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虹科Pico汽车示波器

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原创高手修车都用示波器：示波器是什么？如何选购？

 2023-11-21 10:50  819 3 3 分类: 汽车电子文集: 汽车示波器

大多数汽车维修人员没用过示波器，习惯于使用万用表检测汽车故障，对示波器的功能不了解，认为它非常神秘。下面笔者通过介绍示波器的一些主要性能参数，来为大家揭开它的面纱。

一、为什么要用示波器修车？

数字式万用表的刷新速度通常是2次/s（部分高端万用表能达到4次/s），若用它测量一个信号电压，会在显示屏上显示一个读数，这并非实际电压，受限于较慢的刷新速度，这只是平均电压。举个例子，图1为可变气门正时电磁阀电路，红色线路为供电线，发动机控制单元控制蓝色线（控制线）搭铁，使电磁阀工作。将数字式万用表的红表笔接在控制线上，黑色表笔接搭铁，测得的电压约为8.7 V，这是实际电压吗？

图1　可变气门正时电磁阀电路

示波器测得该控制线上的电压波形如图2所示，可以看出，控制线上的电压在低电位（约为0.28 V）和高电位（约为14.6 V）之间来回变化，计算出的平均电压为8.74 V。其实这是一个占空比信号，周期约为4 ms，电磁阀通电时间占一个周期的比例约为40%，也就是说阀门的开度约为40%。

图2　可变气门正时电磁阀控制线上的电压波形

示波器的刷新速度非常快，超过每秒百万次，能在极短的时间内采集多个电压数值，并将其绘制成曲线，以图像的形式呈现出来，让维修人员能够直观地看到信号是如何变化的，与其他测量设备相比，示波器具有不可比拟的优势。

二、示波器有哪里类型？

示波器可分为模拟示波器和数字示波器。模拟示波器（图3）像老式的显像管电视机，它利用狭窄的、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。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变化曲线。

图3　模拟示波器

模拟示波器的分辨率高，图像细腻、真实，对信号的测量是连续进行的，并且能够实时显示波形，但是它没有存储功能，突变信号一闪而过，不能保持在屏幕上，同时模拟示波器体积大、笨重，工作时需要连接220 V电源，因此维修汽车不使用模拟示波器。

数字示波器中最常见的是数字存储示波器（Digital Storage Oscilloscope，简称DSO），这种示波器能够存储波形，它是如何做到的？DSO的信号处理过程如图4所示，不要被一大堆未知的名词吓跑了，做汽车维修不需要深入学习这方面的知识。从名字就能看出，DSO存储的是数字信号，可以把这种信号理解为一个开关，只有“断开”和“接通”两种状态，即“0”和“1”的变化。

图4 DSO的信号处理过程

探头（相当于万用表的表笔）向DSO输入一个连续变化的电压，这是模拟信号，前端放大器能将微弱的电压信号放大，提高DSO的灵敏度。中央处理器只能处理数字信号，所以必须把连续信号数字化，这个过程是怎么实现的？如图5所示，模拟/数字转换器等时间间隔地采集电压样本，再将这些电压样本转化成数据，并按照顺序存入存储器。波形是怎样显示在屏幕上的？中央处理器按原顺序读取存储器中的数据，然后将其转换为合适的格式输出给显示屏，就可以显示波形了。

图5 DSO的信号采样和存储过程

通过上述描述可以看出，DSO的信号处理过程主要分为“采样存储”和“处理显示”两个阶段，这两个阶段只能交替进行，即“采样存储”期间无法“处理显示”，“处理显示”期间停止“采样存储”，因此DSO不能实时显示波形，这会导致丢失一部分信号波形，但无需对此担心，DSO处理信号的速度非常快，丢失的波形很少，不会对使用造成影响。

DSO能长时间存储波形，其内部的微型中央处理器有很强的数据处理能力，可以实现多种波形参数的测量和显示，还能进行加减乘除等多种复杂的运算，因此维修汽车使用DSO。

三、数字示波器有哪些性能指标？

随着汽车电气化程度的提高，示波器在汽车维修领域逐渐普及起来，市场上的示波器种类及品牌多如牛毛，价格从几百元到几万元不等，如何判断一台示波器的好坏呢？可以从通道、带宽、采样率、存储深度及垂直分辨率等参数指标进行评价。

1、通道

通道即同时可测量的信号数量，通道越多，可比较性越好，允许同时观察更多的信号，示波器的价格也更贵。比如检查发动机配气正时，至少需要2个通道，一个通道测量凸轮轴位置传感器，另一个通道测量曲轴位置传感器，而对于1台配备了双可变配气正时机构的4缸发动机，进、排气凸轮轴都带位置传感器，就得用3个通道，使用双通道示波器只能分2次测量。

通道并非越多越好，采用多通道运行会降低示波器的性能，比如采样率和存储深度。汽车维修一般使用2通道或4通道示波器。

2、带宽

带宽指信号可通过示波器前端放大器的最高频率，相当于一扇“门”，如果被测信号的频率高于示波器的带宽，将无法通过这道“门”。在选择带宽时，可以使用“5倍法则”，即示波器的带宽至少是被测信号最大频率的5倍。比如高速CAN总线的传输速率为500 kbit/s，理论上带宽为2.5 MHz的示波器就够用了，而大多数汽车专用示波器的带宽都在20 MHz以上，已经远超需求。

3、采样率

模拟/数字转换器等时间间隔地采集电压样本，并把该电压转化为二进制的数字信号，这就是DSO的采样。示波器的采样率表示每秒的采样次数，它的单位是兆样本每秒（MS/s，M Sample/second）或千兆样本每秒（GS/s，G Sample/second），比如pico汽车专用示波器的采样率为400 MS/s，意味着每秒可采集4亿个样本。

