高手修車都用示波器：示波器是什么？如何選購(gòu)？

中鑫之寶汽車服務(wù)有限公司 任賀新

大多數(shù)汽車維修人員沒用過示波器，習(xí)慣于使用萬用表檢測(cè)汽車故障，對(duì)示波器的功能不了解，認(rèn)為它非常神秘。下面筆者通過介紹示波器的一些主要性能參數(shù)，來為大家揭開它的面紗。

1 為什么要用示波器修車？

數(shù)字式萬用表的刷新速度通常是2次/s（部分高端萬用表能達(dá)到4次/s），若用它測(cè)量一個(gè)信號(hào)電壓，會(huì)在顯示屏上顯示一個(gè)讀數(shù)，這并非實(shí)際電壓，受限于較慢的刷新速度，這只是平均電壓。舉個(gè)例子，圖1為可變氣門正時(shí)電磁閥電路，紅色線路為供電線，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元控制藍(lán)色線（控制線）搭鐵，使電磁閥工作。將數(shù)字式萬用表的紅表筆接在控制線上，黑色表筆接搭鐵，測(cè)得的電壓約為8.7 V，這是實(shí)際電壓?jiǎn)幔坑檬静ㄆ鳒y(cè)得該控制線上的電壓波形如圖2所示，可以看出，控制線上的電壓在低電位（約為0.28 V）和高電位（約為14.6 V）之間來回變化，計(jì)算出的平均電壓為8.74 V。其實(shí)這是一個(gè)占空比信號(hào)，周期約為4 ms，電磁閥通電時(shí)間占一個(gè)周期的比例約為40%，也就是說閥門的開度約為40%。

圖1 可變氣門正時(shí)電磁閥電路

圖2 可變氣門正時(shí)電磁閥控制線上的電壓波形（截屏）

示波器的刷新速度非?？?，超過每秒百萬次，能在極短的時(shí)間內(nèi)采集多個(gè)電壓數(shù)值，并將其繪制成曲線，以圖像的形式呈現(xiàn)出來，讓維修人員能夠直觀地看到信號(hào)是如何變化的，與其他測(cè)量設(shè)備相比，示波器具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

2 示波器有哪些類型？

示波器可分為模擬示波器和數(shù)字示波器。模擬示波器（圖3）像老式的顯像管電視機(jī)，它利用狹窄的、由高速電子組成的電子束，打在涂有熒光物質(zhì)的屏面上，就可產(chǎn)生細(xì)小的光點(diǎn)。在被測(cè)信號(hào)的作用下，電子束就好像一支筆的筆尖，可以在屏面上描繪出被測(cè)信號(hào)的變化曲線。

圖3 模擬示波器

模擬示波器的分辨率高，圖像細(xì)膩、真實(shí)，對(duì)信號(hào)的測(cè)量是連續(xù)進(jìn)行的，并且能夠?qū)崟r(shí)顯示波形，但是它沒有存儲(chǔ)功能，突變信號(hào)一閃而過，不能保持在屏幕上，同時(shí)模擬示波器體積大、笨重，工作時(shí)需要連接220 V電源，因此維修汽車不使用模擬示波器。

數(shù)字示波器中最常見的是數(shù)字存儲(chǔ)示波器（Digital Storage Oscilloscope，簡(jiǎn)稱DSO），這種示波器能夠存儲(chǔ)波形，它是如何做到的？DSO的信號(hào)處理過程如圖4所示，不要被一大堆未知的名詞嚇跑了，做汽車維修不需要深入學(xué)習(xí)這方面的知識(shí)。從名字就能看出，DSO存儲(chǔ)的是數(shù)字信號(hào)，可以把這種信號(hào)理解為一個(gè)開關(guān)，只有 “斷開”和“接通”兩種狀態(tài)，即“0”和“1”的變化。

