什么是示波器？示波器基础知识

示波器是一种可将电信号（主要是电压）转换为屏幕/显示屏上的可见轨迹的电子仪器。也就是说，可将电信号转换为光信号。

这些仪器以二维形式动态绘制随时间变化的电信号。在示波器显示屏的 “Y”（垂直）轴绘制电压，在 “X”（水平）轴绘制时间。所绘制的电压和时间最终显示为一幅输入信号图，通常称为“波形”。随着输入信号特性的变化，可在示波器显示屏上看到所绘制波形的持续/动态更新。

示波器是电子工程师用来测试和验证电子设计的主要仪器。此仪器还将是电子工程/物理实验室中用于测试所分配实验的主要仪器。

 示波器常用名称

示波器有多个名称，但如今最常用的名称为 “scope”。有时也将其叫做 “DSO”（digital（数字）storage（存储）oscilloscope（示波器））、“Digital Scope”（数字示波器）和 “Digitizing Scope”（数字化示波器）。这三个名称表示这些仪器中使用的动态捕获和存储波形的新型数字技术。

采用早期技术的示波器通常称为 “Analog Scopes”（模拟示波器）。您的教授在学生时代使用的可能就是这种示波器。

在澳大利亚或新西兰，示波器通常被叫做 “CRO” - 读作 “crow” - 这是 Cathode（阴极）Ray（射线）Oscilloscope（示波器）的缩写。尽管如今大多数新型数字示波器都主要使用数字平面屏幕显示技术来显示波形，而不再使用早期的阴极射线管技术，澳大利亚和新西兰人仍亲切地将其称为 “CRO”。

“O-Scope”（示波器）是另一个常用名称。最后，有时我们会听到 “MSO” 这个名称，它表示 mixed（混合）signal（信号）oscilloscope（示波器）。MSO 基本上是带额外采集逻辑分析仪通道的 DSO。

示波器测试基础

使用示波器测量电子信号需要将所需的被测试信号输入到示波器的输入 BNC 连接器中。若要测量生成器的输出，通常要使用标准 50-Ω BNC 或 SMA 电缆直接将生成器的输出与示波器的输入连接在一起。但如果要在您的电路/设计的某一点测量信号特性，通常要使用示波器“探头”来进行。

探头有很多种，可用于各种特定用途（如高频率应用、高电压应用和电流测量等）。但用于测试大范围信号的最常用示波器探头称为“无源 10:1 分压器探头”。您将使用这种探头来进行所分配的大多数电子实验室实验。

―探头用于将信号从要测试的设备传输到示波器的 BNC 输入。
―探头有很多种，可用于各种特定用途（高频率应用、高电压应用和电流等）。
―最常用的一种探头叫做“无源 10:1 分压器探头”。

无源 10:1 分压器探头

这里我们展示了一个连接到示波器输入的无源 10:1 分压器探头的电子模型。“无源”一词表示探头包括晶体管和放大器等无源电路。也就是说，探头完全由无源元件/组件（包括电阻、电容和电感。）

“10:1”，读作 10 比 1，表示探头通过阻性分压器网络方法将输入信号的幅度降低 10 倍。示波器测量系统的输入阻抗（探头 + 示波器的电阻）通常也增加 10 倍。

最后，请注意使用此种探头的所有测量都应对地进行。也就是说，应将探头的输入端连接到所需的测试点，且必须 将探头的接地导线/夹子连接到电路的地。使用这种探头无法测量两个电路中组件之间的电压。此类差分测量需要专门的差分有源探头。

还需注意的是，任何时候都不应尝试使用示波器探头来连接电路。

无源: 包括晶体管和放大器等无源元件。

10-to-1: 将传输到示波器 BNC 输入的信号幅度降低 10 倍，同时将输入阻抗提高 10 倍。

注意：所有测量必须对地进行！

低频率/直流型号

对于低频率或直流测量应用，通过移除前图所示模型中的所有电容元件，我们的示波器探头模型可以大大简化。剩下的就只有探针旁边的 9 MΩ 电阻器与示波器的标准 1 MΩ 输入终端串联。使用欧姆定律，您会发现示波器输入 BNC 处的信号电压电平将为探针处电压电平的 1/10。

