示波器的基礎(chǔ)知識(shí)

在電子工程師和技術(shù)人員要用到的全部測(cè)試設(shè)備中，最有用的無疑就是示波器。示波器的功能強(qiáng)大，可以幫助電子工程師和技術(shù)人員快速、準(zhǔn)確地捕獲隨時(shí)間變化的電壓（或電流等其他參數(shù)）測(cè)量值，而實(shí)驗(yàn)室中的任何其他設(shè)備都無法輕松完成這樣的測(cè)量。

示波器是廣泛用于制造業(yè)、電路設(shè)計(jì)等行業(yè)，是故障排除，信號(hào)完整性以及簡(jiǎn)單了解電子電路工作原理的基本必備工具。

盡管現(xiàn)代示波器的按鍵，旋鈕，探針以及相關(guān)的探頭配件和彩色顯示屏看起來似乎很復(fù)雜， 令想要學(xué)習(xí)的人感到退縮。但實(shí)際上，千萬不要被示波器的復(fù)雜外觀嚇到了，只要掌握一些基本的技巧，就能發(fā)現(xiàn)它是一種非常簡(jiǎn)單易用的設(shè)備。而且目前先進(jìn)的示波器還會(huì)帶有全觸控功能，意味著所有的原始復(fù)雜的按鍵旋鈕操作，都可以被觸屏操作所取代，讓你像玩手機(jī)一樣玩轉(zhuǎn)示波器！

成為示波器行家的關(guān)鍵，首先是了解示波器的基礎(chǔ)知識(shí)，然后再利用該基礎(chǔ)知識(shí)去拓展學(xué)習(xí)。接下來給大家介紹一些新用戶在示波器基本使用方面遇到的一些關(guān)鍵點(diǎn)和常見問題。這將幫助我們快速的了解示波器，找到正確的學(xué)習(xí)方向。隨著學(xué)習(xí)時(shí)間的拉長(zhǎng)，使用示波器到達(dá)一定時(shí)間后，我們幾乎可以進(jìn)行任何測(cè)量，最終在測(cè)試領(lǐng)域變得更加熟練和專業(yè)。

為簡(jiǎn)單起見，本文僅以麥科信STO1004C這款帶全觸控和安卓系統(tǒng)的平板示波器為例來介紹；老式傳統(tǒng)的模擬示波器，隨著時(shí)代的進(jìn)步已經(jīng)被明顯的淘汰，也就不再?gòu)?fù)述。

接地與安全

在了解示波器的基礎(chǔ)知識(shí)之前，我們先了解示波器適當(dāng)?shù)慕拥睾桶踩裕员苊馊松韨σ约皳p毀示波器或與示波器連接的任何配件。探頭不正確的連接會(huì)形成電流通路，從而損壞探頭。為避免電擊，必須將示波器通過接地導(dǎo)線與大地相連。簡(jiǎn)而言之，探頭金屬部分連接到示波器是直接通過示波器的電源線與安全接地相連。

你可以使用歐姆表自己嘗試更改連接。這是一種低阻抗連接方式，當(dāng)被測(cè)電路也連接到大地時(shí)，就會(huì)形成一個(gè)環(huán)路，非常低的阻抗會(huì)導(dǎo)致電路中的電流過大。探頭的接地導(dǎo)線的電流承載能力迅速超過其額定值，導(dǎo)線突然斷開，你可能會(huì)聽到一聲巨響！

解決此問題的最佳方法是通過隔離被測(cè)電路或隔離示波器接地來斷開接地環(huán)路。如果示波器的安全接地失效，最好的選擇是確保被測(cè)電路未與地面安全接地相連。使用隔離示波器或差分探頭，或選擇使用隔離電源或電池為測(cè)試電路供電。使用USB連接器之類的東西給被測(cè)電路供電時(shí)要小心，因?yàn)檫@類設(shè)備通常不與地面隔離，并且仍然會(huì)遇到接地回路的問題。

示波器是什么?