圖4 DSO的信號(hào)處理過程

探頭（相當(dāng)于萬用表的表筆）向DSO輸入一個(gè)連續(xù)變化的電壓，這是模擬信號(hào)，前端放大器能將微弱的電壓信號(hào)放大，提高DSO的靈敏度。中央處理器只能處理數(shù)字信號(hào)，所以必須把連續(xù)信號(hào)數(shù)字化，這個(gè)過程是怎么實(shí)現(xiàn)的？如圖5所示，模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器等時(shí)間間隔地采集電壓樣本，再將這些電壓樣本轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)，并按照順序存入存儲(chǔ)器。波形是怎樣顯示在屏幕上的？中央處理器按原順序讀取存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，然后將其轉(zhuǎn)換為合適的格式輸出給顯示屏，就可以顯示波形了。

圖5 DSO的信號(hào)采樣和存儲(chǔ)過程

通過上述描述可以看出，DSO的信號(hào)處理過程主要分為“采樣存儲(chǔ)”和“處理顯示”兩個(gè)階段，這兩個(gè)階段只能交替進(jìn)行，即“采樣存儲(chǔ)”期間無法“處理顯示”，“處理顯示”期間停止“采樣存儲(chǔ)”，因此DSO不能實(shí)時(shí)顯示波形，這會(huì)導(dǎo)致丟失一部分信號(hào)波形，但無需對(duì)此擔(dān)心，DSO處理信號(hào)的速度非?？?，丟失的波形很少，不會(huì)對(duì)使用造成影響。

DSO能長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)波形，其內(nèi)部的微型中央處理器有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，可以實(shí)現(xiàn)多種波形參數(shù)的測(cè)量和顯示，還能進(jìn)行加減乘除等多種復(fù)雜的運(yùn)算，因此維修汽車使用DSO。

3 數(shù)字示波器有哪些性能指標(biāo)？

隨著汽車電氣化程度的提高，示波器在汽車維修領(lǐng)域逐漸普及起來，市場(chǎng)上的示波器種類及品牌多如牛毛，價(jià)格從幾百元到幾萬元不等，如何判斷一臺(tái)示波器的好壞呢？可以從通道、帶寬、采樣率、存儲(chǔ)深度及垂直分辨率等參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1 通道

通道即同時(shí)可測(cè)量的信號(hào)數(shù)量，通道越多，可比較性越好，允許同時(shí)觀察更多的信號(hào)，示波器的價(jià)格也更貴。比如檢查發(fā)動(dòng)機(jī)配氣正時(shí)，至少需要2個(gè)通道，一個(gè)通道測(cè)量凸輪軸位置傳感器，另一個(gè)通道測(cè)量曲軸位置傳感器，而對(duì)于1臺(tái)配備了雙可變配氣正時(shí)機(jī)構(gòu)的4缸發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)、排氣凸輪軸都帶位置傳感器，就得用3個(gè)通道，使用雙通道示波器只能分2次測(cè)量。

通道并非越多越好，采用多通道運(yùn)行會(huì)降低示波器的性能，比如采樣率和存儲(chǔ)深度。汽車維修一般使用2通道或4通道示波器。

3.2 帶寬

帶寬指信號(hào)可通過示波器前端放大器的最高頻率，相當(dāng)于一扇“門”，如果被測(cè)信號(hào)的頻率高于示波器的帶寬，將無法通過這道“門”。在選擇帶寬時(shí)，可以使用“5倍法則”，即示波器的帶寬至少是被測(cè)信號(hào)最大頻率的5倍。比如高速CAN總線的傳輸速率為500 kbit/s，理論上帶寬為2.5 MHz的示波器就夠用了，而大多數(shù)汽車專用示波器的帶寬都在20 MHz以上，已經(jīng)遠(yuǎn)超需求。

3.3 采樣率

模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器等時(shí)間間隔地采集電壓樣本，并把該電壓轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)，這就是DSO的采樣。示波器的采樣率表示每秒的采樣次數(shù)，它的單位是兆樣本每秒（MS/s，M Sample/second）或千兆樣本每秒（GS/s，G Sample/second），比如pico汽車專用示波器的采樣率為400 MS/s，意味著每秒可采集4億個(gè)樣本。

