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发表于 2008-5-15
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示波器的一些基本概念，包括常用功能、符号、信号、波形和探头，以及如何使用示波器实现基本的测量0 h, J1 j: J. k! `
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' k' R! g! S' c示波器是电子工程领域中不可或缺的工具。通过掌握示波器的使用技巧和方法，工程师可以更好地应对各种挑战，提升自己的工作能力和专业水平。我们经常在设计研发过程中使用到示波器。本文将介绍示波器的一些基本概念，以及如何使用示波器实现基本的测量。
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0 o! S- E3 }3 Z( T! K b什么是示波器？
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! _7 g+ F( Q1 w+ c- z% S9 e# I; D# Y' U" D3 q3 s# p
“示波器是一种电子测量装置，它可以显示电压随时间的函数图。这使用户能够同时观察电压和时间的变化。许多示波器可以在其屏幕上显示多个电压信号，这使我们具有比较这些信号行为的能力。”2 g4 m8 K9 T/ S! Z9 U% H
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1 [4 Q4 U: v6 A5 YDigiKey示波器：9 A! @( E/ n) X' k- H. R. A
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7 @; `0 k! L1 `! b1 h1 W" e上图，我们可以看到两个观察结果：3 n: P8 S5 N* c5 B, E
波形的峰对峰电压可以沿着纵轴测量。它是五个主要分区，垂直增益设置为200mv/分区(见黄色箭头)，这给出了1伏峰对峰的信号幅度。
g% I4 B) h$ f$ ^! v5 G" p横轴为时间，范围设置为200µs/分频(见白色箭头)。正弦波的一个周期跨越五个主要部分，所以周期是1毫秒，这意味着频率是1千赫。(这个特殊的示波器有一个计数器，在右上角显示信号的频率。)
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; F( t* `, c( j6 i示波器常用的功能：3 f% q+ @% r4 M
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测量电压、电压差和时间间隔。
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测量重复信号的频率。" E6 h+ A, _( z* P3 V$ a
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比较两个或多个随时间变化的信号，并查看它们之间的关系(例如，一个波形上的特定特征是在另一个波形上的特征之前还是之后出现)。# N! n V$ a; L8 S- N
+ p2 v) C6 t% q捕捉瞬变，故障等特别的行为。/ g) a# D' P6 m+ L# Q# ~
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测量波形的直流和交流部分。
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9 O3 {) E: N" l* ~$ [ F/ J% Q测量波形的各种特性，如峰对峰电压、均方根电压、周期、上升时间、下降时间等。
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检查信号上的噪声，以及修改电路或电缆如何改变信号噪音。
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通过直观地比较电路的输入和输出波形来寻找电路中的失真——或者使用示波器将它们相减并查看数学差异。8 t6 j$ H! e' h
# N5 p! \5 C! l, G/ Y6 q2 {) R符号的解释
+ _* q5 B4 `+ H| 符号 | 含义 | G | 千兆 | Hz | 频率单位 | k | 千 | m | 毫 | M | 兆 | n | 纳 | p | 皮 | s | 秒 | S/div | 秒/格（division），示波器的时基设置(即扫描速度) | V/div | V/格（division），示波器垂直放大器的垂直增益 | Vpp | 峰对峰电压(V) | Vrms | RMS(均方根)电压(V) | Ω | 欧姆 | µ | 微 |
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读取示波器基本信息/ V6 h9 U+ G+ I5 ^% `2 L
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信号与波形
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就示波器而言，“信号”一词是指可能随时间变化的电压。其中一个区别是信号是否具有周期性。周期性意味着信号在不同的间隔内重复地取相同的一组值。正弦波是周期性波形的一个例子。让我们来看看它的一些特征：. j( |) T. p* {$ k& e" g
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正弦波：
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非正弦波形：
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A - 方波0 U9 t( F h, s9 ]2 N) n9 l% B3 s
B - 脉冲波
