原创 泰 克 示 波 器 与 点 火 特 性 测 试

泰 克 示 波 器 与 点 火 特 性 测 试

摘 要：示波器是捕捉、显示、测量与分析动态时域过程最常用的基础设备之一。经过数十家企业多年实际应用证明：美国泰克公司生产的TDS1000/2000/3000(B)系列示波器具有高可靠性、高保真度和抗干扰能力强等特点，已成功的用于随机性显著、电磁干扰很强的汽油机点火技术特性工业现场测试中。<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

关键词：示波器；点火技术特性；电磁干扰

TEK Oscilloscopes and The Test of Igniting Characteristic

Ma Fa-cheng

(Chinese-German Vocational Technology Institute     300191    Tianjin)

Abstract: The Oscilloscopes is basic Equipment for the capture, display, measure and analysis of dynamic time-domain process in common use. It is proved by practice through several ten companieses in the last yearses: TDS1000/2000/3000(B) Oscilloscopes from the Tektronix company have characteristics of high reliability, high fidelity and strong anti- interference ability etc. These Oscilloscopes have used successfully to test of product quantity with igniting characteristic.

Key words: Oscilloscope; Igniting Characteristic; Electromagnetism interference

一：概述

由于工作的需要，笔者使用泰克示波器已有三十余年。从七十年代的7834记忆存储示波器,7904模拟示波器到八十年代的2432A数字存储示波器，一直到现在的TDS1000/2000/3000(B)系列数字存储（荧光）示波器。亲身经历了泰克示波器发展的重要历史。

近十余年来，笔者进行了汽油机点火技术特性测试设备的研究与开发。在这个过程中，作为基本测量设备——示波器的正确选型是一个十分重要的工作内容。对此，我们深有体会。

根据相应技术标准，对汽油机众多点火系产品进行定量的点火技术特性测试是确保产品质量，进而与车辆的动力性、经济性和环保特性紧密相关的重要工作。在点火系及其产品的检测标准中都明确规定，示波器是必备的测量仪器之一。但是，与其他的时域波形不同，点火特性参数呈现出很多独有的特点。它主要体现在高电压弱电流、强大的电磁干扰、陡峭瞬变前沿和随机因素很多等方面。这样，就对示波器提出了比较严格的要求。特别是近几年来，示波器在数字化、智能化等方面有了飞速的发展，其价位也在不断攀升。国内数百家汽车、摩托车点火器件生产企业要建立自己的测试手段，由定性观察提高为定量测试，其首要因素是示波器的性能与价格。

近些年来，为了选择即性能可靠适用于点火测试，而又价位适宜能被大多数企业所接受的示波器，我们的确做了不少工作，试用过近十个厂商生产的十多个型号的示波器。这其中，既走过一些弯路，也得到过泰克公司良好及时的技术支持。这几年的实践证明，泰克公司生产的TDS1000/2000/3000(B)系列数字存储（荧光）示波器既有很高的可靠性，又有优异的保真度，同时具备强大的抗干扰能力，能在电磁干扰显著的测试现场长期工作。另外，它们还有很高的性能价格比。特别是TDS1000/2000系列数字存储示波器，更是点火器件生产厂进行点火特性测试的首选仪器。

下面，我们就着重从技术角度，具体说明TDS1000/2000/3000(B)系列数字存储（荧光）示波器在点火技术特性测试方面的应用。

二．系统构成及其对示波器的要求

图（一） 点火特性测试系统构成简图

图（一）给出了最基本的点火特性测试系统构成图。它的被测产品是汽车用点火线圈。主要测试参数有：不同负载条件下的线圈次级输出高压、火花（齐纳）放电电压、火花（齐纳）放电电流和初级断电电流等数十项技术指标。

图（一）中，（1）是TDS1000/2000/3000(B)系列数字存储（荧光）示波器（此台为TDS1002示波器）。它的功能当然是捕捉、显示、测量和分析点火线圈产生的点火特性测试参数的时域波形。（2）是泰克公司生产的电流测试系统，由两部分组成。左侧称之为TCPA300型电流放大器，右侧为TCP305型电流探头。其主要技术指标是：带宽DC—50MHZ、电流量程50A。其功用是将点火线圈产生的脉冲电流信号变换为电压波形，并输送给示波器的输入端。（3）是泰克公司制造的P6015A型高压探头。其主要技术指标是：带宽75MHZ、输入电压40KVP、1000×衰减。作用是将点火线圈产生的高压脉冲信号衰减1000倍后输送给示波器。（4）是点火线圈的点火装置。它主要包括方波信号源、直流电源和电子点火器等。其主要功能是使点火线圈次级产生高压输出。（5）是三极放电探针。它是点火线圈次级高压输出负载的形式之一，主要为了测试点火能量而设置。（6）是被测产品—点火线圈。它是汽油机点火系中最常用、最基本的器件之一。

