如何使用示波器实现基本的测量

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2 F; `5 Y9 ^: {示波器的一些基本概念，包括常用功能、符号、信号、波形和探头，以及如何使用示波器实现基本的测量
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- w! h/ ^9 n5 ?: f; |& t$ ]/ i示波器是电子工程领域中不可或缺的工具。通过掌握示波器的使用技巧和方法，工程师可以更好地应对各种挑战，提升自己的工作能力和专业水平。我们经常在设计研发过程中使用到示波器。本文将介绍示波器的一些基本概念，以及如何使用示波器实现基本的测量。
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什么是示波器？



% m" l* ]1 [- e: _8 k4 Y2 E“示波器是一种电子测量装置，它可以显示电压随时间的函数图。这使用户能够同时观察电压和时间的变化。许多示波器可以在其屏幕上显示多个电压信号，这使我们具有比较这些信号行为的能力。”
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DigiKey示波器：


- A% E) L9 o- W0 [7 m' A: A8 V
) Z5 ]: ~' r, W1 V8 g2 ~* S& P
上图，我们可以看到两个观察结果：
8 s, J7 e) c8 }2 |7 C波形的峰对峰电压可以沿着纵轴测量。它是五个主要分区，垂直增益设置为200mv/分区(见黄色箭头)，这给出了1伏峰对峰的信号幅度。
& x, ^) B* J+ y& B8 Y- U横轴为时间，范围设置为200µs/分频(见白色箭头)。正弦波的一个周期跨越五个主要部分，所以周期是1毫秒，这意味着频率是1千赫。(这个特殊的示波器有一个计数器，在右上角显示信号的频率。)
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示波器常用的功能：
8 b/ ]& l* O! @/ M+ D
测量电压、电压差和时间间隔。
) p3 L9 F% b% L+ e  e+ s
% L9 @0 n7 f& w( N2 ~: U测量重复信号的频率。

0 t2 @( E- P8 G: R比较两个或多个随时间变化的信号，并查看它们之间的关系(例如，一个波形上的特定特征是在另一个波形上的特征之前还是之后出现)。
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捕捉瞬变，故障等特别的行为。

4 j  X! u/ o, b& I8 m测量波形的直流和交流部分。
6 [0 [. [% H/ }% b" N6 J8 G
; O9 u( L+ B' \/ `4 V- b' h测量波形的各种特性，如峰对峰电压、均方根电压、周期、上升时间、下降时间等。

: a3 d8 h( V$ X/ m检查信号上的噪声，以及修改电路或电缆如何改变信号噪音。

9 {* w. l! Q& `9 S* Z通过直观地比较电路的输入和输出波形来寻找电路中的失真——或者使用示波器将它们相减并查看数学差异。

  n  q4 T9 R$ B6 _! _: a  p符号的解释

符号	含义
G	千兆
Hz	频率单位
k	千
m	毫
M	兆
n	纳
p	皮
s	秒
S/div	秒/格（division），示波器的时基设置(即扫描速度)
V/div	V/格（division），示波器垂直放大器的垂直增益
Vpp	峰对峰电压(V)
Vrms	RMS(均方根)电压(V)
Ω	欧姆
µ	微

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& w3 n$ F" u0 @: R02

读取示波器基本信息
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信号与波形

就示波器而言，“信号”一词是指可能随时间变化的电压。其中一个区别是信号是否具有周期性。周期性意味着信号在不同的间隔内重复地取相同的一组值。正弦波是周期性波形的一个例子。让我们来看看它的一些特征：

+ M3 X( w( ~; W! @0 T1 d/ j( h8 H. r正弦波：

% f" B: f( K2 P1 d  v) A3 H
) b7 a1 |' R) q) x& X2 |
1 k7 Q4 q. C( u# N3 }  Y% S非正弦波形：
: j% N  ^  Z$ I2 b  _% w  ]
, `) t! [1 f) N# {* X
# E9 C7 m% X, b4 D+ UA - 方波
: \: w1 A3 Z( w0 l$ wB - 脉冲波

