學用示波器

示波器是設計和測試電子設備和器件最常用的工具。它們在判定系統(tǒng)器件是否正常方面扮演極為重要的角色，而且還能幫助確定新設計的元器件是否按照預想的方式進行工作。示波器的功能遠比數(shù)字萬用表更強大，因為它們可以觀察電的實際情況。

本文簡要介紹示波器原理，了解什么是示波器，以及如何操作示波器。我們將會探討示波器的應用，并概括介紹其基本的測量和性能特征。本文還將介紹不同類型的探頭，并討論它們的優(yōu)缺點。

  使用示波器9步走
電子信號的波形特性
示波器的一般外觀
示波器能測量什么

基本的四個前面板控制(垂直和水平控制、觸發(fā)控制及輸入控制)
示波器基本測量（峰峰值電壓、電壓有效值、脈寬、幅度和其它電壓測量）

示波器基本運算功能
示波器的重要性能特性（帶寬、通道、采樣率、存儲深度、波形捕獲率）

示波器探頭（無源探頭、有源探頭、電流探頭）
6個示波器基本實驗
#1：對正弦波執(zhí)行測量
#2：了解示波器觸發(fā)的基本知識
#3：觸發(fā)噪聲信號
#4：記錄和保存示波器測試結果
#5：補償 10:1 無源探頭
#6：使用內置函數(shù)發(fā)生器生成波形
首先，這里有個簡略版【使用示波器9步走】
把探頭插入示波器，并開機。
確保打開了正確的通道，并且關閉了其他通道。
將耦合方式設置為直流來查看整個信號，或者設置為交流來過濾直流成分。
確保探頭設置為正確的衰減比。
點擊觸發(fā)鍵。設置您的觸發(fā)事件和觸發(fā)源
通過連接接地鉤和探針，在內置方波發(fā)生器端口測試和調試探頭。如果波形圖不是靜態(tài)的，可稍微調整觸發(fā)電平使其保持穩(wěn)定。
如需要，通過調節(jié)探頭螺絲來調整探頭內置的補償電容器，直到方波的角度合適。如果您的示波器有自動調節(jié)功能的話，可以直接使用“調節(jié)”按鈕。
現(xiàn)在可以開始測量了。把探頭和接地夾連接到被測設備或組件上。
不要忘記使用示波器的顯示控制功能將波形居中顯示，并根據(jù)需求放大或縮小。

[/ol]接下來我們來看詳細教程。
示波器的主要用途是顯示電子信號。通過觀察示波器上顯示的信號，可以確定電子系統(tǒng)的某個元器件是否在正常工作。因此，要想了解示波器的工作方式，必須先要了解信號的基本示波器原理。

波形特性
電子信號會以波形或脈沖的形式出現(xiàn)。波形的基本特性包括：
幅度 - 在工程應用中經常使用的幅度定義主要有兩個。第一種通常稱為峰值幅度，定義為干擾信號的最大位移量。第二種是均方根（RMS）幅度。要計算波形的 RMS 電壓，必須將波形值平方并求出平均電壓，然后再求平方根。對正弦波來說，RMS 幅度等于峰值幅度的 0.707 倍。
相移 - 相移是指兩個其他條件都相同的波形之間的水平位移量，以度或弧度為單位。正弦波的周期以 360 度來表示。因此，如果兩個正弦波相差半個周期，那么它們的相對相移就是 180 度。
周期 - 波形的周期是指波形重復出現(xiàn)一次所花費的時間，以秒為單位。
頻率 - 每個周期性波形都有一個頻率。頻率是指波形在一秒內重復出現(xiàn)的次數(shù)（如果使用 Hz 為單位）。頻率與周期互為倒數(shù)。


圖 1. 正弦波的峰值幅度和 RMS 幅度


圖 2. 三角波的周期

波形
波形是指波的形狀或圖像。波形可以提供許多有關信號的信息，例如，它可以告知電壓是否突然發(fā)生改變、呈線性變化或保持不變。標準的波形有很多種，本節(jié)僅介紹最常遇到的幾種。
正弦波 - 正弦波通常與交流（AC）電源有關，例如屋內的電源插座。正弦波的峰值幅度并非一直恒定，如果峰值幅度會隨著時間不斷地下降，我們就稱這種波形為阻尼正弦波。


方波 / 矩形波 - 方波會在兩個不同的值之間周期性地跳動，因此在高點和低點部分的長度會相等。矩形波不同的地方在于高、低點部分的長度并不相等。
三角波 / 鋸齒波 - 在三角波中，電壓會隨著時間呈線性變化。它的信號邊沿稱為斜波，這是因為其波形會斜升或斜降到某個電壓。由于鋸齒波前面或后面的信號沿會隨著時間產生線性的電壓響應，所以看起來與三角波類似。但對面的信號沿幾乎是立即下降的。
脈沖 - 脈沖是指突然出現(xiàn)在固定電壓中的干擾，就像在一個房間中突然打開電燈，然后迅速熄滅電燈的情形。一連串的脈沖被稱為脈沖串。延續(xù)前面的比喻，這就好比不斷重復快速開燈與關燈的動作一樣。脈沖是信號中常見的毛刺或錯誤波形。如果信號只傳送一條信息，那么脈沖也可看作是一個波形。

復合波

波形也可以是以上各種波形的混合。它們不一定要具備周期性，而且可以是非常復雜的波形。
模擬信號與數(shù)字信號的比較
模擬信號代表給定范圍內的任意值。不妨想象一下模擬時鐘，時針每隔 12 個小時旋轉 1 周。在此期間，時針一直不斷移動，不會出現(xiàn)讀值跳動或不連續(xù)的情形�，F(xiàn)在將它與數(shù)字時鐘比較一下。數(shù)字時鐘僅顯示小時和分鐘，因此是以分鐘作為間隔時間。它會一下子從 11:54 跳至 11:55。數(shù)字信號同樣具備離散和量化的特性。通常，離散信號具有兩個可能的值（高或低，1 或 0 等），因此信號會在這兩個可能的值之間上下跳動。
示波器的外觀
一般，現(xiàn)代示波器的外觀與圖 8 中的示波器相似。然而示波器種類繁多。盡管如此，大多數(shù)示波器都具備一些基本特性。多數(shù)示波器的前面板大致可分為幾個區(qū)域：通道輸入、顯示屏、水平控制、垂直控制以及觸發(fā)控制。如果示波器未配備 Microsoft Windows 操作系統(tǒng)，那么它很可能會提供一組功能鍵，用于控制屏幕上的菜單。
可以通過通道輸入接頭（即插入到探頭的連接器）把信號發(fā)送到示波器中。顯示屏是用來顯示這些信號的屏幕。水平和垂直控制區(qū)域包含了一些旋鈕和按鍵，可用于控制在顯示屏上的信號的水平軸（通常表示時間）和垂直軸（通常表示電壓）。觸發(fā)控制支持對示波器進行設置，確定在何種條件下時基可以執(zhí)行采集任務。

圖 8. Keysight In?niiVision 2000 X 系列示波器的前面板
示波器的后面板如圖 9 所示。

圖 9. Keysight In?niium 9000 系列示波器的后面板
如圖所示，許多示波器都擁有與個人計算機相同的連通性，包括光盤驅動器、CD-RW 驅動器、DVD-RW 驅動器、USB端口、串行端口，以及外部監(jiān)測器、鼠標和鍵盤輸入等。

示波器可以測量什么

示波器是一種測試與測量儀器，可顯示某個變量與另一個變量之間的關系。例如，它可以在顯示屏上繪制一個電壓（y 軸）—時間（x 軸）圖。圖 10 顯示了一個圖表示例。如果需要測試某個電子器件是否正常工作，這項功能會很有用。如果知道移除該器件之后信號的波形會發(fā)生什么變化，就可以利用示波器來查看這個器件是否在輸出正確的信號。
請注意，x 軸和 y 軸會以網(wǎng)格線分成一些格子�？梢岳�用這種網(wǎng)格線執(zhí)行手動測量，但新型示波器能夠自動執(zhí)行大多數(shù)的測量，并且得到更精確的結果。
示波器的功用不只是繪制電壓—時間圖。示波器提供多個輸入（也稱通道），每個通道都能獨立工作。因此，可以將通道 1 連接到某個器件，并將通道 2 連接到另一個器件。隨后，示波器可以繪出通道 1 與通道 2 分別測得的電壓之間的比較圖。該模式稱為示波器的 XY 模式，適用于繪制 I-V 圖或李薩如（Lissajous）圖。
根據(jù)李薩如（Lissajous）圖的形狀可以得知兩個信號之間的相位差與頻率比。圖 11 顯示了李薩如（Lissajous）圖及其代表的相位差/頻率比。

