前天發(fā)了一篇文章“90%的工程師不會用示波器”引起了強烈反響。也有不少網(wǎng)友通過留言的方式回答了文中的幾個問題，今天我們就來聊聊“使用示波器的正確姿勢”

我們都知道萬用表（又稱歐姆表）是工程師最常用的調(diào)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隨時間變化的參量，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么？主要的用途是什么？

示波器的主要用途就是將隨時間變化的電信號以圖形的方式畫出來，多數(shù)的示波器是用時間為x軸，電壓為y軸產(chǎn)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(diào)節(jié)圖形的顯示比例，顯示的橫軸和縱軸刻度都能夠調(diào)節(jié)，這樣就可以對信號在時間和幅度兩個維度進行縮放查看，還有可以調(diào)節(jié)“觸發(fā)”的旋鈕，幫助“穩(wěn)定”波形的顯示。

除了這些基礎(chǔ)的功能之外，示波器還能夠幫助工程師快速定量被測信號的頻率、幅度以及其它的波形參數(shù)?？傊静ㄆ骺梢詼y試基于時間和基于電壓的參數(shù)，如下：

• 基于時間的參數(shù): 頻率和周期、占空比、上升時間和下降時間等

• 電壓參數(shù): 幅度、最大電壓、最小電壓、平均電壓等

那什么時候用示波器？

• 在調(diào)試電路的輸入、輸出以及中間系統(tǒng)的時候用以確定信號的頻率和幅度，基于這些信息可以判斷電路的工作是否正常。

• 確定電路中噪聲的大小

• 判斷波形的形狀 – 正弦波、方波、三角波、鋸齒波、復(fù)合波形等等

• 測量兩個不同信號的相位差

示波器的選用依據(jù)

示波器的功能、性能、價格差別都非常大，示波器的選型需要根據(jù)使用的場景（考慮到將來所有可能的項目需求）并結(jié)合自己的預(yù)算進行選擇，主要需要考慮的參數(shù)如下：

• 數(shù)字 vs. 模擬 – 早期的模擬示波器將輸入的電壓以電子束的方式直接打在顯示屏上；數(shù)字示波器內(nèi)部由微處理器控制，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將輸入的模擬信號進行量化，并經(jīng)過一系列的處理后將量化的波形顯示出來。一般來講，早期的模擬示波器帶寬相對較低，功能較少，但響應(yīng)時間也許更快，且沒有數(shù)字示波器由于采樣帶來的混疊頻率，隨著科技的發(fā)展目前主流的都已經(jīng)是數(shù)字示波器，除非特殊的場合需要模擬示波器；

• 通道數(shù) – 可以同時處理的模擬信號輸入的數(shù)量，2通道最為常見，其次是4通道；

• 帶寬 – 能夠可靠測量的模擬信號的頻率范圍，一般以MHz為單位來表示，下面的圖可以看出來如果模擬帶寬不夠?qū)Ρ粶y波形的影響。

  模擬帶寬對信號波形的影響

• 取樣率 – 這是數(shù)字示波器特有的指標，反映了對模擬信號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(yīng)該大于4倍的模擬帶寬。

• 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，這個指標與帶寬高度相關(guān)，可以用這個公式來換算：Rise Time = 0.35 / Bandwidth.

• 最大輸入電壓 – 每種電子產(chǎn)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，如果輸入的信號電壓超過這個值，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對模擬信號進行量化采樣。

• 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范圍，單位是秒/格

• 輸入阻抗 – 如果被測信號為很高頻率的信號，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號帶來比較大的影響。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的范圍）并聯(lián) (||). 在測量非常高頻率的信號的時候輸入阻抗的影響就變得比較明顯，可以通過調(diào)節(jié)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標：

理解了這些參數(shù)的意義，對于你選用合適的示波器非常重要，下一步我們談一下如何正確使用示波器。

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(fā)、輸入等。

數(shù)字示波器內(nèi)部構(gòu)成框圖

數(shù)字示波器的面板

顯示部分

示波器最重要的功能就是把你要測量的電信號以時間為坐標顯示出來，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(gòu)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(shù)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（以不同的顏色）。

