示波器基础：初学者指南

作为电子工程师，与其他工程学科相比，我们非常幸运。电子产品不仅在快速发展和扩展其使用和功能，而且我们的测试设备为我们诊断和调查所构建的设备提供了最大的能力。虽然所有工程学科都有出色的仿真工具套件，但能够在现实世界中看到某物的表现可以提供更多的洞察力。

我们有许多工具可以让我们看到我们的电路在做什么，但作为一个初学者，你可能不确定从哪里开始。对于诊断任何电路而言，你将拥有的两个最基本的工具是数字万用表和示波器。你可能会问，“我应该获取哪种示波器或其他测试设备？”或者甚至是“我该如何使用示波器？”，这些都是学生和制造者常见的问题。在本文中，我将介绍每位工程师都应该知道的一些示波器基础知识，以及一些与不同示波器合作的技巧和窍门。

数字万用表与示波器

有各种各样的电子测量工具和设备可供选择，其中最受欢迎的可能是万用表。万用表可以测量电流、电压、电阻，以及根据型号的不同，通常还有其他参数。一些万用表内置了RTD探头的温度设置或用于温度测量的红外传感器。万用表用于确定你的电源是否正常工作，可以帮助找到损坏的部件，测量部件的电压降或电阻是否正确，找到短路或开路的位置等等。

万用表在电子领域很有帮助，但很快就会发现其频率响应有限的局限性。万用表非常适合查看平均电压，甚至可能计算电路的频率，高达几百千赫兹。然而，它不提供任何可视化。当你需要详细查看随时间变化的电压或可视化波形的任何方面时，就需要另一种测量设备——示波器。

示波器基础

示波器帮助工程师测量各种参数，如电压、模拟和数字信号以及噪声。现代示波器还具有大量对电子工程师有用的附加功能。

如今你遇到的几乎每一台待售示波器都将是数字存储示波器（DSO）或混合信号示波器（MSO）。混合信号示波器是具有附加功能的数字存储示波器，集成了逻辑分析仪功能。一些型号还将执行FFT，提供频域的测量。

无论哪种类型的示波器都是在排除电路故障时极好的诊断工具。你可以看到你的电路的确切波形，分辨率达到毫伏级，有些示波器的分辨率甚至达到皮秒级。这使得能够捕捉到传感器、编码器或电路中瞬时尖峰，这是万用表无法可靠捕捉的。它还允许你查看数字信号，检查边缘转换的质量以及查看振铃或其他信号完整性问题。

示波器通道

示波器有多个通道。因此，你可以监视进入电路的波形，以及输出的波形，这使其非常适合监视模拟滤波器、放大器和其他模拟电路。假设你主要处理数字信号。在这种情况下，示波器对你来说也是极好的工具 - 你可以用一个通道观察一个信号，例如，一个按钮，然后看到微控制器对该输入的响应 - 如通过SPI或I2C的传输。凭借示波器的精确时序，你可以测量你的代码执行或对中断反应所需的时间。混合信号示波器更进一步，集成了逻辑分析仪，可以给你许多数字通道的输入来监视，与模拟通道并行。

如何使用示波器测量EMI

即使示波器没有FFT功能，你也可以将其作为一种粗略的近场电磁干扰探测器使用。例如，在下面的图片中，我正试图隔离一个低质量商用LED驱动器的辐射噪声源。我只是将探头的接地引线连接到尖端，这给了我一个大的近场环形探头。示波器屏幕上的信号纯粹是辐射噪声；LED驱动器仍然可以在它的外壳中。

我们可以看到LED驱动器的切换，并能够追踪潜在的噪声源，并在添加滤波或阻尼组件到问题网络时观察信号的变化。虽然它不能替代频谱分析仪，示波器仍然可以帮助您追踪可能导致您未能通过认证的潜在EMI问题。如果您需要更精确的测量，您也可以购买专为分析您的电路板设计的近场探头。

