2019年10月21日 | 什么是示波器？示波器的使用方法，示波器的工作原理

　　什么是示波器？

　　示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点（这是传统的模拟示波器的工作原理）。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。

　　示波器的使用方法：

　　示波器，“人”如其名，就是显示波形的机器，它还被誉为“电子工程师的眼睛”。它的核心功能就是为了把被测信号的实际波形显示在屏幕上，以供工程师查找定位问题或评估系统性能等等。它的发展同样经历了模拟和数字两个时代，还是先来看图认识一下，如图1所示。

　　目前，模拟示波器也基本上被淘汰了，现在是数字示波器的天下。同理，我也将只以数字示波器为例来加以讲解。

　　数字示波器，更准确的名称是数字存储示波器，即DSO（Digital Storage Oscilloscope）。这个“存储”不是指它可以把波形存储到U盘等介质上，而是针对于模拟示波器的即时显示特性而言的。模拟示波器靠的是阴极射线管（CRT，即俗称的电子枪）发射出电子束，而这束电子在根据被测信号所形成的磁场下发生偏转，从而在荧屏上反映出被测信号的波形，这个过程是即时地，中间没有任何的存储过程的。而数字示波器的原理却是这样的：首先示波器利用前端ADC对被测信号进行快速的采样，这个采样速度通常都可以达到每秒几百M到几G次，是相当快的；而示波器的后端显示部件是液晶屏，液晶屏的刷新速率一般只有几十到一百多Hz；如此，前端采样的数据就不可能实时的反应到屏幕上，于是就诞生了存储这个环节：示波器把前端采样来的数据暂时保存在内部的存储器中，而显示刷新的时候再来这个存储器中读取数据，用这级存储环节解决前端采样和后端显示之间的速度差异。

　　很多人在第一次见到示波器的时候，可能会被他面板上众多的按钮唬住，再加上示波器一般身价都比较高，所以对使用它就产生了一种畏惧情绪。这是不必要的，因为示波器虽然看起来很复杂，但实际上要使用它的核心功能——显示波形，并不复杂，只要三四个步骤就能搞定了，而现在示波器的复杂都是因为附加了很多辅助功能造成的，这些辅助功能自然都有它们的价值，熟练灵活的应用它们可以起到事半功倍的效果。作为初学者，我们先不管这些，我们只把它最核心的、最基本的功能应用起来即可。

　　示波器的使用图解

　　跟万用表类似，要使用示波器，首先也得把它和被测系统相连，用的是示波器探头，如图20-4所示。示波器一般都会有2个或4个通道（通常都会标有1～4的数字，而多余的那个探头插座是外部触发，一般用不到它），它们的低位是等同的，可以随便选择，把探头插到其中一个通道上，探头另一头的小夹子连接被测系统的参考地（这里一定要注意一个问题：示波器探头上的夹子是与大地即三插插头上的地线直接连通的，所以如果被测系统的参考地与大地之间存在电压差的话，将会导致示波器或被测系统的损坏），探针接触被测点，这样示波器就可以采集到该点的电压波形了（普通的探头不能用来测量电流，要测电流得选择专门的电流探头）。

　　接下来就要通过调整示波器面板上的按钮，使被测波形以合适的大小显示在屏幕上了。只需要按照一个信号的两大要素——幅值和周期（频率与周期在概念上是等同的）来调整示波器的参数即可，如图2所示。

　　如上图，在每个通道插座上方的旋钮，就是调整该通道的幅值的，即波形垂直方向大小的调整。转动它们，就可以改变示波器屏幕上每个竖格所代表的电压值，所以可称其为“伏格”调整，如以下两幅对比图所示：左图是1V/grid，右图是500mV/grid，左图波形的幅值占了2.5个格，所以是2.5V，右图波形的幅值占了5个格，也是2.5V。推荐是将波形调整到右图这个样子，因为此时波形占了整个测量范围的较大空间，可以提高波形测量的精度，如图3所示。

　　除了图3通常上方的伏格旋钮外，通常还会在面板上找到一个大小相同的旋钮（不一定像图20-6所示的位置），这个旋钮是调整周期的，即波形水平方向大小的调整。转动它，就可以改变示波器屏幕上每个横格所代表的时间值，所以可称其为“秒格”调整，如以下两幅对比图所示：左图是500us/grid，右图是200us/grid，左图一个周期占2个格，周期是1ms，即频率为1KHz，右图一个周期占5个格，也是1ms，即1KHz。这里就没有哪个更合理的问题了，具体问题具体对待，它们都是很合理的，如图4所示。

