孔,若量測值較低,則可將探棒改換至小電流量插孔,以免電表意外燒壞。量測電流時切勿讓電表與待測電源短路,這樣很容易讓電表燒毀。若電表此功能有異狀,可拆開檢查保險絲是否斷路。此外一般廉價的三用電表並沒有交流電流量測的功能,欲量測交流電流,需使用較高級的三用電表。

勾表也可量測電流,使用時僅需將待測電路的電線置於勾表虎口內即可,由於此非接觸方式不必斷開電路,且絕緣性較佳,因此常用於市電系統或高壓電路之量測(圖4)。於量測市電AC電流時,僅能勾入將L相或N相電線之任意一條線,若同時將LN相兩股線勾入量測的話(例如一般AC電源線),由於兩股線的電流方向相反,彼此的外部磁通會抵消,因此勾表將量不到任何數值。

3. 量測電流操作示意

4.勾表

(5)   二極體測試

此功能可量測二極體的順向電壓(forward bias voltage),以及檢查二極體正常與否。將紅色與黑色探棒分別接至VWCOM插孔,並將電表旋鈕撥至檔位,接著把紅色探棒接至二極體正端(A),黑色探棒接至負端(K),此時即可由電表讀出該二極體的順向電壓(通常約0.3V0.7V之間)。LED之極性也可由此方式判定,當LED亮起時,即為順向。

此時若反接探棒(紅è負端,黑è正端),若電表顯示1OL則表示此二極體是正常的,若顯示為其他數值,則表示二極體短路。若正反測二極體,電表皆顯示1OL,表示此二極體為開路。量測二極體時須注意的是,若待測二極體已經裝設於電路系統上時,量測時電路必須切斷電源,否則將影響量測準確度。

(6)   電晶體型式判定與hFE

使用電晶體(bipolar junction transistor)時,必須知道電晶體的形式(PNPNPN)以及腳位(EBC各極的順序),判定電晶體形式與腳位最保險的方式,便是找出該元件的規格表(datasheet),但是在沒有規格表的情況下,使用三用電表仍可判定電晶體的型式。

由於電晶體中基極(B)對於其他兩極為順向導通,因此採用前述量測二極體之方式量測,若使用的是數位式三用電表,將檔位轉至檔位,以探棒量測電晶體之任意兩極,會發現其中一極相對於其他兩極,呈現順向導通狀態,則此極必為基極(B),且數字較高的為射極(E),低的為集極(C);此時,若基極的探棒為紅色(+),則表示此電晶體為NPN,反之則為PNP。對於TO-220TO-3等封裝形式的電晶體,其集極(C)接與外殼金屬部分相通,因此只要找出基極(B)後,射極(E)集極(C)為何者也就知道了。

若使用的是指針式三用電表,將探棒任意量測電晶體的任意兩隻腳位,此時電表讀數為低阻值,而接著移動紅色探棒(+)至第三腳時,電表讀數仍為低阻值,則此電晶體為PNP型式,且黑色()探棒端為B基極。同理,若移動的是黑色探棒,電表讀數為低阻值,則該電晶體為NPN,且紅色端為B基極。

三用電表亦可用於量測電晶體的hFE值(電流增益比),先選定電晶體型式(PNPNPN),再依該待測電晶體各極腳位順序插入插孔(如圖5),電表顯示的數字即為待測電晶體共射極電路之直流放大率。

5. 電晶體hFE量測

(7)   電容值量測

有些數位式三用電表也有量測電容值的功能,將檔位轉至該檔位區,依選定適當範圍,將電容器的接腳依極性插入插孔即可(一般電解電容其正極接腳較長,且負極端會於包裝上印有圖樣表示)。

2.     DC電源供應器

大部分的電路設計與製作實驗中,都需要直流電源供應,本節將以GW GPC-3030D直流電源供應器(圖6)為例,介紹其操作與使用方式。

6. 實驗型直流電源供應器(GW GPC-3030D)

7為電源供應器的面板簡圖,此機型具備兩組(MasterSlave)各自獨立的可調式電源輸出(DC 030V,最大輸出電流3A),其電壓值與電流值可於視窗中顯示,視窗中央部份的撥鈕可切換顯示電壓值或電流值;除了這兩組可調式輸出外,面板右下角處另提供一組固定的DC 5V輸出,其最大輸出電流同樣為3A