虽然示波器是出色的诊断工具，但在规划项目时也可以使用它们。例如，当您使用SPICE等仿真工具模拟电路图时，您的组件模型可能不完全代表真实世界的组件。通过在面包板版本的电路图上使用示波器，您可以实时与之交互并看到该组件的确切响应，从而判断您的仿真是否准确。这个过程也可以通过在测试电路中尝试不同部件的样品而不是依赖于该类型组件的通用SPICE模型，显著改善组件选择。

除了组件选择之外，您通常还会发现示波器在生产板的质量保证测试中使用。对于模拟电路，如放大器或电源，许多示波器型号将允许您配置一个通过/失败模式，可以立即告诉您电路是否满足继续生产过程的标准。

哪种示波器？

示波器对于任何电子工程师、硬件设计师或固件开发人员来说都是关键工具。它们对于制造者、学生和电子爱好者也是宝贵的工具。市场上有大量的示波器可供选择 - 那么您如何选择一个满足您需求的示波器呢？

市场上有大量的示波器，价格范围广泛。一个非常便宜的示波器可能会花费您100美元，但有些示波器的价格高达五十万美元以上！甚至一些高端示波器的探头成本可能超过一辆新家用车。

在我们查看示波器的规格或型号之前，让我们先简要了解一下示波器是如何工作的。

现代数字示波器从探头接收模拟输入，并将其转换为数字信号以显示。它还能够处理极其宽广的电压范围；即使是低端示波器也可以具有1000 V(峰值)/300 V(有效值)的最大电压，并且仍然能够测量只有几毫伏振幅的信号。示波器的前端负责将这一宽范围的输入电压缩放到示波器可以处理的程度。这个经过调整的信号随后用于触发示波器，以及进入采样和ADC链，最终以内存中的读数形式结束。你可以将内存中的读数视为时间戳记的单个样本列表，当这些样本组合在一起时，将在屏幕上显示你的波形。

示波器带宽

带宽是比较不同示波器的最突出方法之一。它代表了可以测量的最大信号频率，而不需要特别注意。衰减源自于随频率增加而变化的电感和电容反应。这最终限制了示波器硬件的带宽。然而，探头本身也有带宽限制。当你购买示波器时，包含的探头通常会具有与示波器本身相同或更高的带宽。广告中的带宽是信号被衰减-3 dB或约70.7%的测量信号点。

购买示波器时，它应该具有比你想要测量的最大频率信号更高的带宽。对许多工程师来说，这可能是时钟/振荡器或通信协议。

示波器采样率

采样率是示波器每秒可以转换并存储在内存中的数据点数。你能获取的样本越多，显示的信号就越详细。采样率需要至少是信号频率的两倍，理想情况下至少是信号频率的四倍。许多高质量的示波器将提供其带宽的10到20倍作为最大采样率，这允许你捕捉信号中的小瞬态尖峰或下降。

如果采样率低，你可能会完全错过信号中的小瞬态或抖动，因为这种瞬态落在样本之间的机会增加了。

存储深度

示波器的存储深度是一个容易被忽视的规格，尤其是在高采样率的情况下，这一规格至关重要。存储深度决定了可以存储多少样本，因此影响了示波器可以捕获数据的时长。这影响了触发后你能在信号上滚动的范围，或者你能放大查看捕获信号的特定区域的程度。一般来说，更大的存储深度是更好的；拥有更多的数据通常是件好事。一些低端的示波器如果拥有大量数据但没有足够的处理能力，可能会在处理这些数据时遇到困难。这可能导致数学运算或其他操作速度缓慢，但在一般的示波器中，制造商倾向于保持与处理能力相对应的合理的存储量。

更大的存储深度也会使得捕获不频繁/异常信号的可能性更高，使得追踪设备测试中的“奇怪行为”变得更容易。

其他规格

我们可以讨论示波器的规格很多页，但对于首次或第二次购买示波器的人来说，这些规格不太可能像上述选项那样关键。除非你打算挑战你购买的任何示波器的极限，市场上的大多数选项对于普通用户来说都是“足够好”的。

需要避免什么？

在我们深入了解一些受欢迎的示波器选项之前，我首先想提出一些关于非常低成本设备的警告。我通常不喜欢说某样东西不值得购买，但如果你查看在线市场，无疑有一些自称为示波器的低成本设备，它们不值得你浪费时间或金钱。