如今的大多数示波器都有探头衰减常数，用于自动补偿电压测量，以便相对于探针进行报告。某些示波器会自动检测连接的 10:1 探头。而某些入门级示波器需要用户手动输入探头衰减常数。示波器自动检测到或用户手动输入探头衰减常数后，示波器便会提供所有电压测量的补偿后读数。例如，如果将 10:1 探头连接到 5 V 直流电源，实际上示波器会在其输入 BNC 处“看到”0.5 V 的直流信号。但使用了 10:1 探头衰减常数后，示波器将报告它在探针处“看见”了 5 V 的直流信号。

稍后我们将探讨无源 10:1 分压器探头更为精确的交流/动态模型。

低频率/直流型号: 简化了 9-MΩ 电阻器与示波器 1-MΩ 输入终端串联。
探头衰减常数:某些示波器自动检测 10:1 探头，并相对于探针调整所有垂直设置和电压测量。某些示波器需要手动输入 10:1 探头衰减常数。

快速了解示波器显示屏

−波形显示区域显示有网格线（格）。
−网格线的垂直间隔相对于伏/格设置。
−网格线的水平间隔相对于秒/格设置。

使用探头将信号输入示波器后，便可设置示波器的垂直和水平刻度调整，开始进行测量。正如前面所说，示波器显示屏以 X：Y 形式捕获波形。电压（信号幅度）在 Y 轴绘制，时间在 X 轴绘制。

波形显示区域划分为许多网格线 – 有时也叫做“格”。在垂直轴上有 8 个垂直格。每个垂直格（水平网格线之间的间隔）等于示波器显示屏左上角显示的伏/格设置。在本示例中，由于示波器的垂直刻度调整设置为 1 V/div，因此每个水平网格线之间的增量电压为 1 伏。在此设置 (1 V/div) 下示波器能测量的最大峰峰值振幅为 8 Vpp（8 格 x 1 V/div）。

在水平轴上有 10 个水平格。每个水平格（或每个垂直网格线之间的间隔）等于示波器的秒/格设置。该设置显示在示波器显示屏的右上角附近。在本示例中，由于示波器的水平刻度调整设置为 1 µs/div，因此每个垂直网格线之间的增量时间为 1 微秒。示波器屏幕能测量的最长时间为 10 微秒（10 格 x 1 µs/div）。

使用示波器进行测量 – 如何使用示波器目测估计?

―周期 (T) = 4 格 x 1 µs/div = 4 µs，频率 = 1/T = 250 kHz。
―V p-p = 6 格 x 1 V/div = 6 V p-p
―V max = +4 格 x 1 V/div = +4 V，V min = ?

可使用多种方法在绘制的波形上进行电压和时间测量，但最常用的方法是目测估计。熟悉示波器的工程师可快速进行估计，确定信号的幅度和定时。在本示例中，由于输入信号的周期每四格重复一次，且水平刻度调整设置为 1 µs/div，因此我们可以快速确定此信号的周期 (T) 大约为 4 µs（4 格 x 1 µs/div），频率为 250 kHz（频率 = 1/T）。

要确定此信号的峰峰值振幅，我们看到在设置为 1 V/div 的情况下，此波形在垂直方向上大约占了 6 格，因此峰峰值振幅约为 6 Vpp（6 格 x 1 V/div）。

要测量信号的绝对峰值电压，首先要找到位于格线左侧的地指示器/图标。此点定义 0 V 电平。然后我们看到此信号的正峰值振幅 (Vmax) 约为地指示器以上 4 格，因此此信号的正峰值振幅约为地以上 +4 V（+4 格 x 1 V/div）。下面确定此信号的负峰值振幅 (Vmin)。