　　很多时候只进行上述两项调整的话，是能看到一个波形，但这个波形却很不稳定，左右乱颤，相互重叠，导致看不清楚，如图5所示。

　　这就是因为示波器的触发没有调整好的缘故，那么什么是触发呢？简单点理解，所谓触发就是设定一个基准，让波形的采集和显示都围绕这个基准来。最常用的触发设置是基于电平的（也可基于时间等其它量，道理相同），大家看下上面的几张波形图，在左侧总有一个T和一个小箭头，T是触发的意思，这个小箭头指向的位置所对应的电压值就是当前的触发电平。示波器总是在波形经过这个电平的时候，把之前和之后的一部分存储并最终显示出来，于是就能看到图4、5所示的波形。如图6所示，我们可以看到，无论如何波形也不会经过T所指的位置，即用永远达不到触发电平，所以失去了基准的波形看上去就不稳定了。怎么调节这个触发电平的位置呢，在示波器面板上找一个标了Trigger的旋钮，如下图，转动这个旋钮就可以改变这个T的位置了。

　　除了可以改变触发电平的值以外，还可以设置触发的方式：比如选择上升沿还是下降沿触发，也就是选择让波形向上增加的时候经过触发电平还是向下减小的时候经过触发电平来完成触发，这些设置一般都是通过Trigger栏里的按钮和屏幕方便的菜单键来完成。

　　只要经过上述的这三四步，你就可以把示波器的核心功能应用起来了，可以用它观察单片机系统的各个信号了。比如说上电后系统不运行，就用它来测一下晶振引脚的波形正常与否吧。需要注意的是，晶振引脚上的波形并不是方波，而是更像正弦波，而且晶振的两个脚上的波形是不一样的，一个幅值小一点的是作为输入的，一个幅值大一点的是作为输出的，如图7所示。

　　示波器的工作原理：

　　示波器用来测量交流电或脉冲电流波的形状的仪器，由电子管放大器、扫描振荡器、阴极射线管等组成。除观测电流的波形外，还可以测定频率、电压强度等。凡可以变为电效应的周期性物理过程都可以用示波器进行观测。

　　示波器分为数字示波器和模拟示波器。模拟示波器采用的是模拟电路（示波管，其基础是电子枪）电子枪向屏幕发射电子，发射的电子经聚焦形成电子束，并打到屏幕上。屏幕的内表面涂有荧光物质，这样电子束打中的点就会发出光来。而数字示波器则是数据采集，A/D转换，软件编程等一系列的技术制造出来的高性能示波器。数字示波器一般支持多级菜单，能提供给用户多种选择，多种分析功能。还有一些示波器可以提供存储，实现对波形的保存和处理。

　　示波器工作原理是：利用显示在示波器上的波形幅度的相对大小来反映加在示波器Y偏转极板上的电压最大值的相对大小，从而反映出电磁感应中所产生的交变电动势的最大值的大小。因此借助示波器可以研究感应电动势与其产生条件的关系。

　　示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不到的电信号变换成看得见的图像，便于人们研究各种电现象的变化过程。

　　示波器利用狭窄的，由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可以产生细小的光点。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。

　　利用示波器能观察各种不同电信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同信号的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。

　　双踪示波器是由两个通道的y轴前置放大电路、门控电路、电子开关、混合电路、延迟电路、y轴后置放大电路、触发电路、扫描电路、x轴放大电路、z轴放大电路、校准信号电路、示波管和高低压电源供给电路等组成。

　　观察信号波形时，被测信号ＵＡ、ＵＢ，通过ＣＨＡ、ＣＨＢ两个输入端输入示波器，先分别送到y轴前置放大电路yＡ和yＢ进行放大。因通道yＡ和通道yＢ都受电子开关的控制，所以ＵＡ，ＵＢ两信号轮换着输送到后面的混合电路，延迟电路，y轴后置放大电路，加到示波管的垂直偏转板上。

　　为了适应各种不同的测试需要，电子开关可有五种不同的工作状态，即ＣＨＡ、ＣＨＢ、交替、断续、ＡＤＤ等。这五种工作状态由显示方式开关来控制。

　　当显示方式开关置于交替位置时，电子开关为一双稳态电路。它受由扫描电路来得闸门信号控制，使得y轴两个前置通道随着扫描电路。

　　闸门信号的变化而交替地工作。每秒钟交替转换次数与由扫描电路产生的扫描信号的重复频率有关。交替工作状态适用于观察频率不太低的被测信号。

　　当显示方式开关置于断续位置时，电子开关是一振荡频率约为２００ＫＨＺ的自激多谐振荡电路。由它的两个输出端输出相位相反的两个矩形信号。前置放大电路ＣＨＡ和ＣＨＢ是受上述两个矩形信号控制而轮流工作的。这样就可以稳定地显示出两个信号。这种断续工作状态适用于观察频率不太高的被测信号。

　　当显示方式开关置于ＣＨＡ或CＨＢ位置时，电子开关为一单稳态电路。前置放大电路ＣＨＡ或ＣＨＢ可单独工作，此时，双踪示波器可作为普通单线示波器使用。

　　当显示方式开关置于ＡＤＤ位置时，电子开关处于不工作状态。此时，ＣＨＡ，ＣＨＢ两通道同时工作，因而可得到两信号相加或两信号相减的显示。然而，两信号究竟是相加还是相减，这要通过ＣＨＡ通道的极性作用开关来选择。