一般来说，这些建议中需要避免的项目归结为带宽和采样率。假设你正在寻找一款用于电子工作的示波器，我建议的绝对最低带宽为25MHz，推荐的最低带宽为50MHz，并且采样率与带宽相称。

示波器万用表

虽然有一些便携式示波器非常有能力，但那些看起来像低成本万用表的则不是。这些设计用于观察像发电机或你家墙插座之类的交流信号，对于电子设计或测试目的来说几乎没有什么用处。

如果你是一个修理发电机的电工，我相信它们会很完美，但是用来处理微控制器，20KHz的带宽/200KSa/s就显得毫无意义了。

彩色TFT便携式迷你示波器

虽然这些小装置便宜且看起来相当整洁，但实际上，如果你幸运的话，它们只是运行在一个低成本的ARM微控制器上。典型的带宽仅为1MHz，采样率为10MSa/s，即使是低速的SPI通信也远远超出了这个设备的能力。更昂贵的版本可能带宽达到15MHz或更高，采样率高达100MSa/s，但同样，这对于现代电路来说还是不够用的。

低分辨率的屏幕和总体有限的功能意味着你不会从中得到很多价值，它不太可能对你设计或测试可能构建的电子产品有太多用处。

套件示波器

虽然组装套件总是很有趣，但这些本质上是上述选项的一个裸露无壳版本，同样受到限制。

虽然这些比上述选项便宜得多，但它们的实用性同样很低。

9种流行的首选示波器

与上述设备相比，这些示波器非常受欢迎，有些价格并不比上述设备贵很多。通常，我个人更喜欢4通道的示波器。我经常发现自己在实验电路或诊断故障时想要使用3个通道。如果你的预算允许，花费更多钱购买4通道示波器会给你留下成长的空间。然而，示波器往往能非常好地保值，所以如果你的预算紧张，而且你不立即需要3-4个通道，那么2通道选项可以节省一些费用。

许多示波器提供一个相对便宜的基础型号选项，具有有限的软件功能。你可以通过购买许可密钥来升级这些软件功能，将来可以输入到示波器中，提供一条升级路径，而无需购买全新的设备。你甚至可能会发现这些升级在销售活动期间以折扣价或免费捆绑提供。

此列表中的示波器没有特定的顺序，所有这些都是针对其目标受众的绝佳选择。

Rigol DS1052E

尽管Rigol DS1052E是最便宜的入门级示波器之一，但它相当有能力。这是一个使用相对简单的双通道示波器。DS1052E在制造者/学生/业余爱好者社区非常受欢迎，因为它提供了极好的性价比。它也相对紧凑，非常适合放在业余爱好者或学生的小桌子上。

由于这是一个非常入门级的示波器，当人们随着技能和经验的增长升级到更强大的示波器时，你经常可以找到处于良好状态的二手机。如前所述，示波器保值得很好，所以不要期望二手模型有太大的折扣 - 但你可能会得到一个解锁了更多功能的机型，比新的基础级示波器有更多的能力。

虽然这是一个价格合理的非常有能力的示波器，但它只有2个通道，屏幕相对较小且分辨率较低。

Rigol DS1054Z

如果Rigol DS1054Z是有史以来最畅销的示波器之一，我一点也不会感到惊讶。就价格而言，仅比上面的DS1052E贵一点点，你可以非常便宜地获得大量的功能。我拥有一台DS1054Z，它不是我的主要示波器，但它紧凑轻巧的外形因素使得在处理高科技机械时非常方便，当需要一个更大的示波器可能会有点麻烦。

与DS1052E相比，你还会获得额外的2个通道，还有一个更大的高分辨率屏幕，使得查看发生的事情更加容易。你还会得到屏幕周围更多的按钮，使得访问功能更加容易，通常只是提升用户体验。

Rigol MSO5074

作为我们将要看的最后一个Rigol示波器，我们来看看MSO5074。MSO5074是一个混合域示波器，意味着它也可以作为带有额外数字输入的协议分析器。通过软件选项，它还可以作为任意函数发生器和频谱分析仪，使其非常多样化。MSO5000系列示波器是我目前的日常使用设备，因为在我搬家后重建我的家庭实验室时，其性价比无与伦比。