7. 實驗型直流電源供應器面板(GW GPC-3030D)

一般使用情況下,輸出電壓由使用者設定,連接負載後,由電壓旋鈕調整電壓大小。電流輸出則會依據負載端情形變化,但可由電流旋鈕給定最大輸出電流上限,當負載達到此電流上限時,即使繼續增加輸出電壓,輸出電流仍舊為此上限值。面板上的C.C.C.V.燈號為電源輸出狀態指示,一般使用時通常為C.V.定電壓狀態,意指不管負載端如何變化,電源供應端恆定輸出使用者所設定的固定電壓,若負載端電流達到使用者設定的最大值時,則C.C.定電流燈號會亮起;此外,當負載端發生短路時,C.C.燈號也會亮起,電源供應器會自動跳脫為短路保護狀態。

電源供應器面板中央處Tracking按鈕可設定兩組可調輸出的工作模式,一般使用時為INDEP模式,即兩組輸出各自獨立,當使用者需要較高的電壓或電流供應時,可由此處將這兩組電源相互設定為Series(串聯)或Parallel(並聯)模式。舉例來說,當使用者需要45V的電源時,單獨的輸出是不夠的,因此可設定為Series模式,因此便可輸出最大60V電壓;同理,選擇Parallel可以得到6A的最大輸出電流。如圖8所示,當設定為並聯或串聯輸出時,需將面版下方Master端的負極與Slave端的正極相接,電源便以Master端的正極與Slave端的負極與負載連接,此時電源由Master端旋鈕控制,Slave端則變成從動,顯示字幕的數值亦變為同步。

8. 電源供應器輸出連接方式

3.     示波器

電路實驗中,示波器可用來檢測電路訊號波形,頻率等特性,圖9為目前常用的數位式(左)以及類比式(右)示波器,除了性能上的差異外,兩者最大不同是數位式示波器採用LCD液晶顯示器,而類比式顯示器為CRT陰極射線管顯示器。

        

9. 數位式與類比式示波器(GW GDS-820CGW GOS-622G

(1)   調整顯示屏幕

就類比式的示波器(以GW GOS-622G為例,操作介面如圖10)而言,開機使用時首先需調整顯示屏幕,如調整顯示幕下方的FOCUS(畫面聚焦)與INTENSITY(光軌跡強度)等,接下來進行軌跡歸零動作,將所選擇的輸入頻道(CH1CH2)訊號模式切換至GND,此模式下訊號直接於機內接地,便可由垂直以及水平調整欄位中的POSITION旋鈕來調整軌跡準位。

10. GW GOS-622G示波器主要調整介面

(2)   訊號顯示模式選擇

10GW GOS-622G示波器主要調整介面。中央MODE為訊號顯示模式選擇,可分為CHICH2DUALADD四種模式,除了可選擇顯示CH1CH2的訊號外,DUAL同時顯示CH1CH2的訊號,ADD模式下則會將顯示CH1CH2訊號相加成後的波形(圖11)。CH2 INV鈕可將CH2的訊號以反相(inverting)方式顯示。

11. 訊號顯示模式說明

(3)   訊號模式選擇

AC/DC切換鈕提供兩種訊號輸入方式,一般情形下選擇DC檔位時,訊號直接耦合至示波器內部;而有時候由於外部干擾等因素(例如地電位浮動),會使單純的交流信號參雜直流成分(可參考圖17),此時可切換至AC檔位時,訊號先經由串聯的電容後再進入示波器,因此訊號中的直流成分將被濾除,確保出原本的交流波形。

(4)   訊號軸與時間軸調整

10中垂直欄位(Vertical)的VOLTS/DIV旋鈕與水平欄位(Horizontal)中的TIME/DIV旋鈕分別調整顯示幕訊號軸(垂直)與時間軸(水平)的刻度大小,垂直軸為振幅(電壓),水平軸為時間間隔,使用者可視需要調整至適當刻度範圍。例如當調整TIME/DIV0.2ms時,即表示顯示屏幕上水平軸每個刻度間隔為0.2msVOLTS/DIV垂直軸調整依此類推,如圖12為一個500Hz三角波輸入下以不同軸刻度顯示其波形。訊號軸與時間軸個別旋鈕下亦有VAR旋鈕,可針對軸刻度進行微調。一般情況下為定量量測,此時須向右旋轉歸零到底,否則數值將會有所出入。

