工程师如何用好用活示波器？从这3方面入手...

EDN电子技术设计 今天

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示波器的触发模式


一、什么是示波器的触发模式？


示波器的“触发”就是使得示波器的扫描与被观测信号同步，从而显示稳定的波形。为满足不同的观测需要，需要不同的“触发模式”。示波器的基本触发模式有三种：


第一种是“自动模式（AUTO）”，在这种模式下，当触发没有发生时，示波器的扫描系统会根据设定的扫描速率自动进行扫描；而当有触发发生时，扫描系统会尽量按信号的频率进行扫描，所以在这种模式下不论触发条件是否满足，示波器都会产生扫描，都可以在屏幕上可以看到有变化的扫描线，这是这种模式的特点。


第二种是“正常模式/常规模式（NORM）”，这种模式与自动模式不同，在这种模式下示波器只有当触发条件满足了才进行扫描，如果没有触发，就不进行扫描。因此在这种模式下如果没有触发的话，对于模拟示波器会看不到扫描线，屏幕上什么都没有，对于数字示波器会看不到波形更新，不了解这一点常常会以为是信号没连上或什么其他故障。


第三种是“单次模式（SINGLE）”，这种模式与“正常模式”有点类似，就是只有当触发条件满足时才产生扫描，否则不扫描。而不同之处在于，这种扫描一但产生并完成后，示波器的扫描系统即进入一种休止状态，即使后面再有满足触发条件的信号出现也不再进行扫描，也就是触发一次只扫描一次，即单次，必须通过手工的方法将扫描系统重启，才能产生下一次触发。显然，对于普通模拟示波器而言在这种模式下您经常会发现什么也看不到，因为波形一闪而过，示波器不能将其保留，在多数场合这种模式没有什么用。以上三种触发模式是绝大多数示波器都会提供。


二、在实际中该如何选择和使用呢？


在实际使用中，不同触发模式的选择要依据被观测信号特性和要观测的内容作出判断，并没有什么固定的规则，而往往是一个交互的过程，即通过选择不同的触发模式了解信号的特性，又根据信号的特性和想要观测的内容选择有效的触发模式。在这个过程中最重要的是要理解不同触发模式的工作机制，了解被观测信号的特点以及明确所要观测的内容。


一般来说，在对信号的特点不是很了解的时候，应该选择自动模式，因为这时不管信号是什么样示波器都会扫描，您至少能在屏幕上看到一些东西，那怕仅仅是扫描线也好，而不会什么都没有。

有扫描线后可以通过调节垂直增益、垂直位置、时基速率等参数“找到”波形，然后通过选择触发源、触发边沿、触发电平等稳定波形。对于模拟示波器来说，只要信号是周期性的，其频率在适合相应示波器观测的范围内并且不太复杂的话，通过这样的步骤一般能达到对信号的大体了解，然后根据需要可作进一步的观测。


对于正常模式，许多朋友可能会觉得与自动模式在观测效果上没有什么区别，常常有这样的情况，将触发模式在自动与正常之间切换，屏幕波形并没有什么变化，不过这种情形往往只发生在被观测信号是一些比较简单的周期性信号的情况下。正常模式的作用在于观测波形的细节，特别是对于比较复杂的信号，例如视频同步信号。为什么这样说呢？


这是因为为了观测细节，我们必须将时基扫描速率调高，以便将波形展开。而当我们这样做的时候，就会使得被观测信号的频率相对于示波器扫描速率而言变低，也就是说，在两次触发之间示波器可能会作很多次扫描。

在这种情形下，如果这时我们选择的是自动模式，则示波器会实际进行所有这些扫描，其结果是使这些扫描（它们不是由触发产生）所对应的波形与触发扫描所对应的波形一起显示，造成显示波形的混叠，因而不能清晰地显示我们想看的波形。

而如果我们选择的是正常模式，则这些在触发之间的扫描示波器实际不会进行，只进行那些因触发而产生的扫描，因而只显示我们想看到的与触发相联系的波形，从而使波形会比较清晰，这就是正常触发模式的功用。


图1 是这种情况的图解，在图1 中，左侧上方是被观测的波形，下方是扫描波形，右侧是波形的显示。图1a中扫描速率较低，不便于观察波形的细节；图1b将扫描速率提高，采用自动触发模式，这时显示的波形是不清晰的，有混叠现象；图1c中的扫描速率与图1b相同，但采用正常触发方式，仅在有触发时才进行扫描，因而显示清晰的波形。