顯示屏周邊（右側(cè)或下面）一般會有5個輸入按鍵，用以菜單切換以及設(shè)置的控制。

垂直調(diào)節(jié)

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

調(diào)節(jié)垂直顯示刻度的旋鈕

帶直流偏移的信號

通過這兩個旋鈕的調(diào)節(jié)，你可以觀察到波形的細節(jié)，比如你要仔細看一個5V的方波信號的上升沿，就可以通過調(diào)節(jié)這兩個旋鈕將上升沿放大進行查看。

水平調(diào)節(jié)

示波器的水平部分為時間標尺，就像垂直調(diào)節(jié)一樣，水平調(diào)節(jié)按鈕也有兩個 - 調(diào)節(jié)左右移動 和改變刻度的大?。▎挝粸槊?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(diào)節(jié)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(jié)部分。

通過橫向和豎向調(diào)節(jié)使得波形的顯示正好適當

觸發(fā)系統(tǒng)

觸發(fā)系統(tǒng)主要是為了穩(wěn)定波形的顯示并讓示波器能聚焦，通過調(diào)節(jié)“觸發(fā)”按鈕，你可以告訴示波器在哪一個起始點開始測量。如果被測的信號是周期性的波形，通過觸發(fā)的設(shè)置，可以讓波形在屏幕上穩(wěn)定顯示，像靜止不動一樣。如果觸發(fā)沒有調(diào)節(jié)好，波形就會在屏幕上跑來跑去，不能穩(wěn)定下來。

示波器的觸發(fā)部分一般包含一個觸發(fā)電平按鈕和幾個用以選擇觸發(fā)源、觸發(fā)類型的按鈕。調(diào)節(jié)“觸發(fā)電平按鈕”就能夠設(shè)置觸發(fā)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(gòu)成了觸發(fā)系統(tǒng)的其余部分，主要的用途是選擇觸發(fā)源以及觸發(fā)模式。幾種常用的觸發(fā)類型：

• 最基本的邊沿觸發(fā) - 當輸入信號的電壓超過某一個設(shè)定的電平，示波器開始測量?？梢栽O(shè)置為上升沿或下降沿觸發(fā)，或者兩個沿都可以觸發(fā)。

• 脈沖觸發(fā) - 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(fā) - 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。

• 還有一些更復(fù)雜的觸發(fā)機制用以檢測某些標準的波形，比如NTSC或PAL信號. 

左側(cè)的菜單可以看到不同的觸發(fā)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(shè)備，將電信號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鉤子、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，測試的時候需要將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(shù)硬件工程師不會使用示波器的探頭，我們來看看怎么回事：

理想狀況下，示波器的探頭應(yīng)該對被測的信號沒有任何影響，但現(xiàn)實卻是它長長的連線不可避免地有著雜散電感、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號的解讀，尤其在非常高的頻率的時候。

探頭有多種，最常用的是多數(shù)示波器自帶的無源（Passive）衰減探頭，它內(nèi)部有著大的電阻并聯(lián)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(yīng)。這個內(nèi)部的高電阻同示波器輸入端的電阻串聯(lián)，對輸入信號構(gòu)成了分壓。

示波器探頭內(nèi)部等效阻抗以及和示波器輸入端的連接

多數(shù)的示波器探頭的內(nèi)部阻抗為9MΩ的電阻，它同示波器輸入端的標準的1MΩ的輸入電阻相連接，構(gòu)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(guān)，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(yīng)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號先衰減了10倍，如果你要測量的信號是非常小幅度的微弱信號，最好還是使用不做衰減的1x探頭，這時候你需要設(shè)置示波器的菜單以告知其衰減發(fā)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號進行放大甚至預(yù)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(huán)繞著待測的信號線，而不接觸到被測的電路。

