什么是示波器？示波器的使用方法，示波器的工作原理

　　什么是示波器？

　　示波器是一種用途十分廣泛的電子測(cè)量?jī)x器。它能把肉眼看不見的電信號(hào)變換成看得見的圖像，便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過程。示波器利用狹窄的、由高速電子組成的電子束，打在涂有熒光物質(zhì)的屏面上，就可產(chǎn)生細(xì)小的光點(diǎn)（這是傳統(tǒng)的模擬示波器的工作原理）。在被測(cè)信號(hào)的作用下，電子束就好像一支筆的筆尖，可以在屏面上描繪出被測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)值的變化曲線。利用示波器能觀察各種不同信號(hào)幅度隨時(shí)間變化的波形曲線，還可以用它測(cè)試各種不同的電量，如電壓、電流、頻率、相位差、調(diào)幅度等等。

　　示波器的使用方法：

　　示波器，“人”如其名，就是顯示波形的機(jī)器，它還被譽(yù)為“電子工程師的眼睛”。它的核心功能就是為了把被測(cè)信號(hào)的實(shí)際波形顯示在屏幕上，以供工程師查找定位問題或評(píng)估系統(tǒng)性能等等。它的發(fā)展同樣經(jīng)歷了模擬和數(shù)字兩個(gè)時(shí)代，還是先來看圖認(rèn)識(shí)一下，如圖1所示。

　　目前，模擬示波器也基本上被淘汰了，現(xiàn)在是數(shù)字示波器的天下。同理，我也將只以數(shù)字示波器為例來加以講解。

　　數(shù)字示波器，更準(zhǔn)確的名稱是數(shù)字存儲(chǔ)示波器，即DSO（Digital Storage Oscilloscope）。這個(gè)“存儲(chǔ)”不是指它可以把波形存儲(chǔ)到U盤等介質(zhì)上，而是針對(duì)于模擬示波器的即時(shí)顯示特性而言的。模擬示波器靠的是陰極射線管（CRT，即俗稱的電子槍）發(fā)射出電子束，而這束電子在根據(jù)被測(cè)信號(hào)所形成的磁場(chǎng)下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而在熒屏上反映出被測(cè)信號(hào)的波形，這個(gè)過程是即時(shí)地，中間沒有任何的存儲(chǔ)過程的。而數(shù)字示波器的原理卻是這樣的：首先示波器利用前端ADC對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行快速的采樣，這個(gè)采樣速度通常都可以達(dá)到每秒幾百M(fèi)到幾G次，是相當(dāng)快的；而示波器的后端顯示部件是液晶屏，液晶屏的刷新速率一般只有幾十到一百多Hz；如此，前端采樣的數(shù)據(jù)就不可能實(shí)時(shí)的反應(yīng)到屏幕上，于是就誕生了存儲(chǔ)這個(gè)環(huán)節(jié)：示波器把前端采樣來的數(shù)據(jù)暫時(shí)保存在內(nèi)部的存儲(chǔ)器中，而顯示刷新的時(shí)候再來這個(gè)存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)，用這級(jí)存儲(chǔ)環(huán)節(jié)解決前端采樣和后端顯示之間的速度差異。

　　很多人在第一次見到示波器的時(shí)候，可能會(huì)被他面板上眾多的按鈕唬住，再加上示波器一般身價(jià)都比較高，所以對(duì)使用它就產(chǎn)生了一種畏懼情緒。這是不必要的，因?yàn)槭静ㄆ麟m然看起來很復(fù)雜，但實(shí)際上要使用它的核心功能——顯示波形，并不復(fù)雜，只要三四個(gè)步驟就能搞定了，而現(xiàn)在示波器的復(fù)雜都是因?yàn)楦郊恿撕芏噍o助功能造成的，這些輔助功能自然都有它們的價(jià)值，熟練靈活的應(yīng)用它們可以起到事半功倍的效果。作為初學(xué)者，我們先不管這些，我們只把它最核心的、最基本的功能應(yīng)用起來即可。

　　示波器的使用圖解

　　跟萬(wàn)用表類似，要使用示波器，首先也得把它和被測(cè)系統(tǒng)相連，用的是示波器探頭，如圖20-4所示。示波器一般都會(huì)有2個(gè)或4個(gè)通道（通常都會(huì)標(biāo)有1～4的數(shù)字，而多余的那個(gè)探頭插座是外部觸發(fā)，一般用不到它），它們的低位是等同的，可以隨便選擇，把探頭插到其中一個(gè)通道上，探頭另一頭的小夾子連接被測(cè)系統(tǒng)的參考地（這里一定要注意一個(gè)問題：示波器探頭上的夾子是與大地即三插插頭上的地線直接連通的，所以如果被測(cè)系統(tǒng)的參考地與大地之間存在電壓差的話，將會(huì)導(dǎo)致示波器或被測(cè)系統(tǒng)的損壞），探針接觸被測(cè)點(diǎn)，這樣示波器就可以采集到該點(diǎn)的電壓波形了（普通的探頭不能用來測(cè)量電流，要測(cè)電流得選擇專門的電流探頭）。

