浅谈示波器的使用与波形分析

浅谈示波器的使用与波形分析

彭丽娟 ,刘陶 ,王薇

中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所  陕西西安  710065

摘要：示波器是一种被广泛使用的电子仪器。通过把无形的电信号转化成有形的影像，使人们能够更好地了解电的各种变化过程。它结合了多种现代电子技术，使其具备了综合知识、直观、便捷的优点。虽然示波器运行起来很简单，但在实际应用中经常会出现波形畸变。造成这种现象的主要原因是由于探针选择不当，以及操作人员在使用时忽略了某些操作步骤，使测试信号的波形发生畸变，从而造成了误差。

关键词：示波器；使用；波形分析

在目前的发展阶段，已经将波形分析提升到一个非常重要的地位。在设计中，利用示波器不但可以观察到波形的变化，还可以对设计中的器件参数进行分析计算，从而对设计方案进行优化。文中给出了几种易于实现却经常被忽略的方法并分析了示波器波形，这些方法可以保证操作人员在每次测量时都能迅速、精确地获得结果，同时还给出了以下几点建议，以期对大家有所帮助。

1.示波器的基本原理

示波器是形象地显示信号幅度随时间变化的波形显示仪器，是一种综合的信号特性测试仪，是电子测量仪器的基本种类。波形捕获率也就是波形刷新率，已经成为考核一台示波器的重要参数之一；对于示波器来说，波形捕获率高，就能够组织更大数据量的波形质量信息，尤其是在动态复杂信号和隐藏在正常信号下的异常波形的捕获方面，有着特别的作用。由于采用的技术和原理不同，在波形的保真、显示能力和捕获能力上，各技术类别的示波器之间存在较大差异。

示波器的捕获率和触发功能、可以优化示波器的存储深度和采样率。触发电路的作用就是保证每次时基扫描或采集的时候，都从输入信号上与定义的相同的触发条件开始，这样每一次扫描或采集的波形就同步，可以每次捕获的波形相重叠，从而显示稳定的波形，或保证单次信号的捕获、模拟示波器触发和数字示波器的触发是使重复信号稳定显示对单次信号进行捕获、对重复信号中的异常波形和单次事件中的特殊波形进行隔离捕获。

1.1带宽

频段是衡量示波器性能的一个重要指标。模拟示波器具有一定的带宽，而数字示波器可以将其频段划分为模拟频段和数字实时性频段。在数字示波器中，采用连续取样或随机取样技术可以达到的最大带宽是示波器的数字实时带宽，而数字的实时带宽则取决于最大的数字化频率和波形重建技术因子 K （数字实时带宽=最大数字化速率/K）。从这两个频段的定义可以看出，模拟频段只适合于探测重复频率信号，它既适用于重复频率的检测，也适用于单一频率的检测。厂商宣称，示波器的带宽可以达到几兆，其实是指的是模拟频带，而在此范围内，数字的实时性要比这个低。因此，在进行单次信号的测量时，必须参照数字示波器的实时频带，否则会造成不可预料的误差。

1.2示波器探头

示波器检测器是连接示波器和信号源的一种设备或一种网络，实现高质量的连接。

1.2.1示波器探头的选择

在实际测量中，选择适当的探测器总是能获得最佳的测量效果。一般情况下，10-1的探测器就能满足一般的测量要求；对于低振幅的测量，操作员可以采用1:1的探针；在高频测量时，应注意探针的电容。

1.2.2示波器探头的兼容性

一个很常见的例子是，人们用 A公司制造的示波器，而用 B公司制造的探测器来做测试。实际上，示波器和探测器并非永远可以相互替换或者兼容。最好是采用同一公司制造的示波器和探测器，以消除可能出现的问题。

1.2.3示波器探头补偿电容的调整

当采用10:1的衰减探测器时，一般要对探测器进行补偿调节。一个真正的10:1探测器有若干可调整的电容器和电阻器，使其在较宽的频率范围内得到适当的频率响应。仅有一台微调电容器可供使用者调整。调整此电容，以配合相应的检测器。该调整工作可以通过在示波器前端的输出信号进行，调整方式是：将探测器与标定的方波信号输出端连接起来，如果在显示屏上显示一个方波波形，该波形具有一定的振幅和频率，那么该探测器的特性就达到了最佳状态，然后对该信号进行检测，保证了波形不失真、误差低。

