1.2 電壓表VS示波器——探索示波器的優(yōu)越性

示波器的基本功能是電壓參數(shù)的測(cè)量，然而，電壓參數(shù)的測(cè)量不僅僅可以用示波器。電壓表也是一種電壓測(cè)量設(shè)備，那么兩者究竟有什么區(qū)別和聯(lián)系呢？與電壓表相比，示波器又有怎樣的優(yōu)越性呢？

1.2.1 電壓表簡(jiǎn)介

電壓表可以分為指針式與數(shù)字式兩種，從基本功能來(lái)說(shuō)，兩者是相同的（兩者都是具有電壓、電流、電阻等測(cè)量功能的萬(wàn)用表，在此處僅討論其電壓測(cè)量的功能），即都是對(duì)電路中的電壓量進(jìn)行測(cè)量。指針式電壓表的一般測(cè)試精度在1.5%左右，測(cè)試級(jí)的指針式電壓表可以達(dá)到0.5%，甚至0.1%的測(cè)試精度。圖1.3和圖1.4分別為常用的指針式電壓表及常用的數(shù)字式電壓表。

為了減少測(cè)試用儀表，在測(cè)量電壓等電參數(shù)時(shí)常用萬(wàn)用表的電壓擋測(cè)量電壓，指針式萬(wàn)用表的直流電壓擋精度最高可以達(dá)到1%，可以滿足一般測(cè)試應(yīng)用；數(shù)字式萬(wàn)用表在理論上可以達(dá)到更高的測(cè)量精度，比較廉價(jià)的數(shù)字式萬(wàn)用表也能達(dá)到四位半的測(cè)量精度。常用的指針式萬(wàn)用表和常用的數(shù)字式萬(wàn)用表如圖1.5和圖1.6所示。

圖1.5的MF47型指針式萬(wàn)用表是近20年來(lái)用得最多的指針式萬(wàn)用表，其根本原因是其性價(jià)比較高。MF47型指針式萬(wàn)用表的直流精度為2.5級(jí)。能達(dá)到1.0級(jí)的指針式萬(wàn)用表是20世紀(jì)60年代至70年代的萬(wàn)用表之王—MF18型萬(wàn)用表，它在一般的企業(yè)的儀表室中常替代測(cè)試級(jí)指針式儀表。而該款萬(wàn)用表的價(jià)格至少是MF47型指針式萬(wàn)用表的7倍。作為一般應(yīng)用顯得過(guò)于奢侈。關(guān)于萬(wàn)用表的詳細(xì)敘述，見(jiàn)本書(shū)后面內(nèi)容。

僅從外觀來(lái)看，顯然示波器的功能看起來(lái)要多得多，似乎使用起來(lái)也復(fù)雜得多。而就其本質(zhì)來(lái)說(shuō)，兩者又是怎樣呢？

1.2.2 電壓參數(shù)測(cè)量對(duì)比

可以通過(guò)下面四種情況進(jìn)行電壓參數(shù)測(cè)量對(duì)比。

1.直流電壓的測(cè)量

1）第1種情況：直流電壓平均值的測(cè)量

在這里測(cè)試一個(gè)輸出電壓為5V的直流穩(wěn)壓電源。兩者測(cè)量的結(jié)果如圖1.7所示。

對(duì)于直流電壓的測(cè)量，只需要得到電壓的一個(gè)數(shù)值。我們可以看到，兩者都可以用來(lái)測(cè)量直流電壓。其中，示波器僅顯示一條直線，并且讀數(shù)的精度很差，一般精度為3%；對(duì)應(yīng)的，萬(wàn)用表以電壓表方式在測(cè)量電壓的時(shí)候，所顯示的信息是高精度的電壓示數(shù)。數(shù)字式電壓表具有比較高的電壓測(cè)量精度，手持式數(shù)字電壓表可以精確到四位半有效數(shù)字（19999），臺(tái)式數(shù)字電壓表可以達(dá)到五位半（199999）甚至更高的精度。另外，示波器開(kāi)機(jī)及設(shè)置過(guò)程比較復(fù)雜，而電壓表僅需要打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)（指針式電壓表不需要電源，因此不用打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)的操作）選擇恰當(dāng)?shù)牧砍碳纯伞?/p>

