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示波器的使用方法：刻度、触发与测量

阅读约 7 分钟 · bitGateLab 团队

万用表给你一个数字；示波器则让你看到信号随时间变化的形状。用它可以看出正弦波是否被削顶、电源有多大的纹波，或者滤波器的输出比输入滞后多少。刚开始时，面板上那么多旋钮会让人望而生畏，但归根到底只有四个概念：垂直刻度、水平刻度、触发和耦合。本课将带你学会调节它们，并用具体的数字测量幅值、周期、频率和相位差。

屏幕：一张电压随时间变化的图

示波器的屏幕被划分成网格，通常是水平 10 格、垂直 8 格。纵轴表示电压，横轴表示时间。所有测量都是先数出格数，再乘以相应的刻度：

电压 = 垂直格数 × (V/div)
时间 = 水平格数 × (s/div)

每一格在中心轴线上通常标有五个小格，因此读数的分辨率可达 0.2 格。

垂直刻度（V/div）与位置

垂直刻度旋钮设定每一格代表多少伏。取值按 1-2-5 序列排列：10 mV、20 mV、50 mV、100 mV、200 mV、500 mV、1 V、2 V、5 V……位置旋钮上下移动波形而不改变刻度；用它可以把 0 V 参考线放到你方便的位置。

实用的原则是：在整个信号仍能完整显示在屏幕上的前提下，选择最灵敏的刻度。占 6 格的信号，比只占半格的信号测得准确得多。

如果使用 ×10 衰减探头，实际电压是未作换算时所见读数的十倍。请把通道设置成与探头的衰减比一致，或者自己把读数乘上去。

水平刻度（s/div）

时基表示每个水平格代表多长时间。整个屏幕的宽度为 10 × (s/div)。要准确测量周期，最好让屏幕上显示两到五个完整周期：不足一个周期就无法测量周期，而显示几十个周期时细节会挤在一起。

10 × 8 格的网格上有两个 500 Hz 的正弦波。CH1 的峰峰值占 6 格，周期占 4 格。CH2 向上过零的时刻比 CH1 晚 0.4 格。

例 1：幅值、周期和频率。图中的垂直刻度为 2 V/div，水平刻度为 0.5 ms/div。

CH1 从 +3 格到 −3 格：6 div × 2 V/div = 12 V（峰峰值）。
幅值：12/2 = 6 V（峰值）。如果是正弦波，其有效值为 6/√2 = 4.24 V。
一个完整周期占 4 格：T = 4 × 0.5 ms = 2 ms。
频率：f = 1/T = 1/0.002 s = 500 Hz。
CH2 的峰峰值占 4 格：峰峰值 8 V，即峰值 4 V。

触发（trigger）

示波器通过一遍又一遍地扫描屏幕来画出信号。如果每次扫描都从波形的不同位置开始，你会看到重叠在一起、不停“跑动”的波形。触发解决了这个问题：只有当信号沿某个方向越过某个电压时，扫描才开始，于是每次扫描都重合，图像就稳定下来。它的主要设置有：

触发源：由哪个通道来监视触发条件。比较两个信号时，用作为参考的那个信号触发。
触发电平：信号必须越过的电压。它必须在信号的范围之内；如果设得比信号峰值还高，就永远不会触发。
边沿：上升沿或下降沿。
模式：在自动模式下，即使没有触发，示波器也会扫描，便于找到信号；在正常模式下，只在触发时才绘制，更适合不规则的信号；在单次模式下，捕获一次事件后停止，非常适合观察电源上电这类瞬态过程。

两个通道之间的相位差

屏幕上有两个同频率的信号时，测量两个对应点（例如上升方向的过零点）之间的时间间隔 Δt，再换算成角度：

φ = 360° × Δt / T

如果第二个信号比参考信号到得晚，它就是滞后的；到得早，就是超前的。为了提高精度，可以在过零点附近展开时基，或者让两个通道使用相同的垂直刻度并把波形都居中在零线上。