12. 垂直軸與水平軸調整

(5)   X-Y模式

TIME/DIV轉至X-Y模式時,示波器顯示的波形將以CH1的訊號為水平軸(X),CH2的訊號為垂直軸(Y)顯示。例如「利薩如(Lissajous)」圖形即可由X-Y模式下,以CH1CH2皆為正弦波,且頻率互為整數比的情況下測得(圖13)。

13. 利薩如圖形

(6)   放大訊號

連接示波器的探棒上有×1×10個模式切換,正常情況量測下用×1,若訊號相當微弱時,可切換至×10以方便圖形與數值讀取,但是輸出記得要縮減10倍。水平欄位中的×10 MAG,可將水平掃描軌跡長度延伸10倍,但來回掃描的時間依舊不變,對於細微變化,或極高頻的訊號,可利用此功能方便觀察。

4.     信號產生器

在處理訊號的電路實驗上,經常需要由儀器產生模擬的訊號,信號產生器(Function Generator)便可以提供各式各樣的訊號。圖14GW公司GFG-8050信號產生器,圖15為操作面板示意圖,以下將以此機型為例,介紹其基本的功能。

14. 信號產生器(GW GFG-8050)

15. 信號產生器操作面板(GW GFG-8050)

(1)   波形選擇

15中面板右上角處為波形選擇,可選擇正弦波、三角波、或方波等三種。

(2)   頻率調整

面板上頻率範圍欄提供許多頻率檔位,以提供輸出不同頻率範圍的波形,左下角處最大的旋鈕為頻率微調鈕,可針對所選定的頻率範圍檔位進行細微調。

(3)   振幅調整

面版下方AMPL旋鈕可調整輸出波形的振幅,若旋鈕拉起時,會將原信號衰減20dB後,再提供振幅微調;面版右邊ATTENUATION則提供固定振幅衰減,有-10dB-20dB兩個檔位。

(4)   波形對稱度調整

面版下方SYMMETRY旋鈕可調整波形對稱度(如圖16),旋鈕拉起則可產生相反方向的不對稱波形。

16. 波形對稱度調整

(5)   直流偏移

一般情形下信號產生器輸出波形皆為純粹交流訊號,OFFSET直流偏移功能可將原本交流訊號加入直流成份,拉起旋鈕後即可調整(如圖17)。

17. 波形直流偏移

(6)   脈波突發寬度(Burst Width

此旋鈕平時為關閉,旋鈕拉起後則開啟突發脈波,可將原本的信號變成脈波輸出,該旋鈕可調整此脈波的寬度與間格時間,愈往左邊調整,則脈波寬度愈寬,時間間隔愈小,愈往右邊則脈波寬度愈窄、時間間隔愈長。

5.     其他補充說明

(1)   同軸電纜線

示波器或信號產生器所連接的信號線(探棒)為同軸電纜線設計,且採用「BNC」接頭,此接頭與端子有良好的接觸效果,可以降低接觸阻抗。同軸電纜結構如圖18所示,中心部份為傳輸訊號的導體,外層以絕緣塑膠包覆後,再披覆上金屬隔離網,這層隔離網不但作為訊號接地外,隔離網所形成的表面相對於中心訊號線部份為零電位面,使訊號免於雜訊干擾,具有雜訊屏避的功效,因此同軸電纜線具備較優異的雜訊屏避效果。但是同軸電纜線設計有一個性質必須特別注意,由於訊號線被外層地線(隔離網)緊密包覆,造成線材本身會有電容效應,其電容值約達數十個pF,把這條帶有些微電容效應的信號線與待測電路連接,即為一個電容(C)與負載(R)並聯,就成為一個簡單的低通濾波器。因此當同軸訊號線要傳送相當高頻率的信號時(如數個MHz),會因為線材的電容效應,使得高頻信號衰減,造成量測上的誤差,使用時必須注意。

18. 同軸電纜與BNC接頭

(2)   接地

接地在交流配電中更是相當重要的一部分。接地理論上必須是絕對零電位,相當於所有電力或訊號的參考基準點,也是雜訊屏避的必要手段,不良的接地,會造成地電壓飄移,雜訊侵入等問題以致於影響電路性能。在電路實驗中,所有的接地點應該都要共同連接,以得到均一的參考電壓。此外,視為地線的電路應避免使用過長的連接線,而使地線內阻抗太高而造成電位偏移。