示波器的使用步驟

1 選擇和設(shè)置探頭

先根據(jù)需要選擇一個合適的探頭，對于多數(shù)測量的信號來講，你購買的儀器里隨帶的簡單的無源探頭就可以用了。

接下來，設(shè)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號，可以設(shè)置在1X檔。

2 接上探頭，打開示波器

將探頭連接到示波器的第一個通道，打開示波器開關(guān)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(gòu)成的波形，帶著微弱的噪聲波動。

屏幕上將顯示上次關(guān)機前設(shè)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(diào)整相應(yīng)的旋鈕，將示波器放到標準的設(shè)置：

1. 打開通道1，關(guān)掉通道2；

2. 設(shè)置通道1為直流耦合；

3. 設(shè)置觸發(fā)源為通道1 – 沒有外接的信號源或其它通道的信號對此進行觸發(fā)；

4. 設(shè)置觸發(fā)類型為上升沿觸發(fā), 觸發(fā)模式為自動；

5. 確認示波器探頭的衰減設(shè)置同你使用的探頭的狀態(tài)一致（例如1X, 10X）；

3 校準探頭

示波器一般在其面板的右下方都會提供一個內(nèi)部產(chǎn)生、供校準用的高可靠、固定頻率和幅度的方波測試信號，它有兩個分開的連接點 - 一個輸出校正信號，一個連接系統(tǒng)的地。將探頭的接地夾子連接到這個測試信號的接地端，示波器的探頭連接到測試信號的輸出。

旋轉(zhuǎn)水平向和垂直向的調(diào)節(jié)按鈕，將波形適當?shù)仫@示在屏幕上，調(diào)節(jié)“觸發(fā)”按鈕讓波形穩(wěn)定地顯示在屏幕上。

4. 對衰減的探頭進行補償

如果探頭設(shè)置為10X，卻發(fā)現(xiàn)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(diào)節(jié)如下圖中顯示的探頭上的并聯(lián)電容的大小。

高頻時的探頭等效電路

在調(diào)節(jié)的時候你可以看到屏幕上的波形在變化。

調(diào)節(jié)直至屏幕上顯示的波形為完美的方波。記住，只有在用10X的時候才需要進行補償調(diào)節(jié)。

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(lián)，對被測電路工作的影響可以根據(jù)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號了，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 -- 將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(dǎo)線在電路板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、鉤子等方便地連接待測的信號點 - 總之要找到一種方法，你不必要一直用手拿著探頭。

2. 避免測量方法不當導(dǎo)致的噪聲 - 如果待測的信號為高頻（幾十MHz）信號，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(gòu)成的環(huán)路形成天線，將待測點附近的高頻信號（空間的無線電波、板子上開關(guān)信號輻射）接收下來疊加在待測信號上，會給自己的調(diào)試帶來很大的干擾。多數(shù)情況下需要將同軸線直接焊接在電路板上，避免產(chǎn)生接收回路。

3. 熟悉你使用的儀器的所有測量工具 - 不同的示波器內(nèi)部帶的測量功能不同，你可以查看說明書以及調(diào)節(jié)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(shù)的自動計算顯示

4. 手動測量波形參數(shù) - 可以通過移動光標讀數(shù)、計算得到，移動光標的時候時間和電壓值都會發(fā)生變化。一般光標都是成對出現(xiàn)，你可以通過讀取兩個光標之間的差值得到需要的信息。

使用光標測量方波的過沖振鈴

5. 波形對比 - 基于你的測量結(jié)果，可以對電路進行調(diào)整，并調(diào)整后再次測量，有一些示波器具有保持、打印波形的功能，因此你可以調(diào)出前面測試的信號進行對比。

由于篇幅有限，關(guān)于示波器的使用就講這些，如果要了解更深入的內(nèi)容可以在google.com或bing.com里搜索“oscilloscope ppt”，能夠看到很多關(guān)于示波器如何使用的教程。

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