除了相对巨大的屏幕外，触摸屏出奇地用户友好。购买示波器时，我认为触摸屏有点噱头。然而，当我使用我的DS1054Z时，我发现自己经常无效地触摸屏幕 - 所以它被证明比我最初预期的要有用得多。

我发现另一个出乎意料的有用功能是，该示波器有一个HDMI输出，这允许我用HDMI录像机记录屏幕，或者将输出放到大屏幕上。随着现在每个人都在家工作的数量，这是一个相当有趣的选项，因为它允许你记录被测试设备的问题，并将视频发送给另一位工程师。你也可以使用HDMI捕捉卡，直接将你的示波器显示屏幕流到会议通话中。

这也是一个非常受欢迎的示波器，其价格点对于其功能来说相当惊人。它非常受欢迎，以至于社区甚至让你可以在工作台上需要休息时，在示波器上玩经典的《毁灭战士》游戏。

Tektronix TBS1202B-EDU

泰克是一个在行业中享有盛誉数十年的测试设备制造商。TBS1052B-EDU作为1000系列的示波器，可以直接与上面的Rigol DS1052E和DS1054Z进行比较。功能方面，Rigol DS1054Z更具可比性。然而，TBS1202B-EDU只有双通道。这款示波器非常适合作为入门级示波器。DS1054Z面向学生和教育机构。

泰克还有几个其他型号在同一系列中价格显著更低，例如TBS1052C，它是一个50MHz的示波器，价格与Rigol的选项相似。

我喜欢TBS1202B-EDU型号拥有200MHz的带宽，并提供2GSa/s的采样率，是TBS1000系列阵容中其他选项的两倍。不幸的是，存储深度在只有2500点时显得有些有限，而同系列中的其他选择有20,000点的记录长度。

Tektronix TDS2024C

向上迈进到2000系列示波器，Tektronix TDS2024C拥有4个通道。与我们上面看到的TBS1202B一样，它也有200MHz的带宽、2GSa/s的采样率和只有2500点的记录长度。虽然它的输入规格几乎相同，但它是一个更强大的示波器，具有额外的软件功能、更多的通道和所有最常用功能的专用硬件按钮。

不幸的是，屏幕尺寸比1000系列示波器小。

在我看来，2000系列的一个主要优势是它具有极限测试功能，这使得它非常适合在发货前快速测试和批准设备。

Keysight DSOX1204A

Keysight，之前被称为Agilent，已经是测试设备领域的领导者多十年了。DSOX1000系列是他们的入门级示波器，但绝不是基础型号。他们的1000系列示波器有70MHz、100MHz和200MHz的变体。配备4个通道和2GSa/s的采样率以及200万点的存储深度，它是一个功能强大且实用的示波器。

Keysight在测试设备的用户界面设计方面的经验表现在他们的显示屏上。显示屏大而明亮，布局极佳，非常易于使用。

Keysight MSOX2004A 示波器

Keysight的2000系列示波器有提供带有8通道逻辑/协议分析仪选项的变体。我过去拥有过一个MSOX2004A，它们是设计非常好的示波器，具有简单而强大的用户界面。MSOX2004A是中档2000系列示波器的入门级版本，具有70MHz的带宽、2 GSa/s的采样率和100万点的存储深度以及8通道逻辑分析仪。

除了逻辑分析仪/协议分析仪功能外，该示波器还有任意函数发生器的选项，以及集成的数字电压表，使其成为一个多功能的示波器。

Rohde and Schwarz RTB2004

Rohde and Schwarz通常以非常高端的测试设备而闻名，尤其是在射频工程领域。他们的2000系列示波器作为他们的入门级模型，充满了功能并且规格非常高，这应该不足为奇。RTB2004有很多可选功能，可以稍后购买，保持了低基础价格。

