如何使用数字示波器

本文介绍以鼎阳SIGLENT SDS1122E+数字示波器为例。

带了一根电源线；两根信号线，每根信号线都有几个小配件，如下所示：

使用概述

我们都知道万用表（又称欧姆表）是工程师最常用的调试电路的工具，但万用表的功能非常有局限，如果你需要观察一些随时间变化的参量，比如频率、幅度、噪声等等，示波器就是最好的选择。

示波器的主要用途就是将随时间变化的电信号以图形的方式画出来，多数的示波器是用时间为x轴，电压为y轴产生的二维图形。

除了这些基础的功能之外，示波器还能够帮助工程师快速定量被测信号的频率、幅度以及其它的波形参数。总之示波器可以测试基于时间和基于电压的参数，如下：

基于时间的参数：频率和周期、占空比、上升时间和下降时间等。

电压参数：幅度、最大电压、最小电压、平均电压等。

那什么时候用示波器？

在调试电路的输入、输出以及中间系统的时候用以确定信号的频率和幅度，基于这些信息可以判断电路的工作是否正常。

确定电路中噪声的大小。

判断波形的形状 – 正弦波、方波、三角波、锯齿波、复合波形等等。

测量两个不同信号的相位差

示波器的相关技术指标

示波器的功能、性能、价格差别都非常大，示波器的选型需要根据使用的场景（考虑到将来所有可能的项目需求）并结合自己的预算进行选择，主要需要考虑的参数如下：

数字 vs. 模拟 – 早期的模拟示波器将输入的电压以电子束的方式直接打在显示屏上；数字示波器内部由微处理器控制，通过模数转换器（ADC）将输入的模拟信号进行量化，并经过一系列的处理后将量化的波形显示出来。一般来讲，早期的模拟示波器带宽相对较低，功能较少，但响应时间也许更快，且没有数字示波器由于采样带来的混叠频率，随着科技的发展目前主流的都已经是数字示波器，除非特殊的场合需要模拟示波器。

通道数 – 可以同时处理的模拟信号输入的数量，2通道最为常见，其次是4通道；

带宽(BW) – 能够可靠测量的模拟信号的频率范围，一般以MHz为单位来表示，示波器带宽不足会导致测试信号的波形失真，高带宽示波器可以保证信号的完整性；

采样率  – 这是数字示波器特有的指标，反映了对模拟信号以每秒多少次的速度进行采样。有的多通道示波器，当多个通道同时使用的时候采样率可能会降低，一般以Sa/S，即每秒多少次采样来表示，示波器的最高采样率应该大于4倍的模拟带宽。采样率越高，说明单位时间内采样的点越多，波形也就越精准。

上升时间 – 示波器的上升时间决定了其能够测量的最快的上升脉冲，这个指标与带宽相关联，可以用这个公式来换算：RiseTime = 0.35 / Bandwidth

这个公式怎么来的，可参考：为什么示波器上升时间 Tr=0.35/BW ?

最大输入电压 – 每种电子产品都有其能够承受电压的最高极限，示波器的最高输入电压指的是，如果输入的信号电压超过这个值，极有可能会损毁示波器。

分辨率 – 表征了对输入电压的量化精度，一般高速的示波器都采用8bit的高速ADC对模拟信号进行量化采样。其实就是内部ADC的分辨率。

垂直灵敏度 – 这个值表征了垂直显示的电压量程的最小和最大值，单位是伏/格。

时间基准 – 表征了水平的时间轴的灵敏度范围，单位是秒/格

输入阻抗 – 如果被测信号为很高频率的信号，即便是非常小的阻抗（电阻、电容、电感）叠加在电路上都会对信号带来比较大的影响。每一个示波器都会对测量的电路增加一定的阻抗，这个阻抗就是输入阻抗，它一般是比较大的电阻(>1 MΩ)与比较小的电容（在pF的范围）并联 (||). 在测量非常高频率的信号的时候输入阻抗的影响就变得比较明显，可以通过调节使用的探头来进行补偿。