采樣率決定了示波器可以捕獲多少波形細(xì)節(jié)。采樣率越高，意味著采樣之間的時(shí)間間隔越小，重建出來的波形就越接近原始信號(hào)。為了最大程度發(fā)揮示波器的性能，筆者再次推薦“5倍法則”，即采樣率最低是帶寬的5倍，比如示波器的帶寬為20 MHz，采樣率至少為100 MS/s（這里指單個(gè)通道的采樣率）。

示波器的采樣率和帶寬不同，當(dāng)打開多個(gè)通道的時(shí)候，采樣率會(huì)被每個(gè)通道平均分配，比如示波器的采樣率為400 MS/s，使用2個(gè)通道時(shí)，每個(gè)通道的采樣率降低為200 MS/s。

3.4 存儲(chǔ)深度

存儲(chǔ)深度英文叫“Record Length”，有時(shí)翻譯成“存儲(chǔ)長(zhǎng)度”或“記錄長(zhǎng)度”，都是一個(gè)意思。存儲(chǔ)深度表示示波器可以保存的采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)，單位為kpts（kS）或Mpts（MS），pts是points的縮寫，意思是采樣點(diǎn)，比如示波器的存儲(chǔ)深度為1 Mpts，意味著它可以保存100萬個(gè)采樣點(diǎn)。

在存儲(chǔ)深度一定的情況下，采樣率越高，存儲(chǔ)器存滿的速度越快，反之亦然，采樣率和存儲(chǔ)深度之間的關(guān)系為：存儲(chǔ)深度=采樣率×波形時(shí)長(zhǎng)。例如，假設(shè)某款示波器的采樣率為200 MS/s，水平軸（時(shí)間軸）滿屏幕為10格，設(shè)置時(shí)基為10 ms/格，則每屏幕采樣時(shí)間是100 ms（10 ms/格×10格），需要示波器的存儲(chǔ)深度為20 Mpts（200 MS/s×100 ms）；設(shè)置時(shí)基為100 ms/格，則每屏幕采樣時(shí)間是1 s（100 ms/格×10格），需要示波器的存儲(chǔ)深度為200 Mpts。如果該款示波器的存儲(chǔ)深度只有2 Mpts，由于存儲(chǔ)深度是固定的，只能通過降低采樣率達(dá)到目的，在第1種時(shí)基設(shè)置情況下，示波器的實(shí)際采樣率降低至20 MS/s；在第2種時(shí)基設(shè)置情況下，示波器的實(shí)際采樣率為2 MS/s，這勢(shì)必造成波形質(zhì)量下降。

當(dāng)打開多個(gè)通道時(shí)，存儲(chǔ)深度也會(huì)被每個(gè)通道平均分配，比如示波器的存儲(chǔ)深度為2 Mpts，使用2個(gè)通道時(shí)，每個(gè)通道的存儲(chǔ)深度降低為1 Mpts。

示波器的存儲(chǔ)深度是一項(xiàng)重要的指標(biāo)，如果存儲(chǔ)深度不足，根本無法實(shí)現(xiàn)示波器標(biāo)稱的采樣率，只能以較低的實(shí)際采樣率工作。示波器中的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器采樣速率太快，普通存儲(chǔ)介質(zhì)的數(shù)據(jù)“吞吐”速度跟不上，怎樣將采樣點(diǎn)高速地傳輸?shù)酱鎯?chǔ)器中是一個(gè)難題！很多低端示波器的存儲(chǔ)深度都小得可憐，大家在購(gòu)買前一定要擦亮眼睛。

診斷汽車故障時(shí)，有的故障是偶發(fā)瞬態(tài)出現(xiàn)的，需要使用一款能同時(shí)提供大存儲(chǔ)深度和高采樣率的示波器。筆者建議，汽車示波器的存儲(chǔ)深度至少要達(dá)到1 Mpts（這里指單個(gè)通道的存儲(chǔ)深度）。