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: w- v* K* `7 Y* \1 fC - 三角波
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% g( N9 z$ K/ S F# KD - 斜波（也叫锯齿波）4 M+ V1 z# s- A: z
, x$ B3 V, ^. {" D0 q
E - 整流正弦波- Z2 N, r* Y: M$ r$ ^: j2 D, X
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F - 平方根波（振幅与波周期开始时间的平方根成正比）
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屏幕格线$ z% \4 K" h2 o1 \7 V2 g; A
9 h: T0 P3 a# U4 S' T+ T( z最原始的测量技术是使用屏幕上的格线和计算格数。
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Q$ F3 r* f& C5 @: q' N举例：# [3 z* t/ t3 T' S% E4 B8 p8 g
( b# c0 M0 q- h2 K6 P* }. [Teledyne的HDO4104A
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下图显示了五个周期的正弦波：
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, O+ f+ m; h6 z" U正弦波轨迹在垂直方向上覆盖六格，乘以每格50毫伏(mV)的垂直比例系数（见通道1描述符方框），即可算出正弦波振幅为300mV（峰峰值）。同样，正弦波的周期覆盖了两个水平的栅格，时基描述符方框中的每格为100纳秒(ns)，因而周期为200ns。$ D( O8 m, Q8 q( U9 _$ F: C: T
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计算格数的方法似乎有些原始，但它是进行基本测量的非常快捷的方法。
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示波器探头; J/ G* g' {' F- j% C* n/ T
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8 H3 J0 ~& p8 E7 \1 k探头分为很多类型，包括：高阻抗无源、低电容、单端有源、差分有源、高电压和电流探头。其中，无源探头很常见。) z+ A, d8 P9 b; @) y5 j
! b7 i, V! Q6 i0 B实际测量信号，有可能会很大，超出了示波器的输入阈值。这时就需要一个带有衰减器的探头，比如常见的10X探头，可以使输入信号衰减10倍。1 @# C5 F' y: B
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Digilent的460-004示波器探头1X/100X: Y% j6 ]+ {% F+ x
& \7 P4 z! I+ V |2 K6 ~还有一种1X/10X探头也很受欢迎，因为它们在探头体内包含一个开关，可以让您在1X位置，10X位置和输入线连接到地线的位置之间切换。然而，1X/10X探头的一个缺点是：当您需要它处于10X位置时，您可能会意外地将它留在1X位置。这可能导致定性和定量测量误差，因为衰减不是您所期望的，频率响应与10X位置的频率响应有很大不同。5 S5 z5 I' G- H
2 D/ G. u; C0 r" f" d( }示波器通常提供50Ω或1MΩ的输入端口。50Ω端口通常与匹配的同轴电缆配合使用，以连接到带50Ω电流源的电路元件。
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使用1MΩ输入端接来连接电路时，源阻抗更高。这种连接可以通过多种方式实现，包括直接使用电缆或X1探头，或者使用高阻抗探头。
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/ F3 ]( A# |6 E: ^. A) R* L! |2 o) V; @DigiKey示波器探头：$ E. o' a. O' |
0 P( m4 W, Q, n' ~探头连接
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将探头上的开关设为1X，将探头连接到示波器上的通道1。要做到这一点，将探头连接器中的槽与CH 1 BNC上的键对齐，推动连接，并向右扭转以将探头锁定到位。将探头尖端和参考导线连接到probe COMP连接器上。7 j3 Q2 \7 C& |. O& u- T
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高阻抗探头的低频率补偿
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' r" h! H! {: V" [* x; X高阻抗探头通过低频率补偿过程，与它们连接到的通道相匹配。对于这个过程，所有示波器都提供低频率方波，一般频率为1kHz，通常称为CAL输出。要利用这项功能，请首先将探头连接到所需的通道，然后将探头尖端连接到CAL输出端。触发示波器并在屏幕上查看选定通道轨迹。使用调节工具，在探头连接器盒中更改补偿调节，以获取方波轨迹上的方角，如中间的轨迹所示。
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( _' e+ N- q* O% T# M$ {每当探头连接到不同通道时，就应该进行补偿，特别是在任何关键测量之前。很多高阻抗探头还提供高频补偿调节。通常不需要执行这种调节。探头手册提供了此测试的详细信息。# y8 V- G5 U4 e2 B2 x3 F+ i
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如何使用示波实现基础的测量？# q1 ^# O N& G/ p) u2 j
