示波器，第一部分

介绍具有多种用途的复杂教育工具。

在这个由两部分组成的系列的第一部分中，我们将把示波器视为一种教育工具。 它是进入电子世界的绝妙门户，它可以揭示的基本粒子相互作用的多层级似乎没有尽头。

当人们从盒子里拿出一台新示波器时，第一反应可能是，“我在想什么？ 我是怎么让自己陷入这种境地的？ 这么多旋钮和按钮，还有无穷无尽的神秘菜单！” 不过别担心。 操作手册（印刷版或在线版）澄清了很多，剩余的信息差距随着第一个基本练习一一消失，然后执行更复杂的练习。

学习目标

阅读本文后，您应该了解：
♦ 示波器的历史
♦ 示波器显示的主要组成部分
♦ X 轴和 Y 轴的用途
♦ 示波器开发的重要创新
♦ 电视转换和计算机示波器的缺点

现代数字示波器由探头组成； 模拟通道（通常是两个或四个）； 模数转换； 处理和记忆； 最后是显示器（现在主要是在平面屏幕上）。 通常，有两个轴 X 和 Y，它们在屏幕中心相交。 一个光点在屏幕上垂直和水平移动以形成轨迹，这是施加在仪器输入端的电压的图形表示。

在最常见的应用中，示波器被配置为相对于 Y 轴的位置代表电压，相对于 X 轴的位置代表时间。 与轴成直角交叉的线（称为“分割线”）可以在特定时间间隔内测量信号的电压电平。 如此构成的轨迹可能是移动的或静态的，但无论哪种方式，它都传达了有关正在研究的信号的大量信息。

历史

要了解示波器的工作原理，有必要了解一下它的历史，尤其是两个里程碑：触发和数字存储示波器。 第一个示波器涉及通过测量旋转转子圆周上不同点的电压来捕获波形。 通过在纸上手绘图像，以图形图像的形式永久记录。 毋庸置疑，频率响应受到艺术家的速度和耐力的限制。

随后的示波器创新是渐进式的。 第一个重大突破涉及使用检流计，它使一支笔穿过一条缠绕在鼓上的纸条。 它以恒定的时钟驱动速率旋转，这提供了时基。 类似的后续方法也涉及移动部件，并且由于这些机器是机械的（而不是电子的），静止惯性严重限制了频率响应。

突破

到 10 年代，混合设备从颤抖的镜子反射的光在相纸上产生波形图像，使示波器的频率响应上升到 1920 kHz。 在那个世纪后期，发生了两项重大创新，使今天普遍使用的示波器成为可能。

第一个是触发，由泰克的创始人霍华德·沃勒姆和杰克·默多克介绍。 1946 年，他们推出了泰克 511 型触发扫描示波器，它有助于稳定和连贯地显示循环波形。 这种权宜之计允许多个波形图像在示波器屏幕上重合，取代了由于缺乏同步而导致的无意义的光模糊。 图像稳定性不需要不变的频率扫描输入。

另一个重要的发展发生在 1980 年代之前，当时力科公司的创始人 Walter LeCroy 推出了数字存储示波器。 模数转换器与存储芯片相结合，使现代示波器能够记录和存储任何类型的电波形的数字表示。 这种发展促进了平板显示器。 与有效触发一起，数字化创建了一个工作平台，对于工程师、技术人员和学生来说，可视化各种电子现象并解决研究、开发和维护中出现的许多问题非常有用。

类型

“电子技术员”是一个宽泛的术语，包括构思、设计和调试新创新的电气工程师。此外，还有“维修专业人员”，其工作内容包括诊断和修理功能失常的电气系统和设备。这项任务可能非常简单（例如重置跳闸断路器或更换磨损的电源线），也可能非常困难（例如排除电梯运动控制器无缘无故地不时断电的故障）。另一类是严肃的独立发明家或家庭爱好者。这些人既包括偶尔处于全新技术前沿的杰出创新者，也包括经常破坏东西而不是修复东西的怪人。

这些人中的任何一个都可以通过使用先进的示波器而受益匪浅。 然而，可悲的现实是，顶级仪器的成本远远超出我们许多人的承受能力。 （最昂贵的 Agilent 售价约为 500,000 美元。）但是，好消息是中档示波器的成本要低得多。 许多供应商提供旨在吸引买家的融资。 不难想象，一个人的收入能力的增强会伴随着支出并证明其合理性。 如果没有，还有其他低成本的选择，我们会一次考虑一个，从最便宜的开始。