1.3探头接地

在高速测量中，最容易出现的误差就是采用了探针的地线，从而导致了示波器的探针出现故障。采用地线夹具就等于把一个串联的电感器加到了地线上。这种串联的电感加上探测器的电容，就会产生振动和过冲。最好的接地方式就是在探测器里面安装一个接地屏蔽网，不过必须将它拆下来，这并不困难。首先，取下探测器的盖子，将塑胶外壳从探测器上取下来。此时，金属地笼网已经露出。然后，拔掉探测器的接地夹子。就可以进行测试，只需对一个节点进行测控，将检测装置的金属接地屏蔽网和最近的试验线接在一起。这种方法可以消除全部的串联电感，基本上消除了振动和过冲。

1.4差分测量

当测量时差或传输延迟时，一定要用相同长度的两个探测器。线缆的传送时延约为1.5毫秒/每秒。不同的线缆长度会造成问题。比如，用3英尺和6英尺长的示波器探针来测量传输时延，电缆长度的差异会导致4.5 ns左右的误差，而如果要对1 ns进行测量，则会产生很大的误差。在这个时候，为了避免共模干扰对检测结果的影响，可以采用差动探测器，而探测器的接地线尽量缩短。

1.5在使用示波器之前，必须对其进行校正

校正的目的在于保证目前的测量结果不会受到外界的温度和环境等因素的影响。标定的方式是通过调用自动装入的示波器来进行标定，基本上只要按动标定键即可。

补偿的目的是防止由于阻抗不匹配而导致的信号完整性问题。这一种补偿方法是将检测器与示波器的方波发生器（这两种类型的示波器都有，主要是为了纠正和修整，利用一个小型的螺丝刀来调整检测器的弹性以确保方波的正确性。补偿过大会引起波形的上下冲，但如果补偿不足，则会使波形的变化缓慢。

1.6 电源纹波的测量

电源纹波的测量方法：（1）移除检测器的罩盖，减少检测器所产生的寄生电感；(2)将地线回路最小化，采用地线环绕检测器或直接使用接地；(3)将10 uF和0.1 uF的电容添加到测量端部，并且将所述示波器的带宽控制在20兆赫，作为低通滤波器，避免由于高频信号的干扰而导致测量结果不准确；(4)时基选择要使测量频率为切换频率的2倍或更高，这取决于取样速率；(5)试验站应与干扰源保持一定距离。

2.使用示波器测量信号的具体方法

2.1振幅与频率的测定（举例说明用一个标定的示波器）

(1)在通路1插口中插入示波器探测器，使探测器上的衰减设置为"1"；

(2)在CH1设置信道选择，在 DC级别设置耦合模式；

(3)在示波器画面上显示光痕时，将探针插入标定信号源的小孔中；

(4)调整竖向和横向旋钮，以稳定画面上的波形图；

(5)读取在竖直方向上所占据的波形图的格数，与竖直衰减旋钮的指示值相乘，获得标定信号的振幅；

(6)读取各周期在水平方向上所占据的波形的格数，与水平扫描旋钮的指示值相乘，从而获得校正信号的周期（循环的倒数是频率）；

(7)通用校正信号具有1 kHz的频率和0.5 V的振幅，用于对示波器内的扫描振荡器的频率进行校正，如果故障，则将相应的示波器（内部）的电压计调整到合适的位置。

2.2示波器的应用（例如，在788移动电话中，测量13兆赫的时钟脉冲）

13兆赫的时钟信号是正常的，所以在维护过程中，要经常对13兆赫的时钟信号进行检测。这是以下几个步骤：

(1)开启示波器，调整亮度和调焦按钮，以保证一条亮度适中、聚焦良好的水平亮线出现在荧光屏上；

(2)按照以上的方法对示波器进行标定，并将耦合模式设置为交流模式；

(3)在移动电话线路板的接地点插入示波器探测器的接地夹，并将探测器插入788移动电话 CPU的地脚；

(4)打开手机，按下启动键，调整水平线，检查屏幕上的波动，若不稳定，则表示没有13 MHz的信号。

3结论

本文分析了示波器的基本原理及使用，让大家更好的了解到了示波器在使用时的方式方法，示波器的作用是精确显示所需要观测的信号和波形。根据波形特征，测试条件、测试环境合理设置示波器，并正确的连接被测电路，是示波器捕获信号的必要条件。

参考文献：

[1] 许积文;杨玲;王华;丘伟;任明放. 数字示波器的原理与使用实验教学中的问题与对策.物理,2013-02.

[2] 黄健. 浅谈示波器的使用及其在常见点火波形畸形故障诊断中的作用.文化科学,2018-12

[3] 孙长青. 示波器的使用与波形分析系列讲座(三).车辆工程,2001-08.