作者： Alan Yang

標(biāo)簽 [工程] [通用][診斷][評估/開發(fā)工具][測試 - 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。通過掌握示波器的使用技巧和方法，工程師可以更好地應(yīng)對各種挑戰(zhàn)，提升自己的工作能力和專業(yè)水平。我們經(jīng)常在設(shè)計(jì)研發(fā)過程中使用到示波器。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)基本的測量。

1. 什么是示波器？

“示波器是一種電子測量裝置，它可以顯示電壓隨時(shí)間的函數(shù)圖。 這使用戶能夠同時(shí)觀察電壓和時(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，這使我們具有比較這些信號行為的能力。”

[ DigiKey示波器 ]

DigiKey示波器

上圖，我們可以看到兩個(gè)觀察結(jié)果:

1. 波形的峰對峰電壓可以沿著縱軸測量。它是五個(gè)主要分區(qū)，垂直增益設(shè)置為200mv /分區(qū)(見黃色箭頭)，這 給出了1伏峰對峰的信號幅度。
2. 橫軸為時(shí)間，范圍設(shè)置為200μs/分頻(見白色箭頭)。 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，在右上角顯示信號的頻率。)

• l示波器常用的功能：

1. 測量電壓、電壓差和時(shí)間間隔。
2. 測量重復(fù)信號的頻率。
3. 比較兩個(gè)或多個(gè)隨時(shí)間變化的信號，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. 測量波形的直流和交流部分。
6. 測量波形的各種特性，如峰對峰電壓、均方根電壓、周期、上升時(shí)間、下降時(shí)間等。
7. 檢查信號上的噪聲，以及修改電路或電纜如何改變信號噪音。
8. 通過直觀地比較電路的輸入和輸出波形來尋找電路中的失真——或者使用示波器將它們相減并查看數(shù)學(xué)差異。

符號的解釋

2. 讀取示波器基本信息

• 信號與波形

就示波器而言，“信號”一詞是指可能隨時(shí)間變化的電壓。其中一個(gè)區(qū)別是信號是否具有周期性。周期性意味著信號在不同的間隔內(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（振幅與波周期開始時(shí)間的平方根成正比）

• 屏幕格線

最原始的測量技術(shù)是使用屏幕上的格線和計(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)行基本測量的非常快捷的方法。

更多內(nèi)容，請參考：

• [在示波器上進(jìn)行快速、精確、完整的波形測量]

3. 示波器探頭

[ 探頭 ]分為很多類型，包括：高阻抗無源、低電容、單端有源、差分有源、高電壓和電流探頭。其中，無源探頭很常見。

實(shí)際測量信號，有可能會很大，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，比如常見的[10X探頭]，可以使輸入信號衰減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)樗鼈冊谔筋^體內(nèi)包含一個(gè)開關(guān)，可以讓您在1X位置，10X位置和輸入線連接到地線的位置之間切換。 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)，您可能會意外地將它留在1X位置。 這可能導(dǎo)致定性和定量測量誤差，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 輸入端接來連接電路時(shí)，源阻抗更高

使用 1 MΩ 輸入端接來連接電路時(shí)，源阻抗更高。這種連接可以通過多種方式實(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

高阻抗探頭通過低頻率補(bǔ)償過程，與它們連接到的通道相匹配。對于這個(gè)過程，所有示波器都提供低頻率方波，一般頻率為 1 kHz，通常稱為 CAL 輸出。要利用這項(xiàng)功能，請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)。探頭手冊提供了此測試的詳細(xì)信息。

更多示波器探頭內(nèi)容：

• [了解、選擇和使用無源示波器探頭]

4. 如何使用示波實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的測量

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

我們使用[B&K]的[2190E]來舉例：

如何使用示波實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的測量

自動(dòng)測量模式

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

要進(jìn)行自動(dòng)游標(biāo)測量，請遵循以下步驟:

1. 按光標(biāo)鍵，進(jìn)入“游標(biāo)測量菜單”。
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)測量模式菜單”，選擇要測量的參數(shù)。

自動(dòng)測量模式

當(dāng)你進(jìn)行自動(dòng)測量時(shí)，示波器會為你完成所有的計(jì)算。測量使用內(nèi)存中所有記錄的點(diǎn)，這比使用光柵線或光標(biāo)測量更準(zhǔn)確，因?yàn)檫@些測量僅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)測試。

有三種自動(dòng)測量類型:電壓測量，時(shí)間測量和延遲測量。總共有32個(gè)測量參數(shù)。

如果要測量電壓參數(shù)，請按照以下步驟進(jìn)行:

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

測量Vpp參數(shù)

6. 按“返回”單選鍵，返回“自動(dòng)測量”菜單首頁。選中的參數(shù)和對應(yīng)的數(shù)值將顯示在首頁的頂部位置。

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)。

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

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

測量所有時(shí)間參數(shù)

最后

掌握示波器的使用對于工程師來說具有重要的意義。通過示波器，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，使其更加專注于解決實(shí)際問題。因此，作為一名工程師，學(xué)會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，請查看以下內(nèi)容：

• [通過探針測量電源噪聲]
• [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)測量]
• [抖動(dòng) 淺談]
• [示波器電流探頭簡介]
• [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

作為電子工程師必備的工具，在電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和維修過程中，示波器可以幫助我們精確測量元器件和電子設(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)品的可靠性和市場競爭力。通過這篇文章，相信我們對示波器有了更加完整的認(rèn)識。您在使用示波器方面有哪些經(jīng)驗(yàn)和問題？歡迎留言，分享交流！

審核編輯 黃宇