前天發(fā)了一篇文章“90%的工程師不會(huì)用示波器”引起了強(qiáng)烈反響。也有不少網(wǎng)友通過(guò)留言的方式回答了文中的幾個(gè)問(wèn)題，今天我們就來(lái)聊聊“使用示波器的正確姿勢(shì)”

我們都知道萬(wàn)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(wàn)用表的功能非常有局限，如果你需要觀察一些隨時(shí)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(shí)間變化的電信號(hào)以圖形的方式畫(huà)出來(lái)，多數(shù)的示波器是用時(shí)間為x軸，電壓為y軸產(chǎn)生的二維圖形。

橫軸為時(shí)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(duì)信號(hào)在時(shí)間和幅度兩個(gè)維度進(jìn)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(cè)信號(hào)的頻率、幅度以及其它的波形參數(shù)?？傊静ㄆ骺梢詼y(cè)試基于時(shí)間和基于電壓的參數(shù)，如下：

• 基于時(shí)間的參數(shù): 頻率和周期、占空比、上升時(shí)間和下降時(shí)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(shí)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(shí)候用以確定信號(hào)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(cè)量?jī)蓚€(gè)不同信號(hào)的相位差

示波器的選用依據(jù)

示波器的功能、性能、價(jià)格差別都非常大，示波器的選型需要根據(jù)使用的場(chǎng)景（考慮到將來(lái)所有可能的項(xiàng)目需求）并結(jié)合自己的預(yù)算進(jìn)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(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行量化，并經(jīng)過(guò)一系列的處理后將量化的波形顯示出來(lái)。一般來(lái)講，早期的模擬示波器帶寬相對(duì)較低，功能較少，但響應(yīng)時(shí)間也許更快，且沒(méi)有數(shù)字示波器由于采樣帶來(lái)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(chǎng)合需要模擬示波器；

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

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

  模擬帶寬對(duì)信號(hào)波形的影響

• 取樣率 – 這是數(shù)字示波器特有的指標(biāo)，反映了對(duì)模擬信號(hào)以每秒多少次的速度進(jìn)行采樣。有的多通道示波器，當(dāng)多個(gè)通道同時(shí)使用的時(shí)候采樣率可能會(huì)降低，一般以MSa/S來(lái)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(shí)間 – 示波器的上升時(shí)間決定了其能夠測(cè)量的最快的上升脈沖，這個(gè)指標(biāo)與帶寬高度相關(guān)，可以用這個(gè)公式來(lái)?yè)Q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(hào)電壓超過(guò)這個(gè)值，極有可能會(huì)損毀示波器。

• 分辨率 – 表征了對(duì)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(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行量化采樣。

• 垂直靈敏度 – 這個(gè)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(shí)間基準(zhǔn) – 表征了水平的時(shí)間軸的靈敏度范圍，單位是秒/格

• 輸入阻抗 – 如果被測(cè)信號(hào)為很高頻率的信號(hào)，即便是非常小的阻抗（電阻、電容、電感）疊加在電路上都會(huì)對(duì)信號(hào)帶來(lái)比較大的影響。每一個(gè)示波器都會(huì)對(duì)測(cè)量的電路增加一定的阻抗，這個(gè)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(cè)量非常高頻率的信號(hào)的時(shí)候輸入阻抗的影響就變得比較明顯，可以通過(guò)調(diào)節(jié)使用的探頭來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。

以Rigol的DS1204B為例，看看這個(gè)示波器的各項(xiàng)指標(biāo)：

理解了這些參數(shù)的意義，對(duì)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(cè)量的電信號(hào)以時(shí)間為坐標(biāo)顯示出來(lái)，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(guò)多條水平和豎直的線交錯(cuò)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(lái)講示波器的顯示屏在豎向（伏）有8-10個(gè)格，在橫向（秒）有10-14個(gè)格。

越來(lái)越多的數(shù)字示波器使用多色的LCD顯示屏，能方便在一個(gè)屏幕上顯示多個(gè)波形（以不同的顏色）。

顯示屏周邊（右側(cè)或下面）一般會(huì)有5個(gè)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(cè)量信號(hào)的電壓，它的顯示控制一般會(huì)通過(guò)兩個(gè)旋鈕：一個(gè)調(diào)節(jié)波形在豎直方向的位置，另一個(gè)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(hào)