; l2 W( k& q! [: ^. a" S, x' qC - 三角波
; P0 D8 V: n9 X- ^2 i; u
D - 斜波（也叫锯齿波）
1 p$ f6 m+ F' e. A8 G4 A& I& ?
8 d; \) k7 W  U: J' ZE - 整流正弦波
" i  a6 m$ y7 W+ S; _4 h
2 p5 G( c6 e5 u$ a, h) NF - 平方根波（振幅与波周期开始时间的平方根成正比）

  z; x5 r8 i' H1 g# p/ Q2 ~# i屏幕格线
& j8 P) P0 W, _) y% K8 G$ a0 @
最原始的测量技术是使用屏幕上的格线和计算格数。

- m& F" m! K8 n* {( w& M5 M举例：
4 ~# Y0 a7 P) g# y5 }4 A9 Q* O9 y6 N
; x7 g% S  ~, N. VTeledyne的HDO4104A
5 R# ^& c+ e7 ~1 N
+ x4 D+ b- p- ^/ a) j& f下图显示了五个周期的正弦波：
8 D# K% Z# f2 q$ ^8 L! |/ l
6 y$ I2 d; G8 o' I* }. J" Q6 w2 X

正弦波轨迹在垂直方向上覆盖六格，乘以每格50毫伏(mV)的垂直比例系数（见通道1描述符方框），即可算出正弦波振幅为300mV（峰峰值）。同样，正弦波的周期覆盖了两个水平的栅格，时基描述符方框中的每格为100纳秒(ns)，因而周期为200ns。
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+ W  s1 i) j2 G8 ?$ h计算格数的方法似乎有些原始，但它是进行基本测量的非常快捷的方法。
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示波器探头

, k6 z; _! {3 U1 u" C- w
3 h' A" _) b) C0 j1 p; \8 k探头分为很多类型，包括：高阻抗无源、低电容、单端有源、差分有源、高电压和电流探头。其中，无源探头很常见。

实际测量信号，有可能会很大，超出了示波器的输入阈值。这时就需要一个带有衰减器的探头，比如常见的10X探头，可以使输入信号衰减10倍。

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4 ~: t( ~; b/ M  Y0 c& h0 VDigilent的460-004示波器探头1X/100X
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2 a1 W" ^# E- \4 e' v: f还有一种1X/10X探头也很受欢迎，因为它们在探头体内包含一个开关，可以让您在1X位置，10X位置和输入线连接到地线的位置之间切换。然而，1X/10X探头的一个缺点是：当您需要它处于10X位置时，您可能会意外地将它留在1X位置。这可能导致定性和定量测量误差，因为衰减不是您所期望的，频率响应与10X位置的频率响应有很大不同。
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( a& H9 b9 P2 Z! N0 |0 V示波器通常提供50Ω或1MΩ的输入端口。50Ω端口通常与匹配的同轴电缆配合使用，以连接到带50Ω电流源的电路元件。
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2 R5 t# e4 m9 J( r5 p2 S5 C2 {: t使用1MΩ输入端接来连接电路时，源阻抗更高。这种连接可以通过多种方式实现，包括直接使用电缆或X1探头，或者使用高阻抗探头。

DigiKey示波器探头：

2 [2 b* Q: X& h+ H( _! H  {探头连接
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7 @/ R. J; @0 t8 ~: T) {
将探头上的开关设为1X，将探头连接到示波器上的通道1。要做到这一点，将探头连接器中的槽与CH 1 BNC上的键对齐，推动连接，并向右扭转以将探头锁定到位。将探头尖端和参考导线连接到probe COMP连接器上。
( J- n! C- ]0 w7 }& b% T+ e

