2020年08月31日 | 使用示波器的正确姿势

发了一篇文章“90%的工程师不会用示波器”引起了强烈反响。也有不少网友通过留言的方式回答了文中的几个问题，今天我们就来聊聊“使用示波器的正确姿势”

我们都知道万用表（又称欧姆表）是工程师最常用的调试电路的工具，但万用表的功能非常有局限，如果你需要观察一些随时间变化的参量，比如频率、幅度、噪声等等，示波器就是最好的选择。

那我们先看看示波器是什么？主要的用途是什么？

示波器的主要用途就是将随时间变化的电信号以图形的方式画出来，多数的示波器是用时间为x轴，电压为y轴产生的二维图形。

在示波器屏幕周边的控制按钮可以调节图形的显示比例，显示的横轴和纵轴刻度都能够调节，这样就可以对信号在时间和幅度两个维度进行缩放查看，还有可以调节“触发”的旋钮，帮助“稳定”波形的显示。
除了这些基础的功能之外，示波器还能够帮助工程师快速定量被测信号的频率、幅度以及其它的波形参数。总之示波器可以测试基于时间和基于电压的参数，如下：

• 基于时间的参数: 频率和周期、占空比、上升时间和下降时间等

• 电压参数: 幅度、最大电压、最小电压、平均电压等

那什么时候用示波器？

• 在调试电路的输入、输出以及中间系统的时候用以确定信号的频率和幅度，基于这些信息可以判断电路的工作是否正常。

• 确定电路中噪声的大小

• 判断波形的形状 – 正弦波、方波、三角波、锯齿波、复合波形等等

• 测量两个不同信号的相位差

示波器的选用依据
示波器的功能、性能、价格差别都非常大，示波器的选型需要根据使用的场景（考虑到将来所有可能的项目需求）并结合自己的预算进行选择，主要需要考虑的参数如下：

• 数字 vs. 模拟 – 早期的模拟示波器将输入的电压以电子束的方式直接打在显示屏上；数字示波器内部由微处理器控制，通过模数转换器（ADC）将输入的模拟信号进行量化，并经过一系列的处理后将量化的波形显示出来。一般来讲，早期的模拟示波器带宽相对较低，功能较少，但响应时间也许更快，且没有数字示波器由于采样带来的混叠频率，随着科技的发展目前主流的都已经是数字示波器，除非特殊的场合需要模拟示波器；

• 通道数 – 可以同时处理的模拟信号输入的数量，2通道最为常见，其次是4通道；

• 带宽 – 能够可靠测量的模拟信号的频率范围，一般以MHz为单位来表示，下面的图可以看出来如果模拟带宽不够对被测波形的影响。

• 取样率 – 这是数字示波器特有的指标，反映了对模拟信号以每秒多少次的速度进行采样。有的多通道示波器，当多个通道同时使用的时候采样率可能会降低，一般以MSa/S来表示，示波器的最高采样率应该大于4倍的模拟带宽。

• 上升时间 – 示波器的上升时间决定了其能够测量的最快的上升脉冲，这个指标与带宽高度相关，可以用这个公式来换算：Rise Time = 0.35 / Bandwidth.

• 最大输入电压 – 每种电子产品都有其能够承受电压的最高极限，示波器的最高输入电压指的是，如果输入的信号电压超过这个值，极有可能会损毁示波器。

• 分辨率 – 表征了对输入电压的量化精度，一般高速的示波器都采用8bit的高速ADC对模拟信号进行量化采样。

• 垂直灵敏度 – 这个值表征了垂直显示的电压量程的最小和最大值，单位是伏/格。

• 时间基准 – 表征了水平的时间轴的灵敏度范围，单位是秒/格

• 输入阻抗 – 如果被测信号为很高频率的信号，即便是非常小的阻抗（电阻、电容、电感）叠加在电路上都会对信号带来比较大的影响。每一个示波器都会对测量的电路增加一定的阻抗，这个阻抗就是输入阻抗，它一般是比较大的电阻(>1 MΩ)与比较小的电容（在pF的范围）并联 (||). 在测量非常高频率的信号的时候输入阻抗的影响就变得比较明显，可以通过调节使用的探头来进行补偿。

