想象一下你在醫院里,坐在重癥病床邊,一旁是一臺心率檢測儀。你看著機器上的畫面,一條線一上一下的擺動過去,你害怕那條線變成直線,因為正如電視上放的,那樣就意味著患者的死亡。

當我爸媽問我是做什么工作的時候,這就是我向他們解釋示波器的方式。醫院的心率檢測儀顯示的是病人的心跳,而示波器顯示的是電器設備信號的心跳。示波器幫助我們對電子設備是否正常運行有方方面面的了解,讓我們可以進一步檢查被測設備的“生命體征”。

這里提到的“生命體征”即是電子設備電路中的電壓或者電流。就像我們不希望我們的心跳過快或者過慢一樣,在電子設備中,我們也不希望它的電壓震蕩的頻率過快或者過慢。我們都知道心臟雜音是不好的。同時,我們也不希望我們的電信號有任何故障,而示波器可以幫助我們找到它們,從而方便我們對癥下藥。當我們可以如此仔細地觀察我們的電子設備時,我們就可以更好的驗證它是否按我們預期的在運行。如果不是,示波器可以幫助我們診斷并糾正問題。無論你是一名測試工程師還是學生,或者從事制造、維修、研究或開發工作,亦或者你是一名電氣工程師,你都必須學會使用示波器。

示波器、差分探頭和電流探頭

示波器基礎

在示波器的顯示界面,我們可以看到一格一格的小格子。在橫坐標方向上,這些小格子代表了信號的時長;在縱坐標方向上,這些小格子往往代表了信號的電壓。這2個參數可以讓我們更好地從信號的幅值和頻率來確認設備是否正常運行。由于示波器提供了信號隨時間變化的視圖效果,所以我們可以查看信號可能發生的任何異常或失真。但是在我們真正開始測量之前,有一些事情需要我們注意。

示波器的顯示界面

示波器在市面上有各種各樣的型號和配置,要選購到中意的示波器可不像買包方便面那么簡單。我們需要考慮到示波器的帶寬、采樣率、存儲深度、通道數量等。同時,也要結合自己的實際測量需求,看看選購的示波器有沒有自己要的功能,比如FFT,串行通訊解碼,波形錄制等。這里列舉一些我們購買前應該注意的示波器的常見概念:

  • 帶寬 – 示波器的帶寬決定了我們能精確測量信號的頻率范圍。市面上的示波器帶寬從 20 MHz to 100 GHz 的都有,一般來說我們只要購買被測信號最高頻率的5倍帶寬的示波器即可,比如我們要測量的信號頻率在20MHz,那么我們只需要購買100MHz帶寬的示波器即可。事實上,在很多時候,100MHz帶寬的示波器是足夠使用的。

  • 采樣率 – 采樣率決定了示波器能采集數據點的能力,信號采集的數據點越多,信號就越接近真實的狀態,也就越不容易失真。
  • 存儲深度 – 存儲深度也叫記錄長度,代表示波器一屏幕最多可以顯示多少數據點,如果示波器的采樣率足夠,但存儲深度太小,那示波器顯示出來的信號一樣會容易失真。市面上大多數的示波器采樣率都是足夠的,但存儲深度卻往往被很多人遺漏掉,有的商家甚至因為太低而直接不標這個參數。
示波器存儲深度可調
  • 信號完整性 – 也就是示波器能夠精確測量信號的能力。就像我們肯定不希望心率檢測儀顯示錯誤的信息一樣,如果我們的病人心跳還在跳動,結果儀器顯示卻成了直線,那一定很糟糕。同樣的,我們也不希望測試的結果給出錯誤的答案,以至于錯誤判斷被測設備存在問題。一般測量誤差不超過2%的示波器都是合格的。

  • 通道 – 即示波器輸入信號的地方.一般有模擬通道和數字通道, 比較常見的示波器是2通道示波器和4通道示波器。
  • 探頭 – 探頭用于將信號接入示波器,市面上有各種各樣的有源探頭和無源探頭,它們被用于各自的特殊場合。常見的有高壓探頭,差分探頭,電流探頭,點火探頭等。在購買示波器之前,也要考慮自己要用到哪些探頭。
  • 應用 – 信號分析、協議解碼和單次觸發等應用可以大大減少我們識別和捕獲信號錯誤所需的時間。有些應用可以幫助我們發現和評估信號的抖動,或者進行傅立葉變換,創建眼圖,甚至識別和評估通訊系統的串擾。協議解碼可以解碼信號成數字信息,在不同的條件下觸發,識別協議錯誤。并非所有的示波器都會包含你想要的應用,因此購買之前也應該查詢清楚。
示波器的高低通數字濾波功能

示波器能用來干嘛?

現在,我們已經對示波器的常見術語有了大致的了解。其實大多數的信號測試,只需要一臺50-150MHz帶寬,配上標配的無源探頭,1GS/s的采樣率,2-4個通道,大于2M存儲深度的示波器即可。

有了示波器,我們可以檢測和發現PCB電路版上的故障元器件,線路的噪聲以及是否短路,設備的輸入和輸出是否工作正常等。采用不同的觸發方式,可以發現信號的高矮脈沖,故障部分等。示波器一般還提供信號快速傅里葉變換,以及通道直接的數學函數運算功能等。而這些,僅僅只是基本的開始。

對信號進行快速傅里葉變換(FFT)

示波器是功能性很廣泛的電子儀器。汽修工程師可以用示波器來檢測汽車中的電子設備的問題,大學實驗室里老師會用示波器來教學生了解電路。全世界的研究所都會至少擁有一臺示波器。手機廠家也需要用示波器來檢測他們手機信號的完整性。軍隊和航天部門同樣需要示波器來測試雷達系統。研發工程師用示波器來測試和設計新的技術或產品。示波器還用于符合性測試,如UART和CAN協議,用示波器來檢驗信號的輸出是否符合對應的標準。

示波器的串行總線解碼功能