示波器可以通過電壓傳感器（即最常見的示波器電壓探頭）或某些其他傳感器（例如壓力傳感器，電流探頭，噪音計(jì)等）測(cè)量被測(cè)信號(hào)的電壓波形。 示波器產(chǎn)生的的曲線圖在垂直軸上測(cè)量的是電壓，在水平軸上代表的是信號(hào)時(shí)間。 從捕獲的波形中，我們可以獲得諸如信號(hào)的頻率，幅度，周期，相位，失真，噪聲，DC，AC，占空比，上升/下降時(shí)間等數(shù)據(jù)。

基礎(chǔ)

除了顯示屏外，還有其他三個(gè)重要的功能構(gòu)成了示波器。 這些功能是示波器的觸發(fā)，垂直方向上每格代表的伏特值，水平方向上每格代表的時(shí)間值。

觸發(fā)

觸發(fā)功能用于同步信號(hào)的水平掃描，這對(duì)于方便我們觀察信號(hào)至關(guān)重要。 觸發(fā)器通過重復(fù)顯示輸入信號(hào)的觸發(fā)部分，使重復(fù)出現(xiàn)的波形在顯示器上看起來靜止不動(dòng)。 示波器里最基本和常見的觸發(fā)方式就是邊沿觸發(fā)。 這是大多數(shù)人首次開始使用示波器時(shí)最有可能使用的觸發(fā)方式。 除此以外，示波器還有許多其他特殊的甚至復(fù)雜的觸發(fā)方式用于響應(yīng)特定的條件，并且真正可以使示波器成為功能強(qiáng)大的測(cè)量工具。 這些觸發(fā)包括脈寬觸發(fā)、邏輯觸發(fā)，N邊沿觸發(fā)、欠幅觸發(fā)、斜率觸發(fā)、超時(shí)觸發(fā)、視頻觸發(fā)、串行總線觸發(fā)等。

垂直檔位（伏特/格）

通過調(diào)節(jié)示波器的垂直檔位，可以放大和縮小波形在垂直方向上的形狀。比如，如果我們將垂直檔位設(shè)置為1V/格，而示波器垂直方向上有10格，那么示波器整屏幕最多可以顯示10V的波形。需要注意的是，這個(gè)數(shù)值同樣也和探頭的衰減比有關(guān)，如果我們使用的是10X的探頭，但是我們沒有調(diào)節(jié)示波器通道的衰減比（默認(rèn)為1X），那么正確的讀數(shù)會(huì)和實(shí)際顯示的讀書相差10倍，因此在使用示波器的時(shí)候，也要注意探頭的衰減比，要將通道的衰減比和探頭的衰減比調(diào)成一致才可以。

輸入耦合

輸入耦合是示波器中另一種簡(jiǎn)單但普遍被忽略或誤解的功能。它是指用于將電信號(hào)從一個(gè)電路連接到另一電路的連接方法，即從被測(cè)電路到示波器的連接方法。 你可以將輸入耦合方式設(shè)置為直流耦合DC，交流耦合AC或接地耦合。 交流耦合僅阻止信號(hào)的直流部分通過，你會(huì)在顯示屏上看到以零電平為中心的波形。 接地耦合會(huì)斷開垂直控制的輸入信號(hào)，從而讓你看到顯示屏上零電平的位置。 直流耦合設(shè)置允許顯示所有輸入信號(hào)，包括直流和交流。

水平擋位（時(shí)間/格）

水平檔位功能也叫時(shí)基，可確定波形在顯示屏上占有的時(shí)間。 與上述的垂直檔位控制一樣，水平檔位控制也可以對(duì)波形進(jìn)行縮放，相對(duì)于垂直檔位控制的是波形的垂直方向，水平檔位控制的是波形的水平方向。 如果時(shí)基設(shè)置為10ms，則顯示屏上的水平方向上每個(gè)一格代表10ms，并且整個(gè)屏幕（假定顯示屏上總共14個(gè)格）等于140ms，代表顯示的整個(gè)波形是140ms時(shí)長(zhǎng)，通過更改時(shí)基大小，可以輕松地觀察輸入信號(hào)的較長(zhǎng)或較短的時(shí)間間隔。