圖 10. 在示波器上顯示的方波的電壓－時間圖

圖 11.李薩如（Lissajous）圖形
示波器的使用范圍
凡是需要測試或應用電子信號的公司幾乎都會用到示波器。因此，示波器的應用范圍極為廣泛：
– 汽車技術人員通過示波器來診斷汽車的電氣問題。
– 大學實驗室使用示波器向學生教授電子知識。
– 全球各地的研究組都擁有示波器。
– 手機制造商使用示波器來測試信號的完整性。
– 軍事和航空航天行業(yè)使用示波器來測試雷達通信系統(tǒng)。
– 研發(fā)工程師使用示波器來測試和設計新的技術。
– 示波器也可用于一致性測試。例如，用于確保 USB 和 HDMI 的輸出符合某些標準。
示波器可以測什么
– 基本波形參數(shù)測量與電路異常診斷
– 高速信號完整性分析（眼圖、抖動分析）
– 標準總線一致性分析（USB、PCle、DDR、HDMI等）
– 串行信號解碼（I2C 、 SPI 、 CAN等）
– 寬帶信號的調制分析（UWB 、雷達等）
示波器的用途十分廣泛，以上只是其中的幾種。它的確是一種功能強大的通用儀器。
基本的示波器控制與測量
基本的四個前面板控制
通常，必須使用前面板上的旋鈕和按鍵來操作示波器。除了前面板上提供的控制以外，許多高端示波器現(xiàn)在還配有操作系統(tǒng)，因此可以像計算機一樣來操作�？梢詾槭静ㄆ鬟B接鼠標和鍵盤，并使用鼠標通過顯示屏上的下拉式菜單和按鍵來調整控制。此外，有些示波器還配有觸摸屏，只需通過觸筆或指尖就能訪問菜單。
當?shù)谝淮问褂檬静ㄆ鲿r，請先檢查要使用的輸入通道是否已經打開。然后找到并按下 [Default Settings]，使示波器恢復到默認狀態(tài)。接著再按下 [Autoscale] 鍵，自動設定垂直和水平刻度，以便在顯示屏上完美地呈現(xiàn)波形。以此作為起點，然后再做些必要的調整。如果無法追蹤到波形或在顯示波形方面出現(xiàn)困難，請重復以上步驟。大部分示波器的前面板都至少包括四個主要區(qū)域：垂直和水平控制，觸發(fā)控制以及輸入控制。
垂直控制
示波器的垂直控制結構通常集中在一個標示為 Vertical 的區(qū)域內，這些控制結構可以調整顯示屏的垂直刻度。例如，其中有一個控制機構可以指定顯示屏網(wǎng)格的 y 軸上的每格（刻度）電壓。可以通過降低每格電壓來放大顯示波形，或提高每格電壓來縮小顯示波形。另外還有一個控制機構可以調整波形的垂直偏移，它可以讓整個波形在顯示屏上往上或往下平移。圖 16 是Keysight In?niiVision 2000 X 系列示波器的垂直控制區(qū)域。

圖 16. Keysight In?niiVision 2000 X 系列示波器前面板上的垂直控制區(qū)域
水平控制

示波器的水平控制機構通常集中在前面板上標示為 Horizontal 的區(qū)域。這些控制機構可以調整顯示屏的水平刻度。其中有一個控制機構可以指定 x 軸的每格時間。同樣，只要減少每格時間，就可以放大顯示較窄時間范圍內的波形。另外還有一個控制機構可調整水平延遲（偏置），它可以掃描一個時間范圍。圖 17 是Keysight In?niiVision 2000 X 系列示波器的水平控制區(qū)域。

圖 17. Keysight In?niiVision 2000 X 系列示波器前面板上的水平控制區(qū)域
觸發(fā)控制
如前所述，在信號上進行觸發(fā)有助于顯示一個穩(wěn)定、可用的波形，并可查看感興趣的波形部分。觸發(fā)控制可選擇垂直觸發(fā)電平（例如希望示波器觸發(fā)時所在的電壓）和不同的觸發(fā)功能。常見的觸發(fā)類型包括：
邊沿觸發(fā)
邊沿觸發(fā)是最常見的一種觸發(fā)模式。當電壓越過某個閾值時，觸發(fā)就會發(fā)生�？梢赃x擇在上升沿或下降沿觸發(fā)。圖 18 是在上升沿觸發(fā)的圖形顯示。

圖 18. 當在上升沿進行觸發(fā)時，只要達到閾值，示波器就會進行觸發(fā)
毛刺觸發(fā)
在毛刺觸發(fā)模式下，當事件或脈沖寬度大于或小于指定的時間長度時就會進行觸發(fā)。這項功能對于發(fā)現(xiàn)隨機毛刺或錯誤非常有用。如果這些毛刺不常出現(xiàn)，可能會很難看到，但只要使用毛刺觸發(fā)就可以捕獲到許多這類錯誤。圖 19 是Keysight In?niiVision 6000 系列示波器捕獲到的一個毛刺。

圖 19. Keysight In?niiVision 6000 系列示波器捕獲到的一個偶發(fā)毛刺。
脈沖寬度觸發(fā)
當尋找特定脈沖寬度時，脈沖寬度觸發(fā)與毛刺觸發(fā)類似。但這項觸發(fā)功能更普遍，因為可以在任何指定寬度的脈沖上觸發(fā)，并可選擇想要在脈沖的哪個極性（負或正）上觸發(fā)。也可以設定觸發(fā)的水平位置，以觀察觸發(fā)前后所發(fā)生的事。例如，可以執(zhí)行毛刺觸發(fā)來找出錯誤，然后查看觸發(fā)前的信號以了解造成毛刺的原因。如果將水平延遲設置為 0，則觸發(fā)事件將會以水平方向出現(xiàn)在屏幕中間。在觸發(fā)之前發(fā)生的事件會出現(xiàn)在屏幕的左邊，在觸發(fā)之后立即發(fā)生的事件會出現(xiàn)在右邊。也可以設置觸發(fā)耦合，以及想要觸發(fā)的輸入信號源。不一定非得在信號上觸發(fā)，而是還可以在相關的信號上觸發(fā)。圖 20 是示波器前面板的觸發(fā)控制區(qū)域。

圖 20. Keysight In?niiVision 2000 X 系列示波器前面板上的觸發(fā)控制區(qū)域
輸入控制
示波器通常提供 2 或 4 個模擬通道。這些通道會加以編號，而且每個通道通常會對應一個相關的按鍵，供打開或關閉通道。另外，也可以選擇指定的交流或直流耦合。如果選擇直流耦合，則輸入整個信號。反之，交流耦合會阻隔直流分量，并將波形的中心設在大約 0 V（接地）。此外，還可以通過選擇鍵為每個通道指定探頭阻抗。也可以通過輸入控制機構選擇采樣類型。信號的采樣有兩種基本的方法：
實時采樣
實時采樣會對波形進行頻繁的采樣，因此在每次采集時都能捕獲到完整的波形圖像。借助實時采樣功能，當前的一些高性能示波器能夠單次捕獲高達 33-GHz 帶寬的信號。
等效時間采樣
等效時間采樣必須歷經多次采集才能建立波形。它會在第一次采集時采樣信號的某個部分，在第二次采集時采樣另一部分，依此類推。隨后它會將所有的信息結合在一起以重建波形。等效時間采樣適用于高頻信號，這些信號對實時采樣來說速度太快（>33 GHz）。
功能鍵
可以在未配備 Windows 操作系統(tǒng)的示波器上找到一些功能鍵（如圖 8 所示），利用這些功能鍵來訪問示波器顯示屏上的菜單系統(tǒng)。圖 21 列舉了按下功能鍵時彈出的一種快捷菜單。該菜單用于選擇觸發(fā)模式。可以連續(xù)按動多功能鍵以切換不同的選項，或者利用前面板上的旋鈕轉到想要的選項。

圖 21. 在觸發(fā)菜單下，按下功能鍵時出現(xiàn)的 Trigger Type（觸發(fā)類型）菜單。
示波器的使用
數(shù)字示波器可以支持執(zhí)行廣泛的波形測量，測量的復雜程度和范圍取決于示波器的功能組合。圖 22 是Keysight 8000 系列示波器的空白屏面。請注意，在屏幕的最左邊有一排測量按鍵 / 圖標，使用鼠標將這些圖標拖曳到波形上，示波器便可計算出測量結果。這些圖標非常直觀地顯示了可以執(zhí)行哪一種測量計算，因此用起來非常方便。

圖 22. Keysight 示波器的空白屏面
許多示波器都會提供以下的基本測量：
峰峰值電壓測量
這項測量可以計算單個波形周期內的高低電壓之間的電壓差。

圖 23. 峰峰值電壓
電壓有效值（RMS 電壓）測量
這項測量計算波形的 RMS 電壓，該值可進一步用來計算功率。

圖 24. 上升時間示例（顯示峰峰值電壓從 0% 到 100% 所需的時間，而不是通常設置的 10% 到 90%）
上升時間 - 這項測量旨在計算信號從低電壓上升到高電壓所花的時間。通常是計算波形從峰峰值電壓的 10% 變到 90% 所用的時間。上升時間是上限閾值上的時間減去正在測量的邊緣的下閾值上的時間。下降時間相似，即下閾值上的時間減去正在測量的邊緣的上限閾值上的時間。

一旦已采集到信號并將其顯示在示波器上，下一步通常是在波形上進行測量。示波器現(xiàn)在具備極其豐富內置測量功能，能迅速分析波形。這些基本測量的范例包括：
脈寬測量
脈寬是從第一個上升沿的中間閾值到下一個下降沿的中間閾值的時間。在進行正脈寬測量時，計算脈沖寬度的方法是，計算波形從峰峰值電壓的 50% 上升到最大電壓再回落到 50% 所需的時間。負脈寬測量則是計算波形從峰峰值電壓的 50% 降到最小電壓再回到 50% 所需的時間。

