了解這幾個(gè)點(diǎn) 輕松玩轉(zhuǎn)示波器！

作者： Alan Yang

標(biāo)簽 [工程] [通用][診斷][評(píng)估/開(kāi)發(fā)工具][測(cè)試 - 工具和其它產(chǎn)品]

[ 示波器 ]是電子工程領(lǐng)域中不可或缺的工具。通過(guò)掌握示波器的使用技巧和方法，工程師可以更好地應(yīng)對(duì)各種挑戰(zhàn)，提升自己的工作能力和專(zhuān)業(yè)水平。我們經(jīng)常在設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中使用到示波器。本文將介紹示波器的一些基本概念，以及如何使用示波器實(shí)現(xiàn)基本的測(cè)量。

1. 什么是示波器？

“示波器是一種電子測(cè)量裝置，它可以顯示電壓隨時(shí)間的函數(shù)圖。 這使用戶(hù)能夠同時(shí)觀(guān)察電壓和時(shí)間的變化。許多示波器可以在其屏幕上顯示多個(gè)電壓信號(hào)，這使我們具有比較這些信號(hào)行為的能力。”

[ DigiKey示波器 ]

DigiKey示波器

上圖，我們可以看到兩個(gè)觀(guān)察結(jié)果:

1. 波形的峰對(duì)峰電壓可以沿著縱軸測(cè)量。它是五個(gè)主要分區(qū)，垂直增益設(shè)置為200mv /分區(qū)(見(jiàn)黃色箭頭)，這 給出了1伏峰對(duì)峰的信號(hào)幅度。
2. 橫軸為時(shí)間，范圍設(shè)置為200μs/分頻(見(jiàn)白色箭頭)。 正弦波的一個(gè)周期跨越五個(gè)主要部分，所以周期是1毫秒，這意味著頻率是1千赫。 (這個(gè)特殊的示波器有一個(gè)計(jì)數(shù)器，在右上角顯示信號(hào)的頻率。)

• l示波器常用的功能：

1. 測(cè)量電壓、電壓差和時(shí)間間隔。
2. 測(cè)量重復(fù)信號(hào)的頻率。
3. 比較兩個(gè)或多個(gè)隨時(shí)間變化的信號(hào)，并查看它們之間的關(guān)系(例如，一個(gè)波形上的特定特征是在另一個(gè)波形上的特征之前還是之后出現(xiàn))。
4. 捕捉瞬變，故障等特別的行為。
5. 測(cè)量波形的直流和交流部分。
6. 測(cè)量波形的各種特性，如峰對(duì)峰電壓、均方根電壓、周期、上升時(shí)間、下降時(shí)間等。
7. 檢查信號(hào)上的噪聲，以及修改電路或電纜如何改變信號(hào)噪音。
8. 通過(guò)直觀(guān)地比較電路的輸入和輸出波形來(lái)尋找電路中的失真——或者使用示波器將它們相減并查看數(shù)學(xué)差異。

符號(hào)的解釋

2. 讀取示波器基本信息

• 信號(hào)與波形

就示波器而言，“信號(hào)”一詞是指可能隨時(shí)間變化的電壓。其中一個(gè)區(qū)別是信號(hào)是否具有周期性。周期性意味著信號(hào)在不同的間隔內(nèi)重復(fù)地取相同的一組值。 正弦波是周期性波形的一個(gè)例子。 讓我們來(lái)看看它的一些特征:

正弦波

正弦波

非正弦波形

非正弦波形

A - 方波

B - 脈沖波

C - 三角波

D - 斜波（也叫鋸齒波）

E - 整流正弦波

F - 平方根波（振幅與波周期開(kāi)始時(shí)間的平方根成正比）

• 屏幕格線(xiàn)

最原始的測(cè)量技術(shù)是使用屏幕上的格線(xiàn)和計(jì)算格數(shù)。

舉例

[Teledyne]的[HDO4104A]

下圖顯示了五個(gè)周期的正弦波

五個(gè)周期的正弦波

正弦波軌跡在垂直方向上覆蓋六格，乘以每格 50 毫伏 (mV) 的垂直比例系數(shù)（見(jiàn)通道 1 描述符方框），即可算出正弦波振幅為 300 mV（峰峰值）。同樣，正弦波的周期覆蓋了兩個(gè)水平的柵格，時(shí)基描述符方框中的每格為 100 納秒 (ns)，因而周期為 200 ns。

計(jì)算格數(shù)的方法似乎有些原始，但它是進(jìn)行基本測(cè)量的非?？旖莸姆椒ā?/p>

更多內(nèi)容，請(qǐng)參考：

• [在示波器上進(jìn)行快速、精確、完整的波形測(cè)量]