以Rigol的DS1204B为例，看看这个示波器的各项指标：

理解了这些参数的意义，对于你选用合适的示波器非常重要，下一步我们谈一下如何正确使用示波器。
示波器的组成
各种示波器的功能基本上都是一样的，它们都有一些共同的属性 - 显示、水平线、垂直线、触发、输入等。

显示部分
示波器最重要的功能就是把你要测量的电信号以时间为坐标显示出来，因此它是示波器最重要的部分之一。

示波器的显示界面一般都是通过多条水平和竖直的线交错构成的格状，竖直的刻度单位为伏/格，水平的刻度单位为秒/格。一般来讲示波器的显示屏在竖向（伏）有8-10个格，在横向（秒）有10-14个格。
越来越多的数字示波器使用多色的LCD显示屏，能方便在一个屏幕上显示多个波形（以不同的颜色）。

显示屏周边（右侧或下面）一般会有5个输入按键，用以菜单切换以及设置的控制。
垂直调节
示波器显示屏的竖向显示的是测量信号的电压，它的显示控制一般会通过两个旋钮：一个调节波形在竖直方向的位置，另一个调节每格的刻度（伏/格）。

通过这两个旋钮的调节，你可以观察到波形的细节，比如你要仔细看一个5V的方波信号的上升沿，就可以通过调节这两个旋钮将上升沿放大进行查看。
水平调节
示波器的水平部分为时间标尺，就像垂直调节一样，水平调节按钮也有两个 - 调节左右移动 和改变刻度的大小（单位为秒/每格）。

左右位置的旋钮可以左或右移动显示波形，屏幕上显示多少个周期的波形是通过水平比例的按钮来调节的。

你可以通过水平比例按钮在横向放大波形仔细查看其细节部分。

触发系统
触发系统主要是为了稳定波形的显示并让示波器能聚焦，通过调节“触发”按钮，你可以告诉示波器在哪一个起始点开始测量。如果被测的信号是周期性的波形，通过触发的设置，可以让波形在屏幕上稳定显示，像静止不动一样。如果触发没有调节好，波形就会在屏幕上跑来跑去，不能稳定下来。

示波器的触发部分一般包含一个触发电平按钮和几个用以选择触发源、触发类型的按钮。调节“触发电平按钮”就能够设置触发点为某一个固定的电压值。

其它的几个按钮和屏幕菜单一起构成了触发系统的其余部分，主要的用途是选择触发源以及触发模式。几种常用的触发类型：

• 最基本的边沿触发 - 当输入信号的电压超过某一个设定的电平，示波器开始测量。可以设置为上升沿或下降沿触发，或者两个沿都可以触发。

• 脉冲触发 - 遇到某种指定的电压脉冲的时候示波器开始测量，你可以指定脉冲的宽度以及脉冲的方向。

• 斜坡触发 - 正向或负向的波形斜坡超过了某一个指定的时间则启动示波器的测量。

• 还有一些更复杂的触发机制用以检测某些标准的波形，比如NTSC或PAL信号。

探头部分

示波器的测量离不开同被测电路连接的探头，它是一个单输入的设备，将电信号从待测的电路上传递到示波器。它有一个比较尖的头用以接触你要检测的电路的测试点，很多时候这个尖头会配上钩子、镊子或夹子以方便连接到被测的电路上。每个探头都有一个接地夹子，测试的时候需要将这个接地夹子安全地连接到待测电路的公共地的位置。

探头看起来简单，用起来却学问大多了，多数硬件工程师不会使用示波器的探头，我们来看看怎么回事：
理想状况下，示波器的探头应该对被测的信号没有任何影响，但现实却是它长长的连线不可避免地有着杂散电感、电容、以及电阻。因此，无论如何，它们都会影响到示波器对待测信号的解读，尤其在非常高的频率的时候。
探头有多种，最常用的是多数示波器自带的无源（Passive）衰减探头，它内部有着大的电阻并联一个很小的电容，以帮助减小探头的长电缆给待测电路带来的负载效应。这个内部的高电阻同示波器输入端的电阻串联，对输入信号构成了分压。

多数的示波器探头的内部阻抗为9MΩ的电阻，它同示波器输入端的标准的1MΩ的输入电阻相连接，构成了1/10的分压，这种探头被称为10X衰减探头。很多探头都有一个开关，可以切换是10:1衰减（10X）还是不做衰减（1X）.