这款示波器最创新的特点是它有一个10位模数转换器。通常示波器只有8位ADC。额外的分辨率提供了足够的波形细节，并可能允许更精确的测量。

RTB2004拥有四个模拟通道、70MHz带宽（可通过软件升级）、2.5 GSa/s的采样率和2000万采样深度。除了典型的示波器功能外，RTB2004还可以作为任意函数发生器、带有16个数字通道的协议分析仪，以及作为频谱分析仪使用。

PicoScope 2000

PicoScope 2000系列与我们看到的其他示波器有所不同，因为它们基于PC，而不是完全集成的。您需要一台笔记本电脑或计算机来使用这些示波器，处理工作通过USB连接卸载到更强大的计算机上。

Pico Tech以其汽车仪器和制造低成本的PC连接示波器而闻名。虽然低带宽模型很便宜，但我不推荐任何低于50MHz型号（2206B）的产品，因为它在嵌入式系统开发中很快就会发现其局限性。

PicoScope 2206B的采样率为500 MSa/s，使其成为我们看过的所有示波器中采样率最低的。波形率与其他选项相比也同样较低。

以前的雇主有一台PicoScope。然而，由于输入电压仅为20v峰值最大，且最大限制为100V，我不得不为许多任务带来自己的示波器。我当时正在研究一个300V的系统，所以如果你正在研究的东西超过20v，PicoScope可能不适合你。

如果空间有限，而且你正在寻找一个低成本的选项，PicoScope是一个令人兴奋的选择。

如何选择示波器

当你考虑购买你的第一台示波器时，最好考虑你想用它做什么或你可能在设计的某些电路上有什么。开关模式电源的频率可能高达2 MHz，切换时会有一些非常短暂的尖峰。微控制器可以通过其IO引脚或通信（如SPI）轻松生成50 MHz+的信号。编码器轮可以生成需要合理采样率的非常短暂的脉冲。

微秒级长的事件对示波器来说是小事，但考虑你是否需要更快的。你需要能够用示波器看到的最短事件/瞬态/脉冲是什么？计算带宽和/或采样率要求以可靠地观察这些信号。

内置逻辑/协议分析器的示波器对固件开发人员来说非常强大。解码的数字通道可以用于触发，允许您在通信通道上检测到特定字节或字节序列时开始记录模拟波形。

最后的想法

市场上有很多不错的示波器选项，即使是预算有限的人也能找到合适的。即便是今天的预算示波器，与10到15年前市场上的其他选择相比，它们的功能强大且能力出众，我们真的有很多选择。

如果你不局限于那些自开创之初就开始制造测试设备的大品牌，Rigol和Siglent提供的性价比令人难以置信。大约十年前，Rigol作为OEM合作伙伴为Agilent（现在的Keysight）生产低端示波器，并且自90年代末就已存在。在过去的十年里，Rigol的创新步伐一直很快。

过去十年里，我主要使用Keysight和Rigol的设备，对这两个品牌都非常尊敬。Rigol通常被视为预算/业余爱好者品牌，但当你尤其是在比较高端单元的规格时，考虑到零售价格，对我来说Rigol显然是赢家。如果你不打算将你的示波器推到极限，大多数市场主要玩家之间的细节规格实际上可以认为是等同的。在将所有选项在供应商展厅中进行对比后，我的新家用电子实验室80%是Rigol，20%是Siglent - 我尽量不让设备上的标志影响决策。

我没有将Siglent添加到这个列表中，作为另一个低成本的中国供应商，因为制造者和业余爱好者社区最终倾向于选择Rigol。Siglent的某些设备在价格相近的情况下优于Rigol，但我觉得Rigol在示波器方面仍然占据优势。Hantek（以及所有其他品牌销售的设备）和Owon也没有入选，因为我觉得它们在质量或价值方面还没有达到Rigol和Siglent的同一水平 - 既然价格只是略微便宜，你不妨花更多一点钱选择技术上更优越、社区支持更多的选项。

最终，你的决定应该取决于你将要使用设备做什么，你的预算是多少，以及你未来的需求可能是什么。在这个列表中，我觉得Keysight的示波器最易于使用，Rigol提供最佳的性价比，而R&S提供最有趣的选项。这里展示的所有示波器基础知识通常适用于上述模型。

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