在電子工程師和技術人員要用到的全部測試設備中,最有用的無疑就是示波器。示波器的功能強大,可以幫助電子工程師和技術人員快速、準確地捕獲隨時間變化的電壓(或電流等其他參數)測量值,而實驗室中的任何其他設備都無法輕松完成這樣的測量。

 

示波器是廣泛用于制造業、電路設計等行業,對于故障排除,信號完整性以及簡單了解電子電路工作原理的基本必備工具。

 

盡管現代的示波器的整個按鍵,旋鈕,探針以及相關的探頭配件和彩色顯示屏看起來讓人感覺很復雜, 令想要學習的人感到退縮。但實際上,千萬不要讓示波器的復雜外觀嚇到了,只要掌握一些基本的技巧,它是一種非常簡單易用的設備。而且目前先進的示波器還會帶有全觸控功能,意味著所有的原始復雜的按鍵旋鈕操作,都可以被觸屏操作所取代。如果您經歷過早期的按鍵手機和現在的智能手機,您就能很快理解觸屏的優勢。
成為示波器行家的關鍵,首先是了解示波器的基礎知識,然后再利用該基礎知識去拓展學習。以下簡短文將在這些方面介紹,一些新用戶在示波器基本使用方面遇到的一些關鍵點和常見問題。這將幫助我們快速的了解示波器,找到正確的學習方向。隨著學習時間的拉長,使用示波器到達一定時間后,我們幾乎可以進行任何測量,最終在測試領域變得更加熟練和專業。

 

為簡單起見,本文僅以麥科信STO1104C這款帶全觸控和安卓系統的智能示波器為例來介紹,對于老式傳統的模擬示波器,隨著時代的進步已經被明顯的淘汰,也就不再復述。


 

接地與安全
在了解示波器的基礎知識之前,我們先了解示波器適當的接地和安全性,以避免人身傷害以及損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線與大地相連。簡而言之,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。

 

您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,當被測電路也連接到大地時,就會形成一個環路,并且非常低的阻抗會導致電路中的電流過大。探頭的接地導線的電流承載能力迅速超過其額定值,導線突然斷開,您可能會聽到一聲巨響!

 

解決此問題的最佳方法是通過隔離被測電路或隔離示波器接地來斷開接地環路。如果示波器的安全接地失效,最好的選擇是確保被測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試電路供電。使用USB連接器之類的東西給被測電路供電時要小心,因為這類設備通常不與地面隔離,并且仍然會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,噪音計等)測量被測信號的電壓波形。 示波器產生的的曲線圖在垂直軸上測量的是電壓,在水平軸上代表的是信號時間。 從捕獲的波形中,我們可以獲得諸如信號的頻率,幅度,周期,相位,失真,噪聲,DC,AC,占空比,上升/下降時間等數據。

 

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


 

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

 

垂直檔位(伏特/格)
通過調節示波器的垂直檔位,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,這個數值同樣也和探頭的衰減比有關,如果我們使用的是10X的探頭,但是我們沒有調節示波器通道的衰減比(默認為1X),那么正確的讀數會和實際顯示的讀書相差10倍,因此在使用示波器的時候,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成一致才可以。


 

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

 

水平檔位(時間/格)
水平檔位功能也叫時基,可確定波形在顯示屏上占有的時間。 與上述的垂直檔位控制一樣,水平檔位控制也可以對波形進行縮放,相對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。 如果時基設置為10ms,則顯示屏上的水平方向上每個一格代表10ms,并且整個屏幕(假定顯示屏上總共14個格)等于140ms,代表顯示的整個波形是140ms時長,通過更改時基大小,可以輕松地觀察輸入信號的較長或較短的時間間隔。

 

性能
在對待信號快慢的態度上,大多數人一般只關心信號的頻率,卻不關心信號的上升時間。在標準的正弦波中,上升時間與頻率是簡單的數學關系,用于確定示波器帶寬是否足夠的典型公式為0.35除以上升時間。例如,需要測量上升時間為1ns的脈沖,這意味著示波器的最小帶寬應在350MHz左右。但在實際中,傅立葉告訴我們,實際的波形是基波和高次諧波混合的產物。因此,波形的高次諧波比重越大,其上升時間越短。與信號的頻率對比,上升時間更能代表信號的快慢。所以不要小看低頻的信號,只要它的上升沿是在瞬間爆發的,則足以引起信號的振鈴、反射、過沖等一系列問題。

 

采樣率(Samples/second)和存儲深度也是示波器的另一個重要考慮因素。采樣率表示示波器每秒能采集數據點量的能力。采樣率越高,示波器顯示波形的真實性和細節就越高,關鍵信息丟失的可能性也就越小。如果要測量正弦波,一般的經驗是示波器的采樣率至少應為要測量的信號的最高頻率分量的2.5倍。而如果測量方波,脈沖和其他信號類型,則采樣率至少應為要測量的信號的最高頻率分量的10倍。存儲深度則代表示波器一屏幕最多可以保存多少個采樣點。如果示波器的采樣數據的能力足夠,但是存儲數據的能力不足,那么再大的采樣率也是白費。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=存儲深度÷波形記錄時長,這就是這三者的關系。其中波形記錄時長是我們控制的參數。其它2項一般都是固定參數(存儲深度大的示波器也可以調節存儲深度的大小,但是上限是固定的)。

 

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

 

性價比
隨著國產示波器的發展與崛起,示波器不再是普通電子愛好者的奢侈品,而是成了大多數人都能擁有一臺的測試儀器。在示波器的中低端領域,現在的國產示波器的性價比已經完全吊打那些進口的示波器。所以,對于大多數人而言,購買一臺國產的示波器是很不錯的選擇!
寫在最后
示波器是產品開發和測試的主要儀器設備。 一開始它們也許看上去很復雜,但是實際上非常易于上手。 只要記住一些基本知識,多多使用她,您很快就會被認為是公司的示波器專家。隨著電子器材系統繁雜度和工作頻率的不斷提高,需要用到示波器的應用場景也必然越來越多,考慮到示波器的長久使用壽命,早早的擁有和使用一臺示波器是十分劃算的。