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# N# k& y: p; W: a1 R示波器显示电压与时间的关系，并测试所显示的波形。不同的测量技术，如刻度，游标和自动测量模式的使用。& E* r% u9 t' ~7 I9 O& h V; V5 Y
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我们使用B&K的2190E来举例：6 ]! K) H% t- v
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自动测量模式：- `- B# D G- p2 F5 T, ?$ G
0 Y8 r4 F$ Z' o此模式将在自动测量时生效。仪器在自动测量参数时将显示光标。这些游标显示了这些测量的物理意义。9 ?) i6 T- w- Z$ e8 V% R
8 N. X* e: S }& e" X要进行自动游标测量，请遵循以下步骤：
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: o- K% X! @: ~' r1 d5 Z7 g u# n* G1. 按光标键，进入“游标测量菜单”。
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2. 按“游标模式”单选按钮选择“自动”。. L/ L/ a8 S( H0 }$ j* {% _+ f
D0 u$ g1 f: }7 [3 f* S
3. 按“MEASURE”键，进入“自动光标测量模式菜单”，选择要测量的参数。
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图片
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2 Q3 Y( N! w- H* F( S/ Z$ i# |当你进行自动测量时，示波器会为你完成所有的计算。测量使用内存中所有记录的点，这比使用光栅线或光标测量更准确，因为这些测量仅限于使用显示器上的点，而不是示波器记录的所有数据点。/ N+ \6 L' T; N. f/ N5 }
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按“MEASURE”键，自动测试。, i3 x# K5 t: [# K: j8 }- k
) o/ B, ?0 \8 c; C- I有三种自动测量类型:电压测量，时间测量和延迟测量。总共有32个测量参数。9 {! |9 K9 p7 i% E6 y
; E9 Y; t4 Z9 y0 k2 R5 ?1 ]如果要测量电压参数，请按照以下步骤进行：
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# F& G7 q' W4 d1. 按“MEASURE”键，进入“自动测量”菜单。
& b/ ?* Y& F- K8 I* d8 I; Q* b8 L( H) R1 j4 w, L _3 u$ |- F
2. 按下第一个单选键，进入“二次测量”菜单。7 }: l% ?7 N. Y4 b$ b) @' Q( F5 r) R! G
3 f- d% {% E V& A6 c* C3. 选择测量类型。如果按下“电压”单选按钮，屏幕上会显示“电压测量”菜单。
6 z* @1 e, I6 Q# k, i- ]# Y: s
( {3 s# R: w, ]6 Z# ?& n( J4. 按“信号源”单选按钮，根据输入信号通道选择“CH1”、“CH2”。
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?# r2 }# v( Q& b4 s. R' T5. 按“类型”单选按钮，选择要测量的参数类型。测量参数下方会显示相应的图标和数值。! J$ q: M" Q- j+ Q$ E) O% m
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-测量Vpp参数
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6. 按“返回”单选键，返回“自动测量”菜单首页。选中的参数和对应的数值将显示在首页的顶部位置。
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- ^' Y/ K" b. k4 h- U6 v您也可以用同样的方式在相应位置显示其他参数及其值。屏幕可以同时显示5个参数。7 K1 v1 ~& x# A+ h0 o* B
; u8 E: h7 h! Q! y如果想使用所有测量功能测量时间参数，请按照以下步骤操作：
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. i! f5 u" c- @1. 按“MEASURE”键，进入“自动测量菜单”。* s* R' O L) i+ T; ~6 y0 o
2. 按顶部单选按钮，进入“自动测量菜单”第二页。
- M4 a& \1 e$ F, P+ L3. 按“All Measure”单选按钮进入“All Measure菜单”。
/ u4 x3 d& X! a2 I2 E. t8 C5 ~% r4. 按“信号源”单选按钮，选择输入信号通道。
& i: S( k" L/ B* V( I) q' @5. 按“时间”单选按钮选择“开”。现在所有的时间参数值会同时显示在屏幕上，如下图所示。
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测量所有时间参数
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掌握示波器的使用对于工程师来说具有重要的意义。通过示波器，工程师可以更加深入地了解电路的工作原理，提高故障排查的效率，优化电路性能。同时，示波器的自动测量功能能够大大节省工程师的时间和精力，使其更加专注于解决实际问题。因此，作为一名工程师，学会使用示波器是必备的技能之一。, h/ N! F. m# z; l5 L; D# ~. I
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