对于单次模式，如上所述就普通模拟示波器而言我们基本上是难以利用的，但对于数字存储示波器来说它是一种非常有用的触发模式。在数字存储示波器中，使用单次触发模式可以捕捉单次出现或多次出现但不太具有周期性的信号。

虽然使用正常模式也能够捕捉单次的信号，但如果信号是多次而非单次时，在正常模式下后面出现的信号所触发的扫描就会将前面捕获的结果抹去，因此反而得不到稳定的波形。在这种时候如果采用单次模式就没有这个问题，也就是说，单次模式的触发具有从多次出现的信号中挑选一个的能力。


以上我们简述了示波器的基本触发模式以及它们在实际使用中的考虑，以期对初学者掌握示波器有帮助。除了本文所讨论的内容外，示波器的其他参数的调节也非常重要，使用者一方面要对各种参数调节的含义有清晰的理解，另一方面也要了解被观测信号的特性和明确所要观察目标，才能真正有效使用示波器达到测量测试的目的。

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 如何用好用活示波器？



本文作者是一位长期在一线使用示波器的有经验的电源工程师。以此身份，他提出在使用示波器的过程中要注意一些细节，包括：在使用前对示波器进行自校准，对探头进行补偿；测量电源纹波时要限制带宽，去掉探头"帽子"和地线夹；测量电源的原、副边时不能同时使用无源探头。


本人从事电源行业有5-6年了，示波器就相当于我的左右手。没有它就感觉什么都做不了。有它的存在，能让我能很顺利完成很多项目设计和问题分析。对于我 来说，走到今天，它的功劳是不可替代的。对于电源工程师来说，一旦有产品有问题就需要抓波形，抓时序，测试准确数值，以帮助工程师分析，处理。以事实说 话，看波形说话。如何使测试的数据准确和可靠是非常重要。准确的数字能够帮助我们，而失真的波形和数值只能误导我们，让我们背道而驰，让我们失去方向，多 做很多无用功。


细细想想，自己虽然在示波器方面不是研究的那么精通，但是也看过不少关于示波器的文章，实践中碰到不少问题，解决了不少问题，一路过来还是有点经验可以和大家分享的，希望对大家能有所帮助。如果写的不好，请大家见谅。


我常常看到很多小公司用的示波器过于低端，带宽低，采样率底，认为能抓到波形就行，认为没有必要买那么好的示波器，并且认为示波器操作简单，没有那么多 规范。看到他们对示波器的操作，不做测试之前的准备，拿起来就用，其实那样做是不正确的，可能往往就是这个操作不正确导致测试结果失真，影响分析。即使一 些很资深的工程师可能也不会注意到一些细节。不少工程师对示波器的认识度欠缺，如何更好的使用示波器还是有待提高的。下面就以我见到的很多工程师常犯的问 题予以纠正，分享一下我掌握的一些知识。


1.很多工程师直接拿起探头就测试，根本不去检查探头是否需要补偿，示波器是否需要校验。只有在一些大公司或经过培训的工程师才会在使用前做准备工作。示波器使用前需要自校准和需要探头补偿调节，执行这种调节是使探头匹配输入通道。


首次操作仪器时以及同时显示多个输入通道的数据时，可能需要在垂直和水平方向上校准数据，以使时基、幅度和位置同步。例如，发生明显温度变化（> 5°）时就需要进行校准。


1.从通道输入连接器上断开任何探头或电缆。确保仪器运行并预热一段时间。R File（文件）菜单中，选择Selfalignment（自校准）。

2.在Control（控制）选项卡上，点击Start Alignment（开始校准）。

3.R alignment state（整体校准状态）字段中。每个输入通道各个校准步骤的结果会显示在Results（结果）选项卡中。
　
探头补偿调节的操作步骤如下：1.将示波器探头连接到通道，按前面板上的PRESET（预设）按键（左侧面板设置区域中）。将探头信号端和参考地连接到示波器面板上的参考输出，然后按 Autoset（自动设置）。如果使用探头钩式前端附件，请将信号针前端牢固连接在探头上，确保正确连接。如组图一所示：