幅度和其它電壓測量
這是波形顯示幅度的測量。通常也可測量峰峰值電壓、最大電壓、最低電壓以及平均電壓。

周期 / 頻率：周期定義為中間閾值兩次連續(xù)交叉點電壓之間的時間。頻率定義為 1/周期。

以上是許多示波器都會提供的測量項目，但大多數(shù)示波器所能執(zhí)行的測量并不僅限于此。
示波器基本運算功能
除了前面討論的測量功能以外，還可以針對波形執(zhí)行許多數(shù)學運算，包括：包括：
- 傅立葉變換 - 通過傅立葉變換可以可知道信號由哪些頻率組成。
- 絕對值 - 此項運算功能可以幫助顯示波形的絕對值（以電壓值表示）。
- 積分 - 這個功能可以計算波形的積分。
- 加減運算 - 可以利用加減運算將多個波形相加或相減，并示出運算結果所產生的信號。
- 再次強調，以上只是示波器所提供的一小部分測量與運算功能。

重要的示波器性能特性
示波器的許多特性都會明顯影響儀器的性能，進而決定對設備做出準確測試的能力。本節(jié)介紹這些最基本的特性，也會幫助熟悉示波器的術語，并說明如何明智地挑選最符合需求的示波器。
示波器帶寬
帶寬是示波器的一項最重要特性，因為它表示了示波器在頻域內的具體范圍。換言之，帶寬決定了能夠準確顯示與測試的信號范圍（以頻率表示）。帶寬以赫茲為測量單位。沒有足夠的帶寬，示波器將無法準確再現(xiàn)真實的信號。
示波器通道
通道是指示波器的獨立輸入。示波器通道的數(shù)量介于 2 到 20 個之間，通常是 2 或 4 個。通道所傳送的信號類型也不盡相同。有些示波器只具有模擬通道（這些儀器稱為 DSO――數(shù)字信號示波器），另一些示波器同時具有模擬通道和數(shù)字通道，稱為混合信號示波器（MSO）。例如， Keysight In?niiVision 系列 MSO 提供 20 個通道，其中 16 個是數(shù)字通道，4 個是模擬通道。請確保有足夠的通道供應用使用。如果只有兩個通道，但必須同時顯示 4 個信號，顯然會出問題。

圖 25. Keysight MSO 2000 系列示波器上的模擬和數(shù)字通道
示波器采樣率
示波器的采樣率是指每秒可采集的樣本數(shù)量。建議選擇采樣率至少比帶寬大 2.5 倍的示波器，但采樣率最好為帶寬的 3 倍以上。

示波器存儲深度
如前所述，數(shù)字示波器使用 A/D（模擬 /數(shù)字）轉換器對輸入的波形進行數(shù)字轉換，經數(shù)字轉換的數(shù)據(jù)會存儲到示波器的高速存儲器中。存儲深度是指可以存儲的采樣或數(shù)據(jù)點的數(shù)量，也就是可以存儲數(shù)據(jù)的時間長度。在理想條件下，不論示波器如何設置，采樣率都應維持不變。但這樣的示波器在很大的每格時間（時間 / 格）設置下需要相當大存儲器，而其售價將會超出許多客戶所能負擔的范圍。實際上，只要增加時間范圍，采樣率便會下降。存儲器深度至關重要，因為示波器的存儲器深度越大，以全采樣速率來采集波形的時間就越久。我們可以用數(shù)學算式來表示：存儲器深度 =（采樣率）（顯示屏的時間設置范圍）。因此，如果想在較長的時間范圍內顯示高分辨率數(shù)據(jù)點，那么就需要使用深存儲器。確認示波器在最深的存儲器深度設置時的性能也很重要。在此模式下示波器的性能通常會急劇下降，因此許多工程師只有在必要的時候才會使用深存儲器。
波形捕獲率
捕獲率是指示波器采集和更新波形顯示的速率。雖然肉眼上看上去好像示波器正在顯示“作用中”的波形，但那是因為更新的速度太快，以致肉眼無法察覺到變化。事實上，每次波形采集之間都會出現(xiàn)一段靜寂時間（也稱死區(qū)時間）（見圖 28），此時波形的某個部分并不會顯示在示波器上。因此，如果在這段時間出現(xiàn)一些偶發(fā)事件或毛刺，是不會看見的。顯而易見，快速的捕獲率非常重要。捕獲率越快，意味著死區(qū)時間越短，可捕獲到偶發(fā)事件或毛刺的機率就越高。


圖 28. 靜寂時間（死區(qū)時間）示意圖圓圈指出的偶發(fā)事件將不顯示

示波器探頭
示波器決定著顯示信號和分析信號的準確程度，而用來連接示波器與被測件（DUT）的探頭則與信號完整性息息相關。如果使用的是 1 GHz 的示波器，但探頭卻只支持 500 MHz 的帶寬，那么將無法充分利用示波器的帶寬。本節(jié)討論探頭的類型及每種探頭所適合的應用。
負載
沒有任何一個探頭可以完美地復制信號，因為當把探頭連接到電路上時，探頭就會變成該電路的一部分。電路中的部分電能會流經探頭，我們稱之為負載。負載共有三種：電阻、電容和電感。
電阻負載會造成顯示的信號出現(xiàn)錯誤的幅度，也可能在連接探頭時導致故障的電路開始發(fā)生作用。探頭的電阻最好比信號源電阻大 10 倍以上，以便使幅度降低到 10% 以下。
電容負載會導致上升時間變慢，并使帶寬變小。為了減少電容負載，探頭的帶寬至少應是信號帶寬的 5 倍。
電感負載在信號中會以振鈴形式出現(xiàn)。它是由探頭接地導線的電感效應引起的，因此請盡可能選用最短的導線。
無源探頭
無源探頭只包含無源器件，不需要使用電源便可運行。這類探頭在探測帶寬小于 600 MHz 的信號時很有用，一旦超過這個頻率，就需使用另一種探頭（有源探頭）。無源探頭通常價格較低，且兼具易于使用和堅固耐用的特性。它是一種精確的多功能探頭。無源探頭的種類包括低阻分壓探頭、補償探頭、高阻分壓探頭及高電壓探頭。無源探頭通常會產生高電容負載和低電阻負載。



有源探頭
使用有源探頭時，必須通過電源對探頭內部的有源器件供電。有時，探頭會通過 USB 電纜連接、外部機箱或示波器主機供電。這類探頭使用有源器件來放大或調整信號。有源探頭可支持更高的信號帶寬，因此很適合高性能的應用。有源探頭的價格要比無源探頭高出許多，不但耐用性差，探針也比較重。但這類探頭可以提供最佳的電阻和電容負載組合，并可測試更高頻率的信號。
電流探頭
電流探頭可用來測量流經電路的電流，它們通常體積較大，且?guī)�寬有限�?00 MHz）。

6個示波器基本實驗

本示波器實驗指南和教程適用于隨教育培訓套件 (DSOXEDK) 一同許可的 Keysight InfiniiVision 2000， 3000 X 系列示波器和4000 X 系列示波器。
基本示波器和波形發(fā)生器測量實驗
示波器基本實驗 #1：對正弦波執(zhí)行測量
示波器基本實驗 #2：了解示波器觸發(fā)的基本知識
示波器基本實驗 #3：觸發(fā)噪聲信號
示波器基本實驗 #4：記錄和保存示波器測試結果
示波器基本實驗 #5：補償 10:1 無源探頭
示波器基本實驗 #6：使用內置函數(shù)發(fā)生器生成波形
有多種不同種類的示波器探頭可用于特定類型的測量，但今天將使用的探頭是最常用的探頭類型，稱為 10:1 無源電壓探頭�！盁o源”僅意味著此類型的探頭不包括任何“有源”組件，如晶體管和放大器�！�10:1”意味著此探頭將以 10 為常量衰減示波器輸入中接收的輸入信號。


無源 10:1 電壓探頭

使用標準的 10:1 無源探頭時，應在信號測試點與地面之間執(zhí)行所有的示波器測量。換句話說，必須將探頭的接地夾接地。若被測點是浮地的，我們不建議使用此類探頭直接測量電路中組件之間的相對電壓。如果需要測量未接地組件內的電壓，則在使用示波器的兩條通道相對于地面測量組件兩端的信號時，可以使用示波器的減法數(shù)學函數(shù)，或者可以使用特殊的差分有源探頭。另外還應注意，絕不應使示波器的部件成為被測電路功能結構的一部分。
圖 3 顯示了使用示波器的默認 1 MΩ 輸入選擇 （這是使用此類探頭時必需的）連接到示波器時的 10:1 無源探頭的電子模型。請注意，許多較高帶寬的示波器還具有用戶可選擇的 50 Ω 輸入端子選擇，這種選擇通常用于有源探頭端子和／或使用 50 Ω BNC 同軸電纜從 50 Ω 電源直接輸入信號時。

