示波器和附件

示波器是一种用于观测电信号随时间变化的电子测量仪器，核心功能是将肉眼不可见的电信号转换为可视化波形，以便分析信号的幅度、频率、相位等参数。

示波器附件是扩展其功能的辅助设备，与主机配合使用。常见附件包括探头、信号发生器、电源模块等。探头用于连接被测信号与示波器，起到信号传输和阻抗匹配作用；信号发生器可提供标准信号，用于校准示波器或模拟测试场景；电源模块则为部分附件或被测器件供电。

这些附件让示波器从单一观测工具，变为可适应不同测试环境、完成复杂测量任务的综合系统，广泛应用于电子研发、维修、教学等领域。

示波器的工作原理

  • 示波器通过探头接收电信号，将输入信号转换为电压信号。探头通常采用衰减器或放大器来匹配不同幅度的信号。
  • 内部垂直放大器将输入信号放大或衰减到适合显示的范围，确保信号在屏幕垂直方向上有合适的幅度。
  • 时基电路控制水平扫描，产生锯齿波电压驱动电子束水平移动，形成时间基准。扫描速度可调以适应不同频率的信号。
  • 触发电路确保每次扫描都在信号的相同点开始，使重复信号稳定显示。可设置边沿、电平、视频等多种触发方式。
  • 阴极射线管(CRT)或液晶显示屏将电信号转换为可视波形。CRT示波器通过电子束轰击荧光粉发光，数字示波器采用ADC采样后显示。
  • 数字示波器通过模数转换器(ADC)将模拟信号数字化，采样率决定时间分辨率，存储深度影响能捕获的波形长度。

示波器的特点

  • 带宽是示波器最重要的指标，决定了能准确测量的最高频率。一般选择带宽是被测信号最高频率的3-5倍。
  • 采样率影响波形细节还原能力，根据香农定理应至少是信号最高频率的2倍，实际应用中需要更高。
  • 存储深度决定能捕获的波形时间长度，深存储可以同时观察高频细节和长时间趋势。
  • 触发功能强大，支持边沿、脉宽、视频、串行总线等多种触发方式，能稳定捕获特定信号。
  • 现代示波器提供丰富的测量功能，包括频率、周期、上升时间等自动测量，以及FFT频谱分析。
  • 接口丰富，支持USB、LAN、GPIB等，可远程控制和数据传输，部分支持触摸屏操作。

示波器的类型

  • 模拟示波器采用CRT直接显示输入信号波形，响应实时无延迟，适合观察快速变化的模拟信号。
  • 数字存储示波器(DSO)将信号数字化后存储显示，可捕获单次信号，支持波形存储和回放。
  • 混合信号示波器(MSO)结合模拟通道和数字通道，可同时观察模拟信号和多路数字信号。
  • 便携式示波器体积小重量轻，电池供电，适合现场维修和教学使用，但性能通常较低。
  • 高带宽示波器带宽可达几十GHz，用于高速串行总线、雷达、光通信等高频信号测试。
  • 特殊用途示波器如隔离示波器(安全测量浮地信号)、汽车示波器(诊断汽车电子)等。

示波器的应用领域

  • 电子研发调试电路，观察信号时序、幅度、噪声等参数，验证设计是否符合预期。
  • 电源测试分析纹波、开关噪声、瞬态响应等电源质量指标，优化电源设计。
  • 嵌入式系统开发调试MCU的I/O、PWM、通信接口等信号，验证固件运行状态。
  • 通信测试测量串行总线如USB、HDMI、以太网的信号完整性、眼图、抖动等参数。
  • 汽车电子诊断发动机传感器、CAN总线、点火系统等信号，排查故障原因。
  • 教育培训帮助学生理解电子信号特性，直观展示交流电、调制信号等抽象概念。

示波器附件的工作原理

  • 无源探头通过内部电阻电容分压衰减信号，典型衰减比为10:1，可减小电路负载效应。
  • 有源探头内置放大器，提供高输入阻抗和低电容，适合高频小信号测量，但需要供电。
  • 差分探头测量两点的电位差，抑制共模干扰，适合测量浮地信号或平衡传输线。
  • 电流探头基于霍尔效应或电流互感器原理，将电流转换为电压信号供示波器测量。
  • 光纤探头将光信号转换为电信号，用于测量激光、光通信等光学信号。
  • 逻辑探头同时采集多路数字信号，转换为高低电平显示，配合MSO分析数字系统时序。

示波器附件的特点

  • 探头带宽需匹配示波器，否则会成为系统带宽瓶颈，高频测量需使用专用探头。
  • 输入阻抗影响被测电路，高阻探头(如10MΩ)减小负载效应，低阻探头(如50Ω)用于阻抗匹配。
  • 衰减比决定测量范围，1:1探头灵敏度高但带宽低，10:1探头带宽高但信号衰减。
  • 探头接地线长度影响高频测量，过长会引起振铃，高频探头通常采用短接地弹簧。
  • 差分探头共模抑制比(CMRR)是关键指标，表示抑制共模干扰信号的能力。
  • 电流探头分为AC/DC型，AC型基于互感器只能测交流，DC型采用霍尔元件可测直流。

示波器附件的类型

  • 无源高压探头用于测量几百伏以上高压信号，采用大衰减比(如100:1)确保安全。
  • 有源差分探头带宽可达数GHz，用于测量高速差分信号如PCIe、SATA等。
  • 电流探头分钳形和穿心式，钳形方便在线测量，穿心式精度更高。
  • 光纤探头根据波长分类，850nm/1300nm用于通信，其他波长用于激光测量。
  • 探头适配器如BNC转SMA、转香蕉头等，扩展示波器连接不同接口的信号源。
  • 探头校准附件包括方波校准源、阻抗匹配器等，用于定期校准探头性能。

示波器附件的应用领域

  • 电力电子测量IGBT/MOSFET开关波形需高压差分探头，避免接地短路风险。
  • 高速数字设计验证DDR、SerDes等接口信号完整性需高带宽有源差分探头。
  • 电源测试同时观察电压电流波形需配合电流探头，分析相位关系和功率损耗。
  • 汽车电子诊断需专用汽车探头，耐高温防干扰，测量点火、传感器等信号。
  • 光通信测试需光电转换探头，将光信号转为电信号进行眼图、消光比测量。
  • 多系统集成调试需逻辑探头配合MSO，同时观察模拟信号和数十路数字信号时序。

更多示波器相关的问题，请查看示波器指南。

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