　　接下來就要通過調(diào)整示波器面板上的按鈕，使被測(cè)波形以合適的大小顯示在屏幕上了。只需要按照一個(gè)信號(hào)的兩大要素——幅值和周期（頻率與周期在概念上是等同的）來調(diào)整示波器的參數(shù)即可，如圖2所示。

　　如上圖，在每個(gè)通道插座上方的旋鈕，就是調(diào)整該通道的幅值的，即波形垂直方向大小的調(diào)整。轉(zhuǎn)動(dòng)它們，就可以改變示波器屏幕上每個(gè)豎格所代表的電壓值，所以可稱其為“伏格”調(diào)整，如以下兩幅對(duì)比圖所示：左圖是1V/grid，右圖是500mV/grid，左圖波形的幅值占了2.5個(gè)格，所以是2.5V，右圖波形的幅值占了5個(gè)格，也是2.5V。推薦是將波形調(diào)整到右圖這個(gè)樣子，因?yàn)榇藭r(shí)波形占了整個(gè)測(cè)量范圍的較大空間，可以提高波形測(cè)量的精度，如圖3所示。

　　除了圖3通常上方的伏格旋鈕外，通常還會(huì)在面板上找到一個(gè)大小相同的旋鈕（不一定像圖20-6所示的位置），這個(gè)旋鈕是調(diào)整周期的，即波形水平方向大小的調(diào)整。轉(zhuǎn)動(dòng)它，就可以改變示波器屏幕上每個(gè)橫格所代表的時(shí)間值，所以可稱其為“秒格”調(diào)整，如以下兩幅對(duì)比圖所示：左圖是500us/grid，右圖是200us/grid，左圖一個(gè)周期占2個(gè)格，周期是1ms，即頻率為1KHz，右圖一個(gè)周期占5個(gè)格，也是1ms，即1KHz。這里就沒有哪個(gè)更合理的問題了，具體問題具體對(duì)待，它們都是很合理的，如圖4所示。

　　很多時(shí)候只進(jìn)行上述兩項(xiàng)調(diào)整的話，是能看到一個(gè)波形，但這個(gè)波形卻很不穩(wěn)定，左右亂顫，相互重疊，導(dǎo)致看不清楚，如圖5所示。

　　這就是因?yàn)槭静ㄆ鞯挠|發(fā)沒有調(diào)整好的緣故，那么什么是觸發(fā)呢？簡(jiǎn)單點(diǎn)理解，所謂觸發(fā)就是設(shè)定一個(gè)基準(zhǔn)，讓波形的采集和顯示都圍繞這個(gè)基準(zhǔn)來。最常用的觸發(fā)設(shè)置是基于電平的（也可基于時(shí)間等其它量，道理相同），大家看下上面的幾張波形圖，在左側(cè)總有一個(gè)T和一個(gè)小箭頭，T是觸發(fā)的意思，這個(gè)小箭頭指向的位置所對(duì)應(yīng)的電壓值就是當(dāng)前的觸發(fā)電平。示波器總是在波形經(jīng)過這個(gè)電平的時(shí)候，把之前和之后的一部分存儲(chǔ)并最終顯示出來，于是就能看到圖4、5所示的波形。如圖6所示，我們可以看到，無論如何波形也不會(huì)經(jīng)過T所指的位置，即用永遠(yuǎn)達(dá)不到觸發(fā)電平，所以失去了基準(zhǔn)的波形看上去就不穩(wěn)定了。怎么調(diào)節(jié)這個(gè)觸發(fā)電平的位置呢，在示波器面板上找一個(gè)標(biāo)了Trigger的旋鈕，如下圖，轉(zhuǎn)動(dòng)這個(gè)旋鈕就可以改變這個(gè)T的位置了。

　　除了可以改變觸發(fā)電平的值以外，還可以設(shè)置觸發(fā)的方式：比如選擇上升沿還是下降沿觸發(fā)，也就是選擇讓波形向上增加的時(shí)候經(jīng)過觸發(fā)電平還是向下減小的時(shí)候經(jīng)過觸發(fā)電平來完成觸發(fā)，這些設(shè)置一般都是通過Trigger欄里的按鈕和屏幕方便的菜單鍵來完成。

