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示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像,便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束,打在涂有荧光物质的屏面上,就可产生细小的光点(这是传统的模拟示波器的工作原理)。在被测信号的作用下,电子束就好像一支笔的笔尖,可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线,还可以用它测试各种不同的电量,如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。 展开全文
示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像,便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束,打在涂有荧光物质的屏面上,就可产生细小的光点(这是传统的模拟示波器的工作原理)。在被测信号的作用下,电子束就好像一支笔的笔尖,可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线,还可以用它测试各种不同的电量,如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。
信息
外文名
oscilloscope
领    域
工程技术
应用学科
机械工程;电测量仪器仪表
中文名
示波器
属    性
电子测量仪器
范    围
能源
示波器简介
示波器是一种用来测量交流电或脉冲电流波的形状的仪器,由电子管放大器、扫描振荡器、阴极射线管等组成。除观测电流的波形外,还可以测定频率、电压强度等。凡可以变为电效应的周期性物理过程都可以用示波器进行观测。
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  • 示波器

    千次阅读 2020-05-29 22:50:23
    物理仿真实验示波器 实验原理 1.示波器的基本结构 实验内容 1.用x轴的时基测信号的时间参数 测量示波器自带方波输出信号的周期(时基分别为0.1 ms/cm,0.2 ms/cm,0.5ms/cm)。哪种时基测出的数据更准确,为...

    物理仿真实验示波器

    实验原理

    1. 示波器的基本结构

    说明: 说明: image008

    说明: 说明: image010

    实验内容

    1. 用x轴的时基测信号的时间参数

    测量示波器自带方波输出信号的周期(时基分别为0.1 ms/cm,0.2 ms/cm,0.5ms/cm)。哪种时基测出的数据更准确,为什么?

    选择信号发生器的对称方波接y输入(幅度和y轴量程任选),信号频率为200Hz~2kHz(每隔200Hz测一次),选择示波器合适的时基,测量对应频率的厘米数、周期和频率。以信号发生器的频率为x轴,示波器频率为y轴,作y-x曲线,求出斜率并讨论。

    选择信号发生器的非对称方波接Y轴,频率分别为200,500,1      K,2K,5K,10K,20K(Hz),测量各频率时的周期和正波的宽度。

    选择信号发生器的输出为三角波,频率为500Hz、1kHz、1.5kHz,测量各个频率时的上升时间。下降时间和周期。

    2. 观察李萨如图形并测频率

    用两台信号发生器分别接y轴和x轴,取fx/fy等于1、1/2、2、2/3、3/4时,测出对应的频率,画出有关图形并求出待测信号的频率。

     

     

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    认识示波器及示波器应用图解

    示波器,就是显示波形的机器。它还被誉为“电子工程师的眼睛”,它的核心功能就是为了把被测信号的实际波形显示在屏幕上,以供工程师查找定位问题或评估系统性能等等。

    它的发展同样经历了模拟和数字两个时代,还是先来看图认识一下,如图1所示。

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    模拟示波器、数字示波器、示波器探头

    目前,模拟示波器也基本上被淘汰了,现在是数字示波器的天下。我们以数字示波器为例。

    数字示波器,更准确的名称是数字存储示波器,即DSO(Digital Storage Oscilloscope)。这个“存储”不是指它可以把波形存储到U盘等介质上,而是针对于模拟示波器的即时显示特性而言的。模拟示波器靠的是阴极射线管(CRT,即俗称的电子枪)发射出电子束,而这束电子在根据被测信号所形成的磁场下发生偏转,从而在荧屏上反映出被测信号的波形,这个过程是即时地,中间没有任何的存储过程的。而数字示波器的原理却是这样的:首先示波器利用前端ADC对被测信号进行快速的采样,这个采样速度通常都可以达到每秒几百M到几G次,是相当快的;而示波器的后端显示部件是液晶屏,液晶屏的刷新速率一般只有几十到一百多Hz;如此,前端采样的数据就不可能实时的反应到屏幕上,于是就诞生了存储这个环节:示波器把前端采样来的数据暂时保存在内部的存储器中,而显示刷新的时候再来这个存储器中读取数据,用这级存储环节解决前端采样和后端显示之间的速度差异。

    很多人在第一次见到示波器的时候,可能会被他面板上众多的按钮唬住,再加上示波器一般身价都比较高,所以对使用它就产生了一种畏惧情绪。这是不必要的,因为示波器虽然看起来很复杂,但实际上要使用它的核心功能——显示波形,并不复杂,只要三四个步骤就能搞定了,而现在示波器的复杂都是因为附加了很多辅助功能造成的,这些辅助功能自然都有它们的价值,熟练灵活的应用它们可以起到 的效果。作为初学者,我们先不管这些,我们只把它最核心的、最基本的功能应用起来即可。

