神奇的電學 電學小課堂：3V電源在示波器里竟變噪聲怪獸？真相顛覆認知！

發明天才的人真是臺數字試波器 這是一顆設定電壓爲3伏的直流電源 用萬用表能精確測量出它的數值 但是它在試波器裏的顯示卻慘不忍睹 滿屏充斥着各種噪聲陣幅 相比之下 我們用兩節電池串聯的三伏電池組 卻能提供乾淨又衛生的恆定信號 然而它也不是標準的三伏 所以說 萬用表的作用是給你一個準確的數值 而試波器呢 則是展示電信號實際發生的情況 它的外觀和操作看上去非常複雜 但真正使用起來也是一點都不簡單 萬用表可以快速告訴我們電壓 電阻 電流 電容等各種數值 而試波器則只能顯示我們稱之爲信號的電壓與時間 這個信號可能是一條直線 也可能是一段正弦波 另外還有方波 脈衝 或者更復雜的圖形 試波器的型號有很多種 但它們都包含有水平控制區 垂直控制區 觸發控制區 和功能菜單區 信號輸入的接口 我們稱之爲通道 從小白入手的入門版 到業餘版 專業版 甚至是擁有觸摸屏的高級版 試波器的型號還是非常多的 而它們的主要區別就是帶寬和採樣率 帶寬指的是設備能夠可靠讀取電壓信號的最大頻率 比如我們手中有一臺50MHz和1000MHz的試波器 當我們測量10MHz的10V峯峯值正弦波信號時 它們的讀數都接近真實值 但隨着頻率的增加 電壓的讀數就變得不那麼準確了 因此帶寬肯定是越高越好 但價格嘛也是越來越貴 試波器的另一個參數就是採樣率 比如這個1000M每秒的樣本 它意味着每秒鐘可對波形進行多達10億次的測量 這對於一般的電子產品來說夠用了 但如果是超高頻信號 你還要買更貴的試波器才能在屏幕上重建出更優秀的信號 而且在你同時使用兩個通道時 採樣率還會被減半 所以我們在選擇試波器時 一定要確保其採樣率達到背側電路信號頻率的5-20倍纔行 OK 讓我們趕緊給試波器插上電 按下電源按鈕 幾秒鐘後你就會看到一個帶有網格的空白屏幕 你的設備可能有兩個或者四個通道 這也是屏幕上一次可查看的信號數量 比如你可以通過雙通道同時查看電路的輸入與輸出信號 通道的端子一般採用不同的顏色編碼 並與屏幕上的信號顏色相匹配 當然對應的探頭上也可更換不同的色環標識 通道一般使用BNC接口 對應探頭的BNC連接器 交互時只需輕輕插入並蠕動 當前端捅入最深處後 擰緊鎖定螺絲就可以了 在探針另一頭 一般由錐形探頭和接地鱷魚夾兩部分組成 在工作時接地鱷會連接測試電路的公共地線 而探針的尖端則用來接觸相應的測試點 在手柄的中心有一個衰減開關 我們將它切換至成實檔 此時屏幕上就會出現一些雜波 其實這只是探頭拾取的環境噪音 將其與地線夾接觸 這個雜波就會消失 在施波器的某個角落 總會存在兩個突出的金屬角 我們用接地鱷連接帶有接地符號的一端 然後下拉探針尖端露出一個金屬小勾 並將其連接到另一個金屬角 不同的設備可能使用的標識符號不同 此時你的屏幕上應該會顯示一些東西 不着急 咱們先按下通道1的按鈕 並檢查是否選擇了DC偶合 以及探頭是否顯示成實檔位 確定後按下自動按鈕 施波器將自動調整比例來查看信號 恭喜你 你剛剛的操作完成了你人生第一個信號輸出 理論上它是一個方波 但是我們看到的卻不是個正方形 這是因爲你手頭的探測器是你第一次用 還沒有接過校準 再次按下自動按鈕並選擇單個週期選項 隨後調節垂直與水平比例來改善顯示效果 翻轉探針手柄 你會發現上面有一個隱藏的補償螺絲 有的也可能在連接器上 使用附帶的調節工具慢慢轉動螺絲 直到屏幕上顯示出標準的方波形狀 OK 至此你的施波器就算是校準完畢了 接下來我們觀察一下屏幕上的顯示 它內部有網格狀的輔助線組成 其中縱軸表示電壓 橫軸表示繪製時間 其中任意一個方格稱作分區 在屏幕左下角會顯示縱軸每一格代表的單位 此時爲500mV 也就是縱向一格代表500mV的電壓 信號在屏幕中自上而下間隔了6個正方形 6乘以500等於3000mV 也就是3V 所以此時輸入的就是一個3V電壓 接下來將垂直刻度向左轉動 顯示單位會從每根500mV變爲1V 屏幕信號降低 但這樣仍然可以通過網格計算出3V的輸入 再次按下通道1 將設置切換爲精細 我們就能通過旋鈕進行更加細微的調整 還可以通過垂直位置撥盤來移動屏幕上的信號 那如果旋轉水平刻度盤呢 它將會增減信號顯示的週期數 每一格的時間單位也會改變 通過左上角的顯示能看出每橫格的單位爲200mV 