通過(guò)這兩個(gè)旋鈕的調(diào)節(jié)，你可以觀察到波形的細(xì)節(jié)，比如你要仔細(xì)看一個(gè)5V的方波信號(hào)的上升沿，就可以通過(guò)調(diào)節(jié)這兩個(gè)旋鈕將上升沿放大進(jìn)行查看。

水平調(diào)節(jié)

示波器的水平部分為時(shí)間標(biāo)尺，就像垂直調(diào)節(jié)一樣，水平調(diào)節(jié)按鈕也有兩個(gè) - 調(diào)節(jié)左右移動(dòng) 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(dòng)顯示波形，屏幕上顯示多少個(gè)周期的波形是通過(guò)水平比例的按鈕來(lái)調(diào)節(jié)的。

你可以通過(guò)水平比例按鈕在橫向放大波形仔細(xì)查看其細(xì)節(jié)部分。

通過(guò)橫向和豎向調(diào)節(jié)使得波形的顯示正好適當(dāng)

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(guò)調(diào)節(jié)“觸發(fā)”按鈕，你可以告訴示波器在哪一個(gè)起始點(diǎn)開(kāi)始測(cè)量。如果被測(cè)的信號(hào)是周期性的波形，通過(guò)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(dòng)一樣。如果觸發(fā)沒(méi)有調(diào)節(jié)好，波形就會(huì)在屏幕上跑來(lái)跑去，不能穩(wěn)定下來(lái)。

示波器的觸發(fā)部分一般包含一個(gè)觸發(fā)電平按鈕和幾個(gè)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(diǎn)為某一個(gè)固定的電壓值。

其它的幾個(gè)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(dāng)輸入信號(hào)的電壓超過(guò)某一個(gè)設(shè)定的電平，示波器開(kāi)始測(cè)量?？梢栽O(shè)置為上升沿或下降沿觸發(fā)，或者兩個(gè)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(shí)候示波器開(kāi)始測(cè)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(fù)向的波形斜坡超過(guò)了某一個(gè)指定的時(shí)間則啟動(dòng)示波器的測(cè)量。

• 還有一些更復(fù)雜的觸發(fā)機(jī)制用以檢測(cè)某些標(biāo)準(zhǔn)的波形，比如NTSC或PAL信號(hào). 

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(cè)量離不開(kāi)同被測(cè)電路連接的探頭，它是一個(gè)單輸入的設(shè)備，將電信號(hào)從待測(cè)的電路上傳遞到示波器。它有一個(gè)比較尖的頭用以接觸你要檢測(cè)的電路的測(cè)試點(diǎn)，很多時(shí)候這個(gè)尖頭會(huì)配上鉤子、鑷子或夾子以方便連接到被測(cè)的電路上。每個(gè)探頭都有一個(gè)接地夾子，測(cè)試的時(shí)候需要將這個(gè)接地夾子安全地連接到待測(cè)電路的公共地的位置。

探頭看起來(lái)簡(jiǎn)單，用起來(lái)卻學(xué)問(wèn)大多了，多數(shù)硬件工程師不會(huì)使用示波器的探頭，我們來(lái)看看怎么回事：

理想狀況下，示波器的探頭應(yīng)該對(duì)被測(cè)的信號(hào)沒(méi)有任何影響，但現(xiàn)實(shí)卻是它長(zhǎng)長(zhǎng)的連線不可避免地有著雜散電感、電容、以及電阻。因此，無(wú)論如何，它們都會(huì)影響到示波器對(duì)待測(cè)信號(hào)的解讀，尤其在非常高的頻率的時(shí)候。

探頭有多種，最常用的是多數(shù)示波器自帶的無(wú)源（Passive）衰減探頭，它內(nèi)部有著大的電阻并聯(lián)一個(gè)很小的電容，以幫助減小探頭的長(zhǎng)電纜給待測(cè)電路帶來(lái)的負(fù)載效應(yīng)。這個(gè)內(nèi)部的高電阻同示波器輸入端的電阻串聯(lián)，對(duì)輸入信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)開(kāi)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(zhǔn)度，但不好的地方就是對(duì)輸入信號(hào)先衰減了10倍，如果你要測(cè)量的信號(hào)是非常小幅度的微弱信號(hào)，最好還是使用不做衰減的1x探頭，這時(shí)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(dòng)檢測(cè)到探頭是衰減還是不衰減。

