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示波器

示波器顯示信號如何隨時間變化。

萬用表可以顯示"約3.3V"或"有頻率"。示波器顯示信號形狀：脈衝、邊緣、下垂、噪聲、彈跳、UART數據包、PWM。

Screen of a digital oscilloscope

Source: Wikimedia Commons, premek.v, Public Domain

示波器螢幕上的 PWM 訊號如下所示：

Animation of PWM: duty cycle change and signal waveform

Source: Wikimedia Commons, Mik81, CC0 Public Domain

您不需要為每個簡單的構建都配備一個。但是，當設備運作不穩定時，示波器可以在幾分鐘內顯示萬用電表無法看到的內容。

你能看到什麼

在類似 iDryer 的設備中，示波器可用於檢視：

  • fan PWM;
  • MOSFET module PWM;
  • UART TX/RX;
  • 5V or 3.3V sag at servo startup;
  • power supply noise;
  • button bounce;
  • tachometric fan signal;
  • 萬用電錶平均消除的短暫故障。

示波器不僅可以回答“是否有電壓”，還可以回答“訊號隨時間變化的情況”。

最重要的警告

大多數桌上型示波器的探頭接地連接到電源保護接地。

這意味著：探頭的接地夾不僅僅是「另一根電線」。

如果將接地夾連接到低電壓電路的 GND 以外的點，則可以透過示波器建立短路。

用普通示波器進入市電110-230V交流部分、SSR、電源或高壓部分尤其危險。

你不能：

  • 斷開示波器接地以進行“浮動”測量；
  • 將探頭接地連接到相或另一個電壓點；
  • 在不了解電路的情況下用普通探頭測量市電電壓；
  • 假設兩個通道完全獨立：通道接地通常連接在一起。

對於浮動測量、高側測量和高壓測量，您需要正確的方法：差分探頭、隔離設備或其他安全方法。

如何連接探頭

對於低電壓電路：

  1. 將探頭連接到示波器。
  2. 將探頭接地連接到設備的 GND。
  3. 將探頭尖端連接到訊號。
  4. 選擇正確的探頭設定：10x 或 10x。
  5. 確保示波器設定為相同的係數。

對於大多數數位訊號，請使用 10x：探頭對電路的負載較小，通常可以更好地顯示訊號形狀。

PWM

PWM is a pulse signal.

示波器顯示：

  • frequency;
  • duty cycle;
  • logic high level;
  • logic low level;
  • edges;
  • jitter;
  • noise.

對於風扇或 MOSFET，這有助於理解：

  • 引腳是否輸出訊號；
  • 3.3V或5V電平是否足夠；
  • 頻率是否與設定相符；
  • 佔空比是否根據命令改變；
  • 連接負載時訊號是否不會下垂。

UART

示波器上的 UART 看起來像是脈衝序列。

示波器有助於檢視：

  • TX 上是否有活動；
  • 邏輯電平是否不交換；
  • 空閒等級是多少；
  • 是否有強烈噪音；
  • whether baud rate roughly matches.

對於文字解碼，邏輯分析儀或 USB-UART 轉接器更方便。但示波器可以快速顯示訊號是否有效。

Power supply sag

萬用電表可能看不到短暫的電壓下降。

例如，當伺服系統啟動時，5V 線路可能會下降幾毫秒。萬用電表顯示5V幾乎正常，但控制器已經重新啟動。

An oscilloscope lets you see:

  • 電壓下降多少；
  • 下垂持續多久；
  • 是否有尖峰；
  • whether a capacitor helps;
  • 情況是否因不同的電源或電線而改變。

這對於 ESP32、伺服系統、風扇和 DC-DC 特別有用。

噪音和乾擾

電源或訊號線上的雜訊可能會破壞感測器和通訊。

An oscilloscope helps see:

  • DC-DC ripple;
  • motor spikes;
  • 加熱器附近的噪音；
  • button bounce;
  • 長電線上的干擾。

但要了解其限制：探頭接地不良可能會增加顯示器本身的雜訊。短探頭接地彈簧或短接地線通常比長夾子提供更真實的影像。

帶頻率測量功能的萬用電錶

有時初始檢查不需要示波器。

一些萬用電表可以測量訊號頻率。在規範中，這可能稱為 frequency、frequency counter 或 frequency counter。

如果您需要快速理解以下內容，這很有用：

  • whether a PWM signal exists at all;
  • 頻率是否隨調整而變化；
  • 控制器輸出是否工作；
  • 簡單數字線路上是否有活動。

例如，如果控制器要向風扇或MOSFET模組輸出PWM，則測頻萬用電表可以顯示訊號存在並且其頻率與預期值大致相符。

But a multimeter doesn't show signal shape. It won't show:

  • logic high level;
  • pulse width;
  • PWM duty cycle;
  • signal edges;
  • brief dips;
  • 噪音和乾擾；
  • line distortion.

因此，測頻萬用電表是快速檢查的好工具，但不能完全取代示波器。

測量前要檢查什麼

連接探頭之前：

  1. 電路中的GND是什麼？
  2. 該點是否連接到電源保護接地？
  3. 沒有市電電壓嗎？
  4. 探頭的額定電壓是多少？
  5. 如果需要的話是否選擇10x？
  6. 探頭和頻道設定是否相同？
  7. 通道地不連接不同的電路點嗎？
  8. 可以先檢查一下低壓側的訊號嗎？

如果您對 110-230V AC 有疑問，請勿連接示波器。

常見錯誤

  • 接地夾連接到電壓點，而不是 GND；
  • 試圖將示波器接地與電源「斷開」；
  • 使用無差動的普通探頭測量電源電壓；
  • 忘記通道接地已連接；
  • 探頭設定為 1x，示波器設定為 1x；
  • 使用長探頭接地並看到額外的噪音；
  • 僅用萬用電表查看並錯過了短暫的電壓下降；
  • 當線路上沒有實體訊號時，認為 UART 問題是軟體問題。

重點

  • An oscilloscope shows signal shape over time.
  • 它對於 PWM、UART、功率驟降、噪音和短暫毛邊非常有用。
  • 普通桌上型示波器接地連接到電源保護接地。
  • 您不能將探頭接地連接到任意電路點。
  • 對於乾線和浮動測量，需要特殊的安全方法。
  • 測頻萬用電表很有用，但不能取代示波器。

Reference materials