　　只要經(jīng)過上述的這三四步，你就可以把示波器的核心功能應(yīng)用起來了，可以用它觀察單片機(jī)系統(tǒng)的各個(gè)信號(hào)了。比如說上電后系統(tǒng)不運(yùn)行，就用它來測(cè)一下晶振引腳的波形正常與否吧。需要注意的是，晶振引腳上的波形并不是方波，而是更像正弦波，而且晶振的兩個(gè)腳上的波形是不一樣的，一個(gè)幅值小一點(diǎn)的是作為輸入的，一個(gè)幅值大一點(diǎn)的是作為輸出的，如圖7所示。

　　示波器的工作原理：

　　示波器用來測(cè)量交流電或脈沖電流波的形狀的儀器，由電子管放大器、掃描振蕩器、陰極射線管等組成。除觀測(cè)電流的波形外，還可以測(cè)定頻率、電壓強(qiáng)度等。凡可以變?yōu)殡娦?yīng)的周期性物理過程都可以用示波器進(jìn)行觀測(cè)。

　　示波器分為數(shù)字示波器和模擬示波器。模擬示波器采用的是模擬電路（示波管，其基礎(chǔ)是電子槍）電子槍向屏幕發(fā)射電子，發(fā)射的電子經(jīng)聚焦形成電子束，并打到屏幕上。屏幕的內(nèi)表面涂有熒光物質(zhì)，這樣電子束打中的點(diǎn)就會(huì)發(fā)出光來。而數(shù)字示波器則是數(shù)據(jù)采集，A/D轉(zhuǎn)換，軟件編程等一系列的技術(shù)制造出來的高性能示波器。數(shù)字示波器一般支持多級(jí)菜單，能提供給用戶多種選擇，多種分析功能。還有一些示波器可以提供存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)波形的保存和處理。

　　示波器工作原理是：利用顯示在示波器上的波形幅度的相對(duì)大小來反映加在示波器Y偏轉(zhuǎn)極板上的電壓最大值的相對(duì)大小，從而反映出電磁感應(yīng)中所產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢(shì)的最大值的大小。因此借助示波器可以研究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與其產(chǎn)生條件的關(guān)系。

　　示波器是一種用途十分廣泛的電子測(cè)量?jī)x器。它能把肉眼看不到的電信號(hào)變換成看得見的圖像，便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過程。

　　示波器利用狹窄的，由高速電子組成的電子束，打在涂有熒光物質(zhì)的屏面上，就可以產(chǎn)生細(xì)小的光點(diǎn)。在被測(cè)信號(hào)的作用下，電子束就好像一支筆的筆尖，可以在屏面上描繪出被測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)值的變化曲線。

　　利用示波器能觀察各種不同電信號(hào)幅度隨時(shí)間變化的波形曲線，還可以用它測(cè)試各種不同信號(hào)的電量，如電壓、電流、頻率、相位差、調(diào)幅度等等。

　　雙蹤示波器是由兩個(gè)通道的y軸前置放大電路、門控電路、電子開關(guān)、混合電路、延遲電路、y軸后置放大電路、觸發(fā)電路、掃描電路、x軸放大電路、z軸放大電路、校準(zhǔn)信號(hào)電路、示波管和高低壓電源供給電路等組成。

　　觀察信號(hào)波形時(shí)，被測(cè)信號(hào)ＵＡ、ＵＢ，通過ＣＨＡ、ＣＨＢ兩個(gè)輸入端輸入示波器，先分別送到y(tǒng)軸前置放大電路yＡ和yＢ進(jìn)行放大。因通道yＡ和通道yＢ都受電子開關(guān)的控制，所以ＵＡ，ＵＢ兩信號(hào)輪換著輸送到后面的混合電路，延遲電路，y軸后置放大電路，加到示波管的垂直偏轉(zhuǎn)板上。

　　為了適應(yīng)各種不同的測(cè)試需要，電子開關(guān)可有五種不同的工作狀態(tài)，即ＣＨＡ、ＣＨＢ、交替、斷續(xù)、ＡＤＤ等。這五種工作狀態(tài)由顯示方式開關(guān)來控制。

　　當(dāng)顯示方式開關(guān)置于交替位置時(shí)，電子開關(guān)為一雙穩(wěn)態(tài)電路。它受由掃描電路來得閘門信號(hào)控制，使得y軸兩個(gè)前置通道隨著掃描電路。