测试系统对示波器的要求主要有下述几个方面：

1．必须保证捕获信号的完整性。也就是说，重建的点火参数时域波形要有良好的保真度。在实际应用时，虽然示波器扫描速率的设置并不要求很高（每格几十微妙到每格几毫秒），但点火波形却有很明显的特殊性。从时域特性来看，既有非常陡峭的尖峰，又有很长的平坦段，而且波形参数（周期、峰值、相位）的稳定性都很差。从频域特性而言，它与周期重复信号的离散谱大不一样，更多的呈现为瞬态脉冲波形的连续谱，既有较低的低频分量，又有丰富的高频成分。这样就必须对示波器的实时采样速率、波形捕获速率、存储深度、频响特性、触发方式和读写功能等诸多方面进行综合考虑，以确保点火波形测试的保真度。

2．示波器必须有很强的抗电磁干扰能力。在点火测试过程中，必然伴随着高频干扰电磁场的产生。其电压高达60仟伏到80仟伏。特别是在三极放电探针负载被击穿产生电离放电的瞬间，对数字电子设备的干扰更为明显。此时，一到两米之内的普通商用计算机都会产生“死机”现象。在这个问题上，我们曾做过很多实验，想过不少办法。例如，屏蔽试验设备，给示波器加铁外壳等等。由于各种原因，均以失败而告终。最后还是回到寻找一台能够在强电磁场干扰下可以正常工作的示波器的思路上来。

3．示波器应该具备很高的可靠性和良好的易用性。在点火系产品的测试现场，尽管都是在室内，但是比起实验室来，在温度、湿度控制，振动、噪声、接地条件、场地环境各个方面的条件都要差的多。另外，使用示波器的现场操作人员，大部分对被测产品比较了解，但对示波器却相当生疏。如果示波器用起来相当“麻烦”，对他们来讲，则是一件很“头痛”的事情。所以，要求示波器既要“抗造”又要“好玩”。

4．最后一个方面，则是要求示波器能够与计算机实现数据传输，以便完成信息的后处理。在点火特性测试中，有若干项指标都涉及到能量测量。另外，必须建立一个数据库，以记录多次测试的点火系产品的测试数据。这样在示波器上就必须配备一种通讯接口，把示波器的数据传输到计算机上，再通过运行应用软件，实现数据的分析处理。

上述这几个要求，对于点火测试而言，都是十分必要的。但对于示波器来说，完全符合要求则很不容易。特别是前两项要求，实现起来难度更大。有些高档示波器，尽管智能化程度很高，价格也很高，但一打火就“死机”，根本无法工作。而另一些示波器，虽然售价较低，但保真度和抗干扰能力都较差，只能勉强完成部分高压参数的测量。泰克公司生产的TDS1000/2000/3000(B)系列数字存储（荧光）示波器则不然，它们完全符合上面的要求，可以很好的胜任点火技术特性的现场测试。特别是TDS1002和TDS2014两款示波器，以其优异的性能价格比，更受众多点火系产品生产企业的欢迎。

（三）。测试实例及其分析

下面给出了几个应用TDS1000/2000/3000(B)系列数字存储（荧光）示波器实测得到的点火线圈的点火特性测试波形。以这些波形为例，结合上述示波器在点火特性测试中表现出来的独特优势作下面的简要分析。