3. 示波器探頭

[ 探頭 ]分為很多類(lèi)型，包括：高阻抗無(wú)源、低電容、單端有源、差分有源、高電壓和電流探頭。其中，無(wú)源探頭很常見(jiàn)。

實(shí)際測(cè)量信號(hào)，有可能會(huì)很大，超出了示波器的輸入閾值。這時(shí)就需要一個(gè)帶有衰減器的探頭，比如常見(jiàn)的[10X探頭]，可以使輸入信號(hào)衰減10倍。

[Digilent] 的 [460-004]示波器探頭 1X/ 100X

還有一種[1X/10X探頭]也很受歡迎，因?yàn)樗鼈冊(cè)谔筋^體內(nèi)包含一個(gè)開(kāi)關(guān)，可以讓您在1X位置，10X位置和輸入線(xiàn)連接到地線(xiàn)的位置之間切換。 然而，1X/10X探頭的一個(gè)缺點(diǎn)是：當(dāng)您需要它處于10X位置時(shí)，您可能會(huì)意外地將它留在1X位置。 這可能導(dǎo)致定性和定量測(cè)量誤差，因?yàn)樗p不是您所期望的，頻率響應(yīng)與10X位置的頻率響應(yīng)有很大不同。

示波器通常提供 50 Ω 或 1 MΩ 的輸入端口。50 Ω 端口通常與匹配的同軸電纜配合使用，以連接到帶 50 Ω 電流源的電路元件。

使用 1 MΩ 輸入端接來(lái)連接電路時(shí)，源阻抗更高

使用 1 MΩ 輸入端接來(lái)連接電路時(shí)，源阻抗更高。這種連接可以通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)，包括直接使用電纜或 [X1 探頭]，或者使用高阻抗探頭。

DigiKey

[ 示波器探頭 ]* 探頭連接

將探頭上的開(kāi)關(guān)設(shè)為1X，將探頭連接到示波器上的通道1。要做到這一點(diǎn)，將探頭連接器中的槽與CH 1 BNC上的鍵對(duì)齊，推動(dòng)連接，并向右扭轉(zhuǎn)以將探頭鎖定到位。將探頭尖端和參考導(dǎo)線(xiàn)連接到probe COMP連接器上。

探頭連接

高阻抗探頭的低頻率補(bǔ)償

高阻抗探頭通過(guò)低頻率補(bǔ)償過(guò)程，與它們連接到的通道相匹配。對(duì)于這個(gè)過(guò)程，所有示波器都提供低頻率方波，一般頻率為 1 kHz，通常稱(chēng)為 CAL 輸出。要利用這項(xiàng)功能，請(qǐng)首先將探頭連接到所需的通道，然后將探頭尖端連接到 CAL 輸出端。觸發(fā)示波器并在屏幕上查看選定通道軌跡。使用調(diào)節(jié)工具，在探頭連接器盒中更改補(bǔ)償調(diào)節(jié)，以獲取方波軌跡上的方角，如中間的軌跡所示。

高阻抗探頭的低頻率補(bǔ)償

每當(dāng)探頭連接到不同通道時(shí)，就應(yīng)該進(jìn)行補(bǔ)償，特別是在任何關(guān)鍵測(cè)量之前。很多高阻抗探頭還提供高頻補(bǔ)償調(diào)節(jié)。通常不需要執(zhí)行這種調(diào)節(jié)。探頭手冊(cè)提供了此測(cè)試的詳細(xì)信息。

更多示波器探頭內(nèi)容：

• [了解、選擇和使用無(wú)源示波器探頭]

4. 如何使用示波實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的測(cè)量

示波器顯示電壓與時(shí)間的關(guān)系，并測(cè)試所顯示的波形。不同的測(cè)量技術(shù)，如刻度，游標(biāo)和自動(dòng)測(cè)量模式的使用。

我們使用[B&K]的[2190E]來(lái)舉例：

如何使用示波實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的測(cè)量

自動(dòng)測(cè)量模式

此模式將在自動(dòng)測(cè)量時(shí)生效。儀器在自動(dòng)測(cè)量參數(shù)時(shí)將顯示光標(biāo)。這些游標(biāo)顯示了這些測(cè)量的物理意義。

要進(jìn)行自動(dòng)游標(biāo)測(cè)量，請(qǐng)遵循以下步驟:

