實用電子學/示波器

通常稱為“示波器”，示波器 在設計和製造高頻類比電路（例如，當您無法使用邏輯探頭等看到訊號變化時）時是必不可少的裝置，並且在許多其他情況下也很有用。

什麼是示波器？

示波器是一種裝置，它繪製電壓隨時間的變化圖，或者繪製兩個不同電壓之間關係的圖。此資訊以螢幕上的“軌跡”形式顯示。示波器主要有三種類型：陰極射線、數字和基於計算機的。

• 陰極射線示波器 (CRO) 具有一個 電子槍，它發射電子束（歷史上稱為“陰極射線”，因此得名），電子束根據被測訊號偏轉。軌跡由電子撞擊 磷光體 螢幕產生，該螢幕在電子撞擊的地方發出綠色光。

• 數字型號接收輸入訊號並將其轉換為數字訊號，然後對其進行分析並用於在 LCD 螢幕上繪製圖像。根據型號的不同，軌跡可能是單色或彩色。它們的優點是，可以儲存軌跡並與其他軌跡一起顯示以進行比較或校準。

• 基於計算機的示波器越來越流行。在計算機上安裝了軟體，可以分析外部模擬到數字轉換器中經過處理的訊號。這樣做的好處是，可以使用計算機提供處理訊號所需的處理，並且可以儲存和匯出軌跡。

有關不同型別示波器特定功能的更多詳細資訊，請參閱 維基百科文章。

使用示波器

術語

示波器型號數以百計，每種示波器的形式和功能可能略有不同。它們不僅可以透過上面列出的型別來區分，還可以透過其他功能來區分。

示波器上的通道數是指它可以處理的獨立訊號數。簡單的示波器只有一路通道，而大多數示波器是雙通道的——它們可以同時處理兩個訊號。高階示波器可以擁有更多通道。

頻寬是示波器的“時間解析度”。頻寬越高，示波器就能在訊號上顯示出越多的細節。頻寬以 赫茲 為單位，定義為示波器在軌跡低於實際訊號值的 0.707 (√2/2) 之前可以取樣 正弦曲線 訊號的最高頻率。建議使用頻寬至少是電路中最大頻率的 5 倍的示波器。使用頻寬不足的示波器會導致錯過細節或訊號失真。

示波器的上升時間衡量訊號從高電平變為低電平或從低電平變為高電平的最快時間，並且示波器仍然可以分辨出來。這與頻寬成反比關係，因此，如果只知道電路的上升時間，將其除以 5，即示波器所需的最小上升時間。您將接觸到的常用電子裝置的上升時間足夠長，以至於幾乎所有低頻寬示波器都可以滿足，降至約 10MHz（這幾乎是下限）。有些示波器可以捕捉到幾十皮秒的上升時間，具有 20GHz 或更高的頻寬，價格超過 100,000 英鎊。

控制

下面是您最有可能使用的雙通道 CRO 的示意圖。以下部分將解釋這種示波器的控制。

通用雙通道 CRO 的前面板，帶有編號的控制和顯示

顯示

A 是顯示屏。這可以是磷光體螢幕或 LCD，通常約 100 毫米角到角。

B 顯示“軌跡”。這是示波器繪製的表示訊號的線。在 CRO 上，這條線是由一個高速移動的亮點在螢幕上產生的。在數字示波器上，這條線像圖形計算器一樣在 LCD 上繪製。

螢幕上覆蓋著水平 (C) 和垂直 (D) 線的網格，稱為“刻度板”，它將螢幕劃分為正方形，稱為“主格”。刻度板通常有 10 個主格寬，8 個主格高。

中心水平線和垂直線 (E) 通常比其他線粗，並且被劃分為“次格”，每個主格通常有 5 個次格。在後面的部分中談到“格”時，我們始終指的是主格——次格只是為了幫助測量。

還有特殊水平線，分別標記為“0”（中心下方 2.5 個主格）和“100”（中心上方 2.5 個主格）。“10”和“90”線具有與中心軸相同的刻度。這四條水平線是用於縮放訊號進行上升時間測量的指南。這將在後面討論。

電源、校準和顯示控制

1 是電源開/關按鈕。2 是電源指示燈，當示波器開啟時會亮起。這在較新的示波器中可能是 LED，在較舊的示波器中可能是霓虹燈管。

3 是軌跡旋轉 (TR) 控制。這設定了平坦訊號相對於刻度板的傾斜度。這通常是 微調電位器，需要使用平頭螺絲刀來設定。設定後，該控制應保持其位置，很少需要調整。

4 是軌跡強度。調高此值會增加軌跡的亮度，調低此值會使軌跡變暗。如果點移動過慢，過度明亮的軌跡會損壞螢幕的磷光體。

如果電子束沒有正確聚焦，軌跡會變得模糊。聚焦控制 (5) 設定此項。大多數示波器可以將電子束聚焦形成約 1 毫米寬的軌跡。

6 是校準點。它以設定的頻率和電壓提供穩定的方波，允許準確地設定軌跡的縮放。有時，可以使用多種頻率和電壓來進行更具代表性的校準。標準校準訊號在 1KHz 時為 0V 到 2V 之間。