存储深度 – 也叫存储长度，是示波器可以保存的采样点的个数。请记住这个公式：存储深度=采样率x采样时间。具体参考浅析示波器的存储深度

以下为SDS系列的一些参数：

 带宽、采样率、存储深度是示波器最重要的三个技术指标。

面板介绍

RUN/STOP

开始和停止波形的捕获；

万能旋钮

辉度(Intensity)调节：旋转此旋钮能改变光点和扫描线的亮度。观察低频信号时可小些，高频信号时大些。

另外，有时该旋钮可以进行选项选择（每次快速旋转一下即可），然后按下该旋钮进行确认。

Menu

Cursor（光标测量）：使用Cursor光标测量按键，可以通过移动光标进行测量，使用前先将信号源设定成所要测量的波形。

重点关注左上角的△V，表示两条测量线之间的电压差。

可通过屏幕上类型菜单改变成水平方向的测量。

ACQUIRE：采样、峰值检测、平均值、记录长度；

SAVE/RECALL：设置（面板）、初始设置、M01~M15、存储、调出；

MEASUR：峰-峰值、振幅、平均值、均方根值、顶端值、低端值、最大值（电压）、最小值、频率、周期、上升时间、下降时间、正脉冲宽度、负脉冲宽度、占空率（正脉冲宽度/周期）*100%；

DISPLAY：类型、矢量、波形保持、波形更新、对比；

UTILITY：打印机菜单、接口菜单、蜂鸣器、语言菜单、下一页；

Menu组，一次有且只有一个按钮的菜单显示在屏幕上，所以在Menu组中，始终会有一个按钮是亮的，此时可以按下其他地方的按钮弹出新的菜单，Menu中按钮才会被取消高亮。

显示部分

示波器最重要的功能就是把你要测量的电信号以时间为坐标显示出来，因此它是示波器最重要的部分之一。

示波器的显示界面一般都是通过多条水平和竖直的线交错构成的格状，竖直的刻度单位为伏/格，水平的刻度单位为秒/格。一般来讲示波器的显示屏在竖向（伏）有8-10个格，在横向（秒）有10-14个格。

越来越多的数字示波器使用多色的LCD显示屏，能方便在一个屏幕上显示多个波形（以不同的颜色）。

显示屏周边（右侧或下面）一般会有几个输入按键，用以菜单切换以及设置的控制。

垂直调节

示波器显示屏的竖向显示的是测量信号的电压，它的显示控制一般会通过两个旋钮：一个调节波形在竖直方向的位置，另一个调节每格的刻度（伏/格）。

根据这里的标注，上面旋钮是调节刻度，下面是调节竖向的位置。

通过这两个旋钮的调节，你可以观察到波形的细节，比如你要仔细看一个5V的方波信号的上升沿，就可以通过调节这两个旋钮将上升沿放大进行查看。

CH1、CH2菜单按钮：选择后显示对应通道的波形（通道开关）；选择后显示器会有选择菜单（F1：选择AC、DC或接地； F2：选择波形是否反向显示； F3：频宽限制设定键； F4：选择探针衰减x1、x10、x100； F5：输入阻抗：..ohm）；

MATH（不同的数学处理功能）：选择时，可在显示器用F1选择CH1+CH2，CH1-CH2、CH1*CH2、CH1/CH2或FET（傅里叶变换）；

REF按钮：用于显示参考波形。

按下垂直调节组中的频道1按钮时，菜单如下：

耦合、带宽限制、伏/格（粗调还是细调）、探头、反向、单位（V还是A）、时滞。

示波器的输入耦合方式的意思是输入信号的传输方式。
耦合：是指两个或两个以上的电路元件或电网络等的输入与输出之间存在紧密配合与相互影响，并通过相互作用从一侧向另一侧传输能量的现象；示波器的输入耦合属于信号直接耦合，一般有两种方式，分别是直流模式和交流模式，档位选择上一般还有接地。
直流模式标注是DC，信号直流部分会经过处理并显示，对应的显示波形是信号全状态，即直流加交流混合信号都会显示；
交流模式标注是AC，信号直流部分不会显示，对应的显示波形是交流部分；