圖3. 連接到示波器的 1 MΩ 輸入阻抗的 10:1 無源探頭的簡化示意圖
盡管無源探頭和示波器的電子模型包括固有／寄生電容 （非設計）以及特意設計的補償電容網(wǎng)絡，但是現(xiàn)在讓我們忽略這些電容元件，并分析低頻或直流電輸入條件下此探頭／示波器系統(tǒng)的理想信號行為。
從探頭／示波器電子模型中刪除所有的電容組件后，只剩下與示波器的 1 MΩ 輸入阻抗串聯(lián)的 9 MΩ 探頭端部電阻。探頭端部的凈輸入電阻則為 10 MΩ。使用歐姆定律，會發(fā)現(xiàn)示波器輸入處接收的電壓電平將為探頭端部處電壓電平的
1/10 (Vscope = Vprobe x (1 MΩ/10 MΩ))。
這意味著，使用 10:1 無源探頭時，示波器測量系統(tǒng)的動態(tài)范圍已被擴展。換句話說，與使用 1:1 探頭測量的信號相比，測量的信號幅度可高出 10 倍。此外，示波器測量系統(tǒng) （探頭 + 示波器）的輸入阻抗將從 1 MΩ 增加到 10 MΩ。這是好事，因為較低的輸入阻抗可以負載測試設備 (DUT)，但是會更改 DUT 內的實際電壓電平 （這不是好事）。盡管凈輸入阻抗 10 MΩ 確實很大，但是必須記住，必須要考慮到與探測設備的抗阻相關的這一負載阻抗量。例如，具有 100 MΩ 反饋電阻器的簡單運算放大器電路可能會在示波器上提供一些錯誤的讀數(shù)。
如果在電路實驗中使用 Keysight 3000 X 系列示波器，則此示波器將自動檢測并將探頭衰減常數(shù)設置為 10:1。如果使用 Keysight 2000 X 系列示波器，則必須手動輸入探頭衰減常數(shù) (10:1)。示波器知道探頭衰減常數(shù)后 （自動檢測或手動輸入），會提供所有垂直設置的補償讀數(shù)，以便將所有的電壓測量引用到探頭端部的無衰減輸入信號。例如，如果探測 10 Vpp 信號，則在示波器輸入處收到的信號實際上僅為 1 Vpp。但是，由于示波器知道使用的是 10:1 分壓器探頭，因此示波器在執(zhí)行電壓測量時將報告看到了 10 Vpp 的信號。
到達實驗 #5 （補償?shù)?10:1 無源探頭）時，我們將回過頭研究此無源探頭模型，并說明電容組件。探頭／示波器電子模型中的這些元件將影響組合示波器和探測系統(tǒng)的動態(tài)／交流電性能。
示波器前面板
首先讓我們了解示波器上最重要的控件／旋鈕。在示波器頂部附近是“水平”控件，如圖 4 所示。較大的旋鈕用于設置水平刻度調整 （秒／格）。此控件可用于設置顯示波形的 X 軸刻度調整。一個水平“格”為每個垂直網(wǎng)格線之間的 Δ-time。如果要查看更快的波形 （頻率較高的信號），則將水平刻度調整設置為較小的 sec/div 值。如果要查看更慢的波形 （頻率較慢的信號），則通常將水平刻度調整設為較高的 sec/div 設置。“水平”部分中較小的旋鈕可用于設置波形的水平部分。換句話說，使用此控件可以左右移動波形的水平位置。示波器的水平控件（s/div 和位置）通常稱為示波器的主要“時基”控件。值得注意的是，旋鈕都是可以按下的。用來調整時基設置的旋鈕按下是在精調與粗調之間切換。用來控制水平位移的旋鈕按下可以迅速將波形的偏移歸零。


圖4. 示波器水平 （X 軸）控件
示波器底部附近垂直部分（在輸入 BNC 的正上方）中的控件／旋鈕（請參考圖 5）可用于設置示波器的垂直刻度調整。如果使用雙通道示波器，則有兩對垂直刻度調整控件。如果使用四通道示波器，則有四對垂直刻度調整控件。垂直部分中每個輸入通道的較大旋鈕可用于設置垂直刻度調整系數(shù) （伏／格）。這是波形的 Y 軸圖形刻度調整。一個垂直“格”為每個水平網(wǎng)格線之間的 Δ-volts。如果要查看相對較大的信號 （高峰峰值電壓），則通常將 Volts/div 設置設為相對高的值。如果查看小的輸入信號電平，則應將 Volts/div 設置設為相對低的值。垂直部分中每個通道的較小控件／旋鈕是位置／偏移控件�？梢允褂么诵�鈕在屏幕上上下移動波形。垂直調整旋鈕也是可以按下的。用來調整通道垂直分辨率的旋鈕按下是在精調與粗調之間切換。用來控制垂直位移的旋鈕按下可以迅速將波形的垂直偏移歸零。

圖5. 示波器垂直 （Y 軸）


圖6. 示波器觸發(fā)電平控件
另一個非常重要的示波器設置變量是觸發(fā)電平控件／旋鈕，如圖 6 所示。此控制旋鈕位于示波器前面板中心附近，標記為觸發(fā)的部分下方。觸發(fā)可能是示波器被了解得最少的方面，但該功能是示波器中應了解的最重要功能之一。在進入實踐實驗時，我們將更為詳細地介紹示波器觸發(fā)。
閱讀下面實驗中的說明時，任何時候都會看到一個用方括號括住的粗體字，如 [ 幫助]，這是位于指示波器右側的一個前面板鍵 （或按鈕）。按下該鍵時，具有與該特定前面板功能關聯(lián)的“軟鍵”選擇的唯一菜單將被激活�！败涙I”是位于示波器顯示屏下方的 6 個鍵／按鈕。根據(jù)激活的菜單，這些鍵的功能會發(fā)生變化。
現(xiàn)在找到圖 7 中顯示的 Entry 控制旋鈕。這是示波器顯示屏右側位于黑色陰影區(qū)域中的旋鈕。我們會非常頻繁地使用此旋鈕來更改一系列不具備專用前面板控件的設置變量和選擇。選擇軟鍵時，任何時候都會看到綠色的彎曲箭頭，這指示 Entry 旋鈕可用于控制此變量。請注意，此旋鈕還用于設置波形亮度級別。讓我們開始使用示波器進行測量！


圖7. 示波器通用 Entry 控件

示波器基本實驗 #1：對正弦波執(zhí)行測量
在第一個實驗中，將學習如何使用示波器的水平和垂直刻度調整控件來正確設置示波器，從而顯示重復正弦波。此外，還將學習如何對此信號執(zhí)行一些簡單的電壓和定時測量。
1 將一個示波器探頭連接到通道 1 輸入 BNC 和標記為“Demo1”的輸出端子之間，如圖 8 所示。將此探頭的接地夾連接到中心端子 （接地）。

圖8. 將通道 1 和通道 2 輸入之間的探頭連接到培訓信號輸出端子
2. 將第二個示波器探頭連接到通道 2 輸入 BNC 和標記為“Demo2”的輸出端子之間，如圖 8 所示。將此探頭的接地夾連接到中心端子。
3 按前面板右上部分附近的 [默認設置] 鍵。默認設置會將示波器置于工廠預設配置中。這不僅會將示波器的 X 和 Y 刻度調整系數(shù)設置為預設值，而且還會關閉某個學生可能使用的任意特殊操作模式。
4 按 [幫助] 前面板鍵 （在通道 2 垂直控件旁邊）。
5 按示波器顯示屏下方的培訓信號軟鍵。
6 使用 Entry 旋鈕選擇正弦信號 （列表頂部），然后按輸出軟鍵將其打開�，F(xiàn)在，Demo1 端子上應存在正弦波，但是還不能使用示波器的默認刻度調整系數(shù)來識別。我們現(xiàn)在將調整示波器的垂直和水平設置，以擴展此波形并將此波形位于顯示屏的中心。
7 順時針旋轉通道 1 V/div 旋鈕，直到看到顯示的波形覆蓋屏幕一半以上。正確的設置應為 500 mV/div，在顯示屏左上角附近顯示為“500mV/”。
8 順時針旋轉 s/div 旋鈕 （“水平”部分中的大旋鈕），直到觀察到顯示屏上出現(xiàn)正弦波的兩個以上周期。正確的設置應為 50 ns/div，在顯示屏頂部中間附近顯示為“50.00ns/”。示波器的顯示屏現(xiàn)在應與圖 9 類似。至此我們完成了時基的基本設置。