　　为了观察被测试信号随时间变化的波形，示波器的水平偏转板上必须加以线性扫描电压（锯齿波电压）。这个扫描电压是由扫描电路产生的。当触发信号加到触发电路时，触发扫描电路就产生相应的扫描信号，当不加触发信号时，扫描电路就不产生扫描信号。

　　触发方式有内触发，外触发两种，由触发源选择开关来选择，当该开关置于内的位置时，触发信号来自经y轴通道送入的被测信号，当该开关置于外的位置时，触发信号是由外部送入的。这个信号应与被测信号的频率成整数比的关系。示波器使用中，多数采用内触发工作方式。

　　扫描电路产生扫描信号（锯齿波电路）。通过x轴选择开关接到x轴放大电路，经放大后送到示波器的x轴偏转板上。

　　Z轴放大电路对荧光屏上光点辉度起着调节的作用，抹去不必要显示的光点轨迹。当扫描电路的闸门信号来到z轴放大电路时，z轴放大电路便输出正向的增辉脉冲信号，加至示波器的控制极。这就是说，在扫描信号的正程时，荧光屏上的光点得以增辉，在电子开关的转换过程中，电子开关电路将输出脉冲信号也加至z轴放大电路，此时z轴放大电路便输出负向脉冲信号，加至示波器的控制极。这样在电子开关的转换过程中，就消除了两通道交替工作时的过度光点，以提高显示波形的清晰度

　　校正信号产生电路产生一个一定频率和幅度的矩形信号。它是作校正y轴放大电路的灵敏度和x轴的扫描速度之用的。

　　高低压电源，其中高压是供给示波管显示系统的。低压供给示波器各级电路。

　　示波器的作用与应用范围：

　　差分探头对与差分放大器相匹配，均衡于衰减系数，能提高最大输人信号和共模范围。该系统可以完成如厂的测试功能：功率器件分析，图2展示瞬时功率的测试。另外，对于器件的安全工作区域，动态导通电阻及其它有关性能分析都可以借助本系统进行测量，只需轻轻按几个键即可完成。调制分析，图3展示器件在转换过程中信白、状况。刚试系统图数字示波器不仪能有效地用干观察和分析各种波形，而且还能显示各种“模拟参数”，配上适当的外用设备接「l，很容易捕捉如负载变化，电源开关等重要的电路转换的每一个周期及位一个细节的完整记录，从而得到各种测试数据的逼真形象的实时分析。电源测量软件为仪器提供了智能化测试的必要手段。在硬件电路的支持卜，依靠程序软件有序协调地完善各项功能。用户利用专用菜单和快捷方式可以方便地设置示波器，进行采样、观察、分析信号及智能提示，确保正确和准确的测量。差分放大器频响为IOOMHz，增益可设为1或10。作为示波器侧试系统的一部分，它不仅可以将信号进行调整，而且能提高输人阻抗和共模抑制比。放大器的面板接受遥控命令或RS232的控制。电流探头可测量流经导体的电流。制分析可在垂直轴上显示每一个脉冲的脉宽值，稳定观测软启动电路的特性‘à监视5伏电源从。伏到稳定的+5过程放大功能允许衬每个门驱动脉冲独立观察图歇电路器件工作状态试验分析电源设计者能够简明直观观察到电路工作时的各种信息状态，如占空比、周期、脉宽、阶跃响应等。线电源测量与分析：对于模拟信号如工频电压，可以方便测量其功率因数和功耗，电压与电流有效值，以及各次谐波测量。

　　放大轨迹能时其它的波形放大或进行运葬，如数字示波器的运茸功能可立即用来显示一个能量的波形（焦耳丸心圣择5作如O或6OH之@工领电压灼有效位工频电流的有效位有效功率视在功率功率因素都为“实时波形图4：线电源测试分析图2：瞬时功率刚试示波器还能用J二计算功率，图5上部显示的两条波形表示电源输人时负载上面电压波形和电流波形，显　随着无线通信系统性能更强，功耗更低，在为诸如移动电话这类无线设计方案选择处理引擎的时候，设计人员不得不倍加细心。随着手机发展到第三代甚至是第四代，设计人员已经开始研制一些新的功能如视频功能。

　　传统的基于微处理器和DSP的无线设计方案已经显得后劲不足，另一方面，自适应运算机（ACM）设备却可以为无线系统设计提供一种更为有效的方式。以便RISC微处理器核与精细的自适应结构能相配这是一个自适应运算机的早期原型，片，它将一个RISC处理器核与一种大规模的自适应结构集成在一起。通常一个DSP芯片的CPE大约是10%，这意着在任一时刻，DSP芯片中只有10%的逻辑门被用于执行实际的任务，也就是说只有一小部分干了“有用的”工作，其它的部分干的都是辅助性的工作。

　　当处理器忙于进行实际工作的时候，就要求这种辅助性的工作尽可能少地占用处理器的资源。