例 2：相位差。图中 CH2 向上过零的时刻比 CH1 晚 0.4 格。

Δt = 0.4 div × 0.5 ms/div = 0.2 ms。
φ = 360° × 0.2 ms/2 ms = 36°。
CH2 比 CH1 滞后 36°。

应用：在交流电与相量一课的 RC 串联电路（1 kΩ、1 µF、100 Hz）中，电阻上的电压与电流波形相同，它超前电源 57.9°。T = 10 ms 时，预计会看到 Δt = 57.9/360 × 10 ms = 1.61 ms。用示波器测量电流的相位就是这样做的：通过电阻上的电压来测。

直流耦合与交流耦合

每个通道都有一个耦合方式选择开关：

直流（DC）：显示完整的信号，包括它的平均电平。这是默认方式，测量直流电压、逻辑电平或低频信号时应使用它。
交流（AC）：串入一个电容来隔断直流电平，使波形以零线为中心。它相当于一个截止频率只有几赫兹的高通滤波器。
接地：断开信号，在 0 V 处显示一条水平线，便于确定参考位置。

例 3：测量纹波。一个电源输出 5 V 直流，带有峰峰值 0.2 V 的纹波。

直流耦合、2 V/div 时，波形出现在中心线上方 2.5 格处，纹波只占 0.1 格：分辨不出来。
如果不改变耦合方式而降到 50 mV/div，5 V 的电平会把波形推到屏幕之外。
交流耦合时，5 V 的电平被去掉。在 50 mV/div 下，纹波占 0.2/0.05 = 4 格，可以测量它的形状和频率。

注意：交流耦合是一个高通滤波器，所以会使频率很低的信号变形。低频方波的平顶部分看起来会是倾斜的。

常见错误

把触发电平设在信号范围之外，然后得出“没有信号”的结论。
忘记探头的衰减系数，报出的电压只有实际值的十分之一。
用交流耦合测量直流电压：波形停在零线上。
在方向相反的过零点（一个上升、一个下降）之间测量相位差，这会多出 180°。
选用的时基只显示不到一个周期或者几十个周期，使周期读数不准确。

在模拟器中试一试

模拟器中的虚拟示波器与实验室里的示波器在原理上有着相同的控件，是零风险练习的好地方。

放置一个幅值 6 V、频率 500 Hz 的正弦电源，把它接到通道 1。
把垂直刻度调到 2 V/div，水平刻度调到 0.5 ms/div，确认你看到峰峰值占 6 格、每个周期占 4 格。
把触发电平调到 6 V 以上，观察图像发生什么变化；再把它调回 0 V。
搭建一个 RC 滤波器，把通道 2 接到它的输出端；测量过零点之间的 Δt，并计算相位差。
给电源加上一个直流偏置，在直流耦合与交流耦合之间切换，观察区别。

练习题

一个正弦波在 5 V/div 下峰峰值占 3.2 格。求它的峰峰值电压、峰值电压和有效值。

查看答案
3.2 × 5 = 16 V（峰峰值）；峰值 8 V；8/√2 = 5.66 V（有效值）。
时基为 20 µs/div 时，一个周期占 2.5 格。频率是多少？

查看答案
T = 2.5 × 20 µs = 50 µs。f = 1/50 µs = 20 kHz。
两个 1 kHz 的信号在 0.1 ms/div 下相隔 1.5 格。相位差是多少？

查看答案
Δt = 1.5 × 0.1 ms = 0.15 ms，T = 1 ms。φ = 360° × 0.15/1 = 54°。
你想在 10 格宽的屏幕上至少看到 1 kHz 信号的三个完整周期。应从 1-2-5 序列中选择哪个时基？

查看答案
三个周期共 3 ms，所以至少需要 0.3 ms/div。序列中满足条件的第一个值是 0.5 ms/div，它显示 5 ms，即 5 个周期。用 0.2 ms/div 只能看到 2 个周期。