想象一下你在医院里,坐在重症病床边,一旁是一台心率检测仪。你看着机器上的画面,一条线一上一下的摆动过去,你害怕那条线变成直线,因为正如电视上放的,那样就意味着患者的死亡。

当我爸妈问我是做什么工作的时候,这就是我向他们解释示波器的方式。医院的心率检测仪显示的是病人的心跳,而示波器显示的是电器设备信号的心跳。示波器帮助我们对电子设备是否正常运行有方方面面的了解,让我们可以进一步检查被测设备的“生命体征”。

这里提到的“生命体征”即是电子设备电路中的电压或者电流。就像我们不希望我们的心跳过快或者过慢一样,在电子设备中,我们也不希望它的电压震荡的频率过快或者过慢。我们都知道心脏杂音是不好的。同时,我们也不希望我们的电信号有任何故障,而示波器可以帮助我们找到它们,从而方便我们对症下药。当我们可以如此仔细地观察我们的电子设备时,我们就可以更好的验证它是否按我们预期的在运行。如果不是,示波器可以帮助我们诊断并纠正问题。无论你是一名测试工程师还是学生,或者从事制造、维修、研究或开发工作,亦或者你是一名电气工程师,你都必须学会使用示波器。

示波器、差分探头和电流探头

示波器基础

在示波器的显示界面,我们可以看到一格一格的小格子。在横坐标方向上,这些小格子代表了信号的时长;在纵坐标方向上,这些小格子往往代表了信号的电压。这2个参数可以让我们更好地从信号的幅值和频率来确认设备是否正常运行。由于示波器提供了信号随时间变化的视图效果,所以我们可以查看信号可能发生的任何异常或失真。但是在我们真正开始测量之前,有一些事情需要我们注意。

示波器的显示界面

示波器在市面上有各种各样的型号和配置,要选购到中意的示波器可不像买包方便面那么简单。我们需要考虑到示波器的带宽、采样率、存储深度、通道数量等。同时,也要结合自己的实际测量需求,看看选购的示波器有没有自己要的功能,比如FFT,串行通讯解码,波形录制等。这里列举一些我们购买前应该注意的示波器的常见概念:

  • 带宽 – 示波器的带宽决定了我们能精确测量信号的频率范围。市面上的示波器带宽从 20 MHz to 100 GHz 的都有,一般来说我们只要购买被测信号最高频率的5倍带宽的示波器即可,比如我们要测量的信号频率在20MHz,那么我们只需要购买100MHz带宽的示波器即可。事实上,在很多时候,100MHz带宽的示波器是足够使用的。

  • 采样率 – 采样率决定了示波器能采集数据点的能力,信号采集的数据点越多,信号就越接近真实的状态,也就越不容易失真。
  • 存储深度 – 存储深度也叫记录长度,代表示波器一屏幕最多可以显示多少数据点,如果示波器的采样率足够,但存储深度太小,那示波器显示出来的信号一样会容易失真。市面上大多数的示波器采样率都是足够的,但存储深度却往往被很多人遗漏掉,有的商家甚至因为太低而直接不标这个参数。
示波器存储深度可调
  • 信号完整性 – 也就是示波器能够精确测量信号的能力。就像我们肯定不希望心率检测仪显示错误的信息一样,如果我们的病人心跳还在跳动,结果仪器显示却成了直线,那一定很糟糕。同样的,我们也不希望测试的结果给出错误的答案,以至于错误判断被测设备存在问题。一般测量误差不超过2%的示波器都是合格的。

  • 通道 – 即示波器输入信号的地方.一般有模拟通道和数字通道, 比较常见的示波器是2通道示波器和4通道示波器。
  • 探头 – 探头用于将信号接入示波器,市面上有各种各样的有源探头和无源探头,它们被用于各自的特殊场合。常见的有高压探头,差分探头,电流探头,点火探头等。在购买示波器之前,也要考虑自己要用到哪些探头。
  • 应用 – 信号分析、协议解码和单次触发等应用可以大大减少我们识别和捕获信号错误所需的时间。有些应用可以帮助我们发现和评估信号的抖动,或者进行傅立叶变换,创建眼图,甚至识别和评估通讯系统的串扰。协议解码可以解码信号成数字信息,在不同的条件下触发,识别协议错误。并非所有的示波器都会包含你想要的应用,因此购买之前也应该查询清楚。
示波器的高低通数字滤波功能

示波器能用来干嘛?

现在,我们已经对示波器的常见术语有了大致的了解。其实大多数的信号测试,只需要一台50-150MHz带宽,配上标配的无源探头,1GS/s的采样率,2-4个通道,大于2M存储深度的示波器即可。

有了示波器,我们可以检测和发现PCB电路版上的故障元器件,线路的噪声以及是否短路,设备的输入和输出是否工作正常等。采用不同的触发方式,可以发现信号的高矮脉冲,故障部分等。示波器一般还提供信号快速傅里叶变换,以及通道直接的数学函数运算功能等。而这些,仅仅只是基本的开始。

对信号进行快速傅里叶变换(FFT)

示波器是功能性很广泛的电子仪器。汽修工程师可以用示波器来检测汽车中的电子设备的问题,大学实验室里老师会用示波器来教学生了解电路。全世界的研究所都会至少拥有一台示波器。手机厂家也需要用示波器来检测他们手机信号的完整性。军队和航天部门同样需要示波器来测试雷达系统。研发工程师用示波器来测试和设计新的技术或产品。示波器还用于符合性测试,如UART和CAN协议,用示波器来检验信号的输出是否符合对应的标准。

示波器的串行总线解码功能