示波器可以说是电子工程师手里用得最多的测量仪器了,没有之一。不管是调电路、看波形、抓时序、排查干扰,都离不开示波器。但很多刚入门的工程师只会简单测个电压,示波器的很多高级功能都没用到,浪费了这台贵家伙。今天就从零聊聊示波器怎么用。
先搞清楚示波器面板上那些旋钮和按钮是干嘛的。一般示波器面板分几个区域:通道区域(每个通道有垂直位置、垂直档位、耦合方式设置)、水平区域(水平位置、时间档位)、触发区域(触发模式、触发电平、触发通道)、测量区(自动测量、光标测量)、以及菜单和功能按钮。现在的数字示波器都带屏幕显示,参数一目了然,比老的模拟示波器好用太多。
第一次用示波器接电路要注意探头的使用。探头一般选10x(10倍衰减),因为直接接信号的话示波器输入阻抗不够高,10x探头里有9MΩ的电阻跟示波器的1MΩ输入阻抗串联,等效输入阻抗变成10MΩ,对被测电路的影响小很多。但10x探头会把信号幅度衰减10倍,所以示波器上读出来的电压要乘以10。新手最常犯的错误就是探头倍率没设置对,导致测量结果差了10倍。
触发是示波器使用的核心难点。示波器在一个循环不停地采集数据,触发条件决定了什么时候把这一屏数据稳定地显示在屏幕上。最常用的是边沿触发,选择某个通道,设定一个触发电平,信号从低到高(上升沿)或从高到低(下降沿)穿过这个电平时就触发。比如测一个5V方波,触发电平设到2.5V,上升沿触发,这样屏幕上就能稳定地显示波形。如果触发电平设得太高或太低,触发不到,屏幕上的波形就会左右乱跑。
通道耦合方式也是常见的坑。示波器每个通道有DC、AC、GND三种耦合方式。DC耦合会同时显示直流和交流成分,适合测电源电压、TTL电平这些有直流偏置的信号。AC耦合会把直流成分过滤掉,只显示交流部分,适合看小信号叠加在大直流上的情况(比如看运放输出上的纹波)。GND耦合是把通道接地,用来校准0V基准线。新手经常搞不清楚什么时候用DC什么时候用AC,记住一个原则:想看直流偏置就用DC,只关心交流波动就用AC。
自动测量功能能省很多事。现在的数字示波器一般都支持自动测量电压、时间、频率等参数。选中要测量的通道,然后打开测量菜单,常见的测量项有:最大值、最小值、峰峰值、平均值、周期、频率、上升时间、下降时间、占空比、过冲等。上升时间的定义是信号从10%上升到90%所需的时间,这个参数对高速数字电路特别重要。如果自动测量不准,可以用光标手动测量,把两条光标线分别移到波形的两个点上,屏幕上会显示两点之间的电压差和时间差。
工程调试时示波器的一个进阶用法是抓异常波形。比如电路偶尔会出一个毛刺或者欠压掉电,用普通触发很难抓到,因为你不知道它什么时候来。这时候要用触发功能里的"单次触发"或者"异常触发"。单次触发就是触发一次后停止采集,这样你就能仔细看那个异常波形。很多示波器还支持欠压、毛刺、超时等专门的异常触发条件,能自动识别出异常波形并触发捕获。这个功能在排查偶发故障时特别有用,省得你眼睛盯着屏幕几个小时去等那个千载难逢的异常。
最后说一下示波器带宽的选择。带宽是示波器能准确显示的最高频率,一般要求被测信号的带宽不超过示波器带宽的1/3到1/5。比如要测一个10MHz的方波,选30MHz以上的示波器比较好。如果带宽不够,信号的边沿会变缓,上升时间变长,测出来的波形跟实际不一样。日常工程开发用200MHz到500MHz的示波器基本够了,高速数字电路(比如DDR、USB 3.0)才需要GHz级别的带宽。
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