3.5 垂直分辨率

分辨率指的是縱橫向上的采樣點(diǎn)數(shù)，它決定了展示波形細(xì)節(jié)的精細(xì)度，其中水平分辨率取決于存儲(chǔ)深度，以屏幕每格含多少個(gè)取樣點(diǎn)表示。垂直分辨率取決于模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨率，表示示波器將輸入電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字值的精確程度。圖6中示波器的屏幕坐標(biāo)刻度為8×12格，若采用容量為1 kpts的存儲(chǔ)器，則水平分辨率為1 024點(diǎn)÷12格≈85點(diǎn)/格。若使用8位的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，二進(jìn)制從0000 0000到1111 1111共28個(gè)數(shù)字，即屏幕在垂直方向上可以被切分成256段，它在垂直方向上的測(cè)量精度為256級(jí)÷8格=32級(jí)/格。選擇電壓擋位為1 V/格時(shí)，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器能分辨的電壓為1 000 mV÷25.6≈39 mV；測(cè)量同一個(gè)信號(hào)，選擇電壓擋位為5 V/格時(shí)，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器能分辨的電壓為5 000 mV÷25.6≈195 mV。DSO無法測(cè)量小于分辨電壓的信號(hào)，所以在使用示波器時(shí)，應(yīng)調(diào)整好幅值，盡量使波形占滿示波器屏幕，這樣能提高垂直精度，使測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確。

圖6 示波器屏幕

普通示波器的垂直分辨率為8位，部分高端示波器的垂直分辨率可達(dá)12位，這意味著屏幕在垂直方向上可以被切分成4 096段，若屏幕縱向上是10格，它在垂直方向上的測(cè)量精度為4 096級(jí)÷10格=409.6級(jí)/格，精確度提高16倍。

示波器的主要功能是顯示波形的形狀，測(cè)量準(zhǔn)確度一般在2%以內(nèi)，受限于垂直分辨率，示波器的測(cè)量精度是不如萬用表的。每種設(shè)備都有自己的優(yōu)勢(shì)，如果追求電壓的準(zhǔn)確度，建議使用萬用表。

4 如何選擇示波器的外觀形式？

數(shù)字示波器不僅參數(shù)指標(biāo)眾多，還有很多種外觀形式，比如手持式、臺(tái)式、平板等，這也是很多示波器愛好者關(guān)心的話題，筆者順帶介紹一下。

（1）臺(tái)式數(shù)字示波器的價(jià)格便宜，性價(jià)比較高，但體積大、笨重，需要連接220 V電源。維修汽車一般不使用這種示波器。

（2）手持?jǐn)?shù)字示波器的優(yōu)點(diǎn)是自帶電池，不用外接電源，體積小（比萬用表略大），缺點(diǎn)是屏幕太小，屏幕分辨率不高，適合汽車維修使用。

（3）平板數(shù)字示波器的外觀像平板電腦，屏幕大，觸控操作，自帶電源，也適合汽車維修使用。

（4）虛擬數(shù)字示波器不帶顯示屏，通過USB線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X顯示，缺點(diǎn)是維修時(shí)還得拿1臺(tái)筆記本電腦，優(yōu)點(diǎn)是高清大屏顯示，便于觀察和存儲(chǔ)波形，軟件操作人性化，同樣適合汽車維修使用。

筆者使用的就是pico品牌的虛擬示波器，低端的虛擬示波器不好用，要買就得買高端的，否則建議選擇其他種類的示波器。很多品牌都推出了汽車專用示波器，它只是簡(jiǎn)化了參數(shù)設(shè)置環(huán)節(jié)，比如幅值、時(shí)基等，并給出少量的維修資料，筆者認(rèn)為實(shí)際作用不大，示波器的好壞還得看性能指標(biāo)。