示波器的功能介绍

上一篇文章示波器的基本知识介绍了示波器的基本知识，以及如何根据示波器的重要参数选择合适的示波器。本节课将接着上节课的内容，对示波器使用准备和广泛的使用功能进行介绍。

1.使用示波器之前的注意事项

安全的使用示波器，避免人身财产受到损害。

• 选择合适的电源线供电
• 不要将探头地线（带有鳄鱼夹的长线）连接高电压，会造成器件短路
• 在干净和干燥的环境下使用示波器

2.示波器的使用准备

在使用示波器之前，需要查阅相关技术手册，确保示波器的工作环境的要求，比如正常工作的温度区间，湿度区间，海拔高度区间等。特别是在野外或是极端工作环境下使用示波器的时候，需要考虑示波器是否存在安全隐患和能否正常使用。

• 功能检查

按下示波器上电源开关，检查是否正常启动。第一次使用时，也可以按下default键，恢复出厂设置。

• 探头补偿

使用一个全新的探头，需要进行阻抗匹配。阻抗匹配指的是从探头尖端和示波器输入通道（channel）之间的匹配。阻抗不匹配（没有良好补偿）的探头容易引起测量电路的反射和数据丢失。

探头补偿的步骤如下：

• • 将探头的开关选择到10X，如下图所示

图1 示波器探头示意图

 

• • 将鳄鱼夹接到示波器用来补偿探头的地，并将探头换上带有钩环的帽子，连接示波器对应的信号输出端，如下图所示：

图2  示波器探头补偿连接端口

 

图3 示波器探头补偿连接

 

• • 选择Auto Setup，如下图所示：

Auto Setup的作用是自动调整横，纵轴的单位，优化波形显示。

图4 示波器 Auto Setup

 

• • 显示波形示例，如下图所示：

图5 连接探头补偿输出后，显示的方波

 

注意，将上图与下面的标准进行比较，可以得知使用的探头被过度补偿了。

图6 探头补偿输出方波标准

 

• • 只要显示出的波形不是正常的矩形波，就需要使用螺丝刀调整探头直到示波器上的波形与“compensated correctly”显示一致。

图7 使用螺丝刀调整探头

 

调整探头后的波形显示如下：

图8 调整探头后的方波和标准一致

说明探头补偿成功。

 

3.示波器通用的功能

这里列举一些示波器通用的功能，用来介绍示波器适合使用的场景，在之后的示波器使用实例中将会结合这些示波器提供的功能构思测试方案。

波形显示：

• 纵坐标系统

对于不同的channel（通道），需要分别调整纵坐标的缩放比例和位置。一般对每个channel，纵坐标主要有两种控制：纵坐标的显示比例（scale）和信号的位置（调整当前channel的V = 0，地线在示波器显示屏上的位置）

在选中每个channel之后，示波器可以选择耦合模式（coupling mode）：DC，AC和GND。假设一个信号既有AC部分又有DC部分。

• • DC 耦合模式：该信号的DC部分和AC部分都能正常显示
  • AC 耦合模式：该信号的DC部分被屏蔽，只能显示AC部分
  • GND 耦合模式：该信号的DC和AC部分都被屏蔽

注意也需要根据channel连接的探头设置衰减因数（attenuation factor）。例如将探头选到10X，那么在示波器上也需要调整探头的衰减因数，达到一致。

• 横坐标系统

横坐标系统与纵坐标系统类似，一般也是有两种控制：横坐标的比例和位置。调整横坐标的位置，也就是调整延迟。但是对所有的channel可以进行一次性调整。

示波器还支持将两个channel比较，将两个channel的电压分别当做横，纵坐标画出来，一般可以用来图像化比较两个channel之间的相位差别。

采样系统：

示波器遵循奈奎斯特采样理论（Nyquist Sampling Theorem），即对于最大频率为fmax的有限带宽信号，等距采样频率fs必须满足大于fmax的两倍，以保证采样后的信号没有混叠（aliasing）。