因此，僅僅從測(cè)量直流電壓的平均值的用途來(lái)看，電壓表明顯優(yōu)于示波器。

2）第2種情況：直流電壓中帶有的毛刺和紋波電壓的測(cè)量

理想的直流電壓源的理想狀態(tài)應(yīng)該是僅有平均值，沒(méi)有交流分量（如毛刺或紋波電壓）。但是在實(shí)際應(yīng)用中直流電壓源或者因?yàn)樽陨碓颍ㄈ缯鳛V波電路的整流輸出電壓中存在紋波電壓，或開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓中存在尖峰電壓），或者來(lái)自于負(fù)載的交流電流分量，會(huì)引起直流電壓源產(chǎn)生電壓尖峰或毛刺。

如果直流電壓中帶有毛刺或其他的干擾，如工頻交流電整流濾波后的紋波電壓，僅能顯示電壓數(shù)值的電壓表將無(wú)法測(cè)量，這時(shí)示波器可以將疊加在直流電壓上的毛刺或紋波電壓很好地顯示出來(lái)。圖1.8為用示波器測(cè)量直流電壓上的毛刺，圖1.9為用示波器測(cè)量工頻整流濾波輸出的紋波電壓。

圖1.8 和圖1.9 顯示的波形和參數(shù)是一般的電壓表所不能顯示的，這就顯現(xiàn)出示波器的優(yōu)勢(shì)，可以通過(guò)測(cè)得的交流電壓分量來(lái)了解直流電壓源的性能和品質(zhì)，因?yàn)橹绷麟妷荷席B加的紋波電壓和尖峰電壓的大小會(huì)影響由其供電的電子線路是否能正常工作。

2.交流電壓的測(cè)量

對(duì)于交流電壓的測(cè)量，一般來(lái)說(shuō)也是僅需要讀取其電壓值。我們可以看到，此時(shí)的測(cè)量情況，基本上與第1種情況相同：如果僅僅測(cè)量交流電壓的有效值，示波器的精度遠(yuǎn)比不上電壓表，特別是數(shù)字式電壓表。

如果交流電壓不是一個(gè)純正正弦波，在示波器的屏幕上會(huì)顯示出電壓隨時(shí)間的變化，無(wú)論是方波、三角波還是其他的電壓波形，示波器都可以顯示出來(lái)，如圖1.10所示。而電壓表僅僅顯示此交流電壓的有效值或真有效值，這僅僅是一個(gè)數(shù)字，不能顯示出交流電壓是如何變化的。在非線性電路中，電子工程師要清楚電路的工作狀態(tài)是否正確就需要看到電路相關(guān)的電壓對(duì)時(shí)間的波形。

在需要知道頻率、相位的時(shí)候，由于電壓表一般不能顯示頻率和相位，因此僅僅用電壓表是肯定做不到的。

1）第3種情況：矩形波電壓測(cè)量

矩形波電壓是現(xiàn)在很常見(jiàn)的交流電壓波形。用電壓表和示波器測(cè)量的結(jié)果如圖1.11所示。

在圖1.11 中，整流系交流電壓表顯示電壓有效值為11V，而真有效值電壓表則顯示為9.31V。兩種電壓表的示數(shù)不同，肯定有一個(gè)電壓表的示數(shù)是錯(cuò)誤的，為什么呢？

原因是指針式交流電壓表可以分為整流系和電磁系兩種。指針式儀表中，最常見(jiàn)、最便宜的是電磁系電壓表，但是這種電磁系電壓表只能測(cè)量直流電壓平均值，不能直接測(cè)量交流電壓。要想用電磁系電壓表測(cè)量交流電壓，最簡(jiǎn)單的方法就是在電磁系電壓表前加二極管“整流”，根據(jù)整流輸出的電壓平均值與交流電壓的有效值之間的關(guān)系，在表盤(pán)上將平均值折算為有效值電壓。在交流電壓不是正弦波電壓時(shí)，其有效值與整流后的平均值的換算關(guān)系就會(huì)變化。在沒(méi)有更好的解決方案之前，不同的電壓波形常通過(guò)一個(gè)換算表再換算一次。

