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示波器

示波器显示信号如何随时间变化。

万用表可以显示"约3.3V"或"有频率"。示波器显示信号形状：脉冲、边缘、下垂、噪声、弹跳、UART数据包、PWM。

Screen of a digital oscilloscope

Source: Wikimedia Commons, premek.v, Public Domain

示波器屏幕上的 PWM 信号如下所示：

Animation of PWM: duty cycle change and signal waveform

Source: Wikimedia Commons, Mik81, CC0 Public Domain

您不需要为每个简单的构建都配备一个。但是，当设备运行不稳定时，示波器可以在几分钟内显示万用表无法看到的内容。

你能看到什么

在类似 iDryer 的设备中，示波器可用于查看：

  • fan PWM;
  • MOSFET module PWM;
  • UART TX/RX;
  • 5V or 3.3V sag at servo startup;
  • power supply noise;
  • button bounce;
  • tachometric fan signal;
  • 万用表平均消除的短暂故障。

示波器不仅可以回答“是否有电压”，还可以回答“信号随时间变化的情况”。

最重要的警告

大多数台式示波器的探头接地连接到电源保护接地。

这意味着：探头的接地夹不仅仅是“另一根电线”。

如果将接地夹连接到低压电路的 GND 以外的点，则可以通过示波器创建短路。

用普通示波器进入市电110-230V交流部分、SSR、电源或高压部分尤其危险。

你不能：

  • 断开示波器接地以进行“浮动”测量；
  • 将探头接地连接到相或另一个电压点；
  • 在不了解电路的情况下用普通探头测量市电电压；
  • 假设两个通道完全独立：通道接地通常连接在一起。

对于浮动测量、高侧测量和高压测量，您需要正确的方法：差分探头、隔离设备或其他安全方法。

如何连接探头

对于低压电路：

  1. 将探头连接到示波器。
  2. 将探头接地连接到设备的 GND。
  3. 将探头尖端连接到信号。
  4. 选择正确的探头设置：10x 或 10x。
  5. 确保示波器设置为相同的系数。

对于大多数数字信号，请使用 10x：探头对电路的负载较小，通常可以更好地显示信号形状。

PWM

PWM is a pulse signal.

示波器显示：

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

对于风扇或 MOSFET，这有助于理解：

  • 引脚是否输出信号；
  • 3.3V或5V电平是否足够；
  • 频率是否与设定相符；
  • 占空比是否根据命令改变；
  • 连接负载时信号是否不会下垂。

UART

示波器上的 UART 看起来像一个脉冲序列。

示波器有助于查看：

  • TX 上是否有活动；
  • 逻辑电平是否不交换；
  • 空闲级别是多少；
  • 是否有强烈噪音；
  • whether baud rate roughly matches.

对于文本解码，逻辑分析仪或 USB-UART 适配器更方便。但示波器可以快速显示信号是否有效。

Power supply sag

万用表可能看不到短暂的电压下降。

例如，当伺服系统启动时，5V 线路可能会下降几毫秒。万用表显示5V几乎正常，但控制器已经重新启动。

An oscilloscope lets you see:

  • 电压下降多少；
  • 下垂持续多久；
  • 是否有尖峰；
  • whether a capacitor helps;
  • 情况是否因不同的电源或电线而改变。

这对于 ESP32、伺服系统、风扇和 DC-DC 特别有用。

噪音和干扰

电源或信号线上的噪声可能会破坏传感器和通信。

An oscilloscope helps see:

  • DC-DC ripple;
  • motor spikes;
  • 加热器附近的噪音；
  • button bounce;
  • 长电线上的干扰。

但要了解其局限性：探头接地不良可能会增加显示器本身的噪声。短探头接地弹簧或短接地线通常比长夹子提供更真实的图像。

带频率测量功能的万用表

有时初始检查不需要示波器。

一些万用表可以测量信号频率。在规范中，这可能称为 frequency、frequency counter 或 frequency counter。

如果您需要快速理解以下内容，这很有用：

  • whether a PWM signal exists at all;
  • 频率是否随调整而变化；
  • 控制器输出是否工作；
  • 简单数字线路上是否有活动。

例如，如果控制器要向风扇或MOSFET模块输出PWM，测频万用表可以显示信号存在并且其频率与预期值大致匹配。

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

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

因此，测频万用表是快速检查的好工具，但不能完全替代示波器。

测量前要检查什么

连接探头之前：

  1. 电路中的GND是什么？
  2. 该点是否连接到电源保护接地？
  3. 没有市电电压吗？
  4. 探头的额定电压是多少？
  5. 如果需要的话是否选择10x？
  6. 探头和通道设置是否相同？
  7. 通道地不连接不同的电路点吗？
  8. 可以先检查一下低压侧的信号吗？

如果您对 110-230V AC 有疑问，请勿连接示波器。

常见错误

  • 接地夹连接到电压点，而不是 GND；
  • 试图将示波器接地与电源“断开”；
  • 使用无差动的普通探头测量电源电压；
  • 忘记通道接地已连接；
  • 探头设置为 1x，示波器设置为 1x；
  • 使用长探头接地并看到额外的噪声；
  • 仅用万用表查看并错过了短暂的电压下降；
  • 当线路上没有物理信号时，认为 UART 问题是软件问题。

要点

  • An oscilloscope shows signal shape over time.
  • 它对于 PWM、UART、功率骤降、噪声和短暂毛刺非常有用。
  • 普通台式示波器接地连接到电源保护接地。
  • 您不能将探头接地连接到任意电路点。
  • 对于干线和浮动测量，需要特殊的安全方法。
  • 测频万用表很有用，但不能替代示波器。

Reference materials