圖9 用于查看正弦波培訓信號的初始設置
9 旋轉“水平”位置旋鈕，左右移動波形。
10 按“水平”位置旋鈕，將其設回到零 （在中心屏幕上顯示為 0.0 秒）。
11 旋轉通道 1 垂直位置旋鈕，上下移動波形。請注意，左側的地指示器也會上下移動，并告知我們此波形上 0.0 伏 （接地電平）所在的位置。
12 按通道 1 垂直位置旋鈕將接地 (0.0 V) 設回中心屏幕。
現(xiàn)在，讓我們對此重復正弦波執(zhí)行一些測量。請注意，示波器的顯示屏基本上是 X - Y 圖形。在我們的 X 軸（水平）上，我們可以測量時間，在我們的 Y 軸（垂直）上，我們可以測量電壓。在許多電子工程或物理課程作業(yè)中，可能計算過電子信號并在圖紙上采用類似的格式畫過圖，只不過是靜態(tài)的�；蛘撸�或許使用過各種 PC 軟件應用程序自動畫過波形圖。將重復輸入信號應用于示波器時，我們可以觀察到波形的動態(tài) （持續(xù)更新）圖。
我們的 X 軸包含分布于屏幕上的 10 個主要格，每個主要格均等于 sec/div 設置。在這種情況下，每個水平主要格均表示 50 納秒（假設示波器的時基設置為 50.0 ns/div，如前文所述）。由于屏幕中有 10 個格，因此示波器從顯示屏的左側到顯示屏的右側顯示 500 ns（50.0 ns/div x 10 格）。請注意，每個主要格還被分為 4 個次要格，在中心水平軸上顯示為勾選標記。每個次要格則表示 1/4 div × 50 ns/div = 12.5 ns。
我們的 Y 軸包含 8 個主要格（垂直方向），每個主要格均等于 V/div 設置，應設置為 500 mV/div。在此設置下，示波器可以測量高為 4 Vp-p（500 mV/div x 8 格）的信號。每個主要格分為 5 個次要格。每個次要格 （在中心垂直軸上表示為勾選標記）則均表示 100 mV。
13 通過將一個上升沿 （中心屏幕）的 0.0 V 電平到下一個上升沿的 0.0 V 電平的格 （主要和次要）數(shù)累加起來，然后乘以 s/div 設置 （應為 50.0 ns/div），估算其中一個正弦波的周期 (T)。T= _____________
14 此正弦波的頻率是多少 (F = 1/T)。F = _____________
現(xiàn)在，讓我們估算這些正弦波的峰峰值電壓電平，但是首先，讓我們對垂直設置進行幾項較小調整，從而幫助我們更準確地執(zhí)行此測量。
15 調整通道 1 垂直位置旋鈕 （亮起的“1”鍵下面較小的旋鈕），直到正弦波的
負峰與其中一個主要格線 （或網(wǎng)格線）相交。
16 接下來，調整水平位置旋鈕 （前面板頂部附近的較小旋鈕），直到正弦波的一
個正峰與具有次要格勾選標記的中心垂直軸相交。
17 現(xiàn)在，通過將正弦波的負峰到正峰的格 （主要和次要）數(shù)累加起來，然后乘以 V/div 設置 （應為 1 V/div），估算此正弦波的峰峰值電壓。Vp-p = _____________
現(xiàn)在，讓我們使用示波器的“光標”功能來執(zhí)行上述相同的電壓和定時測量，但不必累加格數(shù)，然后乘以刻度調整系數(shù)。首先，找到前面板“測量”部分中的“ 光標”旋鈕，如圖 10 所示。


圖 10 . 測量光標旋鈕
18 按光標旋鈕；然后旋轉此旋鈕，直到“X1”突出顯示；接著再次按此旋鈕進行選擇 （如果不是在旋轉選中“X1”光標后第二次按此旋鈕，可能會出現(xiàn)超時現(xiàn)象，隨后 X1 光標將自動被選中，且該菜單將關閉）。
19 旋轉光標旋鈕，直到 X1 光標 （#1 定時標識）在特定電壓電平下與正弦波的某一上升沿相交。提示：在波形的某一點對齊光標，波形在該點與某一水平網(wǎng)格線交叉。
20 再次按光標旋鈕；旋轉此旋鈕直到“X2”突出顯示；然后再次按此旋鈕進行選擇。
21 旋轉光標旋鈕，直到 X2 光標 （#2 定時標識）在相同電壓電平下與正弦波的下一上升沿相交。
22 再次按光標旋鈕；旋轉此旋鈕直到“Y1”突出顯示；然后再次按此旋鈕進行選擇。


圖 11. 使用示波器的光標測量
23 旋轉光標旋鈕，直到 Y1 光標 （#1 電壓標識）與正弦波的負峰相交。
24 再次按光標旋鈕；旋轉此旋鈕直到“Y2”突出顯示；然后再次按此旋鈕進行選擇。
25 旋轉光標旋鈕，直到 Y2 光標 （#2 電壓標識）與正弦波的正峰相交。
26 此信號的周期、頻率和峰峰值電壓 （光標讀數(shù)在顯示屏的右側）是多少？
ΔX = _____________ 1/ΔX = _____________ ΔY(1) = _____________
用于測量示波器上的時間和電壓的最常用方法是我們最初使用的“將格累加起來 ”方法。盡管必須將格累加起來，然后乘以示波器設置，但是熟悉其示波器的工程師可以快速估算信號的電壓和定時參數(shù)，有時大致的估算是了解信號是否符合測試要求快速的手段。
使用光標進行測量更準確一點，并能從測量中去除猜測因素。今天的大多數(shù)示波器還提供了一種自動執(zhí)行許多參數(shù)測量的更準確且更快的方式。當我們開始對一些數(shù)字信號執(zhí)行某些測量時，我們將回過頭使用實驗 #10 期間示波器的自動參數(shù)測量。但是現(xiàn)在，我們需要回過頭來了解示波器的觸發(fā)功能。


示波器基本實驗 #2：了解示波器觸發(fā)的基本知識
正如前面所說，示波器觸發(fā)可能是示波器最重要的功能。如果要從示波器測量中獲得最多收益，應了解此功能。嘗試對今天許多更復雜的數(shù)字信號執(zhí)行測量時，此功能特別重要。遺憾的是，示波器觸發(fā)是示波器操作中被了解得最少的方面。
可將示波器“觸發(fā)”看作“同步圖片獲取”。當示波器捕獲并顯示重復輸入信號時，每秒可獲取輸入信號的數(shù)萬個圖片。為了查看這些波形 （或圖片），必須將圖片獲取與“某一刻”同步�！澳骋豢獭笔禽斎胄盘栔械奈ㄒ粫r間點，或者在使用示波器的多個通道時，是基于輸入信號的布爾組合的唯一時間點 （邏輯“碼型 ”觸發(fā)）。
示波器觸發(fā)的模擬情景是賽馬比賽終點的照片。盡管不是重復事件，相機快門必須與頭馬鼻子通過終點線的那一刻同步。在賽馬開始和結束之間的某一時間隨機獲取賽馬圖片，類似于查看示波器上未觸發(fā)的波形。
要更好地了解示波器觸發(fā)，讓我們對實驗 #1 中使用的我們熟悉的正弦波執(zhí)行更多測量。
1 確保兩個示波器探頭始終分別連接到標記為 Demo1 和 Demo2 的端子與通道 1 和通道 2 輸入 BNC 之間。
2 按下示波器前面板上的 [默認設置]。
3 按 [幫助]，然后按培訓信號軟鍵。
4 使用 Entry 旋鈕選擇“正弦”培訓信號，然后按下輸出軟鍵將其打開。
5 將通道 1 的 V/div 設為 500 mV/div。
6 將示波器的時基設置為 50.00 ns/div。
7 按 [觸發(fā)] 前面板鍵。
示波器的顯示屏現(xiàn)在與圖 12 類似。如果使用示波器的默認觸發(fā)條件，則此信號與 0.0 V 電平（觸發(fā)電平設置）交叉時，示波器應在通道 1 探測并捕獲的正弦波的上升（斜率選擇）沿（觸發(fā)類型選擇）上觸發(fā)。如果水平位置控件設置為 0.0 秒 （默認設置），則此時間點顯示在中心屏幕上。在觸發(fā)點之前捕獲的波形數(shù)據(jù) （顯示屏左側）被視為負時間數(shù)據(jù)，而在觸發(fā)之后捕獲的波形數(shù)據(jù)（顯示屏右側）被視為正時間數(shù)據(jù)。



圖12. 于 0.0 伏時在通道 1 的上升沿上觸發(fā)示波器
請注意，顯示屏頂部附近“填充的”橙色三角形指示觸發(fā)時間點 (0.0 s) 所在的位置。如果調整水平延遲／位置，此橙色三角形會從中心屏幕移走。中心屏幕上的“空心”橙色三角形 （僅在延遲／位置不是 0.0 s 時才可見）指示使用示波器的默認“中心”參考時延遲設置的時間位置。
8 順時針旋轉觸發(fā)電平旋鈕，可增加觸發(fā)電平電壓設置。
9 逆時針旋轉觸發(fā)電平旋鈕，可減小觸發(fā)電平電壓設置。
增加觸發(fā)電平電壓設置時，應觀察到正弦波在一定時間內會向左側移動。如果減少觸發(fā)電平電壓設置，則正弦波會向右側移動。最初旋轉觸發(fā)電平旋鈕時，水平的橙色觸發(fā)電平指示器將出現(xiàn)，實際觸發(fā)電壓設置始終顯示在示波器顯示屏的右上角。如果停止旋轉觸發(fā)電平旋鈕，則橙色觸發(fā)電平指示器將超時，且在幾秒鐘后會消失。但是，左側的波形格線區(qū)域外側仍會顯示一個黃色的觸發(fā)電平指示器，以指示觸發(fā)電平相對于波形的設置位置。
10 旋轉觸發(fā)電平旋鈕，以將觸發(fā)電平設置為恰好 500 mV（在中心屏幕上 1 格）。請注意，實際觸發(fā)電平顯示在顯示屏的右上角。
11 按斜率軟鍵，然后選擇下降沿觸發(fā)條件。
現(xiàn)在，正弦波應反轉 180 度，波形的下降沿將與中心屏幕同步，如圖 13 所示。