比如下方波形，就有直流部分掺杂了交流部分，当选择交流耦合时，直流部分就会被忽略：

接地标注是GND，实际是断开输入并把输入接地，目的还有消除干扰，方便找零点

探头：发现探头中选项有1X，0.1X、0.2X、0.5X，我探头中设置的是10X，这里为啥没有？不要着急，继续按按钮，后面还有很多没显示，有1X，2X，5X，……表示示波器会将衰减的信号再对应还原。

水平调节

水平调节只有一个，针对所有通道同时调节，不能单独调节某个通道。

示波器的水平部分为时间标尺，就像垂直调节一样，水平调节按钮也有两个 - 调节左右移动 和改变刻度的大小（即调节时基，单位为秒/每格）。

左右位置的旋钮可以左或右移动显示波形，屏幕上显示多少个周期的波形是通过水平比例的按钮来调节的。

你可以通过水平比例按钮在横向放大波形仔细查看其细节部分。

HORI MENU：选择水平功能的开关，可控制所选波形的时基，水平位置和水平值；选择后在显示器中（F1：显示主时基； F2：择正常显示和缩放； F3：显示缩放波形； F4：选取滚动方式显示波形； F5：X-Y的工作模式；）

触发系统

触发系统时刻监视着外部输入，当某种预设条件得到满足时，触发系统会启动一次波形捕获。捕捉是什么意思呢？类似于快照正常来说，波形必须是探头连接到新号端，探头拿开，波形就没了。如果想要探头拿开后，波形仍然能在屏幕显示，就需要捕捉。

触发系统还可以稳定波形的显示并让示波器能聚焦，通过调节“触发”按钮，你可以告诉示波器在哪一个起始点开始测量。如果被测的信号是周期性的波形，通过触发的设置，可以让波形在屏幕上稳定显示，像静止不动一样。如果触发level没有调节好，波形就会在屏幕上跑来跑去，不能稳定下来。

上面的解释，就能总结示波器触发的两个重要的作用：

1）捕获感兴趣的信号（设置感兴趣的信号条件）

2）确定电平参考点，稳定的显示波形（从看到感兴趣的信号开始，停留）

TRIG MENU：触发菜单，可在显示器选择：上升沿触发、脉宽、延迟/单次触发等；

几种常用的触发类型：

边沿触发 - 当输入信号的电压超过某一个设定的电平，示波器开始测量。可以设置为上升沿或下降沿触发，或者两个沿都可以触发。

脉冲触发 - 遇到某种指定的电压脉冲的时候示波器开始测量，你可以指定脉冲的宽度以及脉冲的方向。

斜坡触发 - 正向或负向的波形斜坡超过了某一个指定的时间则启动示波器的测量。

还有一些更复杂的触发机制用以检测某些标准的波形，比如NTSC或PAL信号。

斜率可选择上升沿、下降沿或者双边沿。

触发方式里有自动、正常、单次，其中，单次和按钮Single是一致的。

自动触发

这种触发方式使得示波器即使在没有检测到触发条件的情况下也能获取到波形。当示波器在一定等待时间内没有触发条件发生时，示波器将进行强制触发。自动模式下会定时刷新触发的波形，后面的波形会把前面的波形给覆盖掉。

正常触发（常用）

示波器在正常触发方式下只有当其被触发时才能获取到波形。在没有触发时，示波器将显示原有波形而获取不到新波形。

举例说明自动触发和正常触发的区别：比如一个单脉冲信号，自动模式下，捕捉到触发条件后，隔段时间就会被后面无信号的部分给覆盖；而正常触发模式下，因为单脉冲信号后面不再有满足触发条件的信号，所以不会被触发。

单次触发

在单次触发方式下，用户每按下一次“运行”按钮，示波器将检测到一次触发而获取一个波形。

SET TO 50%：使用此按钮可以快速稳定波形，示波器可自动将“触发电平”（也就是level旋钮要设置的参数）设置为大约是最小和最大电压电平间的一半；

FORCE：无论示波器是否检测到触发，都可使用此按钮完成当前波形的采集（主要触发方式：“正常”和“单次”）

下方旋钮（LEVEL旋钮）：触发电平设定触发点对应的信号电压，以便进行采样；按下旋钮可使触发电平归零；通常触发电平在采集信号的电平范围之内即可使得波形稳定，否则可能会动来动去。