性能

在對(duì)待信號(hào)快慢的態(tài)度上，大多數(shù)人一般只關(guān)心信號(hào)的頻率，卻不關(guān)心信號(hào)的上升時(shí)間。在標(biāo)準(zhǔn)的正弦波中，上升時(shí)間與頻率是簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)關(guān)系，用于確定示波器帶寬是否足夠的典型公式為0.35除以上升時(shí)間。例如，需要測(cè)量上升時(shí)間為1ns的脈沖，這意味著示波器的最小帶寬應(yīng)在350MHz左右。但在實(shí)際中，傅立葉告訴我們，實(shí)際的波形是基波和高次諧波混合的產(chǎn)物。因此，波形的高次諧波比重越大，其上升時(shí)間越短。與信號(hào)的頻率對(duì)比，上升時(shí)間更能代表信號(hào)的快慢。所以不要小看低頻的信號(hào)，只要它的上升沿是在瞬間爆發(fā)的，則足以引起信號(hào)的振鈴、反射、過沖等一系列問題。

采樣率（Samples/second）和存儲(chǔ)深度也是示波器的另一個(gè)重要考慮因素。采樣率表示示波器每秒能采集數(shù)據(jù)點(diǎn)量的能力。采樣率越高，示波器顯示波形的真實(shí)性和細(xì)節(jié)就越高，關(guān)鍵信息丟失的可能性也就越小。如果要測(cè)量正弦波，一般的經(jīng)驗(yàn)是示波器的采樣率至少應(yīng)為要測(cè)量的信號(hào)的最高頻率分量的2.5倍。而如果測(cè)量方波，脈沖和其他信號(hào)類型，則采樣率至少應(yīng)為要測(cè)量的信號(hào)的最高頻率分量的10倍。存儲(chǔ)深度則代表示波器一屏幕最多可以保存多少個(gè)采樣點(diǎn)。如果示波器的采樣數(shù)據(jù)的能力足夠，但是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的能力不足，那么再大的采樣率也是白費(fèi)。就好比我們要倒一杯水喝，不管水壺開口多大，倒水的速度有多快，如果我們杯子太小，那始終也裝不了多少水。采樣率=存儲(chǔ)深度÷波形記錄時(shí)長(zhǎng)，這就是這三者的關(guān)系。其中波形記錄時(shí)長(zhǎng)是我們控制的參數(shù)。其它2項(xiàng)一般都是固定參數(shù)（存儲(chǔ)深度大的示波器也可以調(diào)節(jié)存儲(chǔ)深度的大小，但是上限是固定的）。

探頭

關(guān)于示波器的探頭的知識(shí)，完全可以另起一篇文章也不為過。我們大多數(shù)人用的最多的探頭，應(yīng)該是1X或者10X衰減比的無源探頭。使用探頭時(shí)要注意探頭能承受的最大峰峰值電壓，防止被測(cè)電路的電容負(fù)載過大。測(cè)量高速信號(hào)，我們往往需要有源探頭或者差分探頭。

性價(jià)比

隨著國(guó)產(chǎn)示波器的發(fā)展與崛起，示波器不再是普通電子愛好者的奢侈品，而是成了大多數(shù)人都能擁有一臺(tái)的測(cè)試儀器。在示波器的中低端領(lǐng)域，現(xiàn)在的國(guó)產(chǎn)示波器的性價(jià)比已經(jīng)完全吊打那些進(jìn)口的示波器。所以，對(duì)于大多數(shù)人而言，購(gòu)買一臺(tái)國(guó)產(chǎn)的示波器是很不錯(cuò)的選擇！

審核編輯：湯梓紅