圖 13. 在 + 500 mV 下于正弦波的下降沿上觸發(fā)
12 增加觸發(fā)電平電壓設置，直到橙色電平指示器位于正弦波正峰上方 （大約 +1.5 V）。在正弦波上方設置觸發(fā)電平時，示波器的采集和顯示 （重復圖片獲取）不再與輸入信號同步，因為示波器在此特定觸發(fā)電平設置下找不到任何邊沿交叉。示波器的顯示屏現(xiàn)在與圖 14 類似。示波器現(xiàn)在處于“自動觸發(fā)”模式下。



圖14. 在輸入信號上方設置觸發(fā)電平時自動觸發(fā)
自動觸發(fā)是示波器的默認觸發(fā)模式。當示波器使用自動觸發(fā)模式時，如果示波器在一段時間 （時間會發(fā)生變化且取決于示波器的時基設置）后找不到有效的觸發(fā)條件（在這種情況下正弦波的邊沿交叉），則示波器將生成其各自的異步觸發(fā)，并開始在隨機時間獲取輸入信號圖片 （采集）。由于“圖片獲取”現(xiàn)在是隨機的，而不是與輸入信號同步，因此我們看到的只是屏幕中波形的“模糊”畫面。此波形的“模糊”畫面會提示我們，示波器不會在輸入信號上觸發(fā)。
13 按觸發(fā)電平旋鈕，以將觸發(fā)電平自動設置為約 50%。
14 從 Demo1 端子斷開通道 1 探頭連接。
從信號源斷開通道 1 探頭連接后，現(xiàn)在應看到基線 0.0 V 直流信號。因為有了此 0.0 V 直流信號，我們不再具有邊沿交叉，因而示波器不會觸發(fā)；示波器再次“自動觸發(fā)”是為了向我們顯示此直流電平信號。
除了默認的自動觸發(fā)模式外，示波器還具有另一種用戶可選擇的觸發(fā)模式，稱為正常觸發(fā)模式�，F(xiàn)在，讓我們看一下正常觸發(fā)模式與自動觸發(fā)模式有何不同。
15 將通道 1 探頭重新連接到 Demo1 端子。應該會再次看到觸發(fā)的正弦波。
16 按 [模式／耦合] 前面板鍵 （在觸發(fā)電平旋鈕右側）。
17 旋轉 Entry 旋鈕將觸發(fā)模式選擇從自動更改為正常。此時，應該看不出顯示波形中有任何差異。
18 再次從 Demo1 端子斷開通道 1 探頭連接。
現(xiàn)在，應看到探頭斷開連接之前發(fā)生的最后一次采集 （最后一張圖片）。我們看不到自動觸發(fā)模式顯示的 0.0 V 直流電平軌跡。如果選擇正常觸發(fā)模式，則當且僅當 示波器檢測到有效的觸發(fā)條件 （在這種情況下為邊沿交叉）時示波器僅會顯示波形。
19 順時針旋轉觸發(fā)旋鈕，以便將觸發(fā)電平設置在 +1.50 V（在我們的正弦波上方）。
20 將通道 1 探頭重新連接到 Demo1 端子。
正弦波現(xiàn)在已連接且正在輸入到示波器，但是此信號的重復顯示在哪里？由于我們使用的是正常觸發(fā)模式，因此示波器仍然需要有效的邊沿交叉，但是由于觸發(fā)電平設置在波形上方 (@ +1.50 V)，因此不存在有效的邊沿交叉。正如我們使用正常觸發(fā)模式看到的一樣，對于波形的位置我們沒有任何線索，我們無法測量直流電源。
21 按觸發(fā)電平旋鈕，以將觸發(fā)電平自動設置為約 50%。示波器應該開始再次顯示重復波形。
一些較早使用的示波器將我們今天稱為正常的觸發(fā)模式叫作“觸發(fā)的”觸發(fā)模式，實際上可能是此觸發(fā)模式的更具體的說明性術語，因此在此模式下，示波器僅在發(fā)現(xiàn)有效的觸發(fā)條件時才觸發(fā)，不會生成自動觸發(fā) （異步觸發(fā)，以生成異步圖片獲�。�。稍顯矛盾的是，正常觸發(fā)模式不是“通�！笔褂玫挠|發(fā)模式，它不是示波器的默認觸發(fā)模式。通常使用的觸發(fā)模式為自動觸發(fā)模式，是示波器的默認觸發(fā)模式。
此時，可能會好奇要何時使用正常觸發(fā)模式。當觸發(fā)事件不是頻繁發(fā)生時 （包括單沖事件），應使用正常觸發(fā)模式。例如，如果將示波器設置為顯示非常窄的脈沖，但是如果此脈沖只以 1 Hz 的頻率出現(xiàn) （每秒出現(xiàn)一次），并且如果示波器的觸發(fā)模式被設置為自動觸發(fā)模式，則示波器會生成許多異步生成的自動觸發(fā)，而不能顯示罕見的窄脈沖。在這種情況下，需要選擇正常觸發(fā)模式，這樣示波器將等到獲取有效的觸發(fā)事件后，才顯示波形。稍后，我們將在今后實驗期間連接到這類信號。但是現(xiàn)在，讓我們了解有關在噪聲信號上觸發(fā)的更多信息。

示波器基本實驗#3：觸發(fā)噪聲信號
重復正弦波大概是示波器觸發(fā)的信號中最簡單的一種類型。但是，在真實世界中，信號不是如此簡單。在本實驗中，我們將了解學習如何在嘈雜的環(huán)境 （真實世界情況）中觸發(fā)信號，還將學習如何使用波形平均化消除數(shù)字化波形中的噪聲。
1 確保兩個示波器探頭始終分別連接到標記為 Demo1 和 Demo2 的端子與通道 1 和通道 2 輸入 BNC 之間。
2 按下示波器前面板上的 [默認設置]。
3 按 [幫助]，然后按培訓信號軟鍵。
4 如果使用 Entry 旋鈕，此時應選擇“帶噪聲的正弦”信號，然后按下輸出軟鍵將其打開。
5 將通道 1 的 V/div 設為 500 mV/div。
6 將示波器的時基設置為 200.0 μs/div。
即使示波器的默認設置條件將示波器配置為于 0.0 V 時在上升沿觸發(fā)，示波器也會在此噪聲正弦波的上升沿和下降沿觸發(fā)，如圖 15 所示。示波器實際上僅在上升沿觸發(fā)。但是，當示波器在正弦波的下降沿觸發(fā)時，實際上是在正弦波上隨機噪聲的上升沿觸發(fā)。


圖15. 嘗試在嘈雜的環(huán)境中觸發(fā)信號
7 通過將時基設置為 200.0 ns/div，驗證示波器是否在噪聲的上升沿觸發(fā)。
8 將示波器的時基設回到 200.0 μs/div。
那么，我們如何在僅與正弦波 （無噪聲）的上升沿重合的情況下使示波器觸發(fā)？現(xiàn)在，讓我們更多地了解一些示波器的用戶可選擇觸發(fā)耦合選項。
9 按 [模式／耦合] 前面板鍵 （觸發(fā)電平旋鈕旁邊）。
10 按高頻抑制軟鍵，以打開“高頻抑制”濾波器。
向示波器輸入的信號實際上被拆分并沿著示波器內部的兩條不同模擬路徑向下發(fā)送。沿著其中一條路徑向下的信號將被示波器的采集系統(tǒng)捕獲 （圖片獲取系
統(tǒng)）。類似的信號沿著一條單獨的路徑向下發(fā)送，由示波器的模擬觸發(fā)電路處理。（請參考附錄 A 中顯示的示波器框圖。）選擇高頻抑制后，由示波器的模擬觸發(fā)電路處理的信號首先通過 50 kHz 低通濾波器。由于噪聲由廣泛連續(xù)的頻率組成，包括高頻率分量，因此觸發(fā)電路隨后會“看到”消除／衰減了大部分噪聲的正弦波，而沿著采集路徑向下發(fā)送的信號不受影響 （噪聲被保留）。這樣，我們就會看到噪聲，如圖 16 所示，但是示波器的觸發(fā)電路看不到噪聲。但是有一些限制。