示波器显示界面的竖向T标志表示触发时间线

正常来说只会显示触发之后的波形，但是示波器内部采用缓冲原理，使得触发前后一段时间的波形都能显示出来。

另外横向也会有一个T标志，表示的是触发电平。

触发之后，就可以更好地去研究目标波形了。

有了触发电平，并不能准确定位触发点，因为触发电平在上升延或者下降沿都会经过这个值，所以就需要结合其他的一些条件来更好地定位。

我们通常调节触发电平就能稳定波形，那是因为边沿触发等设置都已经是默认的了。如果需要改变，可以到菜单中进行设置。

上图中，触发电平和触发方式结合就能准确定位触发点了。

细致讲解参考：示波器使用基础2——初学者学习示波器的“绊脚石”：触发_哔哩哔哩_bilibili

单次触发

Single，触发显示第一个满足触发条件的信号波形，之后就停止采集，只有再次让示波器运行的时候（按RUN/STOP），示波器才是进入下一次单次触发。也就是说只会触发一次。普通触发模式下，当满足触发条件的信号不断出现的时候，示波器不断的触发显示波形。没有满足触发条件的时候，示波器显示上次触发的信号波形。先按下Single进入单次模式，然后每次按Run就可以捕获当前波形一次。

自动设置Auto

当我们给示波器接上一个信号以后，看到的波形可能是各种型态的，如下图所示的各个波形，其实都是同一个方波信号，由于波形在横向（时基）和纵向（垂直档位）的设置不同，导致了看上去呈现不同的型态。

这个时候，我们点击一下示波器按键上的“auto”，示波器就可以快速地调节时基和垂直档位，使得波形展示的样子适合我们观察。

模拟信号输入端：

两个常规通道，还有一个外触发通道。

探头信号输出端

示波器一般在其面板的右下方都会提供一个内部产生、供校准用的高可靠、固定频率和幅度的方波测试信号，它有两个分开的连接点 - 一个输出校正信号，一个连接系统的地。将探头的接地夹子连接到这个测试信号的接地端，示波器的探头连接到测试信号的输出。

探头部分

示波器的测量离不开同被测电路连接的探头，它是一个单输入的设备，将电信号从待测的电路上传递到示波器。它有一个比较尖的头用以接触你要检测的电路的测试点，很多时候这个尖头会配上钩子、镊子或夹子以方便连接到被测的电路上。每个探头都有一个接地夹子， 测试的时候需要将这个接地夹子安全地连接到待测电路的公共地的位置。（必须接地，不能接其他参考点）

注意，钩子是能拔下来的，拔下来后就会看到有个很尖锐的探头，能用来接触一些很精密的电路。

探头看起来简单，用起来却学问大多了，多数硬件工程师不会使用示波器的探头，我们来看看怎么回事：

理想状况下，示波器的探头应该对被测的信号没有任何影响，但现实却是它长长的连线不可避免地有着杂散电感、电容、以及电阻。因此，无论如何，它们都会影响到示波器对待测信号的解读，尤其在非常高的频率的时候。

探头有多种，最常用的是多数示波器自带的无源（Passive）衰减探头，它内部有着大的电阻并联一个很小的电容，以帮助减小探头的长电缆给待测电路带来的负载效应。这个内部的高电阻同示波器输入端的电阻串联，对输入信号构成了分压。

比如：

SDS示波器并的是18pF电容。

多数的示波器探头的内部阻抗为9MΩ的电阻，它同示波器输入端的标准的1MΩ的输入电阻相连接，构成了1/10的分压，这种探头被称为10X衰减探头。很多探头都有一个开关，可以切换是10:1衰减（10X）还是不做衰减（1X） 

衰减探头在高频应用中能够保证比较高的精准度，但不好的地方就是对输入信号先衰减了10倍，如果你要测量的信号是非常小幅度的微弱信号，最好还是使用不做衰减的1x探头，这时候你需要设置示波器的菜单以告知其衰减发生了变化，很多示波器能够自动检测到探头是衰减还是不衰减。

