我們都知道萬用表（又稱歐姆表）是工程師最常用的調試電路的工具，但萬用表的功能非常有局限，如果你需要觀察一些随時間變化的參量，比如頻率、幅度、噪聲等等，示波器就是最好的選擇。

那我們先看看示波器是什麼？主要的用途是什麼？

示波器的主要用途就是将随時間變化的電信号以圖形的方式畫出來，多數的示波器是用時間為x軸，電壓為y軸産生的二維圖形。

橫軸為時間，縱軸為電壓

在示波器屏幕周邊的控制按鈕可以調節圖形的顯示比例，顯示的橫軸和縱軸刻度都能夠調節，這樣就可以對信号在時間和幅度兩個維度進行縮放查看，還有可以調節“觸發”的旋鈕，幫助“穩定”波形的顯示。

除了這些基礎的功能之外，示波器還能夠幫助工程師快速定量被測信号的頻率、幅度以及其它的波形參數。總之示波器可以測試基于時間和基于電壓的參數，如下：

• 基于時間的參數：頻率和周期、占空比、上升時間和下降時間等
• 電壓參數：幅度、最大電壓、最小電壓、平均電壓等

那什麼時候用示波器？

• 在調試電路的輸入、輸出以及中間系統的時候用以确定信号的頻率和幅度，基于這些信息可以判斷電路的工作是否正常
• 确定電路中噪聲的大小
• 判斷波形的形狀-正弦波、方波、三角闆、鋸齒波、複合波形等等
• 測量兩個不同信号的相位差

示波器的選用依據

示波器的功能、性能、價格差别都非常大，示波器的選型需要根據使用的場景（考慮到将來所有可能的項目需求）并結合自己的預算進行選擇，主要需要考慮的參數如下：

• 數字 vs. 模拟 – 早期的模拟示波器将輸入的電壓以電子束的方式直接打在顯示屏上；數字示波器内部由微處理器控制，通過模數轉換器（ADC）将輸入的模拟信号進行量化，并經過一系列的處理後将量化的波形顯示出來。一般來講，早期的模拟示波器帶寬相對較低，功能較少，但響應時間也許更快，且沒有數字示波器由于采樣帶來的混疊頻率，随着科技的發展目前主流的都已經是數字示波器，除非特殊的場合需要模拟示波器；
• 通道數 – 可以同時處理的模拟信号輸入的數量，2通道最為常見，其次是4通道；
• 帶寬 – 能夠可靠測量的模拟信号的頻率範圍，一般以MHz為單位來表示，下面的圖可以看出來如果模拟帶寬不夠對被測波形的影響。

模拟帶寬對信号波形的影響

• 取樣率 – 這是數字示波器特有的指标，反映了對模拟信号以每秒多少次的速度進行采樣。有的多通道示波器，當多個通道同時使用的時候采樣率可能會降低，一般以MSa/S來表示，示波器的最高采樣率應該大于4倍的模拟帶寬。
• 上升時間 – 示波器的上升時間決定了其能夠測量的最快的上升脈沖，這個指标與帶寬高度相關，可以用這個公式來換算：Rise Time = 0.35 / Bandwidth.
• 最大輸入電壓 – 每種電子産品都有其能夠承受電壓的最高極限，示波器的最高輸入電壓指的是，如果輸入的信号電壓超過這個值，極有可能會損毀示波器。
• 分辨率 – 表征了對輸入電壓的量化精度，一般高速的示波器都采用8bit的高速ADC對模拟信号進行量化采樣。
• 垂直靈敏度 – 這個值表征了垂直顯示的電壓量程的最小和最大值，單位是伏/格。
• 時間基準 – 表征了水平的時間軸的靈敏度範圍，單位是秒/格
• 輸入阻抗 – 如果被測信号為很高頻率的信号，即便是非常小的阻抗（電阻、電容、電感）疊加在電路上都會對信号帶來比較大的影響。每一個示波器都會對測量的電路增加一定的阻抗，這個阻抗就是輸入阻抗，它一般是比較大的電阻(>1 MΩ)與比較小的電容（在pF的範圍）并聯 (||). 在測量非常高頻率的信号的時候輸入阻抗的影響就變得比較明顯，可以通過調節使用的探頭來進行補償。

以Rigol的DS1204B為例，看看這個示波器的各項指标：

理解了這些參數的意義，對于你選用合适的示波器非常重要，下一步我們談一下如何正确使用示波器。

示波器的組成

各種示波器的功能基本上都是一樣的，它們都有一些共同的屬性 - 顯示、水平線、垂直線、觸發、輸入等。

數字示波器内部構成框圖

數字示波器的面闆

顯示部分

示波器最重要的功能就是把你要測量的電信号以時間為坐标顯示出來，因此它是示波器最重要的部分之一。

示波器的顯示界面一般都是通過多條水平和豎直的線交錯構成的格狀，豎直的刻度單位為伏/格，水平的刻度單位為秒/格。一般來講示波器的顯示屏在豎向（伏）有8-10個格，在橫向（秒）有10-14個格。