    示波器的使用图解

    跟万用表类似,要使用示波器,首先也得把它和被测系统相连,用的是示波器探头,如图20-4所示。示波器一般都会有2个或4个通道(通常都会标有1~4的数字,而多余的那个探头插座是外部触发,一般用不到它),它们的低位是等同的,可以随便选择,把探头插到其中一个通道上,探头另一头的小夹子连接被测系统的参考地(这里一定要注意一个问题:示波器探头上的夹子是与大地即三插插头上的地线直接连通的,所以如果被测系统的参考地与大地之间存在电压差的话,将会导致示波器或被测系统的损坏),探针接触被测点,这样示波器就可以采集到该点的电压波形了(普通的探头不能用来测量电流,要测电流得选择专门的电流探头)。

    接下来就要通过调整示波器面板上的按钮,使被测波形以合适的大小显示在屏幕上了。只需要按照一个信号的两大要素——幅值和周期(频率与周期在概念上是等同的)来调整示波器的参数即可,如图2所示。

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    示波器幅值、时间轴旋钮

    如上图,在每个通道插座上方的旋钮,就是调整该通道的幅值的,即波形垂直方向大小的调整。转动它们,就可以改变示波器屏幕上每个竖格所代表的电压值,所以可称其为“伏格”调整,如以下两幅对比图所示:左图是1V/grid,右图是500mV/grid,左图波形的幅值占了2.5个格,所以是2.5V,右图波形的幅值占了5个格,也是2.5V。推荐是将波形调整到右图这个样子,因为此时波形占了整个测量范围的较大空间,可以提高波形测量的精度,如图3所示。

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    示波器伏格调整对比图

    除了图3通常上方的伏格旋钮外,通常还会在面板上找到一个大小相同的旋钮(不一定像图20-6所示的位置),这个旋钮是调整周期的,即波形水平方向大小的调整。转动它,就可以改变示波器屏幕上每个横格所代表的时间值,所以可称其为“秒格”调整,如以下两幅对比图所示:左图是500us/grid,右图是200us/grid,左图一个周期占2个格,周期是1ms,即频率为1KHz,右图一个周期占5个格,也是1ms,即1KHz。这里就没有哪个更合理的问题了,具体问题具体对待,它们都是很合理的,如图4所示。

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    示波器秒格调整对比图

    很多时候只进行上述两项调整的话,是能看到一个波形,但这个波形却很不稳定,左右乱颤,相互重叠,导致看不清楚,如图5所示。

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    示波器触发电平调整不当的示意图

    这就是因为示波器的触发没有调整好的缘故,那么什么是触发呢?简单点理解,所谓触发就是设定一个基准,让波形的采集和显示都围绕这个基准来。最常用的触发设置是基于电平的(也可基于时间等其它量,道理相同),大家看下上面的几张波形图,在左侧总有一个T和一个小箭头,T是触发的意思,这个小箭头指向的位置所对应的电压值就是当前的触发电平。示波器总是在波形经过这个电平的时候,把之前和之后的一部分存储并最终显示出来,于是就能看到图4、5所示的波形。如图6所示,我们可以看到, 波形也不会经过T所指的位置,即用永远达不到触发电平,所以失去了基准的波形看上去就不稳定了。怎么调节这个触发电平的位置呢,在示波器面板上找一个标了Trigger的旋钮,如下图,转动这个旋钮就可以改变这个T的位置了。

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    示波器触发旋钮

    除了可以改变触发电平的值以外,还可以设置触发的方式:比如选择上升沿还是下降沿触发,也就是选择让波形向上增加的时候经过触发电平还是向下减小的时候经过触发电平来完成触发,这些设置一般都是通过Trigger栏里的按钮和屏幕方便的菜单键来完成。

    只要经过上述的这三四步,你就可以把示波器的核心功能应用起来了,可以用它观察 系统的各个信号了。比如说上电后系统不运行,就用它来测一下晶振引脚的波形正常与否吧。需要注意的是,晶振引脚上的波形并不是方波,而是更像正弦波,而且晶振的两个脚上的波形是不一样的,一个幅值小一点的是作为输入的,一个幅值大一点的是作为输出的,如图7所示。