　　閘門信號(hào)的變化而交替地工作。每秒鐘交替轉(zhuǎn)換次數(shù)與由掃描電路產(chǎn)生的掃描信號(hào)的重復(fù)頻率有關(guān)。交替工作狀態(tài)適用于觀察頻率不太低的被測(cè)信號(hào)。

　　當(dāng)顯示方式開關(guān)置于斷續(xù)位置時(shí)，電子開關(guān)是一振蕩頻率約為２００ＫＨＺ的自激多諧振蕩電路。由它的兩個(gè)輸出端輸出相位相反的兩個(gè)矩形信號(hào)。前置放大電路ＣＨＡ和ＣＨＢ是受上述兩個(gè)矩形信號(hào)控制而輪流工作的。這樣就可以穩(wěn)定地顯示出兩個(gè)信號(hào)。這種斷續(xù)工作狀態(tài)適用于觀察頻率不太高的被測(cè)信號(hào)。

　　當(dāng)顯示方式開關(guān)置于ＣＨＡ或CＨＢ位置時(shí)，電子開關(guān)為一單穩(wěn)態(tài)電路。前置放大電路ＣＨＡ或ＣＨＢ可單獨(dú)工作，此時(shí)，雙蹤示波器可作為普通單線示波器使用。

　　當(dāng)顯示方式開關(guān)置于ＡＤＤ位置時(shí)，電子開關(guān)處于不工作狀態(tài)。此時(shí)，ＣＨＡ，ＣＨＢ兩通道同時(shí)工作，因而可得到兩信號(hào)相加或兩信號(hào)相減的顯示。然而，兩信號(hào)究竟是相加還是相減，這要通過ＣＨＡ通道的極性作用開關(guān)來選擇。

　　為了觀察被測(cè)試信號(hào)隨時(shí)間變化的波形，示波器的水平偏轉(zhuǎn)板上必須加以線性掃描電壓（鋸齒波電壓）。這個(gè)掃描電壓是由掃描電路產(chǎn)生的。當(dāng)觸發(fā)信號(hào)加到觸發(fā)電路時(shí)，觸發(fā)掃描電路就產(chǎn)生相應(yīng)的掃描信號(hào)，當(dāng)不加觸發(fā)信號(hào)時(shí)，掃描電路就不產(chǎn)生掃描信號(hào)。

　　觸發(fā)方式有內(nèi)觸發(fā)，外觸發(fā)兩種，由觸發(fā)源選擇開關(guān)來選擇，當(dāng)該開關(guān)置于內(nèi)的位置時(shí)，觸發(fā)信號(hào)來自經(jīng)y軸通道送入的被測(cè)信號(hào)，當(dāng)該開關(guān)置于外的位置時(shí)，觸發(fā)信號(hào)是由外部送入的。這個(gè)信號(hào)應(yīng)與被測(cè)信號(hào)的頻率成整數(shù)比的關(guān)系。示波器使用中，多數(shù)采用內(nèi)觸發(fā)工作方式。

　　掃描電路產(chǎn)生掃描信號(hào)（鋸齒波電路）。通過x軸選擇開關(guān)接到x軸放大電路，經(jīng)放大后送到示波器的x軸偏轉(zhuǎn)板上。

　　Z軸放大電路對(duì)熒光屏上光點(diǎn)輝度起著調(diào)節(jié)的作用，抹去不必要顯示的光點(diǎn)軌跡。當(dāng)掃描電路的閘門信號(hào)來到z軸放大電路時(shí)，z軸放大電路便輸出正向的增輝脈沖信號(hào)，加至示波器的控制極。這就是說，在掃描信號(hào)的正程時(shí)，熒光屏上的光點(diǎn)得以增輝，在電子開關(guān)的轉(zhuǎn)換過程中，電子開關(guān)電路將輸出脈沖信號(hào)也加至z軸放大電路，此時(shí)z軸放大電路便輸出負(fù)向脈沖信號(hào)，加至示波器的控制極。這樣在電子開關(guān)的轉(zhuǎn)換過程中，就消除了兩通道交替工作時(shí)的過度光點(diǎn)，以提高顯示波形的清晰度