TV

一台旧的黑白便携式电视可以转换成一个可行的示波器。 假设可以免费获得一台合适的电视，并且焊料和助焊剂、电线、索环和电压表探针已经可用，材料的价格约为 1 美元。

在开始之前，请记住，电视在与其电源相关的电解电容器中保留有危险的高压。 （能够将电子束从屏幕中心移开的偏转电路需要高电压电平。）此外，阴极射线管 (CRT) 本身可以存储电能。 然后，在整个集合中还有诸如分布电容之类的东西。 在开始在设备上工作之前，必须将机箱从机柜中取出，并将这些危险电压释放到地电位。 如果您对程序完全不确定，请致电专业人员以帮助完成此阶段的项目。 而且，请记住，如果设备重新通电，则必须重复放电过程。

两个大铜线圈环绕阴极射线管轭。 它们使电子束的垂直和水平偏转成为可能。 （在示波器中，它们是偏转板，但原理是相同的。）将其中一个线圈的导线追溯到它们在电路板上终止的位置并断开它们。 将电视放回其外壳并打开电源。 如果有水平线，则垂直偏转线圈的导线已断开，如果有垂直线，则表明水平线圈的导线已断开。 如有必要，从电路板上拆下垂直线圈，并使引线足够长以穿过电视柜中的扣眼孔。 这些电线将连接到要测量的外部电源。 然后，从电路板上断开水平线圈导线并将它们移动到垂直偏转线圈终端。

自制示波器不需要其他任何东西。不幸的是，与供应商提供的仪器相比，它的功能非常有限。由于它只能显示直流或低频交流波形，因此其价值仅限于教育项目。

基于PC

另一种类型的示波器是一种连接到个人计算机 (PC) 的仪器，利用其数据处理和成像能力来显示来自外部电源或被测电路的电压。 基于 PC 的示波器 (PCO) 由一个专门的信号采集板组成。 它采用不同的形式，通常是外部 USB 或并行端口设备。 另一种类型的 PCO 由安装在计算机中的卡组成。 对于硬件，有一个提供隔离和自动增益控制的电气接口、一些模数转换器和缓冲存储器，或一个内部数字信号处理器。 显示和控制接口由计算机提供，因此PCO的成本远低于全量程示波器的成本。

正如所料，尽管一些更好的仪器具有令人惊讶的功能，但采用 PCO 路线仍存在一些明显的缺点。 主要缺点是计算机是电源和电磁噪声的来源。 如果 PCO 正在努力检查低电平信号，则获得良好的分辨率可能会有问题，需要大量屏蔽。 另一个困难是传输到计算机的速率肯定会受到链中最薄弱环节的限制，这是布线媒体固有的瓶颈。 此外，计算机将需要启用示波器的软件，该软件可能与操作系统兼容，也可能不兼容。 当然，兼容计算机通常没有高质量的专用示波器那么长的预期寿命。 总的来说，PCO 作为爱好者和学生的教育工具很有价值。 它对一些低频测量很有用，但缺乏速度和精度。 对于认真的研究和设施维护，PCO 是一个尚未（并且可能永远不会）出现的想法。

旧

另一种低成本的选择是购买二手示波器。 这里的问题是，即使示波器看起来可以工作，但稍后可能会观察到某些功能并没有完全发挥作用。 如果您能找到零件并拥有修理它的专业知识，那很好，但是当需要工厂重新校准时，它可能无法使用。 不推荐使用此选项。

全新发布

最后，如果成本不是障碍，请考虑购买新的。 有许多制造商，一些迎合低端市场，而其他制造商已经并正在投资研发，寻求提供顶级质量和功能。 主要参与者是泰克、力科和安捷伦（最近分拆到是德科技，但基本保持相同的产品线）。 这些供应商提供高质量、非常先进和耐用的示波器，这些示波器在未来几年应该很有价值。

 特征与功能

混合域示波器 (MDO) 能够在多个域中显示电信号。 正如微积分学生所熟知的那样，与函数相关的域是该函数允许的输入集。 示波器显示由一条水平线（X 轴）组成，输入沿该水平线定位。 在显示器的中心，输出所在的 Y 轴与 X 轴相交。

最常见的情况是查看以 X 轴为参考的时间单位，其中表示自变量。 幅度（电压）以 Y 轴为参考。 各种幅度包括因变量。 X 轴上的点和 Y 轴上的点之间的关系由该函数确定。