　　组图一 探头补偿调节


2.检查所显示波形的形状。可能会出现的情况如图二。


　　图二 补偿过度，不足和正确补偿

过度和不足都需要调节探头。以能更好的测试准确值。


3.如果波形不正确，请调整探头。如下图三所示，直至波形为上面的补偿正确波形。
　　图三 补偿探头方法


以上两点看似简单，但往往是工程师忽略的。为了使测量更精确，请一定要注意检验。这两个校准功能在任何示波器都应该有。


2 测试电压纹波


很多电源工程师在纹波的测量的时候，也不会关注那么多，想当然的测试。示 波器的使用方法不同导致测试的结果差异很大。如下组图四和组图五，对于同一个产品同一个测试点，由于测试方法的差异，导致测试结果的差异很大。纹波对于电 源来说是个重要参数，但是由于自己的操作问题而导致做测试不通过，又浪费大量的人力和成本去整改是很不值得的。


有时候您的客户由于对仪器的使用和注意不够，导致测试的数据错误。但是自己这边产品又是没有问题的，弄的怎么说也说不通，以至于客户还以为是在欺骗他们，所以测试方法很重要。注意这些细节，可以节省很多时间，让自己的能力更上一层。


示波器测试的值本身就存在误差的（这里我就暂时不讲解了）。现在很多公司要求测试波形图的值作为判定依据。其实示波器只是测试电压随着时间变化的过程， 主要是调试中捕获波形。具体测量直流电压有效值额度准确度还不如数字万用表的值。示波器的直流精度的指标标定也是以万用表做参考的。但是越来越多公司和工 程师以示波器的值当作真实值，那么我们就只能尽力作到是测试误差最少。


下面是测试纹波的图解和分析：

　　组图四


组图五


组图四的测试纹波的结果值3.9921V比图五0.126V大很多，但是组图四的测试值是不真实的。问题分析：其实产品没有问题。只是测试方法有问题而已。现在我们就来指出问题点：


第一个错误是使用了长的接地线。

第二个错误是将探头形成的环路和接地线均置于电源变压器和开关元件附近。

第三个错误是示波器探头和输出电容之间存在多余电感。

由于这些不注意，导致拾取了很多高频信号，变压器的磁场，开关的电场，以至于示波器抓出来的波形有高频杂讯掺杂在里面显示出来。

第四个错误是量程太大。


准确地测试纹波需要做到：


使用带宽限制来测量纹波，以防止拾取并非真正存在的高频杂讯。示波器带宽设置为20M即可。去掉探头"帽子"和地线夹，以防止长地线形成的天线效应。用 近地线缠绕在探头和地之间。罗德与施瓦茨公司有专门提供配套的短地线。可以考虑在信号与地之间并联一个0.1uf和一个10uf电容做去耦。电容的PIN 脚的长短也影响了测试的值。


3

误操作怎么办？



由于很多工程师对示波器的不了解，导致误操作，损坏示波器或电源之后还搞不清楚为什么


很多初级工程师在用多个探头测量电源的时候，刚一开机，电源产品就"炸机"，甚至损害示波器。他们会问我，示波器不是直接把探头接到要测试的元件之间 吗？我好像没有接错啊，为什么会这样啊？那是由于对示波器的通道和地的接法不了解。示波器的多个探头在示波器内部是共地。

所以在同时测量电源的原边和副边 的时候，如果用一根探头接原边的地，另一个探头接副边的地，由于示波器的内部通道的地连接在一起，相当于把电源的原边和副边的地短路在一起了，然而原边和 副边地之间是有电压差的，那么短路后的大电流容易烧坏产品和探头，甚至也可能损坏示波器。

在测试原边和副边电压的时候应该一侧用差分探头，一侧用普通探头。即使测试同一侧线路，探头的地线也要是共参考点。示波器的地又是通过电源地连接的。很多公司基本上都会在示波器前面加一个隔离变压器，这种方法挺好。有些公司直接剪断电源三相地的PIN脚，那样没有接地，用手摸示波器机壳，漏电流会加大。建议不要这样使用。


其实问题还不止是这些，如在动态的应用，探头之间运算的应用，测试电压值注意的事项等。大家都知道示波器的功能很强大，几乎没有不使用示波器的电子工程师，所以自己在使用示波器的时候一定要多想想，多试验，多了解示波器的功能，内部选项键之间的差别。

了解不同示波器参数对测量的影响，那样就能更好的帮助我们。不要只是为了完成任务，随意为之。认真做起，细心观察，这样我们的进步才会很大。经验是一步一步积累起来的。


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