图（二） TDS1002捕获的火花电压波形                 图（三） TDS1002捕获的火花电流波形

图（二）给出了TDS1002示波器捕获的以三针放电器为负载的火花电压波形。示波器设置为：2KV/div(1000×)、1ms/div。图（三）给出了TDS1002示波器捕获的以三针放电器为负载的火花电流波形。示波器设置为：50mV/div(5A/V)、1ms/div。首先要说明的是：根据图（一）所示，三针放电器负载的火花间隙距离示波器的中心只有35厘米。在这样近的距离下，当电离放电，产生很强的电磁干扰时，示波器仍然能够长期连续正常工作，从未出现过“死机”、“乱屏”等现象。这足以说明示波器具有很强的抗干扰能力。另外，这两个波形都是在每分钟2000转的标准转速下测得的，其理论周期为33ms，但能量释放有效时间（火花电流持续时间）仅为1.7ms，占空比只有0.05。对应于能量释放有效时间的起始时刻，图（二）、图（三）都有一个峰值高出火花电压（电流）值几倍到十几倍的十分陡峭的尖峰。从点火机理而言，它们分别对应于着火电压和电容放电电流，是整个波形的必要组成部分。由于TDS1000/2000/3000(B)系列数字存储（荧光）示波器具有良好的保真度，所以被测信号的各个部分都被不失真的记录下来，保持了信号的完整性。对比实验证明：有些示波器很难做到这一点。或是捕捉不到尖峰的峰值，或是拖出一个“长尾巴”，“淹没”了放电段的波形，也可能会上下“乱颤”，致使波形严重失真，无法完成能量测试。（作者声明：上述对比实验都是在同一实验条件下完成的。即首先保证电压、电流探头有足够的带宽，可以不失真的变比波形。而且实验中只更换示波器。）

图（四） TDS1002捕获的次级高压波形              图（五） TDS3012B捕获的摩托车点火波形

图（四）是在图（一）所示实验条件下，TDS1002示波器捕获的点火线圈次级输出高压波形。示波器设置为：5KV/div(1000×)、100μs/div。在现场条件下，有的汽车点火线圈次级空载输出电压可能高达   60KVP—P，摩托车点火线圈次级空载输出电压可以高达80KVP—P。而且，由于试验装置、现场条件等原因，波形参数（周期、幅值、相位、占空比等）的稳定性比较差，搀杂有很多不确定的随机因素。另外，脉冲高压沿高压线向外辐射，形成交变电场，造成一定的共模干扰。测试现场客观存在的这些问题，很可能给示波器的使用带来一些问题。特别是，当工作现场接地不良时，更会对示波器造成严重考验。TDS1000/2000/3000(B)系列数字存储（荧光）示波器在这样的环境下都能长期连续工作，表现了很高的可靠性。自2002年泰克公司推出上述几款示波器以来，经我们介绍或通过我们售出的应用于点火特性测试现场的几十台TDS1000/2000系列示波器无一返修，其可靠性可见一斑。

图（五）是TDS3012B数字荧光示波器捕获的摩托车点火线圈的火花电压（CH1）和火花电流（CH2）波形。示波器设置为：CH1  2KV/div(1000×)；CH2  100mV/div(5A/V)；扫速  40μs/div。相对于汽车点火系而言，由于摩托车是磁电机供电、电容储能，它的点火线圈的点火电压更高，点火电流更大，但持续作用时间却比汽车点火系小一个数量级。因此，点火波形的瞬变性、随机性表现的更突出，捕捉起来更困难。TDS3012B数字荧光示波器基于完全的电子数字荧光技术，采用并行处理结构，提供了更高的波形捕获速率。因而对波形的突变细节更敏感，有更好的波形保真度，确保了信号的完整性。

另外，TDS1000/2000/3000(B)系列数字存储（荧光）示波器还提供了OpenChoice软件和通信模块，使得我们可以很方便的把示波器捕获的数据传送给计算机，进行数据的分析处理。例如，生成产品测试数据库，显示、测量能量的数据表和时域波形等等。

（四）。结语

综上所述，关于泰克公司的TDS1000/2000/3000(B)系列数字存储（荧光）示波器在汽油机点火技术特性现场测试方面的应用，我们有如下看法：

1．经过几年的实践，可以确认：TDS1000/2000/3000(B)系列数字存储（荧光）示波器具备良好的信号保真度，可以确保捕获点火参数波形的完整性。同时，上述示波器还具有很好的可靠性和较强的抗干扰能力，适合于点火系产品测试现场的长期连续工作。

2．TDS1000/2000/3000(B)系列数字存储（荧光）示波器有较高的性能价格比。特别是TDS1002示波器和TDS2014示波器，泰克公司提供了更为优异的性能价格比。目前，这两款示波器几乎成为点火系产品生产厂购置点火技术特性测试设备的唯一最佳选择。

3．随着国产汽车、摩托车配件在国外市场的不断扩大和产品质量认证制度的全面推行，TDS1000/2000/3000(B)系列数字存储（荧光）示波器必将在点火技术特性测试方面发挥更大的作用，有更好的市场前景。

4．如果有可能，建议将TDS1000/2000系列示波器垂直通道（1）的垂直灵敏度扩展为10V/div，作为选配件适当加价出售。这样，使用1000×衰减的高压探头可以直读40KVP—P到80KVP—P的高压波形峰峰值。即方便了用户，又不会使厂家亏本。