采样率决定了示波器可以捕获多少波形细节。采样率越高，意味着采样之间的时间间隔越小，重建出来的波形就越接近原始信号。为了最大程度发挥示波器的性能，笔者再次推荐“5倍法则”，即采样率最低是带宽的5倍，比如示波器的带宽为20 MHz，采样率至少为100 MS/s（这里指单个通道的采样率）。

示波器的采样率和带宽不同，当打开多个通道的时候，采样率会被每个通道平均分配，比如示波器的采样率为400 MS/s，使用2个通道时，每个通道的采样率降低为200 MS/s。

4、存储深度

存储深度英文叫“Record Length”，有时翻译成“存储长度”或“记录长度”，都是一个意思。存储深度表示示波器可以保存的采样点的个数，单位为kpts（kS）或Mpts（MS），pts是points的缩写，意思是采样点，比如示波器的存储深度为1 Mpts，意味着它可以保存100万个采样点。

在存储深度一定的情况下，采样率越高，存储器存满的速度越快，反之亦然，采样率和存储深度之间的关系为：存储深度=采样率×波形时长。例如，假设某款示波器的采样率为200 MS/s，水平轴（时间轴）满屏幕为10格，设置时基为10 ms/格，则每屏幕采样时间是100 ms（10 ms/格×10格），需要示波器的存储深度为20 Mpts（200 MS/s×100 ms）；设置时基为100 ms/格，则每屏幕采样时间是1 s（100 ms/格×10格），需要示波器的存储深度为200 Mpts。如果该款示波器的存储深度只有2 Mpts，由于存储深度是固定的，只能通过降低采样率达到目的，在第1种时基设置情况下，示波器的实际采样率降低至20 MS/s；在第2种时基设置情况下，示波器的实际采样率为2 MS/s，这势必造成波形质量下降。

当打开多个通道时，存储深度也会被每个通道平均分配，比如示波器的存储深度为2 Mpts，使用2个通道时，每个通道的存储深度降低为1 Mpts。

示波器的存储深度是一项重要的指标，如果存储深度不足，根本无法实现示波器标称的采样率，只能以较低的实际采样率工作。示波器中的模拟/数字转换器采样速率太快，普通存储介质的数据“吞吐”速度跟不上，怎样将采样点高速地传输到存储器中是一个难题！很多低端示波器的存储深度都小得可怜，大家在购买前一定要擦亮眼睛。

诊断汽车故障时，有的故障是偶发瞬态出现的，需要使用一款能同时提供大存储深度和高采样率的示波器。笔者建议，汽车示波器的存储深度至少要达到1 Mpts（这里指单个通道的存储深度）。

5、垂直分辨率

分辨率指的是纵横向上的采样点数，它决定了展示波形细节的精细度，其中水平分辨率取决于存储深度，以屏幕每格含多少个取样点表示。垂直分辨率取决于模拟/数字转换器的分辨率，表示示波器将输入电压转换为数字值的精确程度。图6中示波器的屏幕坐标刻度为8×12格，若采用容量为1 kpts的存储器，则水平分辨率为1 024点÷12格≈85点/格。若使用8位的模拟/数字转换器，二进制从0000 0000到1111 1111共28个数字，即屏幕在垂直方向上可以被切分成256段，它在垂直方向上的测量精度为256级÷8格=32级/格。选择电压挡位为1 V/格时，模/数转换器能分辨的电压为1 000 mV÷25.6≈39 mV；测量同一个信号，选择电压挡位为5 V/格时，模/数转换器能分辨的电压为5 000 mV÷25.6≈195 mV。DSO无法测量小于分辨电压的信号，所以在使用示波器时，应调整好幅值，尽量使波形占满示波器屏幕，这样能提高垂直精度，使测量结果更准确。

普通示波器的垂直分辨率为8位，部分高端示波器的垂直分辨率可达12位，这意味着屏幕在垂直方向上可以被切分成4 096段，若屏幕纵向上是10格，它在垂直方向上的测量精度为4 096级÷10格=409.6级/格，精确度提高16倍。

示波器的主要功能是显示波形的形状，测量准确度一般在2%以内，受限于垂直分辨率，示波器的测量精度是不如万用表的。每种设备都有自己的优势，如果追求电压的准确度，建议使用万用表。

四、如何选择示波器的外观形式？

数字示波器不仅参数指标众多，还有很多种外观形式，比如手持式、台式、平板等，这也是很多示波器爱好者关心的话题，笔者顺带介绍一下。

台式数字示波器的价格便宜，性价比较高，但体积大、笨重，需要连接220 V电源。维修汽车一般不使用这种示波器。

手持数字示波器的优点是自带电池，不用外接电源，体积小（比万用表略大），缺点是屏幕太小，屏幕分辨率不高，适合汽车维修使用。

平板数字示波器的外观像平板电脑，屏幕大，触控操作，自带电源，也适合汽车维修使用。

虚拟数字示波器不带显示屏，通过USB线将数据传输到电脑显示，缺点是维修时还得拿1台笔记本电脑，优点是高清大屏显示，便于观察和存储波形，软件操作人性化，同样适合汽车维修使用。

笔者使用的就是pico品牌的虚拟示波器，低端的虚拟示波器不好用，要买就得买高端的，否则建议选择其他种类的示波器。很多品牌都推出了汽车专用示波器，它只是简化了参数设置环节，比如幅值、时基等，并给出少量的维修资料，笔者认为实际作用不大，示波器的好坏还得看性能指标。

作者：中鑫之宝汽车服务有限公司　任贺新