　　校正信號(hào)產(chǎn)生電路產(chǎn)生一個(gè)一定頻率和幅度的矩形信號(hào)。它是作校正y軸放大電路的靈敏度和x軸的掃描速度之用的。

　　高低壓電源，其中高壓是供給示波管顯示系統(tǒng)的。低壓供給示波器各級(jí)電路。

　　示波器的作用與應(yīng)用范圍：

　　差分探頭對(duì)與差分放大器相匹配，均衡于衰減系數(shù)，能提高最大輸人信號(hào)和共模范圍。該系統(tǒng)可以完成如廠的測(cè)試功能：功率器件分析，圖2展示瞬時(shí)功率的測(cè)試。另外，對(duì)于器件的安全工作區(qū)域，動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻及其它有關(guān)性能分析都可以借助本系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，只需輕輕按幾個(gè)鍵即可完成。調(diào)制分析，圖3展示器件在轉(zhuǎn)換過程中信白、狀況。剛試系統(tǒng)圖數(shù)字示波器不儀能有效地用干觀察和分析各種波形，而且還能顯示各種“模擬參數(shù)”，配上適當(dāng)?shù)耐庥迷O(shè)備接「l，很容易捕捉如負(fù)載變化，電源開關(guān)等重要的電路轉(zhuǎn)換的每一個(gè)周期及位一個(gè)細(xì)節(jié)的完整記錄，從而得到各種測(cè)試數(shù)據(jù)的逼真形象的實(shí)時(shí)分析。電源測(cè)量軟件為儀器提供了智能化測(cè)試的必要手段。在硬件電路的支持卜，依靠程序軟件有序協(xié)調(diào)地完善各項(xiàng)功能。用戶利用專用菜單和快捷方式可以方便地設(shè)置示波器，進(jìn)行采樣、觀察、分析信號(hào)及智能提示，確保正確和準(zhǔn)確的測(cè)量。差分放大器頻響為IOOMHz，增益可設(shè)為1或10。作為示波器側(cè)試系統(tǒng)的一部分，它不僅可以將信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，而且能提高輸人阻抗和共模抑制比。放大器的面板接受遙控命令或RS232的控制。電流探頭可測(cè)量流經(jīng)導(dǎo)體的電流。制分析可在垂直軸上顯示每一個(gè)脈沖的脈寬值，穩(wěn)定觀測(cè)軟啟動(dòng)電路的特性‘à監(jiān)視5伏電源從。伏到穩(wěn)定的+5過程放大功能允許襯每個(gè)門驅(qū)動(dòng)脈沖獨(dú)立觀察圖歇電路器件工作狀態(tài)試驗(yàn)分析電源設(shè)計(jì)者能夠簡(jiǎn)明直觀觀察到電路工作時(shí)的各種信息狀態(tài)，如占空比、周期、脈寬、階躍響應(yīng)等。線電源測(cè)量與分析：對(duì)于模擬信號(hào)如工頻電壓，可以方便測(cè)量其功率因數(shù)和功耗，電壓與電流有效值，以及各次諧波測(cè)量。

　　放大軌跡能時(shí)其它的波形放大或進(jìn)行運(yùn)葬，如數(shù)字示波器的運(yùn)茸功能可立即用來顯示一個(gè)能量的波形（焦耳丸心圣擇5作如O或6OH之@工領(lǐng)電壓灼有效位工頻電流的有效位有效功率視在功率功率因素都為“實(shí)時(shí)波形圖4：線電源測(cè)試分析圖2：瞬時(shí)功率剛試示波器還能用J二計(jì)算功率，圖5上部顯示的兩條波形表示電源輸人時(shí)負(fù)載上面電壓波形和電流波形，顯　隨著無線通信系統(tǒng)性能更強(qiáng)，功耗更低，在為諸如移動(dòng)電話這類無線設(shè)計(jì)方案選擇處理引擎的時(shí)候，設(shè)計(jì)人員不得不倍加細(xì)心。隨著手機(jī)發(fā)展到第三代甚至是第四代，設(shè)計(jì)人員已經(jīng)開始研制一些新的功能如視頻功能。

　　傳統(tǒng)的基于微處理器和DSP的無線設(shè)計(jì)方案已經(jīng)顯得后勁不足，另一方面，自適應(yīng)運(yùn)算機(jī)（ACM）設(shè)備卻可以為無線系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一種更為有效的方式。以便RISC微處理器核與精細(xì)的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)能相配這是一個(gè)自適應(yīng)運(yùn)算機(jī)的早期原型，片，它將一個(gè)RISC處理器核與一種大規(guī)模的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)集成在一起。通常一個(gè)DSP芯片的CPE大約是10%，這意著在任一時(shí)刻，DSP芯片中只有10%的邏輯門被用于執(zhí)行實(shí)際的任務(wù)，也就是說只有一小部分干了“有用的”工作，其它的部分干的都是輔助性的工作。

　　當(dāng)處理器忙于進(jìn)行實(shí)際工作的時(shí)候，就要求這種輔助性的工作盡可能少地占用處理器的資源。