示波器基础知识科普你是否好奇过电子工程师是如何 “看见” 电路里看不见的电信号的他们手中的示波器就像是电子世界的眼睛能把转瞬即逝的电压变化变成我们眼前清晰可见的波形。无论是维修家电、调试电路板还是研发新的电子设备示波器都是不可或缺的工具。今天我们就来一起揭开它的神秘面纱。一、什么是示波器简单来说示波器是一种能把电信号的变化过程 “画” 出来的仪器。它的屏幕上纵轴Y 轴代表电压横轴X 轴代表时间。通过这个二维的图像我们不仅能看到信号的形状还能精确测量它的大小、快慢、相位等各种参数。图 1: 现代数字示波器直观显示信号波形从 1897 年布劳恩发明第一台原始示波器到今天的高速数字示波器这个工具已经走过了一百多年的历史。它从最初只能简单显示波形发展到现在能进行复杂的信号分析、协议解码成为了电子领域最通用的测量仪器。二、它是如何工作的要理解示波器我们首先要知道它是怎么把电信号变成图像的。目前主流的示波器主要分为两类模拟示波器和数字示波器。2.1 模拟示波器的原理电子束的绘画早期的模拟示波器核心部件是一个叫做 \\示波管CRT\\的真空管有点像老式的电视机。它的内部结构主要分为三部分电子枪负责发射出一束极细的高速电子。偏转板有两对一对是垂直Y 轴的一对是水平X 轴的。当电子束穿过它们时电场会让电子束发生偏转。电压越大偏转的角度就越大。荧光屏电子打在上面会发出荧光这样我们就能看到光点的位置了。图 2: 模拟示波器的示波管结构当我们把被测信号接到 Y 轴输入端时信号电压的变化会控制电子束上下移动。同时示波器内部会产生一个锯齿波电压加到 X 轴这个电压会让电子束从左到右匀速地 “扫” 过去。当这两个运动结合起来电子束就在荧光屏上画出了信号随时间变化的波形。2.2 数字示波器的原理采样与重构现在我们常用的大多是数字示波器。它的工作方式更像数码相机采样前端的模数转换器ADC以极高的速度把连续的模拟电压信号转换成一个个离散的数字点。存储把这些数字点暂时存在内存里。重构最后把这些点连起来重新组成波形显示在液晶屏上。数字示波器的优势非常明显它可以把波形存下来慢慢分析还能进行各种数学运算和自动测量功能强大得多。三、认识示波器的面板第一次面对示波器密密麻麻的旋钮很多人都会犯晕。其实不用怕它们主要分成三个核心区域图 3: 示波器前面板的三大功能区3.1 垂直控制区Vertical这个区域管的是 Y 轴也就是电压。Volt/Div伏 / 格这个旋钮控制垂直方向的灵敏度。简单说就是屏幕上每一格代表多少伏。转它可以放大或缩小波形的高度。Position位置上下移动整个波形让它居中显示。通道选择CH1/CH2打开或关闭对应的输入通道双踪示波器可以同时看两个信号。耦合方式CouplingDC 耦合显示信号的全部成分包括直流。AC 耦合把直流分量过滤掉只看交流变化。比如你想看一个大直流上的小纹波用 AC 耦合就很方便。GND断开输入显示一条 0V 的基线方便你参考。3.2 水平控制区Horizontal这个区域管的是 X 轴也就是时间。Time/Div秒 / 格控制水平方向的扫描速度。屏幕上每一格代表多少时间。 转它可以左右拉伸或压缩波形让你能看到更多周期或者放大看信号的细节。Position位置左右移动整个波形查看触发点前后的内容。3.3 触发控制区Trigger这是示波器最关键的部分也是新手最容易搞不懂的。如果没有触发你看到的波形会左右乱跑根本看不清。触发的作用就是告诉示波器“当信号满足这个条件的时候你再开始画波形。” 这样每次画波形的起点都一样波形就稳定了。Level电平触发电平。就是你设定一个电压值当信号上升或下降穿过这个值的时候就触发。Source源你想用哪个信号来触发通常是 CH1 或 CH2。Mode模式边沿触发最常用的在信号的上升沿或下降沿触发。自动Auto没触发也能显示适合新手快速找波形。正常Normal只有满足触发条件才显示适合测单次信号。四、探头连接电路的桥梁光有示波器主机还不够你还需要探头把电路里的信号引到示波器里。探头可不是简单的一根线它里面大有文章。图 4: 常见的无源探头钩子接信号夹子接地4.1 衰减比1X 还是 10X探头上面通常有个小开关可以选 1X 或者 10X。1X信号不衰减直接传过去。适合测小信号但带宽比较低而且对电路的负载影响大。10X把信号衰减 10 倍再传给示波器。这样可以测更高的电压带宽也更高对电路的影响也更小。这是最常用的档位。注意如果你用了 10X 探头一定要记得在示波器的通道设置里也把探头比例改成 10X不然测出来的电压会小 10 倍4.2 探头补偿校准你的探头新买的探头或者换了通道用一定要先做探头补偿。因为探头和示波器的输入电容可能不匹配会导致波形失真。怎么做呢把探头接到示波器自带的校准信号上通常是一个 1kHz 的方波。看屏幕上的方波。如果方波的拐角是圆角或者上升沿过冲了那就是补偿过度。