圖16. 使用高頻抑制觸發(fā)噪聲正弦波
由于高頻抑制濾波器基于固定的 50 kHz 低通硬件濾波器，因此不能在更高頻率的信號上使用。這種 50 kHz 低通濾波器不影響我們的 1 kHz 正弦波培訓信號。但是，如果我們嘗試在 20 MHz 噪聲正弦波上使用觸發(fā)高頻抑制，則 50 kHz 濾波器將“消滅”噪聲和基本 20 MHz 正弦波，使其不可能觸發(fā)任何信號。但是，我們還有兩個選項。
11 再次按高頻抑制軟鍵，將其關閉。示波器應再次在正弦波的上升沿和下降沿 觸發(fā)。
12 按噪聲抑制軟鍵，以打開“噪聲抑制”濾波器。
噪聲抑制濾波器不是基于頻率，而是基于幅度。盡管我們討論了單觸發(fā)電平，實際上信號必須交叉通過兩個電平才能被鑒定為有效觸發(fā)。這稱為“觸發(fā)滯后”，有時稱為“觸發(fā)靈敏度”。大多數(shù)示波器的默認觸發(fā)靈敏度為 0.5 格。這意味著，輸入信號必須擺動至少 0.5 格 （峰到峰）才能被鑒定為有效觸發(fā)條件。但是，這也意味著，當噪聲超過越 0.5 格 （峰到峰）時，示波器會觸發(fā)噪聲。選擇噪聲抑制時，示波器的滯后被擴展到約 1.0 格 （峰到峰）。對于這種特定的噪聲正弦波，大多數(shù)時候，1.0 格的觸發(fā)滯后可以解決我們遇到的問題�？赡軙�注意到示波器的顯示屏上有一些“閃光”現(xiàn)象。這意味著，1.0 格的滯后相當不足。另一種解決方案是使用示波器的觸發(fā)釋抑功能，我們將在實驗 #7 期間討論。
從帶有噪聲的此正弦波的測量離開之前，如果想要查看此正弦波并對其執(zhí)行測量，但卻沒有隨機噪聲，情況會怎樣？
13 按高頻抑制軟鍵�，F(xiàn)在，高頻抑制濾波以及噪聲抑制濾波都應打開，為我們提供一種非常穩(wěn)定的觸發(fā)。
14 按前面板波形區(qū)中的 [采集] 鍵 （就在光標旋鈕下方）。
15 旋轉 Entry 旋鈕將示波器的采集模式從正常更改為平均。
選擇平均采集模式時，示波器會對多個波形采集一起進行平均操作。如果信號中的噪聲是隨機的，則噪聲分量會平均出來，因此我們隨后可以僅對基本信號分量執(zhí)行更準確的測量，如圖 17 所示。


圖17. 使用示波器的平均采集模式消除噪聲
16 使用我們在實驗 #1 中學到的測量技術確定以下各項：
周期 = _____________頻率 = _____________ Vp-p = _____________


示波器基本實驗 #4：記錄和保存示波器測試結果
完成各種電路實驗作業(yè)后，可能需要詳細描寫測試報告�？赡苄枰�包括實驗報告中測量的圖像 （圖片）。此外，如果不能在某個會話期間完成實驗作業(yè)，則可能需要稍后繼續(xù)測試。但是，如果可以從中斷的地方恢復，效果會好，不必重新設置示波器，可能也不必重新采集波形。在本實驗中，將了解如何保存并調用各種示波器文件類型，包括圖像、參考波形和設置。對于本實驗，必須有權訪問個人 USB 存儲設備。
1 確保兩個示波器探頭始終分別連接到標記為 Demo1 和 Demo2 的端子與通道 1 和通道 2 輸入 BNC 之間。
2 按下示波器前面板上的 [默認設置]。
3 按 [幫助]，然后按培訓信號軟鍵。
4 使用 Entry 旋鈕選擇“正弦”波形，然后按下輸出軟鍵將其打開。
5 將通道 1 的 V/div 設為 500 mV/div。
6 將示波器的時基設置為 100 ns/div。
此時，應該會看到正弦波的五個周期，如圖 18 所示。現(xiàn)在，讓我們保存此圖像 （圖片）、保存波形，并保存設置。


圖18. 我們要保存以便歸檔及隨后分析的正弦波的五個周期
7 將個人 USB 存儲設備插入示波器的前面板 USB 端口。
8 按前面板文件區(qū)中的 [保存／調用] 鍵 （在光標旋鈕下方）。
9 按保存軟鍵，然后按格式軟鍵。
10 使用 Entry 旋鈕選擇 PNG 24 位圖像 (*.png)。
11 按保存到（或按下選擇）軟鍵，然后使用 Entry 旋鈕指向 \usb。
12 按文件名軟鍵，然后旋轉 Entry 旋鈕并為此文件提供名稱�，F(xiàn)在，我們將其稱為“test”。
13 旋轉通用 Entry 旋鈕時，字母數(shù)字字符串將彈出。只需撥號到第一個字母（在本例中為“t”），然后按 Enter 軟鍵，或按 Entry 旋鈕。
14 對此文件名中其余的每個字符重復步驟 #13。
15 按刪除軟鍵，從默認文件名中刪除其余所有字符。
16 按增量軟鍵，以關閉自動增量 （框應為黑色）。請注意，如果自動增量已啟用，則示波器將自動增加與文件名關聯(lián)的數(shù)字。如果打算保存多個圖像，則這可能非常有用，無需在每個保存操作之間手動重新輸入不同的文件名。
17 按下按下以保存軟鍵。
USB 存儲設備現(xiàn)在應具有與圖 18 類似的示波器顯示屏的存儲圖像。文件名應為“test.png”。可以打開此文件或隨后將其插入 Microsoft-Word 文檔，以查看它是否真的在那里�，F(xiàn)在，讓我們來保存示波器的設置條件。
18 按下 [保存／調用] 前面板鍵。
19 按保存軟鍵，然后按格式軟鍵。
20 使用 Entry 旋鈕選擇設置 (*.scp)。
21 按保存到（或按下選擇或位置）軟鍵。
22 使用 Entry 旋鈕指向 \usb，然后按 Entry 旋鈕。
23 按文件名軟鍵。會看到以前輸入的文件名將變?yōu)樾碌哪�認文件名。由于“設
置”文件格式使用其他文件擴展名，因此可以使用相同的文件名。
24 按下按下以保存軟鍵。
USB 存儲設備現(xiàn)在應該具有名為“test.scp”的文件，其中包含示波器的當前設置配置。我們將在以后調用此設置配置。請注意，還可以將設置保存到示波器內部的某個閃存寄存器。但是，接下來可能使用此示波器的某個學生會用他／她的設置覆蓋此存儲寄存器。因此，作為學生，使用共享示波器借助自己的個人存儲設備保存示波器設置和波形始終是很好的方法�，F(xiàn)在，讓我們保存參考波形數(shù)據(jù)文件。
25 按下 [保存／調用] 前面板鍵。
26 按保存軟鍵，然后按格式軟鍵。
27 使用 Entry 旋鈕選擇參考波形數(shù)據(jù)文件 (*.h5)。
28 按保存到（或按下選擇）軟鍵。
29 使用 Entry 旋鈕指向 \usb，然后按 Entry 旋鈕。
30 按文件名軟鍵。重申一下，我們不需要定義新的名稱，因為此文件格式還具有唯一的文件擴展名 (test.h5)。
31 按下按下以保存軟鍵。
請注意，我們在前面保存 .png 文件類型后，這僅是示波器顯示的像素映射。此類文件不能回調到示波器中，而且無法對此類文件中存儲的數(shù)據(jù)執(zhí)行測量。此類文件以及 .bmp 文件類型主要對歸檔目的 （如納入實驗報告中）非常有用。但是，我們剛剛存儲的“參考波形”數(shù)據(jù)文件 (.h5) 會將電壓與時間數(shù)據(jù)作為 X-Y 對來保存。此類文件可以回調到示波器中，以便以后進行文件。還可以將此類文件回調到許多 PC 應用程序中，以便進行更廣泛的脫機分析。
既然我們已保存了示波器的設置配置，而且還保存了波形 （正弦波的四個周期），讓我們看一下是否可以調用這些文件。不過，首先我們會從默認設置開始，目的是破壞在屏幕上看到的當前設置和波形。
32 按下 [默認設置]。
33 按下 [保存／調用]。
34 按下調用軟鍵，然后按下一個調用軟鍵。
35 使用 Entry 旋鈕選擇設置作為要調用的文件類型。
36 按位置（或按下選擇或調用自）軟鍵，然后使用 Entry 旋鈕指向“test”。37 按按下以調用軟鍵，或者按 Entry 旋鈕。
我們應該剛將示波器的設置恢復到其以前的配置。但是，示波器不會保存培訓信號的狀態(tài)。因此，此時我們看到的唯一波形應為基線 (0.0 V) 信號，因為探頭的輸入中沒有出現(xiàn)信號�，F(xiàn)在，讓我們調用以前保存的波形。
38 按調用軟鍵，然后使用 Entry 旋鈕選擇參考波形數(shù)據(jù) (*.h5)。
39 按調用自（或按下選擇或位置）軟鍵，然后使用 Entry 旋鈕指向“test”。40 按按下以調用軟鍵，或者按 Entry 旋鈕。
現(xiàn)在，應該使用以前的設置配置查看我們已存儲的正弦波版本 （以及活動 0.0 V 基線信號），如圖 19 所示。此時，可以更改設置 （如果愿意），還可以繼續(xù)對此存儲的波形執(zhí)行測量。請注意，保存／調用數(shù)據(jù)后，可以隨時刪除USB 存儲設備。


圖19. 調用示波器的設置配置和波形

示波器基本實驗 #5：補償 10:1 無源探頭
既然已完成了此示波器培訓指南中的前四個實驗，應該在一定程度上熟悉了如何使用示波器進行基本電壓和定時測量，讓我們回過頭來再次討論探測。在本指南的入門部分中，我們簡要討論了探測，并顯示了 10:1 無源探頭和示波器的輸入組合的電子輸入模型。探頭和示波器的此電子模型在此處再次顯示在圖 20 中。