垂直軸控制

在將訊號繪製為時間的函式（示波器的標準用法）時，垂直軸表示電壓。大多數垂直軸控制都針對每個通道進行復制，以便對每個訊號進行獨立控制。

7 控制軌跡的位置。它可以調整以設定相對於接地的電壓，或者可以調整以分開兩個訊號——例如，第一個通道位於螢幕的上半部分，第二個通道位於螢幕的下半部分。

8 反轉相關的通道。也就是說，顯示負電壓，並且軌跡上下顛倒。

9 是垂直刻度控制，通常稱為伏特/格控制。這設定了軌跡的高度。它以離散的步驟執行。

10 是一個可變高度控制。它可以調整波形的幅度，直至達到電壓/格控制上的下一個設定增量。當設定為 CAL 時，高度與電壓/格控制上顯示的值一致。

11 是AC/DC 切換。當設定為 AC 時，任何 DC 訊號會被一個與輸入訊號串聯的電容器濾除，只留下 AC 訊號。當 DC 訊號掩蓋了 AC 訊號時，這很有用，因為 AC 訊號可能會太小而無法看到或被推到螢幕頂部。當設定為 DC 時，訊號將按原樣顯示。

12 是GND 切換。選擇它後，輸入訊號將被忽略，波形顯示 0V。這對於測量電壓或從顯示屏中刪除其中一條波形很有用。

13 是通道 1 訊號輸入，14 是通道 2 輸入。這是連線示波器探頭的地方。

每個通道都有這些控制的副本（除了 chop/alt，它適用於所有通道）。通道的組合方式由15設定，通常是一個滑塊開關。當設定為CH. 1時，只顯示通道 1 的波形，CH. 2同理。當選擇DUAL時，波形並排顯示。此時，chop/alt 控制生效。ADD顯示兩條波形的疊加，作為一條波形。透過反轉波形，可以將其中一條波形從另一條波形中減去。下圖可以說明這一點。它顯示了在一個通道上的方波和另一個通道上的正弦波。左側，示波器設定為“dual”，兩條波形並排顯示。右側，示波器設定為“add”，波形是兩個訊號的疊加。

水平軸控制

在正常的電壓 vs. 時間模式下，此軸表示時間。主要控制是時間基準選擇器，19。時間基準是螢幕上每個水平主格顯示的時間長度。範圍從約 0.1 毫秒到約 1 秒（或數字示波器上的更長時間）。

波形從左到右的位置由17控制。這在波形的一部分在螢幕邊緣之外但你不想要改變時間基準時很有用。

×10 MAG 控制，16，是一個非常有用的控制，如果你想要快速放大某個特徵，而又不改變時間基準和丟失設定。此按鈕在水平方向上將波形中心區域放大 10 倍（但電壓高度保持不變）。

18 在通常的電壓 vs. 時間格式和XY模式之間切換。這將通道 1 上的電壓連續繪製在水平軸上，而通道 2 上的電壓繪製在垂直軸上。這對於分析頻率或相位關係非常有用。這是一個複雜的話題，將在本模組後面的獨立章節中介紹。

20 和21 的作用與 10 在垂直軸上的作用類似。此圖顯示它與垂直控制略有不同。要選擇非標準的時間基準，請按 20，並調整 20 直到獲得正確的設定。要返回到校準的時間基準，請再次按 20。有時這些控制與 10 樣式相同，有時垂直控制與這些樣式相同。

22 是示波器的GND端子。它用於設定一個“基準”電壓，用來測量輸入通道上的電壓。在使用隔離的電源電路時要小心，因為“接地”有時會漂浮在電源電壓上，可能會與真正的接地短路，導致人身傷害或死亡。

23 在chop 模式和alt 模式之間切換。chop 模式意味著，當示波器並排繪製兩個訊號時，它會在掃描螢幕的過程中快速地在兩個訊號之間切換。這個動作叫做chopping。alt 模式在每次掃描結束時切換，在速度較慢時可能看起來會閃爍。

觸發電平 (25) 和斜率控制 (31) 提供了基本的觸發點定義，並決定了波形的顯示方式。

觸發電路充當一個比較器。你選擇比較器一個輸入上的斜率和電壓電平。當另一個比較器輸入上的觸發訊號與你的設定匹配時，示波器就會產生觸發訊號。

斜率控制決定觸發點是在訊號的上升沿還是下降沿。上升沿是正斜率，下降沿是負斜率。電平控制決定觸發點出現在邊緣的哪個位置。

26 觸發模式

觸發模式決定示波器是否根據訊號條件繪製波形。常見的觸發模式包括正常模式和自動模式

• 在正常模式下，只有當輸入訊號達到設定的觸發點時，示波器才會掃描。否則，螢幕將空白（在模擬示波器上）或凍結（在數字示波器上），停留在上次獲取的波形上。正常模式可能讓人困惑，因為如果你沒有正確調整電平控制，你可能一開始就看不到訊號。
• 自動模式會導致示波器掃描，即使沒有觸發。如果沒有訊號，示波器中的一個計時器就會觸發掃描。這確保瞭如果訊號沒有導致觸發，顯示屏不會消失。

27 模式鎖定觸發

模式鎖定觸發在 NRZ 序列模式觸發方面添加了一個新的維度，使示波器能夠以優異的時間基準精度對長序列測試模式進行同步採集。

28 觸發耦合

就像你可以為垂直系統選擇 AC 耦合或 DC 耦合一樣，你也可以選擇觸發訊號的耦合型別。除了 AC 和 DC 耦合之外，你的示波器還可能具有高頻抑制、低頻抑制和噪聲抑制觸發耦合。這些特殊設定對於消除觸發訊號中的噪聲以防止誤觸發很有用。

29 觸發源

示波器不一定要對正在顯示的訊號進行觸發。幾個源可以觸發掃描

• 任何輸入通道
• 除應用於輸入通道的訊號之外的外部源
• 電源訊號
• 由示波器內部定義的訊號，來自一個或多個輸入通道。