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    示波器实测的晶振波形

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    示波器有很多不同规格,确定了可捕获和测量信号的准确度。但是示波器的主要规格是其带宽。在电子工程在校学生实验中使用的示波器可能具有足够的带宽,可供教授将分配的大多数 (如果不是全部)实验使用。当您最终完成电子工程课程,进入电子行业工作时,很可能您需要从您公司的仪器池中选择一个示波器来对您的设计执行测试,或者可能被委派对各种要采购的示波器进行评估。本示波器带宽教程将为您提供一些有益的提示,告诉您如何选择具备数字和模拟应用的适当带宽的示波器。但是首先,让我们来定义示波器带宽。

    什么叫示波器带宽?示波器带宽的定义

    所有示波器都具有以较高频率展示的低通频率响应,如下图所示。大多数带宽规格为 1 GHz 以及更低的示波器通常具有高斯频率响应。示波器高斯频率响应近似于单极点低通滤波器,即您可能已在某些电路课程中学过而且可能绘制为波特图的一些内容。

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    示波器高斯频率响应

    按 3 dB 衰减输入信号的最低频率被视为示波器的带宽 (fBW)。以 -3 dB 频率执行信号衰减会转换为约 -30% 幅度误差。换句话说,如果将 1 Vp-p、100 MHz 正弦波输入 100 MHz 带宽示波器中,则使用此示波器测量的峰峰值电压会在约 700 mVp-p (-3 dB = 20 Log [0.707/1.0]) 的范围内。因此,您无法对示波器带宽周围具有超高频率的信号执行准确测量。

    与示波器的带宽规格密切相关的是其上升时间规格。具有高斯类型的频率响应的示波器的上升时间约为 0.35/fBW (基于 10% 至 90% 标准)。但是,您需要记住,示波器的上升时间不是示波器能够准确测量的最快边沿速度。而是当输入信号具有理论上无限快的上升时间 (0 ps) 时,示波器可能产生的最快边沿速度。尽管从实际角度看,这一理论规格无法测试 (由于脉冲发生器不具备无限快速边沿),但是您可以通过输入边沿速度比示波器的上升时间规格快 5 到 10 倍的脉冲,来测试示波器的上升时间。

    模拟应用所需的带宽

    多年前,大多数示波器供应商建议示波器的带宽至少应比最大输入信号频率高三倍。这一经验法则建议可能是您的教授想起来的。尽管此“3 倍”倍加系数不适用于基于时钟频率或边沿速度的数字应用,但是仍然适用于模拟应用,如调制 RF。要了解此 3:1 倍加系数从何而来,请看 1 GHz 带宽示波器的实际频率响应。

    下图 显示 Keysight 1 GHz 带宽示波器上测量的频率响应测试(1 MHz 到 2 GHz)。正如您看到的,测量的输出 (示波器显示屏上的波形)以恰好 1 GHz 的频率按稍小于 3 dB (Vo/Vi > 0.7) 的幅度衰减。要对模拟信号执行准确测量,您需要在频率波段中仍相对平坦且衰减最少的部分使用示波器。在示波器的 1 GHz 带宽的大约三分之一处,此示波器展现的衰减非常小 (-0.2 dB)。

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    Keysight 1 GHz 带宽示波器的实际频率响应

    数字应用所需的带宽

    目前的绝大多数电子工程毕业生在进入电子行业工作时,都会关注数字设计应用领域。每秒数千兆位范围内的数字时钟频率和串行数据链路在今天非常普遍。

    示波器带宽经验法则

    作为经验法则,示波器的带宽应至少比测试系统中的最快数字时钟频率高五倍。如果示波器符合此标准,则最高可捕获信号衰减最小的第五谐波。在确定数字信号的整体形状方面,此信号分量非常重要。

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    但是,如果需要对高速边沿执行准确测量,这一简单公式不会涉及上升沿和下降沿中嵌入的实际最高频率分量。

    步骤 1:确定最快实际边沿速度

    用于确定所需示波器带宽的一种更准确的方法是确定数字信号中存在的最大频率,而不是最大时钟频率。最大频率将基于设计中最快的边沿速度。因此,首先需要做的就是确定最快信号的上升和下降时间。通常可从在设计中使用的设备的已发布规格中获得此信息。

    步骤 2:计算 f knee

    随后您可以使用简单的公式计算最大“实际”频率分量。Dr. Howard W. Johnson 就这个主题写了一本书 《High-speed Digital Design – A Handbook of Black Magic》。1 他将此频率分量称为“拐点”频率 (fknee)。所有快速边沿都具有无限连续的频率分量。但是,快速边沿的频谱中存在一个转折点 (或“拐点”),在这个转折点上,高于 f knee 的频率分量在确定信号形状时可以忽略不计。