越來越多的數字示波器使用多色的LCD顯示屏，能方便在一個屏幕上顯示多個波形（以不同的顔色）。

顯示屏周邊（右側或下面）一般會有5個輸入按鍵，用以菜單切換以及設置的控制。

垂直調節

示波器顯示屏的豎向顯示的是測量信号的電壓，它的顯示控制一般會通過兩個旋鈕：一個調節波形在豎直方向的位置，另一個調節每格的刻度（伏/格）。

調節垂直顯示刻度的旋鈕

帶直流偏移的信号

通過這兩個旋鈕的調節，你可以觀察到波形的細節，比如你要仔細看一個5V的方波信号的上升沿，就可以通過調節這兩個旋鈕将上升沿放大進行查看。

水平調節

示波器的水平部分為時間标尺，就像垂直調節一樣，水平調節按鈕也有兩個 - 調節左右移動 和改變刻度的大小（單位為秒/每格）。

左右位置的旋鈕可以左或右移動顯示波形，屏幕上顯示多少個周期的波形是通過水平比例的按鈕來調節的。

你可以通過水平比例按鈕在橫向放大波形仔細查看其細節部分。

通過橫向和豎向調節使得波形的顯示正好适當

觸發系統

觸發系統主要是為了穩定波形的顯示并讓示波器能聚焦，通過調節“觸發”按鈕，你可以告訴示波器在哪一個起始點開始測量。如果被測的信号是周期性的波形，通過觸發的設置，可以讓波形在屏幕上穩定顯示，像靜止不動一樣。如果觸發沒有調節好，波形就會在屏幕上跑來跑去，不能穩定下來。

示波器的觸發部分一般包含一個觸發電平按鈕和幾個用以選擇觸發源、觸發類型的按鈕。調節“觸發電平按鈕”就能夠設置觸發點為某一個固定的電壓值。

其它的幾個按鈕和屏幕菜單一起構成了觸發系統的其餘部分，主要的用途是選擇觸發源以及觸發模式。幾種常用的觸發類型：

• 最基本的邊沿觸發—當輸入信号的電壓超過某一個設定的電平，示波器開始測量。可以設置為上升沿或下降沿觸發，或者兩個沿都可以觸發。
• 脈沖觸發—遇到某種指定的電壓脈沖的時候示波器開始測量，你可以指定脈沖的寬度以及脈沖的方向。
• 斜坡觸發—正向或負向的波形斜坡超過了某一個指定的時間則啟動示波器的測量
• 還有一些更複雜的觸發機制用以檢測某些标準的波形，比如NTSC或PAL信号

左側的菜單可以看到不同的觸發類型

探頭部分

示波器的測量離不開同被測電路連接的探頭，它是一個單輸入的設備，将電信号從待測的電路上傳遞到示波器。它有一個比較尖的頭用以接觸你要檢測的電路的測試點，很多時候這個尖頭會配上鈎子、鑷子或夾子以方便連接到被測的電路上。每個探頭都有一個接地夾子，測試的時候需要将這個接地夾子安全地連接到待測電路的公共地的位置。

探頭看起來簡單，用起來卻學問大多了，多數硬件工程師不會使用示波器的探頭，我們來看看怎麼回事：

理想狀況下，示波器的探頭應該對被測的信号沒有任何影響，但現實卻是它長長的連線不可避免地有着雜散電感、電容、以及電阻。因此，無論如何，它們都會影響到示波器對待測信号的解讀，尤其在非常高的頻率的時候。

探頭有多種，最常用的是多數示波器自帶的無源（Passive）衰減探頭，它内部有着大的電阻并聯一個很小的電容，以幫助減小探頭的長電纜給待測電路帶來的負載效應。這個内部的高電阻同示波器輸入端的電阻串聯，對輸入信号構成了分壓。

示波器探頭内部等效阻抗以及和示波器輸入端的連接

多數的示波器探頭的内部阻抗為9MΩ的電阻，它同示波器輸入端的标準的1MΩ的輸入電阻相連接，構成了1/10的分壓，這種探頭被稱為10X衰減探頭。很多探頭都有一個開關，可以切換是10:1衰減（10X）還是不做衰減（1X）。