1. 按光標(biāo)鍵，進(jìn)入“游標(biāo)測(cè)量菜單”。
2. 按“游標(biāo)模式”單選按鈕選擇“自動(dòng)”。
3. 按“MEASURE”鍵，進(jìn)入“自動(dòng)光標(biāo)測(cè)量模式菜單”，選擇要測(cè)量的參數(shù)。

自動(dòng)測(cè)量模式

當(dāng)你進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量時(shí)，示波器會(huì)為你完成所有的計(jì)算。測(cè)量使用內(nèi)存中所有記錄的點(diǎn)，這比使用光柵線(xiàn)或光標(biāo)測(cè)量更準(zhǔn)確，因?yàn)檫@些測(cè)量?jī)H限于使用顯示器上的點(diǎn)，而不是示波器記錄的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)。

按“MEASURE”鍵，自動(dòng)測(cè)試。

有三種自動(dòng)測(cè)量類(lèi)型:電壓測(cè)量，時(shí)間測(cè)量和延遲測(cè)量?？偣灿?2個(gè)測(cè)量參數(shù)。

如果要測(cè)量電壓參數(shù)，請(qǐng)按照以下步驟進(jìn)行:

1. 按“MEASURE”鍵，進(jìn)入“自動(dòng)測(cè)量”菜單。
2. 按下第一個(gè)單選鍵，進(jìn)入“二次測(cè)量”菜單。
3. 選擇測(cè)量類(lèi)型。如果按下“電壓”單選按鈕，屏幕上會(huì)顯示“電壓測(cè)量”菜單。
4. 按“信號(hào)源”單選按鈕，根據(jù)輸入信號(hào)通道選擇“CH1”、“CH2”。
5. 按“類(lèi)型”單選按鈕，選擇要測(cè)量的參數(shù)類(lèi)型。測(cè)量參數(shù)下方會(huì)顯示相應(yīng)的圖標(biāo)和數(shù)值。

測(cè)量Vpp參數(shù)

6. 按“返回”單選鍵，返回“自動(dòng)測(cè)量”菜單首頁(yè)。選中的參數(shù)和對(duì)應(yīng)的數(shù)值將顯示在首頁(yè)的頂部位置。

您也可以用同樣的方式在相應(yīng)位置顯示其他參數(shù)及其值。屏幕可以同時(shí)顯示5個(gè)參數(shù)。

如果想使用所有測(cè)量功能測(cè)量時(shí)間參數(shù)，請(qǐng)按照以下步驟操作:

1. 按“MEASURE”鍵，進(jìn)入“自動(dòng)測(cè)量菜單”。
2. 按頂部單選按鈕，進(jìn)入“自動(dòng)測(cè)量菜單”第二頁(yè)。
3. 按“All Measure”單選按鈕進(jìn)入“All Measure菜單”。
4. 按“信號(hào)源”單選按鈕，選擇輸入信號(hào)通道。
5. 按“時(shí)間”單選按鈕選擇“開(kāi)”。現(xiàn)在所有的時(shí)間參數(shù)值會(huì)同時(shí)顯示在屏幕上，如下圖所示。

測(cè)量所有時(shí)間參數(shù)

最后

掌握示波器的使用對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)具有重要的意義。通過(guò)示波器，工程師可以更加深入地了解電路的工作原理，提高故障排查的效率，優(yōu)化電路性能。同時(shí)，示波器的自動(dòng)測(cè)量功能能夠大大節(jié)省工程師的時(shí)間和精力，使其更加專(zhuān)注于解決實(shí)際問(wèn)題。因此，作為一名工程師，學(xué)會(huì)使用示波器是必備的技能之一。

更多與示波器使用相關(guān)的技術(shù)內(nèi)容，請(qǐng)查看以下內(nèi)容：

• [通過(guò)探針測(cè)量電源噪聲]
• [什么是虛擬負(fù)載，它們是如何使用的？]
• [相位噪聲電源調(diào)制比(PSMR)測(cè)量]
• [抖動(dòng) 淺談]
• [示波器電流探頭簡(jiǎn)介]
• [8 位與 12 位示波器的基本原理以及現(xiàn)代 12 位示波器的使用方法]

小編的話(huà)

作為電子工程師必備的工具，在電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和維修過(guò)程中，示波器可以幫助我們精確測(cè)量元器件和電子設(shè)備的性能參數(shù)，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性，從而提高產(chǎn)品的可靠性和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。通過(guò)這篇文章，相信我們對(duì)示波器有了更加完整的認(rèn)識(shí)。您在使用示波器方面有哪些經(jīng)驗(yàn)和問(wèn)題？歡迎留言，分享交流！

審核編輯 黃宇