【實作實驗室】輕鬆理解示波器原理

作者:實作派

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,但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,而電壓的動態變化顯示在時間軸上,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開發出來的。

示波器的原理

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(圖片來源:實作派提供)

若以單一測點看的話,你只知道電壓會上下跳動,不會有甚麼特別的感覺,也很難觀察到其他需要的資訊,像是我們不會知道電壓上升多快、下降多快等。

但若把這個紅點從左邊等速地移到右邊,你會發現紅點好像海浪般的起伏。舉例來說,收銀員條碼掃描器的那一條雷射光其實是所掃描的結果,但如果你把雷射光照射在牆上,並將掃描器來回快速移動,你會發現雷射光再也不是一條線,而是一道弦波。

將動態電壓沿著時間軸等速移動便會看到軌跡(圖片來源:實作派提供)

此時若把紅點走過的軌跡用線連起來,你會清楚地看到剛剛的紅點軌跡,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(圖片來源:實作派提供)

若你能把波形的軌跡透過種種方式顯示出來,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正在慢慢移動。

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。

示波器畫面(圖片來源:實作派提供)

  • Volt/Div 單位電壓:示波器螢幕上每一格垂直距離所代表的電壓
  • TimeBase 時基:示波器螢幕上每一格水平距離所代表的時間
  • Trigger condition 觸發條件:設定波形要在什麼時機點開始畫,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 1.64 V 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。

小結

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,設定好的話,對 Debug 真的是如虎添翼,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!

(本文轉載自實作派電子實驗室原文連結;責任編輯:賴佩萱)

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實作派電子實驗室(StrongPiLab)是一個著重知識與經驗的實作交流媒體,提供工程師們理論外的實務經驗,主要傳達電子產品與家電用品的正確操作概念與生活小常識、解說各種測試手法的技巧。
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