6 Q6 F- E  p& h& P0 h- k% M高阻抗探头的低频率补偿
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高阻抗探头通过低频率补偿过程，与它们连接到的通道相匹配。对于这个过程，所有示波器都提供低频率方波，一般频率为1kHz，通常称为CAL输出。要利用这项功能，请首先将探头连接到所需的通道，然后将探头尖端连接到CAL输出端。触发示波器并在屏幕上查看选定通道轨迹。使用调节工具，在探头连接器盒中更改补偿调节，以获取方波轨迹上的方角，如中间的轨迹所示。


每当探头连接到不同通道时，就应该进行补偿，特别是在任何关键测量之前。很多高阻抗探头还提供高频补偿调节。通常不需要执行这种调节。探头手册提供了此测试的详细信息。
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如何使用示波实现基础的测量？

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2 u6 y8 ]1 N- n9 X0 U" W" c! @( p0 J示波器显示电压与时间的关系，并测试所显示的波形。不同的测量技术，如刻度，游标和自动测量模式的使用。

我们使用B&K的2190E来举例：
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5 O( Q1 P3 B, T* V3 Q0 o
2 y) Q6 o4 y& \& L6 p0 X
, K1 ?8 X' p9 J, ~) u自动测量模式：

此模式将在自动测量时生效。仪器在自动测量参数时将显示光标。这些游标显示了这些测量的物理意义。
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要进行自动游标测量，请遵循以下步骤：

1. 按光标键，进入“游标测量菜单”。

, j0 Z% `: W6 }" Y5 H2. 按“游标模式”单选按钮选择“自动”。

3. 按“MEASURE”键，进入“自动光标测量模式菜单”，选择要测量的参数。
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+ p1 F  {0 o# ^; V' G% _: C$ Q图片

  S2 ?9 Z* q  ~- h; {当你进行自动测量时，示波器会为你完成所有的计算。测量使用内存中所有记录的点，这比使用光栅线或光标测量更准确，因为这些测量仅限于使用显示器上的点，而不是示波器记录的所有数据点。
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) W% J. C- R" l, a按“MEASURE”键，自动测试。
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; T- O* d' o/ T. f; M有三种自动测量类型:电压测量，时间测量和延迟测量。总共有32个测量参数。
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5 @; b5 G6 x" m如果要测量电压参数，请按照以下步骤进行：

1. 按“MEASURE”键，进入“自动测量”菜单。

1 c3 S3 }( u! O/ S2. 按下第一个单选键，进入“二次测量”菜单。
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: R' q+ C6 Y6 B: K4 Y3 x1 X* X( M$ E3. 选择测量类型。如果按下“电压”单选按钮，屏幕上会显示“电压测量”菜单。
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4. 按“信号源”单选按钮，根据输入信号通道选择“CH1”、“CH2”。
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5. 按“类型”单选按钮，选择要测量的参数类型。测量参数下方会显示相应的图标和数值。
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* K2 r5 d7 R7 d

-测量Vpp参数
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6. 按“返回”单选键，返回“自动测量”菜单首页。选中的参数和对应的数值将显示在首页的顶部位置。

您也可以用同样的方式在相应位置显示其他参数及其值。屏幕可以同时显示5个参数。
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如果想使用所有测量功能测量时间参数，请按照以下步骤操作：

1. 按“MEASURE”键，进入“自动测量菜单”。
2. 按顶部单选按钮，进入“自动测量菜单”第二页。
5 Z( K- W+ H$ s0 m* a  Z3 G3. 按“All Measure”单选按钮进入“All Measure菜单”。
8 z" u7 D: g' i3 N9 d4. 按“信号源”单选按钮，选择输入信号通道。
5. 按“时间”单选按钮选择“开”。现在所有的时间参数值会同时显示在屏幕上，如下图所示。
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测量所有时间参数
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掌握示波器的使用对于工程师来说具有重要的意义。通过示波器，工程师可以更加深入地了解电路的工作原理，提高故障排查的效率，优化电路性能。同时，示波器的自动测量功能能够大大节省工程师的时间和精力，使其更加专注于解决实际问题。因此，作为一名工程师，学会使用示波器是必备的技能之一。