示波器原理-從基礎談起-其實沒這麼難

示波器是最基礎的測試儀器,也是EE學生最先接觸的儀器,一開始難免會被儀器上密密麻麻的按鈕嚇到,其實這些只是輔助功能而已,最基礎的示波器原理其實很簡單。

示波器面板密密麻麻的按鈕真的很嚇人
示波器面板密密麻麻的按鈕真的很嚇人

示波器的功能

示波器的功能只有一個,就是用來觀察電壓在時間軸上的變化,它只是更進一步把電壓的變化動態顯示在時間軸上,也就是所謂的波形,至於面板上的選單按鈕,都是以觀察波形為中心而開發出來的,所以我們先從基礎原理講起。

示波器原理-說明

看圖說話最直接,假設某個測點的電壓並非固定的直流電壓,而是隨時間變化的交流電壓,這時我們該如何觀察它? 我先將該測點的電壓準位以下圖的紅點來表示,由於是交流電壓所以它會上下跳動。

測點上的交流電壓
測點上的交流電壓

單純以單一測點這樣看的話,你只知道電壓會上下跳動而已,沒甚麼特別感覺,也很難觀察到需要的資訊。例如,我們不知道電壓上升多快,下降多快,至少光這樣看,是看不出來的。

但是若把這個紅點,從左邊等速地移到右邊,你就會發現紅點好像海浪般的起伏。如果你有朋友是收銀員,可以跟它借條碼掃描器來玩玩,條碼掃描器的那一條雷射光其實是所掃描的結果,如果你把雷射光照射在牆上,並將掃描器來回快速移動,就會發現雷射光再也不是一條線,而是一道弦波。

把動態電壓沿著時間軸等速移動,會看到軌跡
把動態電壓沿著時間軸等速移動,會看到軌跡

此時若把紅點走過的軌跡用線連起來,你就會清楚看到剛剛紅點的軌跡,在這個例子裡它是一個弦波,也就是一個波形。

把軌跡連起來,就能看到波形
把軌跡連起來,就能看到波形

若你能把波形的軌跡透過種種方式顯示出來,沒錯! 這就是一個示波器。在早期示波器還是用映像管的時代,只要紅點跑得夠快,每次軌跡重複出現超過約每秒30次的話,你就會因為視覺暫留而看到一個弦波,若紅點跑得很慢,你只能看到一個起伏的光點慢慢移動。

示波器畫面解讀

現在回到示波器的畫面,我把註解標上去,讓大家比較好理解,黃色線這是一個弦波,畫面中各種數值的標示位置可能會因示波器的廠牌型號而有所不同,但相關的專有名詞是不變的。

示波器原理-解讀示波器的畫面
解讀示波器的畫面

接下來要名詞解釋

Volt/Div 單位電壓
示波器螢幕上每一格的垂直距離所代表的電壓

TimeBase 時基
示波器螢幕上每一格的水平距離所代表的時間

Trigger condition 觸發條件
設定波形要在甚麼時機點開始畫,這個時機點就是觸發條件滿足的時候,以上圖為例,當波形由下到上穿過1.64V的時候開始畫波形,畫面中的Trigger point就是波形開始畫的時間點。眼尖的你可能會發現,在Trigger point之前不是就有波形了嗎? 是的,那叫做pre-trigger只有數位示波器才做得到,傳統的類比示波器只能從螢幕最左邊開始畫。

Trigger是示波器的靈魂,有些高檔的示波器還有很多奇怪的Trigger類型,設定得好的話,對Debug真是如虎添翼喔,我在網路上看到一個示波器的動畫說明 The Physicists Explain Cathode Ray Oscilloscopes,應該能讓大家更有感覺。

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