根據每5格一個輪迴的顯示 就能得出信號的週期爲1000mV 即1mV 此時我們就能計算出該信號的頻率爲1000Hz 當然如果你按下測量菜單 並在水平按鈕中選擇頻率 那麼試波器就會自動計算出該信號的頻率值 取一顆9V的方塊電池 用接地夾連接負極 探針連接正極 試波器會馬上呈現出一條正電壓線 我們以中間的接地0V作爲參考 就能輕鬆計算出電池9V的電壓 此時如果將低線夾與探頭反接 試波器同樣能以負方向的形式顯示出9V的數值 將萬用表切換至通斷測試檔 我們發現所有的通道接口與接地之間都是互通的 並且接地夾與通道接地也存在連接 電阻趨近於沒有 所以接地夾一定要連接設備的低線端 但如果你將它夾在電路的中間 那就會使得試波器所有的通道帶電 在使用兩個或者多個探頭時 低線夾也切記要連接相同的低線參考端 一旦其中一個夾子接到了電路中間 那麼就會造成短路 電流會繞過剩下的電路 直接從試波器連接大地了 另外 試波器本身的電源線與探頭之間 也是存在直接連接的 雖然機身註明了可以測量400伏的交流電壓 但請切記不要用標準探頭直接往插座裏插 因爲在家用電路中 低線和零線在主配電盤是相互連接的 如果你不小心將接地夾連接到帶電部件 那就會造成短路 巨大的電流將直接燒燬你的試波器 當然 如果你的電路中有漏電保護器 那它就能瞬間切斷主電源 保你試波器的一條狗命 當然 如果你的測試電路是電池供電 那就沒什麼問題 但切記不要使用USB持續供電 因爲它也是帶主電源接地的 有的老鐵說 我把地線插頭絕緣不就行了 我只能說這是要拿試波器的命換你自己的命 此時漏寶因爲沒有接地就不會跳閘 而你手握的所有位置都將會帶電 絕對打你沒商量 所以在測量家用電路時 我們一定要選用插分探頭組 它可以將電路與設備有效隔離 接下來我們再用一個簡單電路 來演示一下試波器的使用方法 連接好接地位與555定時器的3號引腳 按下自動按鈕並調整比例 以查看脈衝信號 這裏可以通過電位器來改變脈衝的寬度 將水平控制區放大 此時我們發現這個脈衝曲線有瑕疵 在正極與負極之間連接一個電容器 圖像就會馬上被改善 現在咱們再給試波器增加一個探頭 並啓動顯示 手柄切換到誠實位置 觀察DC偶合與檔位確保正確 通道1縱隔爲2V 那咱們就把通道2調整爲5V 接地加連接負極公共參考點 探頭則直接連接正極 現在屏幕上就出現了兩條正向的信號線 通道2是輸入 通道1則是輸出 你會發現輸入通道上有一個小下降 我們將電容器移除看看 我按了個洞 直接扭曲了不像樣了 這個瑕疵會影響電路中的所有元件 所以我們還是趕緊把電容插回去吧 關閉通道2並斷開探頭 並從電路中取下探頭1 推掉手柄的前端包頭 就會露出一顆小尖尖 給它戴上一個絕緣安全帽 現在你就可以探測電路中的各個觸點了 特別是對於微小的SMD元件非常實用 我們將探針放在定時器的2號引腳上 試波器會呈現一條鋸齒波 它所反饋的就是定時電容的充放電過程 並且在電容器 引腳6和電位器上都能看到它 此時我們給3號引腳接入一個電阻和LED燈 通電後LED將會亮起 用電位器可以控制它的亮度 而試波器上則能看出脈衝寬度發生了變化 脈衝越長意味着每個週期的持續時間越長 所以燈泡會越來越亮 接下來再給電路中接一個電機 核心部件就是一顆MOSFET三級管 MOSFET管由電壓控制 脈衝可控制其打開與關閉 這樣通過電位器就能控制電機的旋轉速度了 此時將試波器接入電機控制電路 屏幕上會顯示出很嘈雜的感應風間信號 此時換更高檔的試波器 就能清楚地看出風間的波形 鎖定畫面並按下快速測量功能 你就能查看到風間的具體數值了 這種風間的產生 是因爲電機本身就是一個存儲能量的電感器 在MOS管不斷地開啓關閉下 電機內的線圈會產生電湧現象 也就是對電路輸出反向電動勢 而解決的辦法就是增加一個二極管 使這個反向電動勢不能迴流至電路中 你看試波器中的風間馬上驟降了吧 我們調整信號 並將激發級別調高 就能清楚地看到電路中的波動變化了 二極管明顯改善了電湧尖鋒情況 此時再給電路並聯一個電容器 屏幕中的噪音又消失了大半 但如果換一個大電容呢 你會發現這樣噪的效果並不好 雜波反而更多了 所以說任何部位 大並不一定就是好 合適纔是最重要的 好了 關於試波器的使用 你瞭解了多少呢 雖然只能算是入門級別 但希望它能成爲你物理電學中一顆重要的基石 下課