衰减探头在高频应用中能够保证比较高的精准度，但不好的地方就是对输入信号先衰减了10倍，如果你要测量的信号是非常小幅度的微弱信号，最好还是使用不做衰减的1x探头，这时候你需要设置示波器的菜单以告知其衰减发生了变化，很多示波器能够自动检测到探头是衰减还是不衰减。
除了刚才讲的无源衰减探头，还有有源探头（单独供电），能够在送入示波器之前对待测信号进行放大甚至预处理；有能够测量交流或直流电流的探头，电流探头一般是环绕着待测的信号线，而不接触到被测的电路。
示波器的使用步骤
1.选择和设置探头

先根据需要选择一个合适的探头，对于多数测量的信号来讲，你购买的仪器里随带的简单的无源探头就可以用了。
接下来，设置好探头的衰减，一般常用的是10X，它是很多场合最佳的选择，如果你要测量幅度比较小的信号，可以设置在1X档。
2.接上探头，打开示波器
将探头连接到示波器的第一个通道，打开示波器开关开始运行，你可以看到示波器屏幕上的方格、刻度以及由一条水平线构成的波形，带着微弱的噪声波动。

屏幕上将显示上次关机前设置好的时间（水平方向）和电压（竖直方向）刻度，你不用管这些，调整相应的旋钮，将示波器放到标准的设置：

1. 打开通道1，关掉通道2；

2. 设置通道1为直流耦合；

3. 设置触发源为通道1 – 没有外接的信号源或其它通道的信号对此进行触发；

4. 设置触发类型为上升沿触发, 触发模式为自动；

5. 确认示波器探头的衰减设置同你使用的探头的状态一致（例如1X, 10X）；

3 校准探头
示波器一般在其面板的右下方都会提供一个内部产生、供校准用的高可靠、固定频率和幅度的方波测试信号，它有两个分开的连接点 - 一个输出校正信号，一个连接系统的地。将探头的接地夹子连接到这个测试信号的接地端，示波器的探头连接到测试信号的输出。

旋转水平向和垂直向的调节按钮，将波形适当地显示在屏幕上，调节“触发”按钮让波形稳定地显示在屏幕上。

如果探头设置为10X，却发现显示的方波波形不是严格的方波，你需要进行阻抗补偿 - 用小改锥调节如下图中显示的探头上的并联电容的大小。

在调节的时候你可以看到屏幕上的波形在变化。

调节直至屏幕上显示的波形为完美的方波。记住，只有在用10X的时候才需要进行补偿调节。

对于被测的电路来讲示波器探头+示波器等效为一个10MΩ的电阻和Cload的并联，对被测电路工作的影响可以根据这个等效电路来计算。
一旦校准好了探头，就可以测量电路上的信号了，测量的时候几个小技巧：
1 采用比较方便、安全、不影响性能的连接方式 -- 将探头的接地夹子接到这个点上。有时候你需要焊接一根很细的导线在电路板上以方便探头的接地夹夹住，探头的尖头端也可以通过带弹簧的夹子、钩子等方便地连接待测的信号点 - 总之要找到一种方法，你不必要一直用手拿着探头。
2. 避免测量方法不当导致的噪声 - 如果待测的信号为高频（几十MHz）信号，用示波器测试的时候要做到地线的连接尽可能短，否则会由于探头的接地线同探头的尖头构成的环路形成天线，将待测点附近的高频信号（空间的无线电波、板子上开关信号辐射）接收下来叠加在待测信号上，会给自己的调试带来很大的干扰。多数情况下需要将同轴线直接焊接在电路板上，避免产生接收回路。

3. 熟悉你使用的仪器的所有测量工具 - 不同的示波器内部带的测量功能不同，你可以查看说明书以及调节各个按键先对你用的仪器功能全面熟悉一下，比如周期、峰峰值、脉宽、占空比、上升沿、下降沿、平均电压等的测量以及如何使用FFT功能，有哪些是能够自动测量并显示的。

4. 手动测量波形参数 - 可以通过移动光标读数、计算得到，移动光标的时候时间和电压值都会发生变化。一般光标都是成对出现，你可以通过读取两个光标之间的差值得到需要的信息。

5. 波形对比 - 基于你的测量结果，可以对电路进行调整，并调整后再次测量，有一些示波器具有保持、打印波形的功能，因此你可以调出前面测试的信号进行对比。

由于篇幅有限，关于示波器的使用就讲这些