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    对于具有上升时间特征的信号(基于 10% - 90% 阈值),f knee 等于 0.5 除以信号的上升时间所得的结果。对于目前的许多设备规格中极为普遍且具有上升时间 特征的信号(基于 20% - 80% 阈值),f knee 等于 0.4 除以信号的上升时间所得的结果。现在,请不要将这些上升时间与示波器指定的上升时间混淆。我们讨论的是实际信号边沿速度。

    步骤 3:计算示波器带宽

    第三步是根据在测量上升和下降时间时所需的准确度,确定测量此信号所需的示波器带宽。Table 2 显示了具有高斯频率响应的示波器的各种准确度的倍加系数。

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    示例

    现在,我们来演练这一简单示例:

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    如果信号的近似上升/下降时间为 1 ns(基于 10% 到 90% 的标准),则信号中的最大实际频率分量 (fknee) 约为 500 MHz。

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    如果在对信号执行参数化上升时间和下降时间测量时最多可容许 20% 的定时错误,则可以对数字测量应用使用 500 MHz 带宽示波器。但是,如果需要的定时准确度在 3% 范围之内,则具有 1 GHz 带宽的示波器为更好的选择。

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    现在,让我们使用各种带宽示波器对具有本示例类似特征的数字时钟信号执行某些测量.

    数字时钟测量比较

    下图 显示使用 100 MHz 带宽示波器测量具有快速边沿速度的 100 MHz 数字时钟信号时产生的波形。正如您所看到的,此示波器主要对此时钟信号的 100 MHz 基础频率执行直通,因此将时钟信号表示为近似正弦波。100 MHz 示波器可能是适用于时钟频率在 10 MHz 到 20 MHz 范围内的许多基于 MCU 的 8 位设计的理想解决方案,但是,对于这种 100 MHz 数字时钟信号,100 MHz 带宽显然不足。

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    在 100 MHz 带宽示波器上捕获的 100 MHz 数字时钟信号

    在使用 500 MHz 带宽示波器的情况下,下图 显示了此示波器最高可捕获第五谐波,即我们的第一个经验法则建议。但是,当我们测量上升时间时,会看到示波器测量结果约为 750 ps。在这种情况下,示波器没有对此信号的上升时间执行非常准确的测量。示波器实际上是测量与其自身的上升时间 (700 ps) 较为接近的值,而不是输入信号的上升时间 (较接近 500 ps)。如果定时测量非常重要,我们需要对此数字测量应用使用更高带宽的示波器。

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    在 100 MHz 带宽示波器上捕获的 500 MHz 数字时钟信号

    当我们使用 1 GHz 带宽示波器捕获此 100 MHz 数字时钟时,结果是我们会立即拥有此信号较为准确的图片,如下图 所示。我们可以测量更快的上升和下降时间,观察较少的过冲,甚至可以观察较低带宽示波器屏蔽的微小反射。

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    在 1 GHz 带宽示波器上捕获的 100 MHz 数字时钟信号

    本示波器带宽相关教程着重介绍展现高斯频率响应的示波器,即具有 1 GHz 以及更低带宽规格的示波器中的典型。许多较高带宽示波器展现的频率响应具备较为明显的展示特征。使用此类频率响应时,段内频率 (低于 -3 dB 的频率)衰减较少,而段外频率 (高于 -3 dB 的频率)抑制为较高程度。此类频率响应(一开始便可达到近似的理想“砖墙”过滤器)有时称为“最平”频率响应。用于计算这些较高带宽示波器上所需的示波器带宽 (> 1 GHz) 的公式与本教程指南中提供的公式不同。

    好文推荐: 有关示波器探头的 11 个误解

    如果要了解有关示波器带宽的更多信息,可以访问:

    EDUX1052G 示波器:50 MHz 带宽,2 个模拟通道,内置波形发生器www.keysight.com
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    NEW! EDUX1052G 示波器在两个模拟通道上提供了 50 MHz 带宽,并配有波形发生器

    了解更多是德科技示波器(原安捷伦示波器),可点击:

    示波器 | Keysightwww.keysight.com
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    对于电子爱好者,工程师和技术人员而言,市面上种类繁多的示波器可能会让大家眼花缭乱。示波器有各种各样的参数,以及各种各样的功能,再配合上各种各样的价格,确实容易让人头大。

    对初学者而言,让我们忘记示波器的参数和价格还有各种各样的功能。先问自己几个问题:

    1.我需要带示波器外出吗?我需要一台便捷的示波器吗?我需要示波器可以带电池在户外使用吗?

    2.根据自己的实际工作情况,我最多需要同时测量几个信号?

    3.我所测量的信号电压在哪个范围,最大值和最小值是多少?