另一種指針式電壓表是電磁系電壓表，這是顯示真有效值電壓的電壓表，這種電壓表多用于測(cè)量工頻電壓。這就是兩種電壓表顯示的方波或非正弦波電壓值不同的原因。

在數(shù)字電壓表中也有“整流系”和真有效值的交流電壓測(cè)試方式，因此不同數(shù)字電壓表的測(cè)試方式，其測(cè)試結(jié)果必然不同。

示波器可以讓觀察者看到波形的形狀，甚至還有占空比、頻率等參數(shù)，也會(huì)看到矩形波上是否存在雜波。

2）第4種情況：失真的正弦波測(cè)量

在電子測(cè)量中，我們?yōu)榱说弥娐返墓ぷ鳡顟B(tài)，很多時(shí)候僅僅關(guān)心波形的形狀，而非幅值。因?yàn)橛行┣闆r下，我們可能連交流電壓是怎樣的波形都不知道，比如失真的正弦波，在模擬電子技術(shù)中常常要測(cè)量波形。對(duì)于這種測(cè)量，顯然只能進(jìn)行幅值測(cè)量的電壓表毫無(wú)辦法，不但測(cè)量的數(shù)值不正確，而且連波形失真與否都無(wú)從得知。而示波器可以清楚地顯示每個(gè)時(shí)刻波形的電壓值，并將圖像顯示在屏幕上，因此是否失真一目了然。圖1.12為一個(gè)帶有直流分量和交流分量的脈動(dòng)直流電壓測(cè)試結(jié)果。

很顯然，指針式電壓表只顯示了其直流分量8.2V，數(shù)字式電壓表也僅僅顯示了直流電壓平均值，與指針式電壓表所不同的是其測(cè)量精度更高。電壓表在真有效值的測(cè)試方法下所測(cè)試到的脈動(dòng)直流電壓是直流電壓分量和交流電壓分量共同作用下的有效值電壓，不能給出其交流電壓是多少，是什么樣的波形，而示波器就能清楚地告訴我們。

很明顯，對(duì)于未知波形（本例中為失真的正弦波）的測(cè)量，示波器的作用是不可替代的。

大部分萬(wàn)用表的交流電壓測(cè)量只是針對(duì)正弦波的，而當(dāng)波形為非正弦波時(shí)，由于波形系數(shù)不同的緣故，便不能再用普通的電壓表，而只能選擇與波形相對(duì)應(yīng)的電壓表去測(cè)量。而示波器則沒(méi)有這種缺陷，不論電壓為何種波形，都可以正確地測(cè)量，只需要一臺(tái)示波器即可完成任務(wù)（不考慮頻率的問(wèn)題）。顯然，此時(shí)示波器的通用性要明顯優(yōu)于電壓表。并且更多情況下，需要對(duì)方波的頻率、矩形波的占空比，甚至上升時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，這時(shí)就必須使用示波器才能測(cè)得這些數(shù)據(jù)，對(duì)于這些電壓表所無(wú)法測(cè)量的參數(shù)，示波器的功能是極為優(yōu)越的。可見(jiàn)，對(duì)于非正弦交流電壓，示波器在測(cè)量方面的優(yōu)勢(shì)是電壓表所無(wú)可比擬的。

總而言之，經(jīng)過(guò)以上的討論，我們知道電壓表與示波器各有其優(yōu)勢(shì)：對(duì)于僅需要測(cè)得直流電壓和正弦交流電壓幅值的情況，電壓表的測(cè)量快速準(zhǔn)確；而對(duì)于非正弦交流電壓或者未知波形幅值、頻率、占空比、上升時(shí)間等波形參數(shù)的測(cè)量，以及觀察每個(gè)時(shí)刻電路的工作狀態(tài)，則唯獨(dú)示波器可以做到。

因此，示波器的優(yōu)勢(shì)就是可以對(duì)各種各樣的電壓波形進(jìn)行多物理量測(cè)量，并且可以很方便地得到電路每個(gè)時(shí)刻的工作狀態(tài)。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，這種測(cè)量的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越多。可以說(shuō)，掌握示波器的使用，是當(dāng)代電子工程師的一項(xiàng)必備技能。