如果拐角是斜的上升沿太慢那就是补偿不足。用螺丝刀调整探头上的微调电容直到方波的拐角变成完美的直角。图 5: 探头补偿的正确与错误情况五、示波器的测量方法好了现在波形稳定了我们该怎么测量它的参数呢主要有手动测量和自动测量两种方法。5.1 电压测量电压是最基本的测量。手动测量先看垂直档位比如现在是 2V/Div。然后看波形的波峰到波谷占了几格比如占了 3 格。那峰峰值就是 2V/Div * 3Div 6V。自动测量现在的数字示波器都有自动测量功能按一下 Measure直接就能读出峰峰值、最大值、最小值、有效值RMS非常方便。5.2 频率和周期测量频率就是信号一秒钟重复多少次周期就是重复一次要多久它们互为倒数。手动测量看水平档位比如是 1ms/Div。然后数一个完整的波形占了几格比如 5 格。那周期就是 1ms/Div * 5Div 5ms。频率就是 1/5ms 200Hz。自动测量同样自动测量里直接选 Frequency一秒出结果。图 6: 脉冲信号的上升时间、脉宽等参数测量5.3 相位差测量有时候我们需要比较两个信号的同步情况比如电流和电压是不是同相位这就要测相位差。双踪法把两个信号分别接到 CH1 和 CH2同时显示。测出它们的周期 T再测出两个信号上升沿之间的时间差 Δt。相位差就是 (Δt / T) * 360°。李萨如图形法这是个很有趣的方法。把示波器调到 XY 模式CH1 接 X 轴CH2 接 Y 轴。如果两个信号频率相同屏幕上会出现一个椭圆。通过椭圆的形状就能算出相位差。如果频率成整数比还会出现各种漂亮的图案。图 7: 不同频率比的李萨如图形六、认识常见的波形示波器屏幕上的波形千变万化但最常见的就这几种看懂它们你就能判断电路的状态了。6.1 正弦波这是最标准的波形光滑的曲线像波浪一样。我们家里的市电交流电就是标准的正弦波。纯净的正弦波说明信号很干净没有失真。图 8: 标准的正弦波6.2 方波方波在高低电平之间跳变边沿很陡。数字电路里的信号大多是方波比如单片机的时钟信号。一个完美的方波上升沿应该很陡平顶应该很平。如果上升沿变缓说明信号有损耗或者带宽不够。图 9: 标准的方波6.3 三角波和锯齿波三角波是线性上升再线性下降。锯齿波则是缓慢上升然后瞬间下降。它们常见于扫描电路、信号发生器里。图 10: 三角波6.4 脉冲波脉冲就是一个短暂的跳变。比如按键的按下、传感器的触发信号。我们常说的上升时间、脉宽都是针对脉冲的测量。图 11: 脉冲信号七、新手操作九步走第一次用示波器跟着这九步走保证你能快速调出稳定的波形开机预热插上电源打开示波器先预热几分钟让仪器稳定。连接探头把探头插到 CH1 通道拧紧。探头校准先把探头接到示波器的校准信号上做一下探头补偿确保探头是好的。通道设置按下 CH1打开通道。把耦合方式设为 DC探头比例设为 10X如果你用了 10X 探头。连接被测电路把探头的钩子接到你要测的点接地夹接到电路的地。地线一定要接好自动定标按下 Auto 键这是新手的神器。示波器会自动帮你调整垂直和水平档位自动设置触发一秒钟就能把波形给你调好。微调波形如果自动调的还不够好你可以手动转一下 Volt/Div 和 Time/Div让波形大小合适能看到 1-2 个周期就行。调整触发如果波形还是晃转一下 Level 旋钮把触发电平调到信号的幅度范围内波形马上就稳了。开始测量波形稳定了就可以用自动测量功能读取你想要的电压、频率等参数了。八、使用注意事项这些坑别踩示波器虽然好用但也有不少讲究新手很容易踩坑安全第一别超压示波器和探头都有最大输入电压。普通探头一般最多测几百伏。测 220V 市电的时候一定要小心最好用高压探头而且要注意绝缘别触电了。接地要短要近探头的地线不能太长也尽量夹在离测试点最近的地方。长地线会引入干扰导致高频信号失真。带宽要够测高频信号的时候要确保示波器的带宽比信号最高频率高。不然测出来的信号会变小边沿会变模糊。一般来说带宽至少要是信号最高频率的 5 倍。不要让亮点烧屏如果是老的模拟示波器不要让一个很亮的光点长时间停在屏幕同一个地方会把荧光屏烧坏。不要热插拔不要在开机的时候乱拔插接口容易损坏电路。九、示波器都能用在哪别看示波器是个电子仪器它的应用可广了电子研发工程师调试电路板看芯片的输出信号对不对有没有干扰。电路维修维修师傅修电视、电脑用示波器看哪个地方的信号断了哪个芯片坏了。汽车维修修车师傅用它测汽车传感器的信号判断发动机的工作状态。医疗设备医院里的心电、脑电设备其实本质上也是一种特殊的示波器。通信行业测试雷达、手机信号的质量。图 12: 示波器同时测量多个信号分析电路时序写在最后示波器就是这样一个神奇的工具它让我们得以窥见电子世界的细微变化。从最基础的看波形到复杂的信号分析掌握了示波器你就打开了电子世界的大门。希望这篇科普能让你对这个 “电子之眼” 有了初步的了解。下次再看到示波器你就不会再觉得它神秘啦