除了刚才讲的无源衰减探头，还有有源探头（单独供电），能够在送入示波器之前对待测信号进行放大甚至预处理；有能够测量交流或直流电流的探头，电流探头一般是环绕着待测的信号线，而不接触到被测的电路。

屏幕菜单选择按钮

用来选择屏幕上显示的选项的。

示波器的使用步骤

1、选择和设置探头

先根据需要选择一个合适的探头，对于多数测量的信号来讲，你购买的仪器里随带的简单的无源探头就可以用了。

接下来，设置好探头的衰减，一般常用的是10X，它是很多场合最佳的选择，如果你要测量幅度比较小的信号，可以设置在1X档。

2、接上探头，打开示波器

将探头连接到示波器的第一个通道，打开示波器开关开始运行，你可以看到示波器屏幕上的方格、刻度以及由一条水平线构成的波形，带着微弱的噪声波动。

屏幕上将显示上次关机前设置好的时间（水平方向）和电压（竖直方向）刻度，你不用管这些，调整相应的旋钮，将示波器放到标准的设置。

1.

打开通道1，关掉通道2；

2.

设置通道1为直流耦合；

3.

设置触发源为通道1 – 没有外接的信号源或其它通道的信号对此进行触发；

4.

设置触发类型为上升沿触发, 触发模式为自动 ；

5.

确认示波器探头的衰减设置同你使用的探头的状态一致（例如1X, 10X）

3、校准探头

示波器一般在其面板的右下方都会提供一个内部产生、供校准用的高可靠、固定频率和幅度的方波测试信号，它有两个分开的连接点 - 一个输出校正信号，一个连接系统的地。将探头的接地夹子连接到这个测试信号的接地端，示波器的探头连接到测试信号的输出。

旋转水平向和垂直向的调节按钮，将波形适当地显示在屏幕上，调节“触发”旋钮让波形稳定地显示在屏幕上。

以下为按下Auto自动设置后显示的界面。

左下角黄色字参数分别为：电压峰峰值、平均电压、周期、频率；

        Mean电压 - 平均电压。

        电压峰-峰值指的是交流电、纹波、脉冲电等等波形中，波形最高点和最低点的电压差。

下方一行参数为：垂直方向电压单元格大小、横向时间单元格大小、波形触发点在主时基下相对于屏幕中心的位置(水平距离)、频道1的触发电压值；

右侧菜单栏分别为：显示多个波形，显示单个周期、查看上升沿、查看下降沿；

右下角黄色参数为当前波形的频率；

4、对衰减的探头进行补偿

如果探头设置为10X，却发现显示的方波波形不是严格的方波，你需要进行阻抗补偿 - 用小改锥（配件中有赠送）调节如下图中显示的探头上的并联电容的大小。

在调节的时候你可以看到屏幕上的波形在变化。

调节直至屏幕上显示的波形为完美的方波。记住，只有在用10X的时候才需要进行补偿调节。

一旦校准好了探头，就可以测量电路上的信号了。

注意事项

热电子仪器一般要避免频繁开机、关机，示波器也是这样。

作定量测量时，建议先将示波器通电预热10分钟以上，使机中各元件在热稳定状态下工作，避免由于机内元件温度处于上升过程而影响测量结果。

被按下的按键会发光，黄绿色的光。

补充

屏幕上会显示通道号，并且通道号标志了该通道的0V电压处：

注意：
1、示波器自动设置通常会设置能看到最小波形，有时就会导致能看到很奇怪的干扰波，此时可以将横纵轴调节一下。
2、示波器探头的x1和x10需要和示波器设置一致，推荐都设置成x10，以减小干扰波的显示。 

补充

关于示波器中电压的单位

示波器中的Vpp就是峰峰值电压，即正、余弦曲线中最大值和最小值的差，也就是电压的最大值的2倍。

示波器中的Vrms是电压有效值，Vrms = Vpp / (2 * √2)，也就是Vp/√2，峰值除以根号2。