衰減探頭在高頻應用中能夠保證比較高的精準度，但不好的地方就是對輸入信号先衰減了10倍，如果你要測量的信号是非常小幅度的微弱信号，最好還是使用不做衰減的1x探頭，這時候你需要設置示波器的菜單以告知其衰減發生了變化，很多示波器能夠自動檢測到探頭是衰減還是不衰減。

除了剛才講的無源衰減探頭，還有有源探頭（單獨供電），能夠在送入示波器之前對待測信号進行放大甚至預處理；有能夠測量交流或直流電流的探頭，電流探頭一般是環繞着待測的信号線，而不接觸到被測的電路。

示波器的使用步驟

1 選擇和設置探頭

先根據需要選擇一個合适的探頭，對于多數測量的信号來講，你購買的儀器裡随帶的簡單的無源探頭就可以用了。

接下來，設置好探頭的衰減，一般常用的是10X，它是很多場合最佳的選擇，如果你要測量幅度比較小的信号，可以設置在1X檔。

2 接上探頭，打開示波器

将探頭連接到示波器的第一個通道，打開示波器開關開始運行，你可以看到示波器屏幕上的方格、刻度以及由一條水平線構成的波形，帶着微弱的噪聲波動。

屏幕上将顯示上次關機前設置好的時間（水平方向）和電壓（豎直方向）刻度，你不用管這些，調整相應的旋鈕，将示波器放到标準的設置：

1. 打開通道1，關掉通道2；
2. 設置通道1為直流耦合；
3. 設置觸發源為通道1 – 沒有外接的信号源或其它通道的信号對此進行觸發；
4. 設置觸發類型為上升沿觸發, 觸發模式為自動；
5. 确認示波器探頭的衰減設置同你使用的探頭的狀态一緻（例如1X, 10X）；

3 校準探頭

示波器一般在其面闆的右下方都會提供一個内部産生、供校準用的高可靠、固定頻率和幅度的方波測試信号，它有兩個分開的連接點 - 一個輸出校正信号，一個連接系統的地。将探頭的接地夾子連接到這個測試信号的接地端，示波器的探頭連接到測試信号的輸出。

旋轉水平向和垂直向的調節按鈕，将波形适當地顯示在屏幕上，調節“觸發”按鈕讓波形穩定地顯示在屏幕上。

4. 對衰減的探頭進行補償

如果探頭設置為10X，卻發現顯示的方波波形不是嚴格的方波，你需要進行阻抗補償 - 用小改錐調節如下圖中顯示的探頭上的并聯電容的大小。

高頻時的探頭等效電路

在調節的時候你可以看到屏幕上的波形在變化。

調節直至屏幕上顯示的波形為完美的方波。記住，隻有在用10X的時候才需要進行補償調節。

對于被測的電路來講示波器探頭 示波器等效為一個10MΩ的電阻和Cload的并聯，對被測電路工作的影響可以根據這個等效電路來計算。

一旦校準好了探頭，就可以測量電路上的信号了，測量的時候幾個小技巧：

1 采用比較方便、安全、不影響性能的連接方式 - 将探頭的接地夾子接到這個點上。有時候你需要焊接一根很細的導線在電路闆上以方便探頭的接地夾夾住，探頭的尖頭端也可以通過帶彈簧的夾子、鈎子等方便地連接待測的信号點 - 總之要找到一種方法，你不必要一直用手拿着探頭。

2. 避免測量方法不當導緻的噪聲 - 如果待測的信号為高頻（幾十MHz）信号，用示波器測試的時候要做到地線的連接盡可能短，否則會由于探頭的接地線同探頭的尖頭構成的環路形成天線，将待測點附近的高頻信号（空間的無線電波、闆子上開關信号輻射）接收下來疊加在待測信号上，會給自己的調試帶來很大的幹擾。多數情況下需要将同軸線直接焊接在電路闆上，避免産生接收回路。

3. 熟悉你使用的儀器的所有測量工具 - 不同的示波器内部帶的測量功能不同，你可以查看說明書以及調節各個按鍵先對你用的儀器功能全面熟悉一下，比如周期、峰峰值、脈寬、占空比、上升沿、下降沿、平均電壓等的測量以及如何使用FFT功能，有哪些是能夠自動測量并顯示的。

使用示波器的測量工具獲取Vpp, Vmax, 頻率，周期，占空比等信息

參數的自動計算顯示

4. 手動測量波形參數 - 可以通過移動光标讀數、計算得到，移動光标的時候時間和電壓值都會發生變化。一般光标都是成對出現，你可以通過讀取兩個光标之間的差值得到需要的信息。

使用光标測量方波的過沖振鈴

5. 波形對比 - 基于你的測量結果，可以對電路進行調整，并調整後再次測量，有一些示波器具有保持、打印波形的功能，因此你可以調出前面測試的信号進行對比。

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