圖20. 連接到示波器的 1 MΩ 輸入阻抗的 10:1 無源探頭的簡化示意圖
如果記住了，就說明系統(tǒng)已指導忽略此電子模型中的電容組件，只考慮阻性組件。當前我們只觀察阻性組件時，我們已確定探頭的 9 MΩ 探頭端部電阻以及示波器的 1 MΩ 輸入阻抗建立了 10:1 分壓器比率。對于低頻或直流電應用，忽略電容元件是比較適宜的。但是，如果需要測量動態(tài)信號 （示波器的主要測量應用），則不能忽略此電子模型的電容元件。
所有示波器探頭和示波器輸入中本身都固有寄生電容。這些包括探頭電纜電容 （C 電纜），以及示波器的輸入電容 （C 示波器）�！肮逃校�寄生”僅意味著電子模型的這些元件非有意設計，而是真實電子世界中原本就存在的。固有／寄生電容的數(shù)量隨著示波器的不同和探頭的不同而異。但是，如果沒有其他的設計電容組件來補償系統(tǒng)中固有的電容元件，則系統(tǒng)在動態(tài)信號條件 （非直流）下的阻抗會從探測系統(tǒng)的整體動態(tài)衰減改為不同于所需的 10:1 比率。沿著可調補償電容 （C 組件）分布其他／設計的探針電容器 （C 探針）的目的是建立與 10:1 的阻性衰減匹配的電容阻抗衰減。正確調整補償電容時，這還可以確保與 9 MΩ 電阻器并列的探針電容的時間常數(shù)，和與示波器的 1 MΩ 輸入電阻器并列的固有和補償電容的時間常數(shù)匹配。
我們不會花很多時間討論這一原理，只是連接到某個信號，并了解欠補償、補償過度和適當補償?shù)挠绊�。但是，首先應注意我們會將通�?1 探頭連接到前一個實驗中的其他端子。
1 將兩個 示波器探頭連接到標記了探頭補償?shù)亩俗�。請注意，這與稱為 Demo2 的端子也是同一個端子。
2 按下示波器前面板上的 [默認設置]。
3 將通道 1 設置為 1.0 V/div。
4 將通道 1 偏移／位置設置為 0.0 V（默認設置）。
5 按觸發(fā)電平旋鈕，以將通道 1 上的觸發(fā)電平設置為約 50%。
6 按 [2] 前面板鍵以打開通道 2。
7 將通道 2 設置為 1.0 V/div。
8 將通道 2 偏移／位置設置為約 +3.5 V。
9 將示波器的時基設置為 200.0 μs/div。
如果正確補償了探頭，則應在示波器顯示屏上看到兩個帶有平坦響應的 1 kHz 方波，與圖 21 類似。現(xiàn)在，讓我們調整每個探頭上的探頭補償。


圖21. 使用示波器的 1 kHz 探頭補償信號補償 10:1 無源探頭
10 使用小的“一字”螺絲刀，調整位于每個探頭主體上的可變電容器。請注意，
此調整有時位于一些探頭的 BNC 連接端附近。
圖 22 顯示了通道 1 探頭（黃色波形）補償過度的示例，以及通道 2 探頭（綠色波形）欠補償?shù)氖纠�。如果沒有觀察到近乎完美的方波，則應重新調整探頭上的探頭補償，直到示波器上的波形與圖 21 類似。



圖22. 不當補償?shù)奶筋^
正確調整探頭后，只要在此示波器上繼續(xù)使用這些探頭，在下次使用示波器時應該就不需要重新調整它們了。
此時，已完成了本實驗的實踐部分。如果趕時間，并需要完成本章中最后一個實驗，則應跳到實驗 #6，然后讀取本實驗后面其余部分的內容。
計算電容補償?shù)恼�確數(shù)量
如果面臨挑戰(zhàn)，請使用以下假設條件計算正確補償所需的補償電容 (C comp) 數(shù)量：



對于計算所需的補償電容 (C comp) 數(shù)量，最早的方法是使 R tip 和 C tip 并聯(lián)的時間常數(shù) (1/RC) 與 R scope 和 C parallel 并聯(lián)的時間常數(shù)相等。


請記住，C parallel 是探頭／示波器模型中的三個電容元件的組合。
另一種計算方法是使 C parallel 的電容阻抗的 9 倍與 C tip 電容阻抗的 1 倍相等。這將建立電容阻抗產生的衰減常數(shù)，與僅阻性網(wǎng)絡 (10:1) 產生的衰減常數(shù)相同：

探頭負載
除了適當補償 10:1 無源探頭以獲得最為準確的示波器測量外，另一個必須要考慮的問題就是探頭負載。換句話說，將探頭和示波器連接到被測件 (DUT) 是否會改變電路的行為？將任何儀器連接到電路中后，儀器本身 （包括探頭）都會成為 DUT 的一部分，并在某種程度上成為信號“負載”或改變信號的行為。如果使用上面列出的電阻和電容的給定值（以及已計算的 C comp 值），我們可以按照單個電阻器和電容器的并聯(lián)方式將探頭和示波器的負載影響通過建模方式合并在一起，如圖 23 所示。

圖23. 10:1 無源探頭和示波器負載模型
對于低頻或直流電應用，負載由 10 MΩ 電阻控制，在大多數(shù)情況下，這不應成為問題。但是，如果探測的是 100 MHz 數(shù)字時鐘信號，會怎么樣？此數(shù)字時鐘的第 5 個諧波 （用于創(chuàng)建此信號形狀的重要分量）將為 500 MHz�，F(xiàn)在，應計算由此負載模型的 13.5 pF 電容提供的阻抗，如圖 23 所示：


盡管 13.5 pF 看起來可能不多，但是頻率越高，此負載電容數(shù)量就會很大。對于此類較高頻的應用，大多數(shù)示波器供應商提供了可選的有源探頭解決方案，它們具有更低的輸入電容 （輔助 pF）。但是，這些類型的特殊探頭成本比典型的 10:1 無源探頭要高很多。
最后，請注意本實驗中顯示的探頭 + 示波器模型非常簡單。較準確的模型還包括電感元件。電線 （特別是接地引線）應被視為電感元件，特別是對高頻應用而言。
示波器基本實驗 #6：使用內置函數(shù)發(fā)生器生成波形
除了示波器以外，還將在各種電子工程和／或物理電路實驗中使用大量測試設備，包括電源、數(shù)字萬用表和函數(shù)發(fā)生器。函數(shù)發(fā)生器可以產生大量不同類型／形狀的信號，這些將用作電路設計和實驗的動態(tài)輸入。Keysight 的 InfiniiVision 2000 和 3000 X 系列示波器具有內置的可選函數(shù)發(fā)生器，稱為 WaveGen。若要完成這個簡短的實驗，前提條件是示波器上已正確安裝此選件許可證。如果不知道函數(shù)發(fā)生器功能是否已被許可并啟用，請按 [Wave Gen] 前面板鍵。如果啟用此選件，則波形發(fā)生器的菜單將出現(xiàn)。如果沒有啟用此選件，則會看到屏幕上出現(xiàn)一條消息，指示此選件尚未得到許可。假設示波器具有 WaveGen 選件，讓我們開始這一簡短的實驗，了解如何使用通用函數(shù)發(fā)生器。
1 從示波器斷開所有探頭的連接。
2 將 50 Ω BNC 同軸電纜連接到發(fā)生器的輸出（電源開關旁邊）與通道 1 輸入BNC 之間。
3 按下 [默認設置]。
4 如果使用的是 Keysight 2000 X 系列示波器，則需要將通道 1 的探頭衰減常數(shù)設置為 1:1。按 [1] 前面板鍵，然后按探頭軟鍵。按新的探頭軟鍵，然后旋轉 Entry 旋鈕將衰減常數(shù)設置為 1.00:1。
5 按 [WaveGen] 前面板鍵 （在通道 1 V/div 旋鈕正上方）。
6 按設置軟鍵，然后按默認波形發(fā)生器軟鍵。
請注意，示波器的 [默認設置] 不會更改 WaveGen 的設置。因此，要確保從同一個起點開始，我們還需要發(fā)生器的默認設置。
7 再次按 [WaveGen] 前面板鍵。
8 將通道 1 的 V/div 設置設為 100 mV/div。
9 將示波器的時基設置為 100.0 μs/div（默認設置）。
現(xiàn)在應該看到示波器上的正弦波的一個周期，與圖 24 類似。峰峰值振幅為 500 mV 的 1.000 kHz 正弦波是 WaveGen 的默認信號。現(xiàn)在，讓我們對信號進行一些更改。


圖24. 使用示波器的內置 WaveGen 函數(shù)發(fā)生器
10 按頻率軟鍵，然后旋轉 Entry 旋鈕增加或減少頻率。請注意，最大頻率設置為 20.00 MHz。
11 按振幅軟鍵，然后旋轉 Entry 旋鈕以更改此信號的振幅。
12 按偏移軟鍵，然后旋轉 Entry 旋鈕以更改此信號的偏移。
13 按波形軟鍵，然后旋轉 Entry 旋鈕選擇各種波形。
請注意，選擇方波后，還可以微調占空比。選擇脈沖后，可以微調脈沖寬度。從此時開始，可能不會將發(fā)生器的輸出直接連接到示波器中了�？赡軙�將發(fā)生器的輸出連接到電路的輸入。隨后，將使用帶有探頭的示波器監(jiān)視電路的輸入和輸出。
-- END --