除了剛才講的無(wú)源衰減探頭，還有有源探頭（單獨(dú)供電），能夠在送入示波器之前對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大甚至預(yù)處理；有能夠測(cè)量交流或直流電流的探頭，電流探頭一般是環(huán)繞著待測(cè)的信號(hào)線，而不接觸到被測(cè)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(gè)合適的探頭，對(duì)于多數(shù)測(cè)量的信號(hào)來(lái)講，你購(gòu)買(mǎi)的儀器里隨帶的簡(jiǎn)單的無(wú)源探頭就可以用了。

接下來(lái)，設(shè)置好探頭的衰減，一般常用的是10X，它是很多場(chǎng)合最佳的選擇，如果你要測(cè)量幅度比較小的信號(hào)，可以設(shè)置在1X檔。

2 接上探頭，打開(kāi)示波器

將探頭連接到示波器的第一個(gè)通道，打開(kāi)示波器開(kāi)關(guān)開(kāi)始運(yùn)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(dòng)。

屏幕上將顯示上次關(guān)機(jī)前設(shè)置好的時(shí)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(biāo)準(zhǔn)的設(shè)置：

1. 打開(kāi)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(méi)有外接的信號(hào)源或其它通道的信號(hào)對(duì)此進(jìn)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(dòng)；

5. 確認(rèn)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(zhǔn)探頭

示波器一般在其面板的右下方都會(huì)提供一個(gè)內(nèi)部產(chǎn)生、供校準(zhǔn)用的高可靠、固定頻率和幅度的方波測(cè)試信號(hào)，它有兩個(gè)分開(kāi)的連接點(diǎn) - 一個(gè)輸出校正信號(hào)，一個(gè)連接系統(tǒng)的地。將探頭的接地夾子連接到這個(gè)測(cè)試信號(hào)的接地端，示波器的探頭連接到測(cè)試信號(hào)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(dāng)?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(duì)衰減的探頭進(jìn)行補(bǔ)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(yán)格的方波，你需要進(jìn)行阻抗補(bǔ)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(shí)的探頭等效電路

在調(diào)節(jié)的時(shí)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(shí)候才需要進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)。

對(duì)于被測(cè)的電路來(lái)講示波器探頭 示波器等效為一個(gè)10MΩ的電阻和Cload的并聯(lián)，對(duì)被測(cè)電路工作的影響可以根據(jù)這個(gè)等效電路來(lái)計(jì)算。

一旦校準(zhǔn)好了探頭，就可以測(cè)量電路上的信號(hào)了，測(cè)量的時(shí)候幾個(gè)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(gè)點(diǎn)上。有時(shí)候你需要焊接一根很細(xì)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(guò)帶彈簧的夾子、鉤子等方便地連接待測(cè)的信號(hào)點(diǎn) - 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(cè)量方法不當(dāng)導(dǎo)致的噪聲 - 如果待測(cè)的信號(hào)為高頻（幾十MHz）信號(hào)，用示波器測(cè)試的時(shí)候要做到地線的連接盡可能短，否則會(huì)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(cè)點(diǎn)附近的高頻信號(hào)（空間的無(wú)線電波、板子上開(kāi)關(guān)信號(hào)輻射）接收下來(lái)疊加在待測(cè)信號(hào)上，會(huì)給自己的調(diào)試帶來(lái)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(cè)量工具 - 不同的示波器內(nèi)部帶的測(cè)量功能不同，你可以查看說(shuō)明書(shū)以及調(diào)節(jié)各個(gè)按鍵先對(duì)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(cè)量以及如何使用FFT功能，有哪些是能夠自動(dòng)測(cè)量并顯示的。

使用示波器的測(cè)量工具獲取Vpp, Vmax, 頻率，周期，占空比等信息.

參數(shù)的自動(dòng)計(jì)算顯示

4. 手動(dòng)測(cè)量波形參數(shù) - 可以通過(guò)移動(dòng)光標(biāo)讀數(shù)、計(jì)算得到，移動(dòng)光標(biāo)的時(shí)候時(shí)間和電壓值都會(huì)發(fā)生變化。一般光標(biāo)都是成對(duì)出現(xiàn)，你可以通過(guò)讀取兩個(gè)光標(biāo)之間的差值得到需要的信息。

使用光標(biāo)測(cè)量方波的過(guò)沖振鈴

5. 波形對(duì)比 - 基于你的測(cè)量結(jié)果，可以對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整，并調(diào)整后再次測(cè)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(cè)試的信號(hào)進(jìn)行對(duì)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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