如果信号是连续不断的，那么只要满足触发条件，示波器就会不断的采样数据。在示波器获取数据时，可以暂停示波器，使其保持最后一个采样到的波形，并且对这个波形仍然可以使用纵坐标和横坐标平移，缩放来观察分析。

示波器的采样深度是指在单个触发波形中存储的波形点总数。示波器的采样深度是可以选择修改的。

示波器也支持多种采样的方式：

• 等时间间隔采样
• 先采集波形的极值（极大值，极小值），得到波形的包络线再采样，避免丢失出现极值的窄脉冲，但是，很明显这种采样方式会将噪声放大
• 将多次采集到的波形平均化，消除单次波形出现的随机噪声

示波器对波形采样点一般支持两种插值（interpolation）：线性（x），三角函数（（sin x）/x，或sinc x）。对于原始波形的边沿是直线的情况下，比如方波，使用线性插值法。而三角函数差值对于曲线波形有更好的通用性，实际上，对于方波信号，使用三角函数差值会得到更符合实际情况的方波，即方波上升/下降时间不是0。当采样频率fs至少是10倍于fmax，最大频率的有限带宽信号时，使用线性差值的效果好。但是如果fs只是3倍于fmax的情况下，建议使用三角函数差值法。

Trigger触发：

示波器通常还支持外部信号触发。比如通过触发外部的时钟信号，来抓取channel的信号。

Trigger一般有信号边沿触发，斜率触发，波形宽度触发，模拟视频信号触发，矮脉冲触发等触发条件。Trigger也有几种耦合方式，比如DC，AC等。注意触发耦合与channel耦合之间没有关系。

为了防止错误的触发噪声，示波器内置噪声抑制（Noise Rejection）。虽然抑制了噪声的触发，但是也降低了触发的灵敏度，增加了额外的滞后（hysteresis）。

触发模式有以下几种：

• 设置完触发条件后，没有满足条件的情况下，强制触发并进行采集信号
• 正常情况下，满足触发条件后，进行采集信号，否则示波器保持原来波形，等待下一次满足触发条件到来后才更新
• 满足触发条件后，单次采集信号，采集完后，停止采集

有些示波器还额外提供串行解码触发，比如I2C，SPI，UART等，这里不多做介绍。

参考波形：

示波器还支持将瞬时的波形截图保持，可以和之后的波形做参考。

 

数学函数：

Channel之间的加法，减法，乘法，除法运算，示波器都支持。示波器还支持包括将信号从时间域转换为频率域的快速傅里叶变换（FFT）的函数，微分，积分函数等。使用函数运算后，可以配合使用光标来测量参数。

 

测量：

• 光标（cursor）

光标可以手动调整，用来测量差值，在纵坐标（电压）或是横坐标（时间或频率）上都可以使用。

在测量时间/频率时，光标是两条可以左右移动的平行于纵坐标的虚线，通常可以用来测量任意两点之间的时间/频率差。显示的测量值是x1，x2，Delta（x），和1/（delta（x））。

用来测量电压时，光标是两条可以上下平行于横坐标的虚线，通常可以用来测量峰-峰值（peak-to-peak voltage）。Y1，y2，Delta（y），和1/（delta（y））。

• 示波器自动测量

光标测量有时候不太准确，可以使用示波器内部自带的测量函数。

通常有以下测量函数，用户只需要选择相应的函数和channel，示波器上即可显示结果：

• • 峰-峰值（peak-to-peak voltage）
  • 极值（极大值，极小值）
  • 波形幅值
  • 平均值
  • 均方根（root mean square）
  • 标准差
  • 过冲
  • 波形频率
  • 斜升率（上升沿，下降沿）
  • 占空比

 

显示：

示波器除了可以将波形显示在自带的显示屏上，还可以存成图片，通过示波器的USB连接口下载到USB闪存里。或者是通过LAN线缆接口，USB Wi-Fi适配器等接到移动端或是PC端，并在移动端或是PC端安装相应的软件，在虚拟面板上进行控制和显示。

 

4.总结

在使用示波器等电子仪器时，需要遵循安全使用的原则，在了解示波器可以提供的基本功能后，可以根据实际工程中遇到的测试问题，设计示波器的使用方案。