有时，域（X 轴）不代表时间。 相反，它可以根据频率来定义（Y 值仍然是幅度）。 这对相同的电信号进行了不同的图形描述。 可以在两个域之间来回转换，完成此操作的过程称为傅立叶变换，由约瑟夫·傅立叶于 1822 年描述。 当时的协议适用于非电现象，例如水体中的波浪作用和声学力学。 在我们这个时代，主要焦点是电气。

完成傅里叶变换的数学非常复杂，但在 1960 年代中期，一种被称为快速傅里叶变换 (FFT) 的算法出现了，它极大地加速了这个过程。 这个过程允许我们以更少的繁重计算在两个域之间完成相同的来回转换。 幸运的是，只需按下 MDO 上的一系列简单按钮即可立即调用 FFT，并且可以立即在任一域中看到电信号。 此功能对于出于维护和研发目的深入了解多种类型电子设备的内部工作原理非常有用。

接地

在给台式示波器上电或将其连接到信号之前，我们需要详细了解仪器和所研究电路的接地概念。 如果没有彻底理解这一点，用户很有可能最终会进行不正确的连接并损坏或毁坏示波器和/或被测量的工件。

首先也是最基本的一点，示波器（除非是与地隔离的手持式、电池供电型）在通电时必须正确接地。 这种接地连接是通过将其插入具有设备接地的标准三芯插座来实现的。 当然，这以设备接地导体完好无损并正确连接到电气服务以及整个系统与大地的低阻抗连接为前提。 电路分析仪（图 2）是验证接线是否正确极化（并且确实接地）的好工具。

设备接地连接的目的是确保示波器机箱与任何工具或设备的机箱一样，不会因接地故障而保持通电，从而导致电击危险。 其次，被测电气设备必须与地面完全隔离，或者，如果由公用事业衍生的交流电源供电，则它（如示波器）必须由两根导线供电，其中一根导线处于地电位。 如果其中之一不是这种情况，则将示波器连接到工作是不安全的。

此外，作为探头一部分的接地参考引线必须连接到被测电路中处于地电位的点，使探头尖端可用于电路内的接触点。 被测电路的信号地和来自交流公用设施的示波器设备地必须非常接近相同的电位。 如果不满足这些条件（即，接地等效且示波器探头接地参考线的正确连接），将会有很大的故障电流，至少会烧毁探头接地参考线，并且可能, 损坏示波器和/或被测设备。 当接地参考引线接触电路中未处于接地电位的点时，这将立即发生。 事实上，它甚至会在探针接触设备之前发生。

上述接地协议有一些例外。 通过从电源线上锯下接地插头，可以将示波器与地面隔离。 虽然这种权宜之计可以防止上述问题的发生，但它违反了国家电气规范，并且对人类生命构成了堕落的漠不关心，因为它使设备接地的保护功能失效。 它为未来的灾难奠定了基础。

如前所述，当工作完全与地面隔离时，所讨论的危险不是问题。 一个明显的例子是 9V 电池的波形（水平直线）。 由于两侧都不处于接地电位，因此将探头的接地参考引线连接到正极或负极是安全的。

便携式手持式电池供电示波器（图 3）可以连接到接地电气设备内的点对点接线。 由于仪器的两侧都与地隔离，因此无论探头以何种方式连接，都不会出现危险的接地故障。

使用台式接地示波器，需要对接地设备进行点对点测量（如测量变频驱动的直流母线电压）时，允许使用差分探头（图4） . 差分探头将两个探头的功能合二为一。 单端探头测量参考接地点的电压。 相比之下，差分探头测量两个测试点之间的电压差。 不存在将探头接地引线连接到相对于接地平面浮动的信号电压所引起的危险电弧闪光问题。 要寻找的重要特性是高带宽、大动态和偏移范围以及低噪声。

结语

本文研究了有关示波器的一些背景信息，特别是它们在上个世纪发展起来的情况。 在本系列的下一篇和结论性文章中，将参考泰克 MDO3104 进行一些说明示波器使用的练习。 几个简单的连接将演示如何使用示波器来描绘波形并说明万用表看不到的各种电子现象。

学习强化问题

使用以下学习强化问题来学习继续教育评估考试，该考试可在 www.elevatorbooks.com 或 p. 上在线获得。 本期第139期。
♦ 从机柜中取出电视机的主要危险是什么？
♦ 泰克在示波器发展中的最大贡献是什么？
♦ 力科在示波器发展中的最大贡献是什么？
♦ 什么是 PCO，它有哪些缺点？
♦ 什么是 MDO？