    4.我所测量的信号的最大频率是多少?

    5.我主要是测量重复性的信号,还是抓取异常信号?

    6.您需要对信号进行频域和时域分析吗?

    如果我们对上述几个问题的答案很清楚的话,那我们应该很容易筛选出合适的示波器。但如果我们对上述问题存在困惑的话,我们就应该学习一些下面的知识。

    模拟示波器和数字示波器的比较和差别

    无论是模拟示波器还是数字示波器,其作用都是用于测量信号。双方主要都是以时域为基础观察信号。由于信号在不同时间点是变化的,因此示波器里的纵横坐标轴分别代表信号的电压值和所处的时间。我们也可以从示波器的屏幕上观察到信号的异常和噪声等。

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    数字示波器相对于模拟示波器的原理性差别,在于数字示波器是通过模数转换器把模拟信号转换成了数字信号进行处理显示的。数字示波器把信号数字化后,除了显示信号的样子,还可以对信号进行各种计算,因此数字示波器的功能也是更多。老式的模拟示波器往往采用阴极射线显像管CRT来显示信号,老的数字示波器也是采用CRT,不过目前现代化的数字示波器一般都已经采用LCD液晶显示屏了。由于这2者并没改变示波器的原理,因此业内不存在CRT示波器和LCD示波器的叫法。

    随着时间的推移,模拟示波器所剩下的优点,也就只有价格了。模拟示波器没有存储数据和分析波形能力,触发功能也有限,捕获单次和偶发信号的能力也不行,而且由于其内部采用了大量模拟器件,随着时间温度变化这些器件也会发生变化,因此性能也不稳定。

    目前,几乎所有的参数,数字示波器都开始全面超越模拟示波器了。未来,模拟示波器的淘汰几乎是不可避免的。考虑到示波器的使用寿命十分漫长,以及未来电子领域的发展,我强烈建议大家如果现在买示波器,就直接买数字示波器即可。我们来看看数字示波器的一些参数。

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    带宽

    示波器的前端衰减器和放大器决定了示波器的带宽,示波器的带宽决定了示波器最大能测量的信号频率范围。按照定义,100M带宽的示波器测量100MHz频率,1V的正弦波,信号大小会衰减到0.707V。如果你拿一个50M带宽的示波器去测500M频率的正弦波,信号是绝对会失真无疑的。根据示波器带宽的理论,假设我们测量的信号最大频率在20MHz,那么购买100MHz以上带宽的示波器即可。

    采样率和存储深度

    ADC模数转换器和RAM高速存储器影响着示波器的另外两大指标:采样率和存储深度。根据奈奎斯特(Nyquist)定律, 如果被测信号带宽是有限的,那么在对信号进行采样和量化时,如果采样率是被测信号带宽的2倍以上,就可以完全重建或恢复出信号中承载的信息而不会产生混叠。事实上,市面上的示波器采样率一般都在带宽的5倍以上。

    这里需要注意的是等效采样率和实时采样率的区别,一般价格特别低的示波器如果标注的采样率却很高,就要特别注意厂家标注的是不是等效采样率。

    示波器的采样率 = 存储深度 ÷ 波形记录时长

    所以你看,示波器的采样率是随着波形记录时长而改变的,而其改变的快慢受存储深度影响,示波器的存储深度越大,在长时间记录信号的时候,采样率就越不容易降低。

    垂直分辨率

    大多数示波器的垂直分辨率都在8位,这意味着电压值可以被分为256份,如果测量的电压在±1V范围内,那么每份最大可以被精细到7.8125mV, 这对分析数字信号来说也足够了。

    8位ADC的直流增益精度一般在±2到3%以内。

    触发

    示波器的触发功能乃示波器的灵魂功能,正是因为有了它,我们才可以稳定的观察波形,否则信号无时不刻在屏幕里变化,我们也就无法分析信号做出判断了。

    大多数示波器有的触发功能就是边沿触发,这也是最基础的。但也有一些示波器会提供更加丰富的触发方式,可以满足用户多样化的信号触发需求。

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    测量范围

    一般来说,由于探头衰减比的存在,示波器能测多大电压只和示波器探头有关。比如测量上千伏的高压,就要选购高压探头,示波器标配的探头一般只能测量几百伏的峰值。

    但是也要注意查看示波器的通道衰减比选择,以及示波器的通道垂直档位范围。先把示波器通道衰减比打到1X,查看垂直档位范围,比如1mV/div-10V/div。然后根据示波器可以设置的通道衰减比就可以知道示波器的电压测量范围了。